La scoperta delle Onde Gravitazionali

Washington, 11 febbraio 2016, la conferma arriva dal LIGO (USA) e dall’Osservatorio Gravitazionale Europeo (Ego), a Cascina (Pisa). Quello che Einstein aveva solo ipotizzato ora è provato: le onde gravitazionali esistono e sono state osservate. Per la prima volta è stata ascoltata la “voce” dell’universo.

La collisione tra due buchi neri, avvenuta un miliardo di anni fa, ha provocato il primo segnale delle onde rilevato, per la prima volta, dalle antenne dello strumento LIGO. Il segnale è stato analizzato fra Europa e Stati Uniti nel corso di due collaborazioni scientifiche: LIGO e VIRGO. L’Italia contribuisce allo studio con l’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN). Per la fisica è un risultato senza precedenti. Perché, oltre a confermare l’esistenza delle onde gravitazionali, fornisce anche la prima prova diretta dell’esistenza dei buchi neri.

“Abbiamo osservato il primo evento in assoluto nel quale una collisione non produce dati osservabili, se non attraverso le onde gravitazionali” – dice Fulvio Ricci, coordinatore della collaborazione Virgo. “Tutto è durato una frazione di secondo, ma l’energia emessa è stata enorme, pari a 3 masse solari”. I due buchi neri formavano un sistema binario nel quale l’uno ruotava intorno all’altro. “Avevano una massa rispettivamente di 36 e 29 volte superiore a quella del Sole. Si sono avvicinati ad una velocità impressionante, vicina a quella della luce. Più si avvicinavano, più il segnale diventava ampio e frequente, come un sibilo acuto; quindi è avvenuta la collisione, un gigantesco scontro dal quale si è formato un unico buco nero. La sua massa è la somma di quelle dei due buchi neri, ad eccezione della quantità liberata sotto forma di onde gravitazionali.”

“Nel 1916 Einstein ha predetto le onde gravitazionali. Oggi siamo felici di annunciare che abbiamo rilevato per la prima volta le graviazioni universali”. L’annuncio è stato dato contemporaneamente negli Stati Uniti e in Italia alle 16:30 (ora italiana). “Si apre un nuovo capitolo dell’astronomia”, ha dichiarato Fulvio Riccio, il coordinatore della collaborazione scientifica Virgo. Matteo Renzi si è congratulato telefonicamente con Fernando Ferroni, presidente dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare per la scoperta da parte degli scienziati italiani, americani, e francesi. Immancabile anche il tweet:

C’è anche la ricerca italiana nella storica scoperta delle #ondegravitazionali. Bravissimi i ricercatori di Cascina e dell’INFN

— Matteo Renzi (@matteorenzi) February 11, 2016

Cosa sono le onde gravitazionali?

Un’onda gravitazionale è una deformazione della curvatura dello spaziotempo che si propaga come una normale onda di campo. L’esistenza delle onde gravitazionali fu prevista nel 1916 da Albert Einstein nelle basi della sua teoria della relatività generale. Le onde gravitazionali possono essere quindi considerate a tutti gli effetti una forma di radiazione gravitazionale. Al passaggio di un’onda gravitazionale, la curvatura dello spaziotempo si contrae ed espande ritmicamente: questo effetto è però difficile da rivelare perché sono sia lo spazio che il tempo, in cui gli osservatori vivono, a contrarsi ed espandersi. Possono essere generate da fenomeni cosmici in cui enormi masse variano la loro distribuzione in modo repentino (e con un momento di quadripolo non nullo), ad esempio nell’esplosione di supernove o nella collisione di oggetti massivi.

L’osservazione

Le onde gravitazionali sono state rivelate il ​​14 settembre 2015, alle 10:50:45 ora italiana (09:50:45 UTC, 05:50:45 am EDT), da entrambi gli strumenti gemelli (VIRGO e LIGO) in una finestra temporale di coincidenza di 10 millisecondi. Queste onde gravitazionali sono state prodotte nell’ultima frazione di secondo del processo di fusione di due buchi neri, di massa equivalente a circa 29 e 36 masse solari, in un unico buco nero ruotante più massiccio di circa 62 masse solari: le 3 masse solari mancanti al totale della somma equivalgono all’energia emessa durante il processo di fusione dei due buchi neri, sotto forma di onde gravitazionali. Prima di fondersi, i due buchi neri hanno spiraleggiato, per poi scontrarsi a una velocità di circa 150.000 km/s, la metà della velocità della luce.

