Che cosa sono le onde gravitazionali?

L’11 Febbraio 2016 i fisici della collaborazione internazionale LIGO-VIRGO hanno annunciato al mondo una scoperta che apre una nuova era nell’osservazione del cosmo: per la prima volta è stato captato il passaggio di un’onda gravitazionale. Due conferenze stampa si sono tenute in parallelo: una a Washington, negli Stati Uniti, e l’altra a Cascina, in Italia. In questo piccolo comune vicino Pisa si trova infatti VIRGO, uno dei tre grandi rivelatori di onde gravitazionali di ultima generazione. Il segnale è stato intercettato, però, dagli altri due apparati, chiamati LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) e situati negli Stati Uniti, uno a Hanford e l’altro a Livingston, il 14 settembre scorso.

L'interferometro LIGO a Livingston (fonte: LIGO collaboration)

Per analizzare i dati raccolti e identificare con sicurezza la natura del segnale, sono occorsi diversi mesi di febbrile lavoro da parte dei circa 1000 ricercatori della collaborazione LIGO-VIRGO: tutte le verifiche hanno confermato che si tratta proprio della finora elusiva radiazione gravitazionale, prevista da Einstein fin dal 1916. Il segnale captato da LIGO è stato emesso ben 1,3 miliardi di anni fa da un sistema di due buchi neri, in rapidissima rotazione l’uno intorno all’altro, nelle fasi di inspiral e di merging, cioè di avvicinamento finale e di fusione, durate appena un decimo di secondo. I due corpi spiraleggiavano, orbitando sempre più vicini, fino a fondersi insieme in un unico buco nero. In base alla forma del segnale ricevuto e ai modelli teorici calcolati a partire dalla Relatività Generale, i fisici hanno stabilito che i due buchi neri originari avevano masse pari a 29 e 36 masse solari, concentrate in due sfere di diametro inferiore ai 200 km. Muovendosi a una velocità sorprendente - la metà della velocità della luce - si sono uniti a formare un buco nero finale di 62 masse solari. La massa mancante, 3 masse solari, è stata emessa sotto forma di energia di radiazione gravitazionale.

In questa animazione sono state riprodotte le fasi di avvicinamento e fusione dei due buchi neri che ha prodotto le onde gravitazionali rivelate il 14 settembre 2015 (fonte: https://www.ligo.caltech.edu/video/ligo20160211v10)

Ho assistito alla diretta streaming della conferenza stampa europea dall’aula Edoardo Amaldi, al dipartimento di fisica della Sapienza - dove lavoro - insieme a una grande folla di studenti e professori. Quando sull’ampio schermo è comparsa la traccia del primo segnale gravitazionale mai osservato, è scoppiato un fragoroso applauso; l’emozione che ho provato è stata immensa.

I segnali captati dai due LIGO. Sulle ordinate è riportato il rapporto tra la variazione di distanza tra le masse test indotta dall’onda gravitazionale e la lunghezza di un braccio dell’interferometro, pari in entrambi i casi a 4 km. Si vede che l’ordine di grandezza delle variazioni di distanze misurate è: 10^-21x10³ m = 10^-18 m (fonte: LIGO collaboration)

Quante volte durante le mie ricerche di dottorato, ormai quasi dieci anni fa, ho visto simulazioni che riproducevano quell’andamento caratteristico: un’oscillazione la cui frequenza e ampiezza crescono nel tempo, fino a un culmine dopo il quale l'oscillazione si smorza in brevissime frazioni di secondo! Si trattava, allora, di un modello teorico, costruito sulla base della Relatività Generale, che descriveva un sistema fisico estremo e la cui esistenza, fino a settembre scorso, non era che un’ipotesi. Oggi che mi occupo di storia della Relatività Generale, e in particolare delle origini della ricerca delle onde gravitazionali in Europa, la scoperta mi appare ancora più preziosa, alla luce dei grandissimi sforzi fatti nel corso di più di mezzo secolo. I primi tentativi di rivelare le onde gravitazionali risalgono all’inizio degli anni ’60, per opera del fisico americano Joseph Weber (1919-2000), che a questa ricerca ha dedicato gran parte della sua vita. Come lui, molti altri grandissimi fisici hanno sfidato enormi difficoltà scientifiche e tecnologiche, in nome del sogno di dare il via all’astronomia gravitazionale. Tra questi, Edoardo Amaldi (1908-1989), che fu il primo a promuovere la ricerca delle onde gravitazionali in Italia, già a partire dagli anni ’60. Oggi la Edoardo Amaldi Conference on gravitational waves è uno dei raduni scientifici internazionali più importanti nel campo e si tiene ogni due anni in un luogo diverso del mondo. Dall’ufficio accanto alla mia postazione di lavoro, al dipartimento di fisica romano – il luogo dove è cominciata la ricerca italiana in onde gravitazionali - sento provenire la voce gioviale ed entusiasta di Fulvio Ricci, lo spokeman della collaborazione VIRGO e la persona che ha annunciato la scoperta nella conferenza stampa europea. In veste di storica, sono ospite del suo gruppo da circa un anno. In corridoio scherziamo sul fatto che anche la rivista Oggi parli della scoperta. Tanta attenzione mediatica sembra aver colto quasi di sorpresa diverse persone del gruppo. I cacciatori di onde gravitazionali sono abituati a lavorare con grande impegno nell’ombra, in un campo che per ben cinque decadi si è nutrito di molte speranze e di altrettante delusioni, e che ha visto una tenacia vicina all’ostinazione opporsi alle accese critiche e agli scetticismi sorti nel tempo in seno alla stessa comunità scientifica. A cento anni dalla nascita della teoria della gravitazione di Einstein, l’era dell’astronomia gravitazionale è finalmente cominciata: una nuova finestra spalancata sull’universo.

