Le onde gravitazionali, in parole povere

L’annuncio dell’osservazione diretta delle onde gravitazionali da parte della collaborazione LIGO (che vuol dire Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory) è stato fatto e questa è una di quelle cose che rimarranno nei libri di storia oltre che nella mente di tutte le persone appassionate di scienza e curiose fino al midollo. In pratica, LIGO ci ha detto che il segnale delle onde gravitazionali è stato osservato il 14 Settembre 2015 alle 10:51 di mattina (ore italiane), ma ne riparliamo tra poco. Quindi:

WOW
Un wow grosso come una casa, anzi di più. Albert Einstein colpisce ancora, non c’è niente da fare (anche se ieri su Twitter facevo notare questa strana cosa).

Faccio anche notare che evidenze indirette si erano già ottenute negli anni passati (con conseguente Premio Nobel, ovviamente). Questa di LIGO è la prima prova diretta, invece. Infine, sottolineo che non è che iniziamo a credere oggi nell’esistenza delle onde gravitazionali: in realtà non avevamo dubbi. Solo che, come dire, con una conferma sperimentale diretta ora va molto meglio.

Bene detto questo, sappiate che questo post è per tutti coloro che vogliono capirci qualcosa di più sulle onde gravitazionali. E, come nello stile di Quantizzando, andrò a raccontarlo in parole semplici.

Naturalmente, qui troverete non l’enciclopedia delle onde gravitazionali ma solo le cose essenziali che dovete sapere per forza. Ho cercato di mettere tutto ciò che serviva e inevitabilmente il post è un poco lunghetto (per gli impazienti e gli amanti dei dettagli, ecco l’articolo scientifico dove c’è scritto tutto sulla scoperta).
Quindi, prendetevi dieci minuti, sedetevi, rilassatevi e buona lettura (e magari preparatevi una tazza di tè o caffè prima).

1) Cos’è la Relativita Generale, in breve?

Sarò velocissimo.
Dunque, la teoria della relatività generale di Albert Einstein, pubblicata a cavallo tra il 1915 e il 1916 è una roba che descrive come funziona la gravità con una precisione senza precedenti.

Per dire, Newton andava già bene prima con la sua forza che va come l’inverso del quadrato che tutti conoscono come fosse una poesia in ricordo delle scuole dell’obbligo. Però Einstein ci ha permesso di fare il balzo in avanti che ci voleva. La Relatività Generale ci dice che la gravità non è una forza bensì è l’essenza stessa della struttura dell’universo in cui viviamo. Ovvero la nostra vita scorre e si muove in quello che viene chiamato spazio-tempo e questo viene modificato a seconda della presenza o meno di massa. Le traiettorie degli oggetti seguono la struttura dello spazio-tempo e, inoltre, possiamo descrivere il moto dei corpi dal punto di vista di qualsiasi osservatore.

Se per esempio siamo nelle vicinanze di un corpo massivo, lo spazio-tempo sarà diverso dal caso in cui invece ci troviamo in un posto vuoto e desolato, senza oggetti massivi all’orizzonte.
In particolare, se poniamo un oggetto massivo in un posto dove prima non c’era niente, quell’oggetto perturberà lo spazio tempo in quella regione.

Ancora per esempio, se poniamo un buco nero in una zona dove ci sono delle stelle, le traiettorie di quest’ultime verrano modificate perché il buco nero con la sua presenza ha modificato lo spazio-tempo. Un po’ come se voi viaggiate belli diritti sulla strada e poi  trovate una rotonda. Ecco, la rotonda è il nostro buco nero che ci fa curvare il nostro viaggio. Tuttavia notate che rimaniamo sempre sulla strada. Allo stesso modo le stelle attorno ad un buco nero continuano nel loro percorso senza fiatare. Dovete pensare che il buco nero si comporti un poco come l’ANAS, insomma.

2) Cosa sono le onde gravitazionali?