Qual è il ruolo dell’Italia?

EGO, l’Osservatorio Gravitazionale Europeo, è responsabile per il funzionamento e la gestione di VIRGO, il progetto nato dall’originale idea dell’italiano Adalberto Giazotto e del francese Alain Brillet la cui collaborazione scientifica oggi conta circa 250 fisici e ingegneri: metà team è composto dai ricercatori dell’INFN, l’altra metà da scienziati provenienti da 19 laboratori europei. L’INFN partecipa al progetto VIRGO con le proprie sezioni presso le Università di Pisa e Firenze con i gruppi di ricerca di Urbino, Perugia, Genova, Roma Sapienza, Roma Tor Vergata, Napoli, Padova, e i Centri Nazionali TIFPA di Trento e infine il Gran Sasso Science Institute dell’Aquila. “Questo successo è il coronamento di un’impresa scientifica da molti considerata al limite dell’impossibile, – ha detto Gianluca Gemme, coordinatore nazionale INFN di VIRGO – nella quale l’Italia ha costantemente mantenuto un ruolo di leadership a livello mondiale, grazie all’impegno dell’INFN, iniziato nei primi anni ’70 del Novecento con le antenne risonanti e continuato dagli anni ’90 con l’interferometro VIRGO, che oggi è uno dei tre strumenti più avanzati al mondo per la ricerca di onde gravitazionali”. L’aspetto più entusiasmante di questa scoperta è che essa non chiude un’epoca ma, anzi, apre una stagione di risultati scientifici di assoluto rilievo, nella quale l’Italia con l’Infn continuerà ad avere un ruolo di primissimo piano”.

Come funziona VIRGO?

Costato 78 milioni di euro, è costituito da due bracci gemelli lunghi tre chilometri: all’interno di tubi a vuoto, viaggiano due fasci laser ottenuti dividendo in due, grazie ad uno specchio, un unico fascio. VIRGO lavora in tandem con l’americano LIGO. All’interno di ogni tunnel, i fasci laser vengono riflessi da speciali specchi che li fanno viaggiare avanti e indietro per centinaia di volte, allungandone il percorso fino a 300 chilometri. Quando le due metà dei fasci laser tornano a unirsi, si produce una figura d’interferenza. Vale a dire che se uno dei due fasci laser viene colpito da un’onda gravitazionale, può allungarsi o accorciarsi rispetto all’altro. Questa tecnica permette di rilevare variazioni piccolissime, delle dimensioni di un miliardesimo del diametro di un atomo. La sensibilità dello strumento potrà essere ulteriormente aumentata nella versione potenziata di VIRGO (Advanced Virgo) prevista nella seconda metà del 2016. Lo strumento diventerà circa 10 volte più potente e potrà guardare 10 volte più lontano, ampliando di 1.000 volte il volume di universo che potrà osservare. Grazie all’accordo di collaborazione firmato nel 2007 ed esteso nel 2014, VIRGO e LIGO lavorano in tandem, i dati sono messi in comune e analizzati insieme, e insieme si pubblicano i risultati scientifici. Le due antenne di VIRGO che si trovano negli Stati Uniti sono entrati in funzione nel 2004 (ad Handford, nello Stato di Washington, e a Livingston, nella Louisiana). Recentemente sono stati potenziati ed è stata questa nuova versione chiamata Advanced Ligo ad ascoltare per la prima volta le vibrazioni dello spazio-tempo.

A cosa serve la scoperta delle onde gravitazionali?

Le onde gravitazionali aprono una nuova finestra sull’Universo: fino ad oggi infatti è stato studiato all’infrarosso, nella luce visibile, nella luce ultraviolette, nelle onde radio e alle alte energia come raggi x e raggi gamma. Con le onde gravitazionali si potrebbero studiare fenomeni non visibili con altri strumenti. La massima aspirazione potrebbe essere lo studio del Big Bang. La luce e altre radiazioni iniziarono ad emergere solo 300.000 anni dopo il Big Bang. Le onde gravitazionali potrebbero portarci a ridosso della “grande esplosione” lasciandoci scoprire cose che oggi neppure immaginiamo.

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