A cento anni dalla pubblicazione della Relatività Generale, una delle poche previsioni della rivoluzionaria teoria di Albert Einstein che si era finora sottratta alla verifica sperimentale diretta, trova finalmente conferma. E l'Italia ha dato il suo contributo con l'Istituto nazionale di fisica nucleare.
Un sasso ha perturbato la superficie di uno stagno, generando increspature che ancora oggi si stanno propagando. Nello spazio e nel tempo. Alla velocità della luce. Solo che il sasso è un enorme buco nero rotante, nato dall’abbraccio di due di questi voraci cannibali cosmici. E lo stagno l’intero universo, di cui il Sistema solare non è che una molecola. A cento anni dalla pubblicazione della Relatività Generale, una delle poche previsioni della rivoluzionaria teoria di Albert Einstein che si era finora sottratta alla verifica sperimentale diretta, trova finalmente conferma. I fisici sono riusciti per la prima volta a catturare le onde gravitazionali.
La scoperta è stata annunciata in contemporanea nel corso di due conferenze stampa a Washington, nella sede della National science foundation (Nsf), e in Italia, a Càscina, vicino Pisa, nella sede dello European gravitational observatory (Ego), fondato dall’Istituto nazionale di fisica nucleare (Infn) e dal Centre national de la recherche scientifique (Cnrs) francese. Una scoperta già in odore di Nobel, destinata a cambiare per sempre la nostra percezione dell’universo.
La scoperta di queste increspature del tessuto dello spazio-tempo, saltate fuori un secolo fa dalle equazioni di Einstein, e accolte inizialmente con scetticismo dallo stesso fisico tedesco, viene dagli Usa, dai due esperimenti gemelli Ligo (Laser interferometer gravitational-wave observatory). Ma parla anche italiano. Ligo è, infatti, parte di un network di osservatori di onde gravitazionali – gli esperti li chiamano interferometri laser – sparsi per il mondo, di cui un nodo importante è in Italia. È rappresentato dall’esperimento Virgo, un progetto nato da un’idea del fisico italiano Adalberto Giazotto e del francese Alain Brillet, e realizzato dall’Infn e dal Cnrs con il contributo del Nikhef (nei Paesi Bassi), in collaborazione con la Polish academy of sciences (in Polonia) e con il Wigner institute (in Ungheria).
L’antenna per onde gravitazionali Virgo – che fa capo a Ego e conta circa 250 fisici e ingegneri, quasi la metà dei quali Infn, provenienti da 19 laboratori europei -, i due interferometri gemelli Ligo negli Usa – a Hanford, nello stato di Washington, e a Livingston, in Louisiana – e il tedesco Geo600 ad Hannover funzionano, infatti, come un unico grande esperimento. I dati raccolti sono messi in comune e analizzati insieme. E insieme vengono pubblicati i risultati scientifici. Come sta avvenendo in queste ore con lo studio che illustra i dettagli della scoperta, accettato per la pubblicazione dalla rivista Physical review letters (Prl) e firmato da circa un migliaio di scienziati. Uno studio che contiene immagini destinate a essere ospitate in tutti i futuri libri di testo sulla Relatività Generale.
Einstein aveva ragione“Abbiamo dimostrato sperimentalmente proprio quello che aveva predetto Einstein – commenta emozionato Fulvio Ricci, ricercatore dell’Infn coordinatore di Virgo -. Le equazioni della Relatività Generale descrivono perfettamente il segnale che abbiamo osservato. Anzi – sottolinea il fisico italiano -, sarebbe più corretto dire che abbiamo ascoltato, dato che il segnale ha una frequenza caratteristica delle onde acustiche”. “Sembrava una sfida impossibile – aggiunge Pia Astone, ricercatrice Infn che ha curato la redazione dell’articolo scientifico sulla scoperta assieme ad altri cinque colleghi di Virgo e Ligo -. Lo sosteneva lo stesso Einstein, che reputava questi segnali troppo deboli per una possibile rivelazione. Invece, siamo riusciti a catturarli”.
Le onde gravitazionali sono state prodotte nell’ultima frazione di secondo di un evento cosmologico mai osservato finora direttamente: la fusione tra due buchi neri, di massa equivalente a circa 29 e 36 masse solari. Il risultato di questo cataclisma è un mostro cosmico, un unico buco nero rotante di circa 62 masse solari. Le 3 masse solari mancanti dopo la fusione corrispondono all’energia emessa sotto forma di onde gravitazionali. La massa e l’energia, infatti, come ci ha insegnato Einstein con la sua celebre equazione E=mc2, sono equivalenti. Questo scontro tra titani è avvenuto al di fuori della Via Lattea, a una distanza dalla Terra di circa 410 megaparsec (410 milioni di parsec, dove 1 parsec equivale a poco più di 3 anni luce, ndr). Le onde sono state, quindi, emesse quasi un miliardo e mezzo di anni fa, quando sul nostro Pianeta facevano la loro comparsa le prime cellule evolute, in grado di utilizzare l’ossigeno per produrre energia. E ha viaggiato tutto questo tempo nel cosmo, alla velocità della luce. Fino ai nostri giorni.
“Questo risultato rappresenta un regalo speciale per il 100° compleanno della Relatività Generale – commenta Fernando Ferroni, presidente dell’Infn -. È il sigillo finale sulla meravigliosa teoria che ci ha lasciato il genio di Albert Einstein. Una scoperta – prosegue il fisico italiano – cui l’Italia ha dato un grande contributo, figlio di quella scuola che negli anni ’70 del secolo scorso si formò intorno alle figure di Edoardo Amaldi, Guido Pizzella, Adalberto Giazotto, e che oggi vede i nostri ricercatori protagonisti grazie alla tecnologia di Virgo”.
Un cinguettìo dal cosmo profondo.
Il primo segnale diretto di un’onda gravitazionale è brevissimo, della durata di una frazione di secondo, e ha una frequenza variabile dai 30 ai 250 Hz. Captato lo scorso 14 settembre, alle 10:51 ora italiana, è come un cinguettìo. È stato generato da due buchi neri che spiraleggiano l’uno intorno all’altro fino a scontrarsi a una velocità enorme, pari a circa la metà di quella della luce, fondendosi in un unico buco nero rotante che, prima di stabilizzarsi, vibra come una campana. Un vero e proprio terremoto cosmico che ha prodotto, anziché onde sismiche, onde gravitazionali. E nient’altro.
Il primo segnale diretto di un’onda gravitazionale è brevissimo, della durata di una frazione di secondo, e ha una frequenza variabile dai 30 ai 250 Hz. Captato lo scorso 14 settembre, alle 10:51 ora italiana, è come un cinguettìo. È stato generato da due buchi neri che spiraleggiano l’uno intorno all’altro fino a scontrarsi a una velocità enorme, pari a circa la metà di quella della luce, fondendosi in un unico buco nero rotante che, prima di stabilizzarsi, vibra come una campana. Un vero e proprio terremoto cosmico che ha prodotto, anziché onde sismiche, onde gravitazionali. E nient’altro.
(il suono delle onde gravitazionali:)
https://www.youtube.com/watch?v=WzPVaU11CCY
Senza queste increspature dello spazio-tempo, quindi, non avremmo mai saputo nulla di questo cataclisma. Il fenomeno, infatti, non è stato accompagnato dall’emissione di altri tipi di segnali luminosi, anche a lunghezze d’onda invisibili all’occhio umano, come radiazione gamma o raggi X, né di particelle come i neutrini. E lo dimostra il fatto che decine di osservatori ottici tradizionali – sia terrestri che non, come i telescopi spaziali Fermi e Swift - oppure osservatori per neutrini, come Icecube e Antares, subito allertati per osservare anch’essi la fusione tra i due buchi neri, dopo aver effettuato un’accurata radiografia del cielo, non hanno osservato nulla.
Uno sguardo dentro i buchi neri
La scoperta appena annunciata, che ha immediatamente fatto il giro del mondo, ne contiene, in realtà, due in una. Da un lato, è la prima volta che gli scienziati ascoltano le onde gravitazionali, perturbazioni dello spazio-tempo prodotte dal movimento accelerato di corpi dotati di massa. Ma, dall’altro, rappresenta la prima prova diretta dell’esistenza di sistemi binari di buchi neri di massa stellare, in particolare superiori a 25 masse solari. Un risultato che apre la strada allo studio approfondito delle loro proprietà, attraverso le onde gravitazionali. Mai prima d’ora, infatti, gli scienziati erano riusciti a catturare un segnale, un’informazione di prima mano, proveniente direttamente dal cuore impenetrabile di questi buchi neri. Per definizione, infatti, questi mostri cosmici divorano tutto ciò che incontrano, tanto che la stessa luce non riesce a sfuggire al loro abbraccio gravitazionale, e la loro presenza può essere dedotta solo dalla devastazione che producono oltre il loro orizzonte.
La scoperta appena annunciata, che ha immediatamente fatto il giro del mondo, ne contiene, in realtà, due in una. Da un lato, è la prima volta che gli scienziati ascoltano le onde gravitazionali, perturbazioni dello spazio-tempo prodotte dal movimento accelerato di corpi dotati di massa. Ma, dall’altro, rappresenta la prima prova diretta dell’esistenza di sistemi binari di buchi neri di massa stellare, in particolare superiori a 25 masse solari. Un risultato che apre la strada allo studio approfondito delle loro proprietà, attraverso le onde gravitazionali. Mai prima d’ora, infatti, gli scienziati erano riusciti a catturare un segnale, un’informazione di prima mano, proveniente direttamente dal cuore impenetrabile di questi buchi neri. Per definizione, infatti, questi mostri cosmici divorano tutto ciò che incontrano, tanto che la stessa luce non riesce a sfuggire al loro abbraccio gravitazionale, e la loro presenza può essere dedotta solo dalla devastazione che producono oltre il loro orizzonte.
Un nuovo tipo di astronomia.
Ma la prima osservazione di onde gravitazionali non è solo un’ulteriore conferma della correttezza della Relatività Generale di Albert Einstein. È importante anche per un’altra ragione. Consente, infatti, di aprire una nuova finestra su un universo di cui conosciamo ancora poco. Un universo che parla una lingua fino a oggi sconosciuta agli scienziati, e di cui sarà possibile d’ora in poi ascoltare il suono. È come avere puntato al cielo un nuovo tipo di cannocchiale, come fece Galileo più di quattro secoli fa. Ogni volta che questo è successo in passato l’essere umano ha fatto scoperte straordinarie, oppure ha dovuto porsi nuove domande, spesso ancora senza risposte. La data di oggi segna l’inizio di un nuovo tipo di astronomia: l’astronomia gravitazionale.
Ma la prima osservazione di onde gravitazionali non è solo un’ulteriore conferma della correttezza della Relatività Generale di Albert Einstein. È importante anche per un’altra ragione. Consente, infatti, di aprire una nuova finestra su un universo di cui conosciamo ancora poco. Un universo che parla una lingua fino a oggi sconosciuta agli scienziati, e di cui sarà possibile d’ora in poi ascoltare il suono. È come avere puntato al cielo un nuovo tipo di cannocchiale, come fece Galileo più di quattro secoli fa. Ogni volta che questo è successo in passato l’essere umano ha fatto scoperte straordinarie, oppure ha dovuto porsi nuove domande, spesso ancora senza risposte. La data di oggi segna l’inizio di un nuovo tipo di astronomia: l’astronomia gravitazionale.
“Questo risultato rappresenta un pietra miliare nella storia della fisica, ma ancor di più è l’inizio di un nuovo capitolo per l’astrofisica – spiega Ricci -. Osservare il cosmo attraverso le onde gravitazionali cambia radicalmente le nostre possibilità di studiarlo. Finora, infatti – chiarisce il coordinatore di Virgo -, è come se lo avessimo guardato attraverso delle radiografie. Adesso, invece, possiamo fare un’ecografia del nostro universo”. “L’astronomia gravitazionale è una nuova affascinante frontiera dell’incessante esplorazione cosmica – aggiunge Antonio Masiero, vicepresidente dell’Infn e del Council di Ego -. Questa straordinaria scoperta apre un’emozionante finestra sull’universo. Da oggi – spiega Masiero – le onde gravitazionali si aggiungono ai messaggeri cosmici che già studiamo, come i fotoni e i neutrini di alta energia, i raggi cosmici e l’antimateria”.
Le onde gravitazionali, in particolare quelle primordiali emesse subito dopo il Big Bang – che i fisici sperano adesso di catturare, anche se l’impresa sarà ancora più complessa di quella che ha portato al risultato odierno – sono, infatti, come dei messaggi in bottiglia siderali. Potrebbero, ad esempio, permetterci di ottenere un’immagine dell’universo più remota di quella che possediamo finora, scattata dalla sonda spaziale dell’Esa (European space agency) Planck, e che risale a circa 380mila anni dopo il Big Bang. Prima di questa data, infatti, non abbiamo istantanee dell’universo neonato, perché la luce era come intrappolata in una fitta nebbia. Le onde gravitazionali primordiali, invece, a differenza dei fotoni, possono viaggiare indisturbate. E potrebbero raccontarci, quindi, che cosa è accaduto all’universo nei suoi primi 380mila anni di vita, quando ha emesso i suoi primi vagiti.
In ascolto dei bisbigli dell’universoI fisici inseguono le onde gravitazionali da decenni. Queste perturbazioni dello spazio-tempo sono come dei sussurri dell’universo. La loro ampiezza è, infatti, infinitesima e occorrono quindi strumenti sensibilissimi per osservarle. Per questo, c’è voluto un secolo per ascoltare questi bisbigli cosmici, da quando Einstein ne predisse l’esistenza nel 1916. Sulla Terra possiamo ascoltare solo quelle generate dagli eventi più energetici dell’universo, come appunto lo scontro tra buchi neri. Per raggiungere questo storico risultato è stato, quindi, necessario spingere al limite le tecnologie degli interferometri laser, gli osservatori utilizzati dai fisici per la ricerca sulle onde gravitazionali. Questi strumenti scientifici – enormi orecchie estremamente sensibili formate da coppie di bracci perpendicolari lunghi fino a tre, quattro chilometri ciascuno, all’interno dei quali corrono raggi laser – al passaggio di un’onda gravitazionale vibrano con lo spazio-tempo. Come ci ha insegnato Einstein. Di conseguenza, la lunghezza dei loro bracci cambia – uno si allunga e l’altro si accorcia – e con essa il tempo impiegato dalla luce laser a percorrerli. Variazioni impercettibili, un miliardo di volte più piccole del diametro di un atomo d’idrogeno. Che questi strumenti sono, però, in grado di misurare con estrema precisione.
Ma che cosa dobbiamo attenderci, dopo questa scoperta, nei prossimi mesi? I fisici italiani dell’Infn, già impegnati da mesi accanto ai colleghi americani di advanced Ligo nell’analisi dei dati presentati oggi al mondo, stanno adesso ultimando la realizzazione di un interferometro di seconda generazione, advanced Virgo, nel sito di Ego a Càscina. L’osservatorio inizierà a raccogliere dati nella seconda metà del 2016. Una volta ultimato, advanced Virgo avrà una sensibilità dieci volte superiore al passato. Sarà, cioè, in grado di guardare dieci volte più lontano, ampliando così di mille volte il volume di universo osservabile.
“L’aggiunta di advanced Virgo sarà fondamentale perché permetterà di capire da quale parte di cielo è arrivato il segnale – afferma Giovanni Losurdo, fisico Infn e project leader di advanced Virgo -. Gli interferometri di seconda generazione, come advanced Virgo e advanced Ligo, potrebbero catturare ogni anno decine di coalescenze, di fusioni tra buchi neri. L’osservazione diretta delle onde gravitazionali aprirà nuovi scenari, un modo nuovo di studiare l’universo e le sue leggi. Si potrà, ad esempio, guardare – sottolinea il ricercatore Infn – dentro oggetti opachi alla radiazione luminosa. E dare, quindi, una risposta sperimentale ad alcune grandi domande della fisica contemporanea, finora oggetto solo di speculazioni teoriche, come la formazione di un buco nero, o il comportamento della materia nelle condizioni di pressione e temperatura estreme di una stella di neutroni o di una supernova”.
Lo studio dei dati raccolti dai fisici aiuterà a descrivere meglio come agisce la forza gravitazionale in condizioni estreme mai esplorate prima, in cui la materia è confinata in un volume piccolissimo. Come se, ad esempio, una massa tre volte più grande del Sole fosse tutta racchiusa all’interno del diametro del grande raccordo anulare di Roma. “Finalmente – conclude Pia Astone -, possiamo osservare l’universo con occhi diversi. Adesso proseguiremo il nostro lavoro, non più domandandoci se ce la faremo a catturare le onde gravitazionali, ma quale sarà la prossima sorgente che manderà un segnale sui nostri strumenti. Noi siamo pronti”.
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