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Le onde gravitazionali, gli esperimenti di LIGO negli Stati Uniti e VIRGO a Cascina: i segreti del nostro nuovo “senso” per comprendere l’Universo

L’umanità ha un nuovo senso: è diventata sensibile alle onde gravitazionali. Ci eravamo lasciati così (leggi qui) e con alcune delle conseguenze che questa conquista tecnologico-scientifica implica ed implicherà per la nostra conoscenza. È come immaginare di essere sordi per tutta la vita e, ad un certo punto, cominciare a sentire: quante nuove cose, prima non percepibili, si manifestano al nostro nuovo senso acquisito! Con tempi molto più lunghi, e le dovute differenze, avere strumenti che rivelano le onde gravitazionali sta portando ad una rivoluzione simile nel modo in cui percepiamo e comprendiamo l’Universo e la fisica in generale.

Forse vi sarete chiesti come è stato possibile misurare le onde gravitazionali e come funzionano questi famigerati strumenti che ci stanno donando il nostro nuovo senso. Noi oggi proveremo a raccontarvi come è stato realizzato un esperimento talmente audace da sembrare impossibile, e come altri ancora più incredibili stanno per essere messi a punto.

Partiamo dal capire cosa stiamo cercando di misurare, ovvero dal capire cosa succede quando un’onda gravitazionale, prodotta per esempio da due enormi buchi neri o stelle di neutroni che si scontrano, attraversa la Terra dopo aver percorso lo spazio interstellare. Proviamo a spiegarlo, come spesso ci capita, con un’analogia più “terra terra”: prenderemo come esempio un’onda acustica. Un oggetto che vibra, come il diaframma di uno speaker o le nostre corde vocali, produce un cambiamento nella densità dell’aria che lo circonda: come illustrato nell’immagine animata qui sotto, le particelle d’aria si comprimono e dilatano in modo oscillatorio. Questo cambiamento della densità si propaga nello spazio grazie agli urti tra le particelle dell’aria, senza che, in media, le particelle stesse si spostino, dando così vita ad un’onda sonora. Il nostro orecchio, così come gli strumenti per registrare audio come i microfoni, sono sensibili a queste variazioni di densità – che poi sono variazioni della pressione dell’aria – che vengono registrate e trasformate in impulsi elettrici da mandare al cervello, o ad incidere un disco in vinile.

Longitudinal wave (string) and transversal wave (gas) from Niels Langager Ellegaard on Vimeo.

Prima di passare alle onde gravitazionali, torniamo un attimo all’immagine animata quì sopra. Questo “cambiamento della densità dell’aria” può essere descritto come cambiamento delle distanze tra le particelle che compongono l’aria; esse si avvicinano e allontanano tra di loro in maniera oscillatoria. Nel caso dell’onda gravitazionale la situazione non è molto dissimile, ma necessita, come vedremo tra qualche riga, di un bello step concettuale. Ciò che produce le onde gravitazionali, potremmo dire le “corde vocali” gravitazionali, sono gli oggetti massivi nello spazio. Ad esempio due stelle di neutroni che danzano insieme. Il loro movimento causa la modifica oscillatoria delle distanze tra oggetti nelle loro vicinanze. Come per l’onda sonora, questa modifica delle distanze si propaga allontanandosi dalla sorgente senza che niente di materiale si sposti e propaghi con l’onda. Lo step concettuale importante è che queste onde non si propagano nello spazio come l’onda sonora, ma sono onde dello spazio, o meglio dello spazio-tempo. Questo step, ostico anche per chi lavora con la relatività generale ogni giorno, è intimamente legato con quello che abbiamo provato a fare agli inizi di questa rubrica spiegando come l’Universo si espanda senza occupare altro spazio (leggi qui, qui e qui).

Quando un’onda sonora si propaga nell’aria, sono solo le distanze tra le particelle dell’aria a cambiare. Quando un’onda gravitazionale attraversa la Terra, invece, quello che accade è che le distanze fra tutti gli oggetti diminuiscono ed aumentano in concerto con l’onda: in un certo senso la Terra stessa tutta si comprime e dilata. Ne consegue che se mettessimo un righello lungo il percorso di un’onda gravitazionale, anch’esso si comprimerebbe e dilaterebbe con l’onda stessa, facendoci misurare sempre la stessa distanza, e facendoci sembrare quindi che nulla sia cambiato. Come possiamo accorgerci quindi di un fenomeno del genere e addirittura misurare i cambiamenti nelle distanze tra punti dello spazio-tempo?

