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La curiosità del mese

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"La scoperta del secolo": la rivelazione delle onde gravitazionali.

La curiosità del mese di marzo 2016 a cura di Luca Perri


Fig. 1 - Immagine artistica delle onde gravitazionali generate nella fusione di due buchi neri.
Fig. 1 - Immagine artistica delle onde gravitazionali generate nella fusione di due buchi neri.

Come avrete letto o sentito, la comunità astrofisica ha trascorso il mese di febbraio a stappare bottiglie di cedrata e succo di mela, al fine di festeggiare come si deve quella che è stata definita "La scoperta del secolo": la rivelazione delle onde gravitazionali.
Ma cosa èsuccesso davvero? E perchè è davvero importante?
LA PREMESSA
1.3 miliardi di anni fa (oppure, se preferite, in un luogo distante 1.3 miliardi di anni luce), dopo un bel balletto a spirale, un buco nero (una cosa invisibile perchè risucchia tutto, luce compresa) la cui massa era 29 volte quella del Sole si è "fuso" con uno di 36 volte la massa solare.
Tutto questo ha dato origine ad un enorme buco nero rotante di 62 masse solari.
Ai più bravi in matematica non sarà sfuggito che 29+36 dovrebbe tendenzialmente fare 65, quindi che fine ha fatto la massa mancante?
Lo so, sembrerà che voglio fare il pignolo, in fondo sono giusto 6 miliardi di miliardi di miliardi di tonnellate, ma concedetemi di fare il puntiglioso e pormi la domanda.
Se c’è una cosa che piace dire a noi fisici, è che "nulla si crea e nulla si distrugge", quindi si sarà tramutata in qualcosa.
Nello specifico, quella massa è stata convertita, in una frazione di secondo, in onde gravitazionali.
Cosa sono lo diremo fra poco, sappiate solo che il processo ha avuto un picco la cui potenza era 50 volte quella di tutte le stelle dell’Universo visibile.
Insomma, una cosuccia di un certo rilievo.

Fig. 2 - Immagine della copertina della pubblicazione originale della Teoria della Relativita` Generale di Albert Einstein - 1916
Fig. 2 - Immagine della copertina della pubblicazione originale della Teoria della Relatività Generale di Albert Einstein - 1916

LA SVOLTA
100 anni fa, nel 1916, un fisico con qualche problema a livello di interazioni sociali ma dall’aspetto simpatico, Albert Einstein, pubblica la teoria della Relatività Generale. Tale teoria è alquanto complessa e porta a delle previsioni alle volte apparentemente audaci, se non insensate.
Fra le altre, quella che la luce possa essere influenzata dalla gravità.
Un’idea che spiana la strada alla nascita dell’idea di buco nero.
Le equazioni di Einstein prevedono inoltre l’esistenza ed il comportamento delle onde gravitazionali, deformazioni dello spazio-tempo.
Cosa sia lo spazio-tempo, almeno a parole, è presto detto.
Lo spazio, secondo i fisici, non ha solo le 3 dimensioni che tutti noi sperimentiamo nella vita reale (altezza, larghezza e profondità), ma ne ha anche una quarta: il tempo.
Questo, sebbene nella nostra testa tenda ad essere una cosa a sé stante, è in realtà strettamente intrecciato alle altre 3 dimensioni.
E questo "mostro" a 4 teste, che spaventerebbe anche Cerbero, è ciò che definiamo spazio-tempo.
Come vi dicevo, definirlo è abbastanza semplice. Decisamente più complesso è immaginarcelo.
La nostra mente non sa fare esempi che non siano tridimensionali, quindi con questi ci dovremo arrangiare.

Fig. 3 - Immagine artistica dello spazio tempo deformato da due corpi.
Fig. 3 - Immagine artistica dello spazio tempo deformato da due corpi.