Che cosa sono le onde gravitazionali?

Le onde gravitazionali sono perturbazioni dello spazio-tempo che si propagano alla velocità della luce. Non si tratta di onde che viaggiano nello spazio, come la radiazione elettromagnetica: è la trama stessa dello spazio (e del tempo) ad oscillare. Queste oscillazioni sono generate dal moto di sistemi dotati di massa, purché non abbiano simmetria sferica. Quanto più i corpi sono massivi e veloci, tanto più intense sono le onde gravitazionali emesse. È per questo che i fisici prendono in considerazione sistemi binari di stelle di neutroni o di buchi neri, corpi celesti estremamente densi in grado di vorticare a velocità pari a frazioni non trascurabili della velocità della luce. La teoria della gravitazione di Einstein – la Relatività Generale - spiega come la presenza di masse deformi lo spazio. In modo simile a un tappeto elastico, lo spazio è piatto in assenza di materia, ma in sua presenza s’incurva, proprio come il tappeto si deforma se vi poggiamo sopra un oggetto.

La curvatura dello spazio dovuta alla presenza del Sole (fonte: LIGO collaboration)

In una situazione dinamica come quelle descritte sopra, la curvatura dello spazio non è costante: varia nel tempo. Se all’improvviso il Sole, per esempio, cambiasse forma sviluppando un alto promontorio sulla sua superficie, anche la sua influenza sullo spazio, la curvatura, appunto, varierebbe; ma questa variazione non avverrebbe istantaneamente in tutti i punti del sistema solare: essa si propagherebbe dal Sole a Plutone sotto forma di onde che avanzano alla velocità della luce. Le onde gravitazionali comunicano allo spazio il modo in cui la sua curvatura deve cambiare.

Visualizzazione grafica delle onde gravitazionali emesse da un sistema binario di buchi neri (fonte astrowatch.net)

In cosa differiscono le immagini di una stessa sorgente fornite dalle onde gravitazionali e dalle onde elettromagnetiche?

Le onde elettromagnetiche sono prodotte dal moto di particelle cariche accelerate. La luce proveniente dalle stelle è il risultato delle emissioni sovrapposte delle innumerevoli minuscole sorgenti incoerenti che le costituiscono (particelle cariche). Le onde gravitazionali, invece, sono generate dal moto coerente di enormi ammassi di materia: è un effetto che si potrebbe definire “orchestrale”. Mentre le onde elettromagnetiche producono una vera e propria immagine della sorgente astrofisica, la radiazione gravitazionale ne dà una descrizione più simile a quella sonora. Ascoltare il suono di un violino non ci restituisce l’immagine del violino, non ci dice nulla sulla sua forma, sul suo colore; ci dà però altre informazioni, complementari alle precedenti.

Visualizzazione artistica delle onde gravitazionali emesse da un sistema binario di buchi neri (fonte: Henze, NASA)

Perché le onde gravitazionali vengono paragonate alle onde sonore?

