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Onde gravitazionali: cronaca di un annuncio storico

Vista aerea dei due osservatori LIGO di Hanford e, nel riquadro, di Livingston
Vista aerea dei due osservatori LIGO di Hanford e, nel riquadro, di Livingston credits: Ligo Observatory

Einstein le teorizzò esattamente 100 anni fa e i primi tentativi di rivelarle cominciarono quasi 60 anni fa. Oggi, in una conferenza stampa che tutto il mondo aspetta con trepidazione, l'annuncio della prima rilevazione diretta di Onde Gravitazionali dalla fusione di due buchi neri. Ecco la nostra telecronaca in diretta!

 Le indiscrezioni circolavano in rete da più di un mese, all'inizio si trattava di una voce isolata ma negli ultimi giorni, con l'annuncio di una conferenza stampa ufficiale si è capito che qualcosa di grosso bolle davero in pentola e alcune informazioni sta già filtrando... le notizie ufficiose riguardanti le due antenne gravitazionali americane LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory), parlano di chiari segnali da due diverse regioni celesti e, in un caso, si tratterebbe della fusione di due buchi neri stellari massicci (circa 30 masse solari ciascuno)!

 In questa pagina seguiremo in tempo reale l'evento a partire dalle 16.30, aggiungendo i dettagli della scoperta man mano che vengono resi pubblici... nel frattempo i più curiosi possono leggere i due paragrafi in fondo all'articolo, dove si racconta cosa sono le onde gravitazionali, la storia e le tecnologie impiegate per rivelarle.

LIGO / VIRGO hanno appena confermato due importanti scoperte scientifiche:
la prima rilevazione diretta delle onde gravitazionali e la prima osservazione della collisione e fusione di una coppia di buchi neri.

L'evento catastrofico che ha prodotto onde gravitazionali, GW150914, ha avuto luogo in una galassia lontana più di un miliardo di anni luce dalla Terra. Una grande scoperta che segna l'inizio di una nuova era per l'astrofisica.

Link all'articolo originale: http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.116.061102

Nelle due conferenze sono state mostrate le seguenti slides che ci raccontano come l'evento sia stato stato osservato dalle due antenne LIGO lo scorso 14 Settembre, quando da noi era quasi mezzogiorno. A causa della distanza di 3000 km tra le due antenne, si è osservato uno sfasamento di 10 milllisecondi tra i due eventi. La probabilità che un simile segnale apparisse quasi contemporaneamente nei due rivelatori per caso è stimata in 2·10-7 ovvero un evento casuale ogni 203000 anni! In termini statistici, questo significa una significatività molto alta, pari a 5.1σ. Inoltre, i segnali di Hanford e Livingston hanno mostrato un modello simile, come ci si aspetterebbe, ed erano abbastanza forti rispetto il rumore di fondo per provenire da "fuori". La comprensione di questo rumore di fondo è stata proprio una parte essenziale delle analisi che ha coinvolto il monitoraggio di una vasta gamma di dati ambientali registrati in entrambi i siti, inclusi i movimenti di terra, le variazioni di temperatura e le fluttuazioni della rete elettrica.

Nella prima slide si vedono in dettaglio le due forme d'onda registrate nei due rivelatori (grafici in alto) messi a confronto con il modello teorico previsto (al centro) e in basso i residui (ovvero la differenza tra curva osservata e quella teorica); l'accordo è decisamente buono. Si noti come la deformazione relativa provocata dal passaggio dell'onda G nel rivelatore (strain) non supera il valore 10-21. inoltre, l'intero evento è durato meno di 2 decimi di secondo, praticamente un batter d'occhio!

forme

Nella seconda slide qui sotto c'è una rappresentazione dell'intensità (falsi colori) in funzione del tempo e della frequenza e si vede come, in entrambe le antenne, c'è un deciso, caratteristico incremento di luminosità e di frequenza; questo aiuta a caratterizzare la natura e i dettagli dell'evento osservato, come mostrato nelle slides successive.