Il modo esiste. Bisogna sfruttare una proprietà unica della luce, che la rende protagonista della teoria della relatività ristretta prima e generale poi: la luce viaggia sempre alla stessa velocità “c” (ne abbiamo parlato qui). Di conseguenza, se la distanza tra due punti dello spazio viene modificata dal passaggio di un’onda gravitazionale, un raggio di luce impiegherà un tempo diverso ad andare da un punto all’altro. Quindi la strategia sembra chiara: scegliamo due punti, misuriamo il tempo impiegato dalla luce per andare dall’uno all’altro e ripetiamo tante volte la misura per vedere se questo tempo aumenta e diminuisce ritmicamente come ci aspettiamo durante il passaggio di un’onda gravitazionale. In realtà questa è una semplificazione, perché anche il tempo, facendo parte dello spazio-tempo, subisce l’effetto dell’onda gravitazionale. Questa difficoltà è però risolvibile. Senza andare nei dettagli, possiamo usare due raggi luminosi perpendicolari (che quindi subiscono l’effetto dell’onda gravitazionale in modo diverso), fargli attraversare una certa distanza, rifletterli indietro con degli specchi e poi ricombinarli. A quel punto i diversi effetti subiti dai due raggi si vedranno nel modo in cui essi si ricombinano, nei cosiddetti “pattern di interferenza”. Questo è il principio base di funzionamento degli “interferometri”, gli strumenti che dal 2015 regalano all’Umanità un nuovo senso.

Qual è la vera difficoltà allora? Perché siamo riusciti a costruire un interferometro solo ora, e non cento anni fa, quando per la prima volte le onde gravitazionali furono teorizzate? Il problema è che la variazione di distanza che vogliamo misurare è piccolissima, molto più di qualsiasi cosa piccola vi sia venuta in mente leggendo questa frase. Dal punto di vista teorico anche due danzatori di tango producono onde gravitazionali, ma esse sono praticamente ininfluenti perché la massa del corpo umano è molto piccola. Ma anche eventi estremi, come lo scontro di due buchi neri con masse decine di volte più grandi di quella del Sole, producono variazioni di distanze sulla Terra che sono minuscole, molto maggiori di quelle dei danzatori di tango, ma sempre minuscole.

Quanto minuscoli? I 4 km dei bracci degli interferometri LIGO negli Stati Uniti e VIRGO a Cascina, vicino Pisa, dove i laser passano, rimbalzano e si ricombinano, varia di meno di un millesimo del diametro di un protone! Si tratta della misura più piccola mai realizzata! Come potete immaginare, questo esperimento ha spinto agli estremi le nostre capacità tecnologiche: sono serviti un laser precisissimo e con la potenza di un megawatt, gli specchi più puri mai realizzati e un livello di vuoto secondo solo a quello di LHC a Ginevra. Il tutto replicato in posti diversi e lontani per permettere di eliminare l’effetto di fattori locali che possono interferire con la misura. Sono il risultato di un grande esempio di collaborazione tra istituti di ricerca, enti governativi e grandi industrie italiani, europei e mondiali.

LISA motion.gif

By Nico 0692Own work, CC BY-SA 4.0, Link

Ma non ci stiamo fermando qui. Uno dei più grandi problemi tecnici con cui questi interferometri terrestri devono avere a che fare è che un micro-terremoto, o anche solo un camion sulla FI-PI-LI, causano vibrazioni che gli interferometri possono confondere con l’effetto cercato del passaggio di un’onda gravitazionale. Il lavoro per ridurre questo “rumore di fondo” è enorme e riduce le capacità dello strumento. Potremmo costruire un interferometro nello spazio, potrebbe pensare un pazzo visionario. Beh quel pazzo visionario non è poi così pazzo, né così visionario. Il progetto per questo esperimento ancora più incredibile, che prende il nome di LISA (Laser Interferometer Space Antenna), è già stato messo a punto, finanziato principalmente dall’Agenzia Spaziale Europea. Fra una decina d’anni saranno pronte tre navicelle che verranno lanciate nello spazio a formare un triangolo equilatero di 2,5 km di lato, ad inseguire la Terra nella sua orbita attorno al Sole alla distanza di sicurezza di 50 milioni di chilometri (vedi l’immagine qui sopra). Queste navicelle si scambieranno raggi laser rimandendo lontani da micro-terremoti, autoarticolati e starnuti dell’addetto alla sala controllo.

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