Le onde gravitazionali esistono – e le abbiamo viste!

Fin dalla sua pubblicazione, la relatività generale ha generato negli scienziati grande entusiasmo, ma anche molta apprensione. Entusiasmo, perché dava una visione del tutto nuova dello spazio e del tempo e, soprattutto, della gravità, che, anche se è la prima delle quattro forze fondamentali della natura che è stata studiata, è a tutt’oggi la più misteriosa; apprensione, perché la teoria è straordinariamente complicata, sia dal punto di vista matematico, che della comprensione dei fenomeni fisici, che della verifica sperimentale delle sue conseguenze.

Alcune conseguenze della relatività sono state osservate relativamente presto, come la curvatura dello spazio-tempo prodotta dal Sole, osservata da Eddington nel 1919, o la precessione anomala del perielio di Mercurio, che era stata osservata prima ancora del lavoro di Einstein. In tempi più recenti, sono stati osservati il redshift gravitazionale e le lenti gravitazionali nell’Universo profondo. È stato anche osservato un effetto di perdita di energia nei sistemi binari di pulsar, che è stato attribuito all’emissione di onde gravitazionali: queste onde, però, non erano mai state osservate direttamente, almeno fino a oggi.

In questo momento, in diversi istituti del mondo, viene presentata la pubblicazione di un risultato storico. L’esperimento LIGO, di cui sentiamo parlare da mesi in relazione alla presunta scoperta di queste elusivissime onde, ha dichiarato di avere finalmente le prove che esistono e che possono essere rivelate da un esperimento terrestre. Abbiamo descritto LIGO e i rumour sulla sua possibile scoperta qui e abbiamo accennato al fatto che la coalescenza di due buchi neri potesse essere uno dei fenomeni più “facili” da osservare da parte di LIGO. Così è andata: il miglior evento raccolto finora dall’esperimento americano è proprio la fusione di due oggetti celesti di grande massa, alcune decine di masse solari, e supercompatti, a oltre un miliardo di anni luce dalla nostra Terra. Due buchi neri in orbita uno intorno all’altro tendono, infatti, a spiraleggiare riducendo la distanza tra loro, fino a fondersi. La velocità con cui orbitano aumenta sempre e con essa la frequenza con cui compiono le orbite: il fatto che due masse ruotino una intorno all’altra genera un’onda gravitazionale, di frequenza pari al doppio della frequenza di rotazione delle masse.

320px-White_dwarfs_circling_each_other_and_then_collidingVia via che la frequenza aumenta, diventa più semplice per un nostro rivelatore vedere l’effetto di questa onda. Le antenne gravitazionali sono sensibili a frequenze superiori a qualche migliaio di cicli al secondo, gli interferometri come LIGO o VIRGO dalle decine di cicli in su. Immaginiamo per un momento due oggetti, ciascuno dei quali ha una massa pari a qualche decina di Soli, che ruotano uno intorno all’altro in un centesimo di secondo: questo è quello di cui stiamo parlando, un fenomeno che comporta energie immense e che dura pochissimo. L’ultima fase della coalescenza, quella che un esperimento come LIGO può vedere, dura infatti pochi secondi. Il perché sia stato così difficile osservare direttamente le onde gravitazionali è legato all’eccezionalità di questi fenomeni. Per avere un’idea più precisa di queste scale temporali, consideriamo due stelle di neutroni di massa uguale a quella del nostro Sole. Il loro diametro, essendo la materia di cui sono composte fortemente degenerata, sarà di soli 10 chilometri. Quando la loro distanza scende sotto i 2000 chilometri, la frequenza di rivoluzione sale sopra a 1 Hertz e in sole 36 ore il sistema collasserà, arrivando a una frequenza, nella fase immediatamente precedente la fusione delle due stelle, di quasi 1000 Hertz.

La relatività generale è stata pubblicata nel 1915 e le prime verifiche sperimentali sono arrivate in pochissimi anni, insieme alla descrizione matematica dei sistemi più semplici. Ci vorrà una quarantina d’anni per soluzioni delle equazioni di Einstein per sistemi più complessi, e tra gli anni Sessanta e Settanta del Ventesimo secolo la relatività generale ha vissuto uno dei periodi di massimo interesse e sviluppo. Nel 1974 Hulse e Taylor hanno scoperto il primo sistema binario contenente una pulsar, osservando il quale sono stati in grado di affermare con certezza che le onde gravitazionali esistono e provocano effetti visibili su sistemi di quel tipo: la loro scoperta li ha portati al Nobel nel 1993. Oggi assistiamo a un nuovo fondamentale passo avanti della relatività generale, con un esperimento che ha, finalmente, osservato direttamente le onde gravitazionali. Un capitolo di fisica si chiude, un capitolo, forse più grande, di astrofisica e cosmologia osservativa si apre: siamo infatti da oggi in grado di osservare anche attraverso le onde gravitazionali e da queste trarre informazioni sui fenomeni che le hanno prodotte. Nell’Universo ci sono ancora un sacco di fenomeni misteriosi per i quali informazioni sul comportamento della gravità potrebbero esserci di grande aiuto. In particolare, ci aspettiamo che le onde gravitazionali possano portarci informazioni sui buchi neri, le stelle di neutroni e tutti quegli oggetti che non emettono luce: ricordiamo che la materia visibile, nell’Universo, è circa un sesto di tutta la materia esistente e contribuisce alla gravità su larga scala per meno di un ventesimo del totale. La gravità stessa, in condizioni di campo forte, cioè in prossimità di oggetti come i buchi neri o per oggetti che si muovono a velocità estremamente alte, è tutt’ora un campo per noi del tutto inesplorato… nonostante, come accennato all’inizio, sia la forma di interazione fondamentale che studiamo da più tempo.