Osservando il segnale gravitazionale catturato il 14 Settembre 2015, si nota che nelle primissime frazioni di secondo la frequenza e l’ampiezza crescono rapidamente nel tempo. L’equivalente sonoro di questo segnale assomiglierebbe al verso di alcuni uccelli e per questo è chiamato dai fisici chirp. Questo tipo di andamento – a frequenza e ampiezza rapidamente crescenti nel tempo - caratterizza le onde gravitazionali emesse nella fase finale della vita di coppia di un sistema binario. I corpi celesti spiraleggiano uno intorno all’altro sempre più rapidamente, emettendo un’onda gravitazionale che ha una frequenza istantanea pari a due volte la frequenza istantanea orbitale. Nel segnale osservato lo scorso settembre, la frequenza della radiazione cresce dai 35 Hz ai 250 Hz. Notiamo che le onde sonore percepibili dal nostro orecchio hanno frequenze comprese nell’intervallo 20 Hz - 20 kHz. Le onde gravitazionali rivelabili hanno frequenze dai 10 kHz in giù: c’è quindi una sovrapposizione di intervalli di frequenza, che fa sì che le simulazioni sonore della radiazione gravitazionale costituiscano un modo naturale per i fisici di “percepire” le onde gravitazionali (in maniera analoga, una foto in falsi colori evidenzia la radiazione X emessa da una sorgente astrofisica).

Il suono corrispondente alla radiazione emessa dai due buchi neri si può ascoltare qui.

Perché è stato tanto difficile rivelarle?

L'interazione delle onde gravitazionali con la materia è estremamente fievole. Esse attraversano la materia dei corpi celesti senza subire quasi alcuna perturbazione o perdita d’energia, a differenza delle onde elettromagnetiche. Questa caratteristica che le ha nascoste all’osservazione per più di cinquant’anni, costituisce anche una grande ricchezza dal punto di vista scientifico. Interagendo così poco con gli oggetti del cosmo, esse possono percorrere distanze enormi senza perdere informazioni sulle sorgenti che le hanno generate: portano informazioni da luoghi remoti sia nello spazio che nel tempo, raccontando particolari sulla preistoria dell’Universo.

Come si rivelano?

Tutti i rivelatori di onde gravitazionali, a partire dai rivelatori a barre risonanti – i primi ad essere ideati agli inizi degli anni ’60, da Joseph Weber – fino ai rivelatori interferometrici LIGO e Virgo, si fondano su un ben determinato effetto fisico. Un’onda gravitazionale che investa due piccole biglie (masse test) sospese nello spazio e soggette alla sola gravità – cioè in caduta libera - produce un periodico contrarsi e dilatarsi della loro distanza.

Effetto del passaggio di un’onda gravitazionale su due masse test in caduta libera. L’effetto è estremamente esagerato nel disegno (fonte: Adele La Rana)

Più in generale, se consideriamo un anello di masse test in caduta libera e immaginiamo un’onda gravitazionale che si propaghi ortogonalmente al piano del disegno, l’effetto sarebbe quello illustrato in figura, dove è enormemente magnificato.

Cerchio di masse test in caduta libera, investite da un’onda gravitazionale che si propaga ortogonalmente al piano del disegno (fonte: Adele La Rana)

In definitiva, per osservare un’onda gravitazionale è necessario misurare una variazione di distanza incredibilmente piccola. In un rivelatore interferometrico terrestre la distanza tra le masse test è di alcuni chilometri e la variazione di distanza da misurare è dell’ordine un decimillesimo del diametro di un protone (10^-19 m). È come se sulla distanza Terra-Sole volessimo misurare una variazione di lunghezza pari allo spessore di un capello. Questa è la sorprendente impresa realizzata dai rivelatori LIGO e VIRGO!

Una fotografia aerea del rivelatore interferometrico VIRGO. Alle estremità dei due bracci, lunghi 3 km, sono posizionati gli specchi che fanno da masse test (fonte: VIRGO collaboration)

Le masse test sono costituite da specchi sospesi nel vuoto a sofisticatissimi sistemi di attenuazione dei rumori, in grado di isolarli dalle sollecitazioni esterne e realizzare meglio possibile la condizione di caduta libera lungo le due direzioni ortogonali. In VIRGO gli specchi – posti alle estremità dei due bracci dell’interferometro – distano 3 km, nei due LIGO 4 km.

Schema di un rivelatore interferometrico.

Come si può osservare nella animazione seguente, un fascio laser viene diviso in due da un beam-splitter (divisore di fascio); i due fasci ottenuti sono inviati sugli specchi lungo i due bracci ortogonali. Riflessi molteplici volte lungo i cammini tra gli specchi sospesi, si ricombinano in uscita in un unico fascio, rivelato da un sensore. Le variazioni di distanza tra gli specchi provocano uno sfasamento tra i due fasci che interferiscono ed è questo sfasamento ad essere misurato attraverso il sensore. Dallo sfasamento si risale alla variazione di distanza.

