Altra roba da sapere sulle onde gravitazionali

Quella appena passata è stata una settimana indimenticabile. Per chi vive di scienza tutti i giorni ma non solo per loro. Si è trattata di una settimana storica per tutti noi. L’osservazione diretta delle onde gravitazionali per la prima volta nella storia dell’umanità è qualcosa di troppo grande, troppo emozionante. Davvero notevole.
In realtà, se seguite il mio blog, allora avrete già letto tutte le cose fondamentali da sapere sulle onde gravitazionali e sulla scoperta fatta da LIGO. Le cose che dirò  partono con l’assunzione che ognuno di voi abbia già letto il post sul blog. Nel dubbio, vi rimetto il link, anche se magari volete solo farci un salto per rinfrescarvi la memoria: insomma, prima di andare avanti consiglio caldamente la lettura di questo post, così potrete godervi pienamente ciò che sto per dire. Eccolo il link: Onde gravitazionali, in parole povere

La mia idea è quella di regalarvi qualche dettaglio in più sulla scoperta. Qualcosa che sicuramente non sentirete alla televisione ma che magari avete già letto andando a spulciare direttamente la fonte primaria di notizie, cioè l’articolo scientifico di LIGO. Naturalmente, non ho intenzione di mettermi a fare la traduzione, ma voglio solo rispondere ad alcune domande che non hanno trovato spazio sul blog perché altrimenti avrebbero appesantito troppo il post dell’altro giorno.

Per questo spero di farvi un regalo gradito raccontandovi alcune cose in più sulla scoperta che ha ulteriormente confermato per l’ennesima volta la scoperta di Einstein. Prima di cominciare, sappiate che tutto quello che vi dirò è scritto in maniera scientifica qui. Dunque, partiamo.

Gli scienziati di LIGO hanno misurato un segnale con frequenze che sono andate dai 35 ai 150 Hertz per una durata di circa 0.2 secondi. Ecco cosa hanno misurato in bel grafico:

Allora, sull’asse orizzontale abbiamo il tempo. Come vedete il segnale è stato osservato, come già detto, per circa 0.2 secondi. Sull’asse verticale abbiamo una cosa che chiamata “Strain”. Cos’è? Se cercate di tradurlo dall’inglese troverete una cosa tipo “sforzo, stress” e cose così. Qui, Strain si riferisce a quanto il braccio dell’interferometro LIGO ha modificato la sua lunghezza. Ovvero lo Strain ci dice di quando si è accorciato/allungato un coso lungo 4 km (lunghezza dei bracci di LIGO) durante il passaggio delle onde gravitazionali.
Ora, lo vedete quel numero in verticale tra parentesi di fianco a Strain? C’è scritto 10 alla meno 21 e vuol dire 0.0000000000000000000000000000001.

Questo significa che LIGO è riuscito a misurare un cambiamento così piccolo nella lunghezza dei suoi bracci che, ricordo ancora, sono lunghi 4 km! Beh, scusate ma devo dirlo: è INCREDIBILE!
Davvero, è incredibile che siano riusciti a misurare una cosa del genere. Questo spiega anche perché ci sia voluto parecchio tempo: la precisione richiesta era un qualcosa di assolutamente pazzesco. Ma ora ci sono riusciti.
Già, dico così perché di interferometri che hanno scovato le onde ce ne sono due: LIGO Handford e LIGO Livingston. Esatto, entrambi LIGO ed entrambi negli USA (Handford e Livingston si riferiscono ai luoghi dove si trovano). Infatti nell’immagine di sopra potete vedere che ci sono tre grafici.

Il primo mostra il segnale misurato da LIGO Handford sovrapposto a quello atteso dalla teoria della Relatività Generale: boom, combaciano quasi alla perfezione.
Il secondo riquadro mostra il segnale misurato da LIGO Livingston e vale ancora boom, stesso discorso che per LIGO Handford.
E il terzo riquadro? Quest’ultimo mostra il segnale di LIGO Handford sovrapposto a LIGO Livingston. Come vedete anche qui combaciano alla perfezione, a patto però di spostare il segnale di LIGO Handford indietro di 10 millisecondi. Come mai questa cosa?