Tutta la materia nell’universo che in qualche modo accelera perturba lo spazio-tempo, cioè la spina dorsale dell’universo. E allora? Niente, ognuna di queste cose in accelerazione perturba lo spazio-tempo in qualche modo e inoltre queste perturbazioni si propagano nell’universo.
Ecco, queste cose che si propagano sono le onde gravitazionali, perturbazioni dello spazio-tempo stesso. Dunque, per quanto appena detto, tutta la materia può produrre onde gravitazionali. Persino noi stessi. Tuttavia, in generale, tipcamente onde gravitazionali di questo genere sono troppo deboli per essere rivelate e quindi bisogna gettare uno sguardo a roba violenta, tipo supernovae che esplodono, stelle di neutroni che ruotano a velocità pazzesche su stesse,  buchi neri che si scontrano, insomma cose così.

Mentre, per esempio, i buchi neri fanno la constatazione amichevole, nel frattempo lo spazio-tempo si è tutto scosso. In questo caso potete immaginare che lo spazio-tempo sia fatto dalle persone che hanno assistito all’incidente (con l’accortezza di rimpiazzare i due buchi neri con due automobili). Le onde gravitazionali, proprio come quelle del chiacchiericcio, si propagano nell’universo. Se voi siete a tavola a mangiare tranquilli e improvvisamente arriva alle vostre orecchie la voce dell’incidente di Tizio e Caio, magari vostri conoscenti, subito rizzate le orecchie; cioè la cena è rovinata (ma speriamo non sia successo nulla, eh).

Allo stesso modo, quando un’onda gravitazionale che viaggia nell’universo incontra un qualche oggetto, ci sono delle conseguenze. Solo che, siccome le onde gravitazionali sono proprio delle perturbazioni dello spazio-tempo, allora se avete un oggetto che ha delle dimensioni notevoli, questo vuol dire che magari la sua forma viene modificata quando passa un’onda gravitazionale. Insomma, se per esempio un’onda gravitazionale dovesse passarvi di traverso, intendo che accadrebbe una cosa dele genere:

Non è una bella cosa farsi attraversare da un’onda gravitazionale, diciamolo.

E non ci possiamo fare niente. Perché noi viviamo e lottiamo nello spazio-tempo e le onde gravitazionali sono piccole modifiche dello spazio-tempo stesso. Ovvero, il ragazzo nel disegno non viene stirato o schiacciato mentre noi guardiamo da spettatori; si tratta di qualcosa che riguarda la struttura stessa dell’universo in cui viviamo. Comunque voglio tranquilizzarvi: come ho detto, le onde gravitazionali sono debolissimissime e quindi stiamo tranquilli. Per questo è stato costruito LIGO.

Per capire ancora meglio e, magari, evitando di tirare in ballo ancora il ragazzo del disegno qui sopra,  mica per caso volete una visualizzazione ancora migliore, bella e potente delle onde gravitazionali?
Beh, siete fortunati perché proprio ieri ne ho trovata una definitiva che mi piace moltissimo sul sito Universe Today. Eccola qua:

Questo alla vostra sinistra è lo spazio tempo non perturbato, quello dove tutti i giorni andiamo a fare la spesa: che noia, vero?

 

Questo qui alla vostra destra è invece lo stesso pezzo di spazio tempo attraversato da un’onda gravitazionale. Come potete vedere le cose sono più eccitanti. La struttura stessa dello spazio-tempo viene modificata. Ma quando facciamo la spesa non ci accorgiamo di tutto ciò. Abbiamo bisogno di cose come LIGO.
 Caspita che roba.




Possiamo anche ascoltare il suono delle onde gravitazionali. Infatti, proprio come una radio estrae il suono dalle onde sonore, è possibile fare lo stesso con le onde gravitazionali poiché la frequenza delle onde trovate da LIGO ricade nell’intervallo di frequenze udibili dall’orecchio umano. Lo ammetto questa cosa si merita un WOW particolare e dopo, verso la fine del post, ascolteremo il suono delle onde trovate da LIGO, solo un poco di pazienza.

3) Quanti tipi di onde gravitazionali ci sono?

Principalmente 4.
Ci sono le onde gravitazionali stocastiche, cioè generate da un numero grande di eventi indipendenti. Per esempio, queste onde gravitazionali potrebbero essere osservate da molto lontano, da periodi come Big Bang e inflazione e quindi gettare tantissima nuova luce su come l’universo ebbe inizio. Su Quantizzando ne avevamo parlato nei mesi scorsi per quella storia del telescopio BICEP, ricordate? (Brutta storia…)

Le onde gravitazionali continue sono associate ad eventi poco catastrofici, tipo semplicemente buchi neri che si girano attorno senza litigare o stelle che ruotano rapidamente (ma non troppo) ma che presentano qualche irregolarità sulla loro superficie. Le onde continue sono molto deboli, e si chiamano così perché la loro frequenza è pressochè costante. Hanno un aspetto di questo tipo:

Le onde gravitazionale spiraleggianti (non so come tradurlo in italiano) si formano quando un sistema binario di due buchi neri si preparano allo scontro. Non solo hanno un segnale più forte di circa diecimila volte quelle continue, ma anche aumentano la loro frequenza man mano che i buchi neri si avvicinano allo scontro finale, provocando una specie di acuto alla Callas (questo spiega perché magari avete visto alcuni astrofisici fare strani versi e postare i loro video in rete negli ultimi giorni). Comunque, queste onde hanno un segnale di questo genere:

E poi ci sono le onde gravitazionali esplosive (lasciatemele chiamare così) che si formano a causa di eventi imprevedibili ma molto energetici tipo supernovae potenti o incredibili eventi che portano anche alla formazione di lampi di raggi gamma. E dovrebbero essere fatte così:

Insomma, non è che se ne sappia molto, si tratta di modelli, di quello che ci aspettiamo di vedere, ecco. Comunque, questa è la maniera in si classificano le onde gravitazionali. Come vedete, non sono tutte uguali e dal tipo di segnale si può risalire all’evento che le ha generate e anche ai vari parametri in gioco, tipo le masse dei buchi neri o delle stelle coinvolte.

4) Cos’è LIGO?

Come detto sopra, LIGO sta per Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory, cioè è un interferometro.  Ve ne sono tre in realtà di interferometri LIGO e si trovano tutti negli Stati Uniti.
Interferometro? Chi era costui? Se non ne avete mai visto uno, eccovi una bella diapositiva:

Una foto di LIGO in uno dei rari momenti in cui sorride.

Come potete vedere si tratta di un coso con tre lunghi bracci. Avete ragione, così non si capisce nulla. Vediamo un disegno che rappresenta uno schema di LIGO, che è meglio:

Ora va meglio, vero?

In pratica, un interferometro è un attrezzo che spara raggi laser lungo i suoi bracci, nel caso di LIGO lunghi ben 4 km, che poi vengono riflessi e tornano indietro. Vabbè, a che serve sta roba? Beh, se un’onda gravitazionale attraversa LIGO allora le lunghezze dei bracci cambiano e quindi magari uno dei raggi laser torna prima al punto di partenza rispetto a quell’altro. Ancora una volta: non dovete pensare che i bracci di LIGO abbiano cambiato dimensioni di decine di metri. Qua si parla di misurare differenze di lunghezza pari a un decimillesimo delle dimensioni di un protone (e un protone è molto piccolo, qualcosa come 0,000000000000001 metri, ecco).

Visto? Un’idea semplicissima per una delle scoperte più importanti della storia della fisica. Davvero spettacolare quello che si è riusciti a fare.

5) Cosa ha scoperto LIGO sulle le onde gravitazionali?

E ora finalmente parliamo delle novità. La conferenza stampa di LIGO è servita per fare il grande annuncio. Esatto, proprio così, le onde gravitazionali sono state osservate direttamente. Come già detto in apertura di post, l’osservazione è stata fatta il 14 Settembre 2015. In questi mesi dunque gli scienziati di LIGO hanno analizzato per bene e nei minimi dettagli il segnale per estrarne tutta l’informazione associata ad esso.

Gli articoli scientifici usciranno nei prossimi giorni. Comunque, tra le varie cose dette durante la conferenza stampa di LIGO, focalizzerei l’attenzione su tre notizie principali riguardo questa scoperta.

Significatività.
Gli scienziati hanno detto di avere evidenze pari a 5.1 sigma! Già, ma che vuol dire? Per dirla in un attimo, ciò significa che gli scienziati di LIGO sono sicuri al 99.9999% di aver osservato direttamente un’onda gravitazionale. Non credo ci sia da aggiungere altro.

Velocità delle onde gravitazionali.
A quanto pare le onde gravitazionali appena trovate da LIGO si muovono alla velocità della luce. In poche parole: non ci sono masse associate a queste onde, perché un oggetto dotato di massa non può muoversi alla velocità della luce. Tra le tante cose, questo vuol dire che se ipoteticamente il Sole sparisse ora, ci accorgeremmo della mancanza sia della sua luce che dei suoi effetti gravitazionali, contemporaneamente, dopo 8 minuti. Luce (nel vuoto) e gravità viaggiano alla stessa velocità.

Scontro tra buchi neri. 
Esatto, quindi le onde osservate sono spiraleggianti e quindi il risultato del disastro dei disatri astrofisici (infatti giù un buco nero viene fuori quando una stella esplode…). Male, cioè bene: infatti ora sappiamo che i buchi neri esistono.
Inoltre, questa coppia di buchi neri si trova a circa 1.3 miliardi di anni luce, dunque molto ben al di fuori della nostra Galassia. Siccome abbiamo detto che le onde gravitazionali viaggiano alla velocità della luce, questo vuole anche dire che il segnale misurato da LIGO ha viaggiato nello spazio-tempo per 1.3 miliardi di anni prima di arrivare da noi. Una tipica passeggiata gravitazionale, quindi.
Dunque, ripeto per i distratti: l’osservazione diretta di queste onde gravitazionali ci dimostra direttamente che i buchi neri esistono davvero. E lo sappiamo perché li abbiamo visti distorcere lo spazio-tempo e produrre onde gravitazionali, cioè ci hanno inviato una cartolina da casa loro. Forse uno dei risultati più importanti da ricordare della giornata.

E ora, guardate la foto qui sotto. Si tratta del segnale osservato dai due diversi interferometri di LIGO. Assomiglia proprio a quello delle onde gravitazionali spiraleggianti e per questo diciamo si tratta di buchi neri che collidono. Ma notate anche che, nei primi due, la linea teorica (quella indicata dal colore della scritta “predicted”) combacia perfettamente con il segnale osservato. Vengono i brividi a pensare che tutto ciò era stato previsto dalla teoria di Einstein cento anni fa. Brividi.

Inoltre, come promesso, ecco il suono delle onde gravitazionali misurate da LIGO o, se preferite, il suono di due buchi neri che si scontrano nello spazio-tempo in una tempesta gravitazionale (cit. Kip Thorne, uno dei capi di LIGO).
Da paura:

6) Cosa ci facciamo ora con le onde gravitazionali?

Ve lo dico subito: d’ora in avanti potremo vedere l’universo con gli occhi della gravità!
Cioè, eravamo praticamente certi dell’esistenza delle onde gravitazionali anche prima di questo pomeriggio, ma da oggi possiamo usarle direttamente per studiare l’universo e questo è assolutamente fantastico, non ci sono parole. Ora potremmo vedere eventi che prima potevamo osservare solo nei videogiochi o al cinema, riguardo buchi neri e compagnia bella.

Avete presente quando qualcuno indossa quegli occhialoni per la visione notturna? Ecco, noi abbiamo appena ottenuto la prescrizione dall’oculista per un nuovo, delicatissimo paio di occhiali.
Infatti finora ci siamo basati, nel nostro studiare l’universo, sulla radiazione elettromagnetica, la luce.

Ma da oggi c’è un nuovo sceriffo in città, e si chiama onda gravitazionale, yeah. Certo, magari uno con una pistola piuttosto che un fucile. E qualcuno diceva che quando un uomo con la pistola incontra un uomo con il fucile, l’uomo con la pistola è un uomo morto. O forse no, anche stavolta?

E allora benvenute onde gravitazionali, finalmente ci incontriamo di persona.

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