In questo articolo del blog esploriamo il significato scientifico e le nuove possibilità offerte dalla prima rilevazione diretta delle onde gravitazionali da parte dell'umanità, esaminando come ciò abbia trasformato la fisica moderna e il modo in cui osserviamo l'universo.
Il Premio Nobel per la Fisica 2017 è stato assegnato a tre fisici americani – Kip Thorne, Rainer Weiss e Barry Barish – che hanno avuto un ruolo decisivo nella scoperta delle onde gravitazionali. Sono stati premiati per il loro successo nel rilevare direttamente le onde gravitazionali per la prima volta nel febbraio 2016 al LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory). Cosa sono esattamente le onde gravitazionali e perché la conferma della loro esistenza è così significativa da giustificare un Premio Nobel per la Fisica? Per capirlo, esaminiamo prima il concetto di onde gravitazionali.
Il concetto di "onde gravitazionali" esiste da oltre un secolo. Albert Einstein le predisse per la prima volta nel 1916 attraverso la sua Teoria della Relatività Generale. Secondo questa teoria, gli oggetti dotati di massa deformano lo spaziotempo e la gravità è il fenomeno che deriva da questa deformazione. Inoltre, gli oggetti in accelerazione provocano increspature in questo spaziotempo curvo, e queste increspature si propagano verso l'esterno come onde alla velocità della luce. Queste sono le onde gravitazionali. Quando un'onda gravitazionale attraversa lo spazio, esso stesso si deforma, allungandosi in una direzione e contraendosi in un'altra.
Tuttavia, la distorsione dello spazio causata dalle onde gravitazionali è estremamente piccola, rendendole non rilevabili in circostanze normali. Vengono prodotte a livelli significativi solo durante eventi cosmici di grandi dimensioni come la collisione di due buchi neri o l'esplosione di una supernova, eppure anche in quel caso il segnale è estremamente debole. Gli attuali rivelatori di onde gravitazionali misurano la variazione di quanto lo spazio si è allungato. La perturbazione creata dall'onda gravitazionale rilevata da LIGO questa volta ha allungato e contratto lo spazio solo di circa 10⁻²¹ volte. Per misurare questa minuscola variazione, la lunghezza deve essere misurata con una precisione inferiore a un millesimo del raggio di un neutrone all'interno di un rivelatore lungo circa 5 km. Questo era praticamente impossibile. Pertanto, prima di LIGO, era impossibile rilevare direttamente le onde gravitazionali; la loro esistenza poteva essere dedotta solo indirettamente.
Come ha fatto LIGO a rilevare direttamente queste minuscole variazioni di lunghezza? In altre parole, come è possibile osservare le onde gravitazionali? LIGO utilizza fondamentalmente il principio di un interferometro. Un interferometro è uno strumento che sfrutta il fenomeno dell'interferenza luminosa per misurare le variazioni di distanza con estrema precisione. Per capirlo, diamo prima un'occhiata all'interferenza delle onde.
Le onde sono simili alle increspature. Quando due onde della stessa forma si incontrano, la loro ampiezza aumenta (interferenza costruttiva) o diminuisce (interferenza distruttiva) a seconda di come si sovrappongono. Se entrambe le onde arrivano con la stessa fase, si verifica un'interferenza costruttiva. Tuttavia, se un'onda arriva più tardi, causando lo sfasamento delle onde combinate, si verifica un'interferenza distruttiva. Pertanto, la differenza di tempo di arrivo tra due onde causa una variazione dell'ampiezza dell'onda combinata, e questo è il fenomeno dell'interferenza.
Poiché la luce è anche un'onda, l'interferenza si verifica quando due onde luminose si combinano. Pertanto, analizzando l'ampiezza dell'onda combinata possiamo calcolare la differenza di tempo di arrivo tra le due onde luminose, il che equivale a calcolare la differenza di distanza. Questo perché se due fasci di luce partono simultaneamente, maggiore è la distanza, maggiore è la differenza di tempo di arrivo.
LIGO si basa sull'interferometro di Michelson, uno degli interferometri più utilizzati. L'interferometro di Michelson è anche un apparato sperimentale di importanza storica, in particolare nell'esperimento di Michelson-Morley. Questo esperimento ha rivelato che la velocità della luce è indipendente dalla direzione e che la luce non necessita di un mezzo separato per propagarsi.
L'interferometro di Michelson funziona secondo il seguente principio: la luce proveniente da una singola sorgente viene divisa in due fasci da un divisore di fascio (un dispositivo che trasmette metà della luce e riflette l'altra metà) posizionato centralmente. I due fasci vengono riflessi da specchi posti a distanze fisse e poi si ricombinano per formare una figura di interferenza. Se la velocità della luce variasse con la direzione, il tempo impiegato dai due fasci divisi per ricombinarsi sarebbe diverso, con conseguente variazione della figura di interferenza. L'esperimento di Michelson-Morley predisse tale variazione nella figura di interferenza, ma non si osservò alcun cambiamento, portando alla conclusione che la velocità della luce è costante. Questo fatto fornì in seguito indizi cruciali a Einstein per formulare la sua teoria della relatività.
LIGO è essenzialmente un'estensione su larga scala di questo interferometro di Michelson. La distanza tra il divisore di fascio di LIGO e il suo specchio riflettente raggiunge circa 4 km. Tuttavia, questa distanza da sola non era sufficiente per rilevare in modo affidabile le onde gravitazionali, quindi LIGO ha incorporato un "tubo di Fabry-Pérot". Questa tecnica riflette la luce circa 400 volte all'interno di un tubo lungo 4 km, creando di fatto un percorso di 1,600 km. Ciò consente una misurazione più precisa di variazioni di distanza minime. Grazie a questa sofisticata combinazione tecnologica, LIGO è riuscito a osservare direttamente per la prima volta le onde gravitazionali generate dalla collisione di due buchi neri il 14 settembre 2015.
Perché la scoperta delle onde gravitazionali è un evento così monumentale? Innanzitutto, la sua importanza risiede nel confermare ancora una volta la teoria della relatività di Einstein. L'esistenza delle onde gravitazionali, prevista dalla relatività, è stata verificata sperimentalmente. Ma il suo valore maggiore risiede altrove. Significa che l'umanità ha acquisito uno strumento completamente nuovo per osservare l'universo. Questo cambiamento è paragonabile al momento in cui l'umanità ha creato il telescopio. Finora, l'astronomia si è affidata esclusivamente alla luce, ovvero alle onde elettromagnetiche, per osservare gli oggetti celesti. Ma con l'affermazione delle onde gravitazionali come nuovo strumento di osservazione, si è finalmente aperto un regno precedentemente inaccessibile alle onde elettromagnetiche.
Ad esempio, nel caso delle esplosioni di supernova, non siamo mai stati in grado di osservare direttamente cosa accade all'interno del loro nucleo. Questo perché l'immenso strato di materiale che avvolge il nucleo della supernova impedisce il passaggio della luce. Le onde gravitazionali, invece, attraversano la materia con interferenze minime, permettendoci di catturare i fenomeni che si svolgono nelle profondità degli oggetti celesti.
L'umanità si trova ora alle soglie di una nuova era chiamata "astronomia delle onde gravitazionali". Le onde gravitazionali ci forniranno una prospettiva completamente nuova sull'universo, permettendoci di svelare i segreti di vari corpi celesti e di fare un passo avanti verso la comprensione dell'origine dell'universo. Attendiamo con impazienza le scoperte che queste osservazioni porteranno e speriamo che la ricerca sulle onde gravitazionali ampli ulteriormente la comprensione del cosmo da parte dell'umanità.
