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Tempeste nello spaziotempo

Ladies and Gentlemen, we have detected gravitational waves. We did it” [“Signore e Signori, abbiamo rilevato le onde gravitazionali. Ce l’abbiamo fatta”]. Così il fisico David Reitze annuncia al mondo una delle più grandi scoperte scientifiche della storia.
Queste parole, scandite con solennità vista l’importanza dell’annuncio, sono state pronunciate l’11 febbraio 2016 in apertura della conferenza stampa tenutasi a Washington (e in contemporanea a Cascina, vicino Pisa) e seguita via streaming da tutto il globo, per rendere nota al mondo la rilevazione delle onde gravitazionali, che sono state anche convertite in onde sonore (le si possono ascoltare qui). La rilevazione risale allo scorso settembre ed è passata indenne attraverso  mesi di attenti controlli e analisi dei dati, che ne hanno quindi confermato l’esattezza. Ce ne siamo occupati anche noi in questo articolo. Ma cosa sono queste onde? Come sono state rilevate? E perché sono tanto importanti?
Le onde gravitazionali sono state teorizzate da Einstein nel 1916, esattamente un secolo fa, nell’ambito della relatività generale. Egli comprese che lo spaziotempo (ovvero le tre dimensioni spaziali – cioè lunghezza, altezza e profondità- e quella temporale nelle quali noi tutti viviamo e ci muoviamo) altro non è che il campo gravitazionale, ovvero il “tessuto” attraverso cui si propaga la forza di gravità che ci tiene attaccati a terra e in orbita attorno al Sole.
È ormai nota al grande pubblico l’immagine dello spaziotempo come un “telo” curvato dalla presenza di una massa sulla sua superficie. Più grande è questa massa, più pronunciata è la curvatura: una stella curva lo spazio molto più di un moscerino. Come è naturale aspettarsi, quando una massa si muove genera delle onde nel telo, ovvero nello spaziotempo, e proprio queste sono le onde gravitazionali. Tuttavia, mentre la conferma della curvatura dello spaziotempo ad opera di grandi masse è stata confermata già nel 1919, le onde sono sempre state molto più sfuggenti. Questo a causa della debolezza della forza di gravità, che diventa apprezzabile solo in presenza di corpi molto massivi.
Ma finalmente la tecnologia è riuscita a vederle, grazie all’esperimento (in maggioranza statunitense) LIGO (di cui Reitze è direttore esecutivo), una collaborazione di 750 scienziati di tutto il mondo i cui vertici meriteranno probabilmente il prossimo Premio Nobel per la Fisica. Anche in Italia è presente un esperimento analogo (VIRGO, vicino Pisa), che però non era ancora attivo lo scorso settembre. Gli scienziati italiani hanno tuttavia collaborato con i colleghi americani nell’analisi dei dati, aiutati tra gli altri dai ricercatori del TIFPA di Trento (li avevamo intervistati poche settimane fa).
L’idea alla base di questi esperimenti è semplice, in linea di principio. Come quando si fa pressione su una spugna, questa si comprime nella direzione nella quale premiamo mentre si estende nella direzione perpendicolare. Analogamente le onde gravitazionali comprimono lo spazio in una direzione e lo estendono in quella ortogonale. Per rilevare queste onde è dunque necessario poter osservare sia la compressione dello spazio in una direzione sia la dilatazione nella direzione perpendicolare. Per questo motivo, sia LIGO che VIRGO, chiamati in termini tecnici interferometri, consistono in due bracci (lunghi 4 chilometri in LIGO e 3 in VIRGO) posti l’uno a 90° dell’altro (si vedono chiaramente nella foto), entrambi percorsi da fasci laser. Sapendo, come dimostrato ormai da un’infinità di esperimenti, che la velocità della luce è sempre costante (è ormai un assunto fondamentale della fisica moderna, nonché il punto di partenza della stessa teoria della relatività), se si misura il tempo che impiega il raggio a percorrere ciascun braccio se ne può calcolare con grande precisione la lunghezza. In condizioni normali questa lunghezza è costante, ma quando le onde gravitazionali attraversano l’interferometro si misura, in accordo con la teoria, un allungamento di uno dei due bracci, mentre l’altro si accorcia, rilevando quindi una dilatazione/contrazione dello spazio stesso. Variazioni incredibilmente piccole, dell’ordine dei miliardesimi di milionesimi di centimetro, ma sufficienti ad essere osservate dalla sofisticatissima tecnologia di LIGO.
