La scoperta delle onde gravitazionali

La scoperta delle onde gravitazionali
Parliamo un po’ di scienza
di: Cosimo Stornaiolo 13 novembre 2017

Recentemente si è parlato molto di onde gravitazionali. In pochi anni sono state osservate per la prima volta negli Stati Uniti dalle  cosiddette antenne gravitazionali Ligo, successivamente data l’importanza della scoperta è stato attributo il Premio Nobel ai promotori della costruzione delle due antenne Ligo, ma con il contributo dell’antenna gravitazionale Virgo che sta a Cascina (Pi) nata da un’iniziativa italo-francese, si è riusciti a individuare la sorgente di un’onda gravitazionale attraverso una triangolazione, con una tecnica simile a quella dei navigatori satellitari, e metterla in relazione con un fenomeno visibile tramite i telescopi.

Abbiamo assistito in pochissimo tempo ad una rivoluzione scientifica impressionante, perché per la prima volta si può studiare un fenomeno astronomico con strumenti diversi e incrociare i dati e capire meglio il nostro universo.

Ma quale sono le ragioni per cui l’osservazione delle onde gravitazionali è così importante ed è stato dato un ampio risalto nell’informazione mondiale? Perché si investono tanti soldi per costruire un’antenna gravitazionale? Quali conseguenze può avere questa osservazione sulla vita di tutti i giorni? Queste sono domande che molti si sono posti e a cui cercheremo di dare una risposta. Possiamo dire che il motore di questa ricerca è innanzitutto la curiosità. Conoscere sempre di più il nostro mondo, il nostro universo. Questa è stata sempre la guida della ricerca dai primordi della storia dell’umanità. Inizialmente si studiavano le stelle, la loro posizione durante l’anno, la loro relazioni con gli eventi terrestri, come le stagioni, le epoche delle piogge, l’arrivo dell’inverno, il  tempo della semina e quello della mietitura. La conoscenza delle stelle era importante durante la navigazione per determinare la posizione nel mare e nel deserto. Nel poema di Esiodo si mettono in relazione le conoscenze scientifiche dell’epoca con le attività umane. Si cercò di stabilire una relazione tra gli eventi del cielo e quelli della terra.

Come si può vedere lo studio e la conoscenza avevano, come si dice oggi, profonde ricadute nella vita quotidiana  Come vedremo anche oggi lo sviluppo della ricerca scientifica continua ad avere lo stesso ruolo.

Per parlare di onde gravitazionali dobbiamo risalire all’anno 1915 quando il fisico tedesco Albert Einstein completò la formulazione della sua  teoria sulla gravitazione, la teoria della Relatività Generale. Questa teoria era destinata a rivoluzionare il modo in cui vediamo il mondo. Andava al di là della teoria della gravitazione di Newton e proponeva nuovi orizzonti nella comprensione delle leggi che regolano l’intero Universo.

Già dieci anni prima lo stesso Einstein aveva stravolto il modo di intendere spazio e tempo introducendo la teoria della relatività ristretta secondo la quale le misure di spazio e di tempo non sono le stesse per tutti gli osservatori.  Se consideriamo due osservatori in moto uno rispetto all’altro, faranno misure di lunghezza e di tempo diverse. Ognuno vedrà che l’orologio dell’altro va più lentamente e distanze non saranno più concordi. Tutto viene spiegato con le proprietà strane della velocità della luce; chiamata c, che è costante e che sommata ad un’altra velocità continua ad avere sempre lo stesso valore e che non esiste la possibilità di trovare segnali o particelle che viaggino ad una velocità maggiore di c.  Queste proprietà appaiono strane rispetto alla nostra esperienza quotidiana, ma sono confermate quotidianamente negli esperimenti svolti nei laboratori di particelle più importanti del mondo  (CERN, FERMILAB, ecc.).

Naturalmente il tutto è trattato rigorosamente da un punto di vista matematico e quindi non ci sono ambiguità nella teoria. In relatività ristretta i  concetti di tempo e di spazio vengono fusi in un solo concetto, quello di spazio-tempo le cui proprietà matematiche e fisiche sono perfettamente ben definite.

Tuttavia la prima rivoluzione introdotta dalla relatività ristretta era contraddetta dalla teoria ddi Newton secondo la quale gli effetti gravitazionali dovuti allo spostamento o alle variazioni di un corpo vengono rilevati istantaneamente da tutti i corpi nello spazio in palese violazione con i principi della relatività ristretta.

Lo studio di Einstein durò circa 10 anni. La conclusione fu che la teoria gravitazionale può essere descritta dalla geometria variabile da punto a punto dello spazio-tempo, come se per esempio il teorema di Pitagora potesse variare  da punto a punto e da istante dopo istante.  Che la geometria  dello spazio-tempo curvo è determinata dalla  presenza di materia e che viceversa   i moti dei corpi materiali sono determinati dalla geometria dello spazio-tempo.

Anche in questo caso la teoria è descritta rigorosamente da equazioni matematiche che possono essere risolte esattamente solo in casi particolari. In altri casi si risolvono solo con approssimazioni in grado di permetterci di valutare il comportamento dei campi gravitazionali. Infine spesso è necessario ricorrere allo studio tramite computer.

Einstein provò a risolvere le sue equazioni considerando  piccole deviazioni dallo spazio-tempo introdotto con la relatività ristretta. Egli si accorse che in questa approssimazione le equazioni rappresentano delle onde., prevedendo così l’esistenza delle onde gravitazionali.

Le onde gravitazionali possono essere considerate come dei terremoti che viaggiano nello spazio. Forse parlare di terremoti è un po’ eccessivo, perché un terremoto evoca un evento spesso distruttivo e luttuoso. Al contrario un’onda gravitazionale può provocare sì un’oscillazione della materia che attraversa, ma l’entità di questa oscillazione è talmente debole che non è percepibile dagli esseri umani e tanto meno dai sismografi terrestri. Per rilevare il passaggio di un’onda gravitazionale è necessario uno strumento ad altissima sensibilità. Infatti rilevare l’oscillazione di un’onda gravitazionale ha richiesto una sensibilità tale da compararla con la sensibilità di rilevare uno spessore grande come un capello in una distanza pari alla distanza Terra-Sole che è di circa 150 milioni di Km.

Per creare uno strumento con questa sensibilità è necessario sviluppare tanta nuova tecnologia che sicuramente avrà delle ricadute sulla vita quotidiana. Non a caso abbiamo parlato di terremoti, un’antenna gravitazionale che deve rivelare oscillazioni piccolissime, può diventare un potentissimo sismografo in grado di analizzare un terremoto in ogni dettaglio con conseguenze p

 

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