Oltre agli apparati terrestri, esiste un progetto di interferometro spaziale per la rivelazione di onde gravitazionali, portato avanti dall’ESA. Il suo nome è eLISA (Laser Interferometer Space Antenna) e il suo lancio è previsto, per il momento, per il 2028. Intanto il 3 Dicembre 2015 è stato lanciato dallo spazioporto dell’ESA a Kourou (Guyana Francese) LISA Pathfinder, l’apparato per il test delle principali tecnologie necessarie al funzionamento del primo rivelatore interferometrico spaziale.

Il lancio di LISA Pathfinder a bordo del veicolo Vega VV06, dallo spazioporto dell’ESA a Kourou, il 3 Dicembre 2015 (fonte: ESA)

Le masse test di eLISA saranno davvero in caduta libera nello spazio, contenute all’interno di tre navette spaziali orbitanti, disposte ai vertici di un gigantesco triangolo equilatero: i bracci dell’interferometro in questo caso saranno lunghi un milione di chilometri.

Una rappresentazione stilizzata del progetto eLISA. Le tre navette si scambieranno fasci di luce laser a un milione di chilometri di distanza, orbitando intorno al Sole lungo la stessa traiettoria della Terra (fonte: ESA)

C’erano già prove dell’esistenza delle onde gravitazionali?

L’unica prova sperimentale a sostegno dell’esistenza delle onde gravitazionali era costituita, finora, dagli studi di Russell Hulse e Joseph Taylor, premiati con il Nobel nel 1993. Questi fisici analizzarono negli anni ‘70 la progressiva diminuzione del periodo orbitale di un sistema binario di stelle di neutroni, il PSR1913+16, e mostrarono che i dati si accordavano perfettamente con la progressiva perdita di energia per emissione di onde gravitazionali prevista dalla Relatività Generale. Si trattava di una prova indiretta della loro esistenza.

Quali sono le conseguenze scientifiche della scoperta fatta dalla collaborazione LIGO-VIRGO?

Durante la conferenza stampa di Washington, il direttore esecutivo di LIGO David Reitze ha fatto un paragone significativo: «Quattrocento anni fa Galileo puntò il cannocchiale al cielo e aprì l’era della moderna astronomia osservazionale; oggi stiamo facendo qualcosa che ritengo abbia la stessa importanza». Con il loro ricchissimo potenziale di informazioni sui luoghi più remoti e i fenomeni più misteriosi del cosmo, le onde gravitazionali sono un mezzo d’indagine astrofisica potentissimo. Fino ad ora, l’immagine del cosmo che la scienza ha ricostruito si basa prevalentemente sulle onde elettromagnetiche. Fin dall’antichità le osservazioni a occhio nudo della luce proveniente dai corpi celesti hanno fornito informazioni preziose; dal XVII secolo in poi, l’uso di strumenti per magnificare la visione ha permesso scoperte sorprendenti. L’avvento della radioastronomia, all’inizio degli anni ’30, e dell’astronomia a raggi X, con i primi lanci di telescopi spaziali all’inizio degli anni ’60, ha esteso il quadro della nostra conoscenza del cosmo a fenomeni prima invisibili.

Immagine della radio-galassia a noi più vicina, Centaurus A, a diverse frequenze dello spettro elettromagnetico, evidenziate dai falsi colori nel caso della radiazione non visibile (fonte: NASA & NSF & ESO)

Man mano che nuove porzioni di spettro elettromagnetico sono state esplorate, si sono dischiuse nuove frontiere scientifiche. Le onde gravitazionali forniranno una descrizione del tutto inedita e complementare a quella elettromagnetica. Inoltre, esse trasportano informazioni prodotte da fenomeni che non hanno un corrispettivo elettromagnetico, come, per esempio, i sistemi binari di buchi neri. Grazie al segnale captato da LIGO, oggi sappiamo che tali sistemi esistono. Lo studio delle onde gravitazionali potrà contribuire anche a comprendere la materia oscura, la cui unica interazione conosciuta è proprio quella gravitazionale, in grado di influenzare la dinamica delle galassie.

Il 18 Febbraio 2016 l'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) ha organizzato all'Auditorium - Parco della Musica di Roma, la conferenza divulgativa intitolata: "Einstein aveva ragione. Di che cosa parliamo quando parliamo di onde gravitazionali: il racconto di una scoperta”. Per rivedere la registrazione integrale dell'evento clicca qui.