Semplice, perché le onde gravitazionali viaggiano alla velocità della luce. E quindi? Vuol dire che le onde hanno prima iniziato a colpire Handford e poi sono arrivate anche a Livingston. E siccome la luce impiega 10 millisecondi per coprire la distanza tra questi due posti e, guarda caso, anche le onde gravitazionali ci hanno messo lo stesso tempo, ciò significa che le onde gravitazionali vanno alla velocità della luce. Come previsto da Einstein, eh. Nella figura qua sotto potete vedere dove sono localizzati Handford e Livingston negli USA e inoltre potete gustarvi anche un piccolo schemino che mostra come è fatto l’interferometro di LIGO:

In pratica l’interferometro spara un raggio laser e misura la lunghezza del braccio tramite il tempo che impiega la luce a fare avanti e dietro. Se il braccio si accorcia l’interferometro misura un tempo minore, viceversa se il braccio si allunga. Si tratta di misure che richiedono una precisione assoluta. Vedete quel grafico strano pieno di punte sulla destra della figura qua sopra? Ecco, quello mostra a quali frequenze LIGO è sensibile, quindi possiamo chiamarlo grafico della sensibilità. Come vedete tra i 35 e i 150 Hz siamo sopra le curve rosso e blu, il che vuol dire che si possono misurare. Quelle punte strane sono delle particolari frequenze per cui la misura non si può fare. Il motivo? Gli inteferometri di LIGO sono costruiti con alcune attrezzature sospese a mezz’aria e che quindi per certe frequenze possono vibrare in risonanza e rende impraticabile la rivelazione della misura. Per questo motivo, se tornate a guardare la figura che contiene i tre segnali trovati da LIGO, all’inizio il segnale oscilla molto, poi quando cresce d’intensità invece si mostra più regolare: semplicemente siamo sopra le punte del grafico della sensibilità e quindi la misura è bella pulita che più pulita non si può.
Come già raccontato nel post su Quantizzando, la forma del segnale è proprio quella dovuta a due buchi neri che si scontrano. Per capire meglio questa cosa guardate quest’altra figura:

Vedete, all’inizio i buchi neri si girano semplicemente attorno e il segnale ha una certa frequenza. Man mano che poi l’energia del sistema viene dispersa, i buchi neri si avvicinano e quindi l’emissione di onde gravitazionali diventa più forte, più forte e ancora più forte fino allo scontro finale. Poi calma piatta, fine dei giochi. Risultato? Un bucone nero!

Ora, avete sicuramente letto che gli scienziati hanno calcolato tante cose dalla misura delle onde gravitazionali. Focalizziamoci su due soltanto: masse dei buchi neri e distanza del sistema che ha emesso l’onda.
La stima di queste quantità viene direttamente dalla teoria. Cioè la Relatività Generale ci dice precisamente come calcolare le masse dei buchi neri e la distanza del sistema da noi, semplicemente misurando le caratteristiche dell’onda gravitazionale, tipo le frequenza di emissione, la frequenza a cui avviene il picco (quello che in giro avete sentito chiamare “chirp”) e l’ampiezza dell’onda, cioè quando forte abbiamo misurato il segnale, cioè lo Strain.
Da queste cose, con qualche calcolo si è arrivati a dire, masse dei buchi neri uguali a 36 e 29 masse solari e distanza pari a 1.3 miliardi di anni luce.
Inoltre si è anche misurata la massa del bucone nero finale e si è trovata essere 62 masse solari. Un momento, ma come? 36+29=65. Dove sono le 3 masse solari?
Ecco la risposta: sono diventate le onde gravitazionali che ha misurato LIGO!

Questa cosa di misurare la distanza con le onde gravitazionali è una cosa potentissima. Infatti gli astrofisici preferiscono la corazzata Potemkin (tra l’altro, capolavoro) a misurare le distanze. Questo perché con i metodi tradizionali (stelle variabili, supernovae – potete trovare un riassunto qui) la cosa è davvero complicata. Ma con le onde gravitazionali sarebbe una gioco da ragazzi. Beh, direte voi, ma che ce ne facciamo di queste distanze? Cavolo, ci misuriamo quanta materia oscura e quanta energia oscura ci sono nell’universo. Come mai? Perché le distanze dipendono in maniera cruciale da questi parametri sempre secondo la Relatività Generale (e chi osa contraddirla più ormai!).

Dunque, ricapitolando: ora si possono osservare direttamente le onde gravitazionali. E non solo, ora sappiamo anche come osservare direttamente i buchi neri e, in particolare, i buchi neri che fanno kaboom!
Un’ultima cosa. La prima persona nel mondo a vedere il segnale delle onde gravitazionali è stato un italiano e si chiama Marco Drago. Una coincidenza, certo, ma fa sempre piacere vedere che un giovane ricercatore italiano in giro per il mondo si trova al posto giusto al momento giusto!

Bene, tornando a noi, dunque ora l’universo potrà essere visto con un paio di occhi nuovi, quelli della gravità. Non ci siamo abituati a vederlo così, è ancora presto, abbiamo appena iniziato.
Ma sono certo che, anche stavolta, sarà un’avventura meravigliosa.

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