spettri

Qui sotto è rappresentato il fenomeno fisico che spiega il segnale osservato. Due buchi neri stellari rotanti di grande massa (36 e 29 masse solari) si sono prima avvicinati ruotando uno intorno all'altro sempre più rapidamente (e questo spiega l'aumento di frequenza) fino a fondersi insieme, generando un nuovo buco nero rotante di circa 62 masse solari (tali buchi neri rotanti sono stati previsti nel 1963 dal matematico Roy Kerr). Dopo la fusione, un debole segnale di "ring-down" è stato emesso mentre il buco nero risultante prendeva una forma meno schiacciata.

ondegravitazionali 1

 Il grafico qui sotto ci fa capire quanto violento sia stato l'evento; nelle concitate fasi finali, i due buchi neri ruotavano a una velocità superiore a metà della velocità della luce!

ondegravitazionali 4

 Naturalmente, come spiegato anche in fondo a questo articolo, una accelerazione così violenta su masse così grandi produce una gran quantità di onde gravitazionali e infatti, in questo processo, circa 3 masse solari (o quasi sei milioni di trilioni di trilioni di chilogrammi) sono state convertite in questa forma d'energia, secondo la celebre relazione di Einstein mostrata anche nell'ultima slide. Una cifra spaventosa se si pensa che di contro il Sole converte solo due miliardesimi di un trilionesimo della sua massa in radiazione elettromagnetica ogni secondo.

ondegravitazionali 7

Si noti che la distanza stimata dei due buchi neri che si sono fusi è di 1.3 miliardi di anni luce (red shift = 0.09)e che nell'ultima frazione di secondo è stata emessa una potenza spaventosa (50 volte quella emessa dall'intero universo visibile) sottoforma di onde gravitazionali!

Oltre a dare l'ennesima conferma alle idee di Einstein (ammesso che ce ne fosse ancora bisogno), questa scoperta ci fa capire come siamo sempre stati ciechi di fronte a fenomeni così importanti, tanto da superare di decine di volte l'energia emessa da tutto l'Universo (sebbene per una frazione di secondo soltanto)! E questo è solo l'inizio, pensate quando entrerà in funzione LISA...

Un pò di Storia (e di Fisica)

 Quella delle onde gravitazionali è una storia lunga e in passato ci sono stati già dei falsi allarmi riguardo alla loro rivelazione diretta, vediamo di ripercorrere alcune tappe fondamentali.

 Nel 1905, in contemporanea con la pubblicazione della teoria della relatività ristretta da parte di Einstein, il fisico e matematico francese Henri Poincaré fu il primo a postulare l'esistenza di onde "gravifiche", responsabili dell'attrazione gravitazionale e che si propagano alla velocità della luce nel continuum spazio-temporale, in analogia con le onde elettromagnetiche che sono oscillazioni dei campi elettrici e magnetici (anche nel vuoto). Questa prima idea embrionale è però piuttosto fuorviante e poco ha a che fare con le vere onde gravitazionali postulate da Einstein 11 anni dopo, all'interno del quadro della teoria della relatività generale; questa, infatti, prevede che masse accelerate emettano radiazione, esattamente come avviene con le cariche elettriche accelerate.

binary wave

Visualizzazione artistica delle onde gravitazionali emesse da una coppia di buchi neri vicini al "merging"; si noti la deformazione del tessuto spazio-tempo - Credit:T. Carnahan (NASA GSFC)

 Per essere più precisi, tra le moderne teorie della gravitazione, lo schema teorico più accreditato sulla metrica dello spazio-tempo è quello di Einstein che si basa sul concetto matematico di "tensori"; la soluzione delle sue equazioni implica l'emissione di radiazione gravitazionale sottoforma di deformazioni oscillatorie dello spazio-tempo che si propagano alla velocità della luce. Questa radiazione viene emessa solo da corpi in cui la massa è distribuita in modo fortemente disomogeneo (quindi sensibilmente distanti dalla simmetria sferica); la grandezza fisica che misura questa disomogeneità è il momento di quadrupolo. Quando il momento di quadrupolo di un corpo di grande massa subisce variazioni molto rapide è emesso un gran numero di onde gravitazionali, di intensità proporzionale alle accelerazioni in gioco e con la stessa frequenza del fenomeno periodico che le origina (la metà del periodo di rivoluzione per due masse orbitanti una attorno all'altra o il periodo di rotazione per un corpo disomogeneo).

GravitationalWave PlusPolarization

By MOBle at English Wikipedia - Transferred from en.wikipedia to Commons. Transfer was stated to be made by User:Tgr., Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=3296271

 Quando poi una di queste onde incontra corpi liberi, le distanze tra questi prenderanno ad aumentare e diminuire ritmicamente con la stessa frequenza dell'onda, come mostrato qui sopra;  questo si verifica nonostante tali corpi non siano sottoposti a una forza esterna nel senso classico.  Il problema è che, essendo l'interazione gravitazionale enormemente più debole di quella elettromagnetica, sia la produzione che la rilevazione di simili onde è molto più ardua. Di fatto, è impossibile produrle in laboratorio e solo fenomeni astrofisici estremamente violenti e catastrofici su grande scala, come l'esplosione asimmetrica di una supernova o la fusione di due corpi collassati (stelle di neutroni o buchi neri) possono generare nella fase più drammatica onde gravitazionali con una energia sufficiente a creare effetti macroscopici nelle immediate vicinanze e a poter essere rivelate a grande distanza. In effetti, come vedremo nel paragrafo successivo, la tecnologia richiesta per rivelarle direttamente è quasi fantascentifica e questo spiega perchè ci siamo arrivati solo oggi, dopo quasi 60 anni di tentativi infruttuosi.

 Tuttavia, le onde gravitazionali sono già state rivelate indirettamente da parecchi anni, osservando l'effetto che la loro emissione provoca sulla sorgente. L'esempio più celebre in questo senso è quello della pulsar binaria PSR B1913+16, che è valso il premio Nobel 1993 ai suoi scopritori R. Hulse e J. Taylor.

 hulse taylor

Ritardo sul tempo di periastro di PSR 1913+16 dovuto alla dissipazione di energia orbitale tramite onde gravitazionali, in perfetto accrodo con le previsioni della Relatività Generale (from Weisberg and Taylor (2004))

 

Tecnologie avveniristiche per la rivelazione

 Giusto per dare l'idea dell'ordine di grandezza della sensibilità richiesta, fissiamo la nostra attenzione su un immaginario rivelatore lungo 1 metro e consideriamo l'effetto su di esso da parte di un'onda gravitazionale monocromatica, con una "larghezza di banda" di 1 Hz soltanto. I calcoli dimostrano allora che, in caso di esplosione di Supernova nella nostra galassia (evento relativamente raro), la variazione di lunghezza del rivelatore ammonterebbe a soli 10-18 metri (1 attometro), le dimensioni approssimative di un Quark! Peggio ancora se vogliamo vedere una esplosione di SN nell'ammasso della Vergine, stavolta scendiamo a 10-21m (1 zeptometro). In effetti, lo stesso Einstein riteneva pressochè impossibile riuscire a rivelare un'onda G.

sorgenti

Possibili sorgenti di onde G. al variade della frequenza - Credit: NASA Goddard Space Flight Center

 I primi rivelatori di onde G non erano assolutamente in grado di raggungere la sensibilità richiesta. Essi erano realizzati con grossi cilindri di alluminio, isolati meccanicamente e fatti apposta per "risuonare" a una certa frequenza. Nel 1968, con uno di questi strumenti, J. Weber affermò di avere effettivamente osservato un segnale reale ma i suoi risultati non furono mai confermati e vennero criticati dalla comunità scientifica.

 In seguito la tecnica e la sensibilità si sono affinate, inserendo questi cilindri in contenitori criogenici (per sopprimere il rumore termico) e accoppiati a sensibilissimi rivelatori superconduttori ("squid"); uno di questi, il NAUTILUS, si trova nei Laboratori Nazionali di Frascati dell'INFN ed è raffreddato a soli 0,15 K (temperatura record per masse così grandi).