Ciò che ha reso queste onde, per quanto piccole, rilevabili è stata la straordinarietà dell’evento che le ha generate: la collisione e fusione di due buchi neri lontani 1,3 miliardi di anni luce. Pur non essendo particolarmente massivi (“appena” una trentina di Soli ciascuno), l’enorme intensità delle forze in gioco in un simile evento li faceva muovere ad una velocità pari a metà di quella della luce, un record quasi unico per corpi più grandi di un atomo. Questo ha permesso di generare onde gravitazionali con un’energia immensa, molto superiore a quella tipica di questo genere di onde, rendendole quindi rilevabili. Basti pensare che nel processo è stato convertito in energia l’equivalente di 3 masse solari: è come se tre stelle grandi come il Sole venissero istantaneamente “vaporizzate” e convertite in pura energia. Per fare un paragone, le bombe atomiche sganciate sul Giappone nel 1945 convertirono in energia solo poche decine di chili di materiale, mentre il Sole pesa migliaia di miliardi di volte tanto. Allo stato attuale della tecnologia è invece ancora impensabile riuscire a rilevare le onde gravitazionali “ordinarie”, generate da stelle o pianeti.
L’importanza di questa scoperta è epocale, e promette di risolvere grandi misteri dell’universo (ma aprirà anche nuovi importanti interrogativi). Innanzitutto conferma ulteriormente l’esattezza delle intuizioni di Einstein, ma non è questo l’aspetto più importante. L’esistenza di queste onde infatti apre una nuova finestra sull’universo. Finora abbiamo sempre osservato il cosmo attraverso la luce, ovvero onde del campo elettromagnetico. Ora possiamo studiarlo anche attraverso le onde gravitazionali, ovvero onde del campo gravitazionale: in un certo senso, è come se queste onde fossero la “luce” della gravità. Rilevandole si può guardare l’universo attraverso un nuovo filtro, mai usato prima. Gli interferometri come LIGO  e VIRGO potrebbero dunque diventare dei “telescopi” che funzionano con la gravità invece che con la luce. Questo potrebbe finalmente risolvere uno dei più grandi misteri della cosmologia odierna: quello della materia oscura, che secondo i calcoli dovrebbe esistere ma non si vede. Poiché questo tipo di materia interagisce con la gravità ma non con l’elettromagnetismo, studiando le onde  gravitazionali e non più quelle elettromagnetiche potrebbe finalmente essere rilevata e analizzata. Questa la prospettiva più importante aperta da questa scoperta, insieme alla possibilità di rilevare i gravitoni, ovvero le particelle che, in teoria, mediano la gravità, allo stesso modo in cui i fotoni mediano la forza elettromagnetica. E chissà che un giorno non troveranno applicazioni anche per usi di ordinaria quotidianità. Dopotutto, un secolo e mezzo fa anche gli studi sull’elettricità sembravano inutili e fini a loro stessi, mentre senza di quelli ora non potremmo neanche accendere una lampadina.
C’è chi definisce questa scoperta “la scoperta del secolo”. Forse è presto per poterlo affermare, ma per ora godiamoci la bellezza di tutto ciò, oltre alla sua importanza: noi, insignificanti esseri viventi posti su un minuscolo pianeta, da sempre affascinati da ciò che ci circonda, siamo riusciti a rilevare onde microscopiche ma fondamentali che hanno viaggiato indenni per 1,3 miliardi di anni attraverso le immensità cosmiche. Stiamo scrivendo un’altra frase nel grande libro dell’universo, anche se noi non siamo altro che una sua infinitesimale frazione. È questa la bellezza della scienza. È anche questo che ci rende fieri e orgogliosi di essere umani.
Dennis Verra

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