spazio e scienza

Rilevate per la seconda volta le onde gravitazionali, un traguardo rivoluzionario per lo studio dell’universo

onde gravitazionali previste da Einstein

È la notizia scientifica del 2016. La scoperta, attesa da un secolo, delle onde gravitazionali previste da Albert Einstein nella sua teoria della Relatività Generale. Un traguardo rivoluzionario, che cambia il nostro sguardo sull’universo.
L’importante risultato è stato raggiunto, grazie ai dati dei due rivelatori gemelli LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory), dalle Collaborazioni Scientifiche LIGO (che include la Collaborazione GEO600 e l’Australian Consortium for Interferometric Gravitational Astronomy) e VIRGO, che fa capo allo European Gravitational Observatory (EGO), fondato dall’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) e dal Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) francese. 
La lunga caccia alle onde gravitazionali

Onde Gravitazionali – LA STORIA (a cura dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare – INFN)

Inghilterra, 1685: Isaac Newton ipotizza che un’unica forza universale sia responsabile della caduta degli oggetti e del moto dei pianeti. La chiama gravità. Per sfuggire all’attrazione gravitazionale della Terra è necessaria una velocità di fuga di circa 40.000 km/h.

Inghilterra, 1783: il reverendo John Michell ipotizza, sulla base delle leggi di Newton, che la velocità di fuga di una stella molto più massiccia e compressa del Sole possa superare la velocità della luce. Neanche la luce, quindi, può sfuggire al campo gravitazionale di questi oggetti che Michell chiama “stelle nere”.

Francia, 1797: lo scienziato e matematico Pierre Simon de Laplace offre la dimostrazione matematica dell’esistenza delle stelle nere di Michell, che Laplace chiama oggetti invisibili.

Svizzera, 1915: Albert Einstein formula la teoria della Relatività Generale, che descrive lo spazio e il tempo come un unico oggetto quadridimensionale curvo. La gravità non è una forza a distanza ma una deformazione dello spaziotempo creata da un oggetto massiccio.

Germania, 1916: il fisico Karl Schwarzschild determina una particolare soluzione delle equazioni di Einstein della Relatività Generale, in grado di descrivere il campo gravitazionale degli oggetti che oggi chiamiamo buchi neri.

Brasile, 1919 l’astrofisico inglese Arthur Eddington conferma le predizioni della Relatività Generale verificando durante un’eclissi totale di Sole che il cammino dei raggi luminosi delle stelle è deviata dalla gravità del Sole.

Germania, 1958: basandosi sulla soluzione di Schwarzschild, il fisico David Finkelstein prevede che una porzione dello spaziotempo possa deformarsi al punto da creare un pozzo gravitazionale al quale nessun oggetto può sfuggire.

USA 1963: Il matematico neozelandese Roy Kerr estende la soluzione di Schwarzschild al caso di un oggetto massiccio in rotazione

USA, 1967: riferendosi al pozzo di Finkelstein e alla soluzione di Schwarzschild, il fisico John Wheeler conia durante una conferenza a New York, il termine buco nero.

Inghilterra, 1975: applicando la meccanica quantistica e la termodinamica, Stephen Hawking e Jacob Bekenstein mostrano che, irradiando lentamente energia, i buchi neri non sono del tutto “neri”. È la nascita della dibattuta radiazione di Hawking.

USA-Europa 2016: gli scienziati della collaborazione LIGO-VIRGO rivelano per la prima volta le onde gravitazionali, fornendo la prima evidenza diretta dell’esistenza dei buchi neri, e aprendo così la strada al loro studio dettagliato

Ero fuori di me per la gioia e l’eccitazione“. Con queste parole, indirizzate all’amico fisico Paul Ehrenfest, Albert Einstein descrive l’emozione, con tanto di palpitazioni al cuore, provata esattamente un secolo fa dopo avere trovato la conferma sperