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Scoperte le onde gravitazionali!
100 anni di attesa.
100 anni dopo la pubblicazione della sua Teoria della Relatività Generale, ecco che l'ultima grande previsione di Albert Einstein viene verificata da un'osservazione sperimentale diretta: le onde gravitazionali esistono, sono rivelabili e possiamo inaugurare una nuova era dell'astrofisica!
Andiamo per gradi!
1) Cosa sono le onde gravitazionali?
Sono delle increspature dello spazio-tempo stesso, che come dice il nome si propagano come un moto ondoso. Immaginate la nostra realtà come un foglio elastico: lo potete scuotere, facendolo oscillare, oppure lo potete schiacciare e tirare, causandone l'accorciamento e l'allungamento. Questo è quello che fanno le onde gravitazionali: allungano e accorciano lo spazio al loro passaggio, come un'onda sonora nell'aria si propaga comprimendo ed espandendo le molecole del gas.
Significa che quando un'onda gravitazionale passa attraverso il vostro corpo, vi allunga e vi accorcia! Ma il bello è che non lo fa spostando fisicamente i vostri atomi, ma aumentando o riducendo la distanza stessa che li separa! Spesso viene fatto l'esempio del palloncino: prendete un palloncino sgonfio, fateci dei puntini e gonfiatelo. I puntini si allontaneranno, ma non si stanno fisicamente muovendo sulla sua superficie! Ecco cosa vuol dire dilatazione dello spaziotempo.
2) Come nascono le onde gravitazionali?
Per produrre una perturbazione serve un perturbatore. E questo è la massa stessa! Ogni massa "siede" nello spaziotempo come una palla su un telo elastico: se spostiamo la palla, la fossetta da essa generata si sposterà con lei. Cioè produce una perturbazione che si muove sul telo, è un po' come tirare una pietra in uno stagno, o muovere bruscamente un oggetto sottacqua: nascono delle onde che si propagano per tutto lo specchio d'acqua. Similmente, quando muoviamo o acceleriamo bruscamente una massa, ecco che questa produrrà delle onde nello spazio tempo, appunto dette onde gravitazionali, che si propagheranno per tutto l'universo. La teoria prevede che la loro velocità sia proprio quella della luce.
Qualunque massa produce onde gravitazionali quando è in moto! Significa che persino il vostro cane che sta correndo come un matto per casa inseguendo il suo ultimo giocattolo sta scambiando con voi onde gravitazionali!
3) Quale oggetto può produrre fisicamente un'onda gravitazionale percepibile?
Semplice: qualcosa di MOLTO grosso, con un campo gravitazionale immenso e che si muove a una velocità indecente. Qualcosa come uno scontro tra due buchi neri o stelle di neutroni (o un cucciolo indemoniato)! Tuttavia tali scontri non erano mai stati osservati, e dei buchi neri abbiamo solo evidenze indirette...
4) Come possiamo costringerle a farsi vedere?
Di nuovo, il concetto è semplice: misurando la variazione di distanza tra due punti di cui conosciamo le posizioni iniziali!
Il problema è che, persino le onde più potenti nate nei cataclismi più inenarrabili, producono dei segnali ridicolmente piccoli: 10^-21, quando va bene. Cioè la distanza varia di un millesimo di miliardesimo di miliardesimo del suo valore. In prospettiva, è un atomo a confronto della distanza Terra-Sole (150.000.000 di km) o un capello a confronto della distanza Sole-Stella più vicina (31 mila miliardi di km).
Impossibile? No! Solo estremamente difficile.
Per farlo si usa uno strumento il cui principio è tra i più antichi della fisica: l'interferometro! Anche questo è molto semplice: si prende una sorgente di luce e la si sdoppia. I due fasci vengono mandati in direzioni perpendicolari, rimbalzano su uno specchio e tornano verso la sorgente. Qui viene posto uno schermo, sul quale i due raggi luminosi si sovrappongono, facendo appunto "interferenza". L'immagine che si forma sullo schermo, detta figura d'interferenza, dipende dalla lunghezza dei due percorsi, e una qualunque variazione della distanza percorsa causerà delle variazioni nella figura d'interferenza.
La prima applicazione di questo strumento, l'interferometro di Michelson-Morley, fu la pietra tombale sull'idea di "etere luminifero", e aprì la strada alla relatività di Einstein. Negli anni il desing è diventato sempre più preciso, e gli strumenti sempre più grandi. LIGO e Virgo sono in grado di riconoscere ed elimiare le vibrazioni prodotte dal traffico locale e lontano, o persino quelle prodotte dai boscaioli quando abbattono alberi.
E oggi, ci siamo riusciti.
5) Cosa è successo?
La collaborazione americana LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory), in possesso di due interferometri distanti circa 3000 km e ciascuno con un cammino ottico di qualche centinaio di km, ha annunciato di aver rivelato per la prima volta le onde gravitazionali. Il segnale è quello riportato nell'immagine allegata.
Image Credits: LIGO, Tanja Bode, Phil Armitage, JILA
Il 14 settembre 2015, alle 10:50:45 CET, mentre si stavano prendendo dati di calibrazione, i due interferometri hanno misurato a distanza di 6.9 millisecondi (il tempo di volo di 3000 km) il passaggio di un'onda gravitazionale. Il segnale è cominciato con una frequenza di 35 Hz, è rapidamente cresciuto fino a 250 Hz come in un grido, è diventato caotico e si è rapidamente spento. Con un rapporto segnale-rumore di 24 e un tasso di falso allarme di uno ogni 203.000 anni, è stato subito chiaro che la probabilità di aver rivelato un evento casuale è di una su 20 milioni: cioè in gergo 5.1 sigma di significatività. Ricostruendo la forma dell'onda siamo riusciti a capire che avevamo assistito alla fusione di due buchi neri, la prima volta nella storia.
I due oggetti, di 36±5 e 29±4 masse solari, si sono avvicinati per milioni di anni, a causa della perdita di energia orbitale sottoforma di onde gravitazionali, e più si avvicinavano più tale perdita aumentava. Esponenzialmente. Nel giro di un quarto di secondo i due buchi neri si sono avvicinati sempre di più, hanno raggiunto velocità pari a metà di quella della luce e si sono scontrati, prendendo ad emettere incredibili quantità di energia sottoforma di onde gravitazionali. Pensate la potenza irradiata in onde ha raggiunto valori 50 volte superiori all'intera potenza luminosa dell'universo! Il risultato è stato un buco nero di 62±4 masse solari. E le altre 3 mancanti?
Convertite in pura energia! Ecco perché siamo riusciti a rivelare queste onde!
Ok, l'effeto è stato di un atomo sulla distanza Terra-Sole. Ma i calcoli mostrano che questo evento è avvenuto a 1.3±0.6 miliardi di anni luce di distanza. Vuol dire che alla sorgente, la perturbazione dello spazio deve essere stata di svariati km. "Come se Pisa e Livorno si fondessero" ha scherzato il presidente dell'INFN Fernando Ferroni. Una prima triangolazione mostra che l'evento è avvenuto da qualche parte nella volta celeste meridionale, dietro alle Nubi di Magellano.
La detection è stata fortuita: stavano facendo un run di prova, e in meno di 3 minuti avevano identificato un segnale! Sono seguiti mesi di raccolta dati di rumore di fondo e di pettegolezzi sui social media, e oggi finalmente l'annuncio della scoperta. Ma c'è chi dice che dopo questo segnale, altri sono stati catturati, e devono solo essere pubblicati!
6) Perché è una scoperta importante?
Al di là del fatto che OGNI scoperta è importante, perché aumenta la nostra comprensione del cosmo
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Questa scoperta suggella definitivamente la teoria della Relatività Generale, una delle più eleganti e complete mai scritte, e ci dice molto sul nostro universo.
Questa scoperta apre una nuova era: perché dopo l'astronomia che usa la luce, cioè le onde elettromagnetiche, e l'astronomia che usa i neutrini, indefessi e inarrestabili viaggiatori del cosmo, ecco che abbiamo l'astronomia che usa le onde gravitazionali e il loro spettro, per indagare una quantità enorme di nuovi fenomeni. È solo l'inizio: LIGO non è nemmeno a un terzo della sua sensibilità progettata, e Virgo verrà acceso a breve. LIGO e Virgo inoltre fanno parte di una collaborazione strettissima: ecco perché l'annuncio è stato fatto contemporaneamente dai due team, anche se il "nostro" interferometro (situato a Cascina, Pisa) non è ancora acceso.
Questa non è solo la prima misurazione DIRETTA di un'onda gravitazionale (erano già state viste indirettamente grazie al decadimento orbitale di un sistema binario di stelle di neutroni, valso il premio Nobel per la fisica del 1982). È anche la prima osservazione della fusione di due buchi neri, ed è anche la prima prova direttissima dell'esistenza di questi oggetti! Questi mostri strani ed esotici si sono finalmente materializzati davanti ai nostri occhi!
Qualcuno pagherà con il Nobel per questo
Emoticon grin
Stephen Hawking ha già dichiarato che i conti furono svolti per la prima volta da lui, e Kip Thorne è l'ideatore di LIGO stesso.
Albert, avevi ragione, su tutto.
Scrivo questo post non senza una certa emozione. Oggi è stata fatta la storia! Grazie a tutti voi che ci avete seguito e grazie a chi ha permesso questa scoperta: è iniziata una nuova era!
(Articolo preso dalla pagina "Chi ha paura del buio?" - Facebook) ---> Link <---
Paper ufficiale
Comunicato LIGO
Timeline
Articolo di Media INAF
Comunicazione di NATURE
Video
Video.
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