Sulla cresta delle onde gravitazionali – Parte 3

24 Gennaio 2018

Se non avete ancora letto parte I e parte II, fatelo ora!

III. RIVELAZIONI (IN TUTTI I SENSI)

Santo cielo! Ma non c’era una conferenza stampa in corso?
Signore e signori, abbiamo rivelato le onde gravitazionali. Ce l’abbiamo fatta!”
Un po’ scenico, se volete, ma efficace: la sala esplode in un tripudio generale, finito il quale David Reitze spiega l’accaduto.
Due buchi neri in un sistema binario si sono scontrati dopo una danza durata qualche centinaio di milioni di anni, sprigionando una potenza che al suo picco era pari a circa 35 volte la luminosità di tutte le stelle dell’Universo osservabile. Non solo: durante la loro danza e nell’istante dello scontro, un’onda gravitazionale è stata emessa. Questa si è propagata per il cosmo fino a venir captata dai due interferometri LIGO il 14 settembre 2015.
GW150914 è il primo segnale di onde gravitazionali mai rivelato: da questo segnale – durato appena 2 secondi! – gli scienziati sono riusciti a capire che lo scontro è avvenuto a 1,3 miliardi di anni luce di distanza (o equivalentemente 1,3 miliardi di anni fa), che i due buchi neri avevano masse di 36 e 29 volte quella del Sole e che i due, fondendosi, hanno dato vita ad un terzo buco nero di 62 masse solari.
Il lettore dal pallottoliere rapido obietterà che 36 e 29 danno 65. Ebbene, stando a quello che dice il vecchio Einstein, la massa è una forma di energia: ciò significa che le due si possono convertire l’una nell’altra. Semplicemente, le 3 masse solari mancanti sono state irradiate sotto forma di onde gravitazionali.

Grafici che illustrano diversi parametri della prima onda gravitazionale mai osservata, GW150914, vista da entrambi i rilevatori di LIGO.

Forma della prima onda gravitazionale mai osservata, GW150914, vista da entrambi i rilevatori di LIGO. Sopra si vede la forma d’onda come è stata osservata dai due rilevatori (dopo la sottrazione del segnale di rumore), in centro viene confrontata con la forma teorica, in basso viene visualizzato il cambio di frequenza dell’onda con il tempo (fonte). A proposito, che “suono” ha un’onda gravitazionale?

L’eco mediatica risuona forte in tutto il mondo: “La scoperta del secolo” titolano i maggiori quotidiani. E mentre la comunità scientifica è ancora in brodo di giuggiole, LIGO continua a lavorare e a sfornare scoperte. Un secondo evento viene registrato il giorno di Santo Stefano 2015: due buchi neri di 14 e 7 Soli si sono scontrati dando vita a un terzo buco nero di 20 masse solari, mentre la massa solare mancante è stata dissipata sotto forma dell’onda gravitazionale GW151226.
Una nuova campagna osservativa tra il 2016 e il 2017 rivela una terna di segnali di onde gravitazionali. In ognuno di questi eventi, due buchi neri si sono fusi per dare vita a un terzo, di massa leggermente più piccola della somma dei due. Ma la vera novità è che durante il terzo evento (GW170814) anche VIRGO, il rivelatore europeo, è acceso, e per la prima volta gli scienziati sono in grado di localizzare in modo preciso la posizione dello scontro nel cielo – così come servono tre stazioni sismiche per calcolare l’epicentro di un terremoto, allo stesso modo per le onde gravitazionali servono tre rivelatori.

“Sì, ma sempre e solo buchi neri.”