Possiamo ad esempio pensare allo spazio-tempo come a un telo elastico: un telo nero su cui poggiare una grande boccia pesante.
Questa boccia, proprio come il Sole deforma lo spazio-tempo, formerà una conca nel telo.
Se ora voi prendete una biglia e la fate rotolare sul telo, questa inizierà a girare attorno alla boccia con una spirale, fino a cadere nel centro dell’affossamento.
Questo è esattamente ciò che succede alla Terra attorno al Sole.
C’è un’unica, fondamentale differenza: la biglia cade pian piano al centro della conca perchè viene rallentata dallo sfregamento (attrito) del telo, mentre il nostro pianeta, nello spazio, non sfrega contro nulla.
Niente paura, quindi, la Terra non finirà addosso al Sole, ma continuerà a girargli attorno!
Al massimo sarà il Sole, fra qualcosa tipo 5 miliardi di anni, a fare la montagna che va da Maometto. Ma in fondo questa è un’altra storia, e tendenzialmente io punto a fare programmi con scadenze un po’ più a breve termine.
Vi consiglio dunque di non perderci troppo il sonno, che già scarseggia.
Dicevamo, il telo e la boccia. Immaginiamo ora che la boccia diventi improvvisamente più leggera. Il telo si solleverà leggermente e sarà scosso da un’onda che si propagherà verso l’esterno.

Fig. 4 - Immagine artistica della propagazione delle onde gravitazionali.
Fig. 4 - Immagine artistica della propagazione delle onde gravitazionali.

La cosa non vi convince? Prendete una bacinella, andate al rubinetto e riempitela, poi poggiatela su un tavolo e infilate il dito indice nell’acqua, al centro della bacinella; quando l’acqua si sarà fermata, tirate velocemente fuori il dito.
Ora le vedete le onde a cerchio che si allargano? E non serve necessariamente tirare fuori il dito per creare le onde: potete anche muoverlo un po’ a zonzo, accelerando ogni tanto. Ecco, possiamo immaginarci lo spazio-tempo anche come quell’acqua. E quelle onde sono le onde gravitazionali!
Sono deformazioni dello spazio-tempo che stiracchiano tutto ciò che c’è immerso dentro, noi (come pianeta Terra) compresi.
In realtà tutto ciò di cui abbiamo appena parlato è ovviamente una semplificazione: una cosa che si chiama Teorema di Birkhoff ci dice infatti che dove c’è simmetria non c’è generazione di onde gravitazionali, ma qui entreremmo nel tecnico.
Dunque, onde gravitazionali. Un bel grattacapo, per gli scienziati.
Nei decenni successivi al 1916, infatti, tutte le varie previsioni di Einstein vengono verificate, a parte questa.
Per carità, del buon Albert ci fidavamo abbastanza. Tanto per fare un esempio, i satelliti del GPS sbaglierebbero a darci la posizione di una quindicina di chilometri al giorno, senza delle correzioni cosiddette relativistiche.
Però una teoria che ha una previsione non verificata ai fisici tende a piacere poco, turba il sonno. E per cent’anni, chi più chi meno, la gente dorme male, a prescindere da cosa farà il Sole fra 5 miliardi di anni.
Il problema, però, sta tutto in una considerazione: se anche i fisici non vedessero gli stiracchiamenti dati dalle onde gravitazionali, non vorrebbe necessariamente dire che queste non esistono.
La deformazione prevista è infatti infinitesima (frazioni minuscole di un atomo, ad esempio) e servirebbero strumenti enormi e complicatissimi per rilevarla.
Sempre negli stessi decenni, comunque, gli scienziati provano anche - già che ci sono - a verificare l’esistenza dei buchi neri, trovando solo qualche metodo indiretto.
Perchà sarà anche vero che il nero va su tutto, ma se va su qualcos’altro di nero - faccio un esempio a caso: lo spazio - non lo vedo neanche per miracolo.
E stiamo scherzando fino ad un certo punto: tutto ciò che viene emesso dall’interno di un buco nero rimane al suo interno, luce compresa, quindi il buco nero è sostanzialmente invisibile!

Fig. 5 - Kip Thorne (a destra) e Rainer Weiss (a sinistra) co-fondatori di LIGO si abbracciano durante l'annuncio della scoperta delle onde gravitazionali alla conferenza stampa al National Press Club in Washington, DC, l'11 Febbraio 2016. Crediti: Saul Loeb.
Fig. 5 - Kip Thorne (a destra) e Rainer Weiss (a sinistra) co-fondatori di LIGO si abbracciano durante l’annuncio della scoperta delle onde gravitazionali alla conferenza stampa al National Press Club in Washington, DC, l’11 Febbraio 2016. Crediti: Saul Loeb.

Pensate ad una baita in montagna, perfettamente illuminata all’interno, ma con le imposte delle finestre sprangate: di che colore la vedreste, in una notte buia e tempestosa? L’unica cosa che posso guardare di un buco nero è quello che c’è attorno, e non è poi così facile.
Si avanza poi l’idea che possano esistere dei buchi neri rotanti e anche sistemi di due (binari) o più buchi.
In fondo, se le stelle lo fanno, perchà non farlo fare ai buchi neri che dovrebbero essere stelle morte? Ma anche tutta sta roba è nera, quindi siamo punto e a capo.
32 anni fa, nel 1984, arriva però l’idea: i due fisici Rainer Weiss e Kip Thorne (quello che ha spiegato a Christopher Nolan come fare il buco nero di Interstellar e prendersi un premio Oscar per gli effetti speciali) decidono di fondare LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory), un progetto per costruire due rivelatori di onde gravitazionali da 4 km di lato.
E questo perchè più è lungo l’oggetto da deformare, più la deformazione è visibile (anche qui, la cosa è leggermente più complicata, ma prendiamola per buona).
Dopo quella ventina d’anni trascorsi a progettare e a raccogliere la cifretta necessaria, 14 anni fa (nel 2002) si inizia a costruire queste due orecchie per mettersi all’ascolto del cosmo.

Fig. 6 - Il regista Christopher Nolan (a sinistra) e l'attore principale Matthew David McConaughey sul set del film Interstellar.
Fig. 6 - Il regista Christopher Nolan (a sinistra) e l’attore principale Matthew David McConaughey sul set del film Interstellar.

Ci vorranno due anni per far partire la versione di prova degli aggeggi, che verranno testati per circa 4 anni. LIGO verrà poi spento per 7 anni, in modo che 1000 scienziati possano potenziarlo e dare vita alla versione 2.0, definita Advanced LIGO.
IL PRESTIGIO
Poi, 5 mesi fa, il giorno 14 settembre 2015, il Prestigio (già che si parla di Nolan ...): proprio nei giorni in cui si accendeva Advanced LIGO, le due orecchie hanno captato un segnale. Un’onda gravitazionale prodotta 1,3 miliardi di anni prima e che, proprio in quel momento, stiracchiava la Terra. Che notevole botta di Bravura!
Accantonata la prima euforia, gli scienziati trascorrono 5 mesi ad analizzare per bene i dati, prima di dire cose smentibili e fare figure poco edificanti.
Quando in fisica (ma azzarderei anche un "nella Scienza in generale") si effettua una misura, a quella misura viene affibbiata un’incertezza.

Fig. 7 - I due osservatori di onde gravitazionali gestiti da LIGO: l'osservatorio di Livingston (a destra) e l'osservatorio di Hanford (a sinistra) entrambi ospitano un interferometro di Michelson che consiste in un gigantesco tunnel vuoto a forma di L, lungo 4 km per lato, alle cui estremita' si trovano degli specchi sospesi. Il raggio laser nell'interferometro puo' rilevare le piccolissime deformazioni dello spaziotempo causate dalle onde gravitazionali.
Fig. 7 - I due osservatori di onde gravitazionali gestiti dal progetto LIGO: l’osservatorio di Livingston (a destra) e l’osservatorio di Hanford (a sinistra) entrambi ospitano un interferometro di Michelson che consiste in un gigantesco tunnel vuoto a forma di L, lungo 4 km per lato, alle cui estremità si trovano degli specchi sospesi. Il raggio laser nell’interferometro può rilevare le piccolissime deformazioni dello spazio-tempo causate dalle onde gravitazionali.

In pratica, si stima di quanto ci si potrebbe sbagliare (a causa di errori strumentali, segnale poco chiaro o statistica o altre mille cose).
Perchà tendenzialmente i numeri puri non hanno alcun senso.
Se il vostro strozzino di fiducia vi stima il tasso di interessi in un grazioso (50±1)%, la vostra euforia potrebbe essere un tantinello diversa rispetto ad un (50±49)%. Perchè potrebbe andare anche bene aver sovrastimato il tasso, ma se lo si fosse sottostimato forse qualche problemino in più lo si potrebbe avere.
In fisica, quando si vuole essere ragionevolmente convinti di una qualche cosa, bisogna superare il cosiddetto 5 sigma. In pratica, il valore misurato deve essere almeno 5 volte più grande dell’incertezza. Fidatevi quindi sempre e solo dello strozzino che vi propone il (50±1)%!
Ebbene, dopo 5 mesi, il muro del 5 sigma è stato abbattuto dalla Collaborazione LIGO (con l’aiuto abbastanza indispensabile degli scienziati della Collaborazione italo-francese VIRGO).
Infine, l’11 febbraio 2016, durante una conferenza in diretta mondiale, 5 persone hanno elegantemente dato il via ai festeggiamenti, narrandoci di come - in un colpo solo - abbiamo preso 6 piccioni:

Fig. 8 - A sinistra un'immagine pittorica dei due buchi neri che si stanno fondendo e a destra il segnale delle onde gravitazionali emesse dal processo. Il segnale, durato poche frazioni di un secondo, e' stato convertito in suono che potete ascoltare in questo video: https://www.ligo.caltech.edu/video/ligo20160211v2. Crediti LIGO.
Fig. 8 - A sinistra un’immagine pittorica dei due buchi neri che si stanno fondendo e a destra il segnale delle onde gravitazionali emesse dal processo. Il segnale, durato poche frazioni di un secondo, è stato convertito in suono che potete ascoltare in questo video: www.ligo.caltech.edu/video/ligo20160211v2. Crediti LIGO.

  • l’esistenza provata delle onde gravitazionali;
  • la prova diretta dell’esistenza di un buco nero;
  • la conferma sperimentale dei sistemi binari di buchi neri;
  • la conferma che i buchi neri possono fondersi;
  • la prova dell’esistenza dei buchi neri rotanti;
  • un tizio dalla barba improbabile che, dopo essersi preso un Oscar, si prenderà un Nobel.

Beh, se questa non è la Scoperta del Secolo, poco ci manca.
A cosa ci porterà?
Intanto si pensa che, tramite le onde gravitazionali, potremo studiare la fisica degli ambienti scomodi, per così dire: cosa avviene nelle vicinanze di un buco nero? Come la meccanica quantistica entrerà in contatto con la teoria della Relatività?
Forse ora avremo qualche strumento in più per scoprirlo.

Fig. 9 - I viaggi nel tempo del film cult Ritorno Al Futuro, che usciva nel 1985.
Fig. 9 - I viaggi nel tempo del film cult Ritorno Al Futuro del 1985.

C’è poi chi già parla di teletrasporto, viaggi nel tempo e di motori a curvatura. Su questo ci andrei coi piedi di piombo.
Un socratico "sappiamo di non sapere" sarebbe forse la risposta migliore. Anche perchè, onestamente, se sapessi qualcosa sul futuro dell’astrofisica, probabilmente il discorso di ringraziamento a mamma e papà da pronunciare a Stoccolma lo starei preparando io, non Kip Thorne.

[Durante la stesura di questo articolo nessun piccione è stato seriamente colpito da alcun colpo. Almeno, non qui nell’Osservatorio.]

Per saperne di più

Raccolta articoli MediaInaf
Luca Perri sulla cresta dell’onda gravitazionale da MediaInaf
Procederò con ordine e calma interiore Luca Perri su fb
Luca Perri a "Il mondo insieme" Youtube
L’osservatorio LIGO da Wikipedia
LIGO sito ufficiale in inglese
Conversione in suono delle onde gravitazionali dal sito ufficiale LIGO
L’interferometro italo-francese VIRGO da Wikipedia
L’interferometro italo-francese VIRGO sito ufficiale

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