Cosa sono le onde gravitazionali

Stazione di controllo dell'European Space Operations Centre (ESA/ESOC) prima del lancio del Lisa Pathfinder nel dicembre 2015 per lo studio delle onde gravitazionali (foto: Getty Images)
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Grazie a questa scoperta sono stati premiati i fisici Kip Thorne, Barry Barish e Rainer Weiss che in 40 anni di lavoro hanno sviluppato sistemi per osservare queste vibrazioni dello spazio-tempo

Einstein le aveva solo previste circa un secolo fa con la teoria della relatività, ma ora la scienza è stata capace anche di osservarle. La scoperta delle onde gravitazionali, frutto della collaborazione fra il progetto statunitense Ligo e quello europeo Virgo, è valsa il premio Nobel per la fisica 2017 a Kip Thorne, Barry Barish e Rainer Weiss. Le onde gravitazionali sono 'vibrazioni' spazio-temporali dovute a particolari fenomeni dell’universo come collisioni tra buchi neri, supernovae o il Big Bang da cui l’universo stesso ha avuto origine. Fino alla loro scoperta, erano rimaste l’unico fenomeno previsto dalla teoria della relatività, ma ancora non osservato.

La scoperta delle onde gravitazionali

Le onde gravitazionali sono state osservate per la prima volta nella storia il 14 settembre del 2015. Il fenomeno che ha permesso di rilevarle è stata la collisione e la successiva fusione, avvenute circa 1,3 miliardi di anni fa, tra due buchi neri, di massa 29 e 39 volte superiori rispetto a quella del Sole, che hanno generato un rilascio di energia sotto forma proprio di onde gravitazionali. L’annuncio ufficiale della rilevazione è arrivato a febbraio del 2016 in due conferenze congiunte relative ai progetti scientifici internazionali che stanno dietro a questa scoperta: Ligo e Virgo. Il primo sta per "Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory" e ha la sua base in California, mentre Virgo, che fa capo all'osservatorio Ego (European Gravitational Observator), è un progetto scientifico cui l'Italia partecipa con l'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (Infn) di Cascina, a Pisa.

Le 'increspature' spazio temporali

Per capire cosa siano le onde gravitazionali, si potrebbe pensare all’effetto generato da una persona che salta su un tappeto elastico. Un fenomeno simile accade nell’universo quando masse gigantesche come i buchi neri si scontrano o le supernova, stelle più grandi e luminose del Sole, esplodono. Lo spazio in cui sono "immersi" questi corpi si deforma e la conseguenza sono onde che, come le increspature sull'acqua, percorrono l’universo alla velocità della luce. Fino alla scoperta che è valsa il Nobel per la fisica 2017, le onde gravitazionali erano rimaste invisibili: un’increspatura comporta una contrazione o una dilatazione dello spazio, ma è difficile da notare perché gli osservatori (noi stessi) siamo coinvolti nelle modifiche spaziali. Strumenti come Ligo e Virgo che hanno permesso di osservare le onde gravitazionali, funzionano più o meno in questo modo, utilizzando la costante della velocità della luce (che invece non cambia mai): un raggio laser viene sparato verso uno specchio che lo divide in due fasci, con un angolo di 90 gradi, diretti verso altri due specchi posti a quattro chilometri di distanza. Una volta riflessi, i due fasci tornano indietro verso un rilevatore. In base ai cambiamenti del tempo di viaggio impiegato, si può rilevare la presenza di onde gravitazionali capaci di dilatare o diminuire lo spazio e, di conseguenza, variare il tempo di percorrenza.

La teoria della relatività di Einstein

Era stato Albert Einstein a teorizzare per primo, nel 1916, l’esistenza delle onde gravitazionali nella teoria della relatività, concetto sviluppato per descrivere la struttura quadrimensionale dell’universo, che comprende le tre variabili dello spazio (lunghezza, larghezza, profondità) e quella del tempo. Secondo la teoria, un corpo nello Spazio, a causa della gravità, sarebbe in grado di distorcere lo spazio-tempo intorno a sé, espandendolo o contraendolo. Più grande sarà la massa del corpo, maggiore risulterà la distorsione. Perché in questo processo venga generata un’onda gravitazionale, però, è necessario che ci si trovi in presenza di masse estremamente grandi come galassie o buchi neri e che queste si scontrino liberando una quantità di energia tale da propagarsi nell’universo in tutte le direzioni. Perché questa onda sia rilevata, poi, devono sussistere condizioni molto difficili. La variazione nello spazio è infinitesimale (il diametro della Terra si allarga di soli dieci miliardesimi di metro al passaggio di un'onda gravitazionale di grossa portata) e le misurazioni devono tenere conto delle inevitabili interferenze. Per tutti questi motivi, un fenomeno che era stato ipotizzato più di cento anni fa, ha trovato soltanto oggi la sua conferma.

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