 Si arriva così ai moderni rivelatori interferometrici, costituiti da masse sospese all'estremità di lunghi tubi sottovuoto, percorsi ripetutamente da fasci laser che permettono di rilevare anche la più piccola oscillazione grazie al fenomeno di interferenza distruttiva dei raggi luminosi. Le principali antenne interferometriche funzionanti sono:

  • LIGO: 2 rivelatori uguali (uno a Hanford, Washington e l'altro a Livingston, Louisiana) con 2 bracci lunghi 4 km;
  • VIRGO: a Cascina (vicino Pisa), con 2 bracci lunghi 3 km;
  • GEO600 vicino Hannover, in Germania, ha 2 bracci di 600m;
  • TAMA300 nel campus Mitaka, in Giappone (300 metri).

 Va detto che le antenne LIGO hanno subito di recente grosse modifiche hardware e, quando sono tornate a funzionare lo scorso Settembre, la loro sensibilità era nettamente migliorata. Lo stesso tipo di potenziamento sta avvenendo su VIRGO e nei prossimi anni si dovrebbero aggiungere alla schiera di antenne ultra-sensibile anche il KAGRA in Giappone, Einstein in Europa  e probabilmente un'altra LIGO in India.

Altre info su questo post:

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Marco Di Lorenzo (DILO)

Sono laureato in Fisica e insegno questa materia nelle scuole superiori; in passato ho lavorato nel campo dei semiconduttori e dei sensori d'immagine. Appassionato di astronautica e astronomia fin da ragazzo, ho continuato a coltivare queste passioni sul web, elaborando e pubblicando numerose immagini insieme al collega Ken Kremer. E naturalmente amo la fantascienza e la fotografia!

Sito web: https://www.facebook.com/marco.lorenzo.58
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4 commenti

  • Link al commento Marco Di Lorenzo (DILO) Domenica, 21 Febbraio 2016 09:00 inviato da Marco Di Lorenzo (DILO)

    Ottima osservazione, Max! Tanto più che, forse, una radiazione Gamma è stata effettivamente osservata da Fermi (vedi il mio articolo successivo). Tuttavia, essa è giunta in ritardo rispetto alle onde G e non in anticipo; in ogni caso la differenza relativa (rispetto al tempo totale di percorrenza) è davvero minuscola, una parte su 10^17 !
    Invece un limite alla massa del gravitone deriva proprio dal fatto che le onde gravitazionali sono state osservate da una sorgente così distante; il team LIGO, nell'articolo in cui si annuncia la scoperta, calcola che questo pone un limite alla disersione "Compton" dei gravitoni e quindi la loro massa deve essere inferiore a 1,2e-22 eV/c2, molto più piccola di quella che dovrebbe avere il neutrino!

  • Link al commento max Venerdì, 19 Febbraio 2016 12:54 inviato da max

    Salve e grazie per il suo sito.
    Mi sfugge una cosa tra i risultati cioè la coincidenza temporale con una qualche radiazione elettromagnetica originata da GW150914. Un ritardo dell'onda gravitazionale rispetto a quelle gamma sarebbe la prova del fatto che i gravitoni hanno massa ... e da qui conseguenze a cascata sulla teoria fondante la gravità.
    Grazie

  • Link al commento Marco Di Lorenzo (DILO) Venerdì, 12 Febbraio 2016 07:18 inviato da Marco Di Lorenzo (DILO)

    Per quanto incredibile è davvero così... considera che in una frazione di secondo sono state convertite in onde gravitazionali l'equivalente energetico di 3 masse solari, dunque una potenza di 3.6e51 Watt, mentre il sole emette 3.8e26 W, dunque è stato come accendere per un attimo 10^25 stelle mentre in tutto l'universo osservabile si stima ce ne siano "solo" 10^23 (stiamo ragionando sugli ordini di grandezza!).

  • Link al commento Claudio Costerni Giovedì, 11 Febbraio 2016 21:12 inviato da Claudio Costerni

    Quando sono arrivato al punto di leggere questo, sono rimasto non sbalordito, ma shoccato: "nell'ultima frazione di secondo è stata emessa una potenza spaventosa (50 volte quella emessa dall'intero universo visibile) sottoforma di onde gravitazionali!"

    Spaventosa?
    No, io credo che non esistano aggettivi che possano realmente definire un evento come questo.
    ------------
    Shoccato e non solo per qualche istante, io, ma come è possibile?!
    E poi come possiamo calcolare quanta energia ha tutto l'universo?

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