Già, ma si capiva che qualcosa stava bollendo in pentola. E infatti il 16 ottobre 2017 siamo di nuovo a Washington, con il professor Reitze che con le solite cerimonie annuncia che LIGO e VIRGO hanno rivelato un’onda gravitazionale (GW170817) della durata di 100 secondi: è il segnale temporalmente più lungo mai rivelato. E c’è di più: 1,7 secondi più tardi i satelliti Fermi e INTEGRAL rivelano un intenso lampo di luce gamma, tecnicamente detto Gamma-Ray-Burst (GRB), della durata di 2 secondi proveniente dalla stessa zona di cielo dell’onda gravitazionale; nelle ore e nei giorni successivi, una rete mondiale di telescopi osserva, sempre nella stessa parte di cielo, l’emissione di luce gamma spostarsi nell’ultravioletto, poi nel visibile, quindi nell’infrarosso e infine nel radio.
Grazie allo sforzo di tutti si è capito che:

  • tutto questo amba aradam è avvenuto nella galassia NGC4993, una galassia ellittica distante 130 milioni di anni luce da qui.

  • l’onda gravitazionale è stata prodotta dallo scontro di due stelle di neutroni in un sistema binario. Queste sono stelle la cui massa è circa quella del Sole, ma concentrata in pochi km di raggio.

  • lo scontro delle due stelle di neutroni ha anche provocato il GRB. È dal 1967 che i satelliti gamma osservano quotidianamente questi violentissimi eventi. Erano state sviluppate molte ipotesi riguardo la loro origine (tra cui proprio lo scontro di stelle di neutroni) e per la prima volta dopo 50 anni abbiamo la conferma che queste ipotesi erano corrette.

“Possiamo chiudere quindi? Abbiamo finito qui?” Ah, tutt’altro! Pensate forse che le onde gravitazionali siano emesse solo da sistemi binari? Recatevi alla sede di LIGO e troverete questo sulle loro lavagne:

In attesa di vedere le onde gravitazionali provenienti da eventuali asimmetrie delle esplosioni di supernova, da possibili non-sfericità delle pulsar e perfino dal Big Bang: benvenuti nell’era dell’astronomia gravitazionale! Germania, India e Giappone stanno già sviluppando nuovi interferometri: si sta creando una rete mondiale di rivelatori di onde gravitazionali! Questo si chiama collaborazione!

Immagine che rappresenta come sarà LISA.

Impressione artistica dei satelliti che formeranno LISA, il primo rivelatore di onde gravitazionali spaziale (fonte).

E non è finita, perché l’Agenzia Spaziale Europea ha pronta la chicca: intorno al 2030, il Laser Interferometer Space Antenna (LISA) sarà il primo interferometro spaziale. Sarà costituito da 3 satelliti artificiali disposti a triangolo equilatero, separati l’uno dall’altro di 5 milioni di km. Questa “costellazione” si muoverà a seguito dell’orbita terrestre e avrà un laser, che servirà a misurare le variazioni di distanza, di potenza 30 W, contro i pochi mW dei laser commerciali. Nel 2015 la tecnologia che verrà usata è stata testata con risultati migliori rispetto alle attese. Quando sarà in orbita, LISA osserverà soprattutto onde gravitazionali provenienti da stelle binarie nella Via Lattea, scontri tra buchi neri supermassicci in altre galassie e l’eventuale esistenza di buchi neri di massa intermedia.

Insomma, l’era dell’astronomia gravitazionale è appena iniziata, e abbiamo già un mucchio di lavoro da fare. E in un certo senso, questa è tutta colpa di quel baffo tedesco che più di cento anni fa ebbe una fugace intuizione stando seduto sulla sua scrivania all’ufficio brevetti di Berna.

 

EPILOGO

La sala stampa è gremita in ogni ordine di posto, c’è trepidazione nell’aria. Questa volta però l’annuncio è stato programmato da tempo. La città di Stoccolma vive sempre momenti come questo nei primi giorni d’ottobre. Per la terza volta in veste di Segretario Generale dell’Accademia Reale svedese delle Scienze, Göran Hansson prende la parola:
L’Accademia Reale svedese delle Scienze ha deciso di assegnare il Premio Nobel per la Fisica 2017 per metà a Rainer Weiss e per metà congiuntamente a Barry C. Barish e a Kip S. Thorne, tutti membri della collaborazione LIGO/VIRGO, per il decisivo contributo al detector LIGO e all’osservazione delle onde gravitazionali.”.

Gabriele

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