Onde gravitazionali misurate per la prima volta

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Albert Einstein, early 1900'sGli scienziati del Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO), nato da una collaborazione tra MIT e Caltech, hanno annunciato la scoperta nella conferenza di ieri, 11 febbraio 2016. La rilevazione delle onde gravitazionali risale però al 14 settembre 2015.

Dopo 100 anni, le previsioni di Einstein a riguardo si sono ancora una volta dimostrate esatte.

Le onde gravitazionali sono previste dalle soluzioni di una equazione (equazione di Einstein, una equazione tensoriale in cui l’incognita è il tensore di curvatura dello spaziotempo) che tipicamente rappresentano onde, allo stesso modo delle onde elettromagnetiche: Maxwell infatti scoprì che mettendo assieme le equazioni di elettricità e magnetismo si ottenevano delle equazioni d’onda, equazioni classiche che i fisici conoscevano molto bene, come quelle delle corde o delle membrane vibranti. E Hertz confermò l’esistenza di queste onde, che da principio furono chiamate onde hertziane. Gli esperimenti di Hertz furono poi di ispirazione a Marconi nel telegrafo senza fili.

Quindi possiamo fare un parallelo storico: Einstein sta a Maxwell come LIGO sta a Hertz.

Come si perviene all’equazione delle onde a partire dall’equazione di Einstein.

È impressionante il numero di questioni che il Grande Vecchio ha colto nel segno: dalla curvatura della luce, dovuta alla curvatura dello spaziotempo, alla esistenza di onde gravitazionali, alla spiegazione dell’effetto fotoelettrico usando la teoria dei quanti (che gli valse il Nobel) alla scoperta degli effetti non locali nella Meccanica Quantistica (a cui però non volle credere). Reiner Weiss, un membro del team LIGO del MIT di Boston, ha dichiarato

Sarebbe stato fantastico poter vedere la faccia che avrebbe fatto Einstein se avessimo potuto dirglielo.

Dettagli sull’esperimento LIGO a questo link.

La home page dell’esperimento LIGO, una collaborazione scientifica tra ricercatori e istituzioni situati in USA, Brasile, Russia, Europa, Cina, India e Australia.

La lista completa delle università e degli altri esperimenti che partecipano alla collaborazione, tra cui c’è l‘esperimento Virgo, una analoga collaborazione europea in cui il detector è situato a Cascina (Pisa) e condotto dal CNR. Virgo e LIGO collaborano in questa ricerca delle onde gravitazionali e nella analisi dei dati rilevato dai due eseprimenti. Anche Virgo ha allestito una conferenza stampa in contemporanea a LIGO per dare al mondo la grande notizia.

La prossima frontiera

Un altro tassello che manca è l’osservazione dei quanti di gravità. Per analogia con la teoria elettromagnetica, nella quale la Meccanica Quantistica postulò il dualismo onda particella (onda elettromagnetica – fotone), esiste un capitolo Gravità Quantistica in cui la controparte del fotone è la versione quantica dell’onda gravitazionale, il cosiddetto gravitone.

La questione però qui è ancora più complessa, in quanto Meccanica Quantistica e Relatività Generale non sono compatibili, e anche la stessa definizione teorica di gravitone è problematica (la gravitazione quantistica a loop per esempio non ne contempla nemmeno l’esistenza).

Un’ottima introduzione alla Gravità Quantistica ad opera di Carlo Rovelli nell’archivio.

Ma cos’è un’onda gravitazionale?

E’ un’onda che sfugge ad ogni tipo di onda con cui abbiamo a che fare quotidianamente:

  • onde meccaniche che sono “increspature” della materia: ad esempio le onde sonore sono fluttuazioni della densità dell’aria (attenzione: se nei fil sci-fi sentite un’astronave esplodere, è una balla, nel vuoto non si propagano le onde elastiche). I migliori sensori che abbiamo a bordo per ricevere queste onde sono la pelle e l’apparato uditivo, questo ha una banda passante dai 20 Hz ai 20 kHz.
  • onde elettromagnetiche che sono “increspature” del campo elettromagnetico: qui abbiamo uno spettro molto ampio: dalle onde lunghe a pochi Hertz, ai raggi gamma generati dai decadimenti nucleari (siamo nell’ordine dei exahertz EHz, 1 seguito da 18 zeri Hz). Un’onda elettromagnetica molto popolare è la luce, che ha la stessa natura delle onde radio e dei raggi gamma ma ha una frequenza che si situa attorno ai 500 THz (terahertz, 1 seguito da 12 zeri). Il sensore migliore che abbiamo a bordo sono gli occhi, che però hanno una curva di risposta limitata dai 400 nm (viola) ai 750 nm (rosso), quindi non vediamo dagli infrarossi in giù e dagli ultravioletti in su).
  • onde gravitazionali che sono “increspature” dello spaziotempo, fluttuazioni locali nella lunghezza dei metri e nella durata dei secondi. Generalmente queste fluttuazioni sono evidenti solo in corrispondenza a eventi cosmici catastrofici, come la collisione dei due buchi neri che ha prodotto l’onda misurata. Cosa che esula completamente dal nostro sentire quotidiano e per il quale non abbiamo avuto la necessità di sviluppare dei sensori biometrici come occhi e orecchie.

Fonti:

LIGO

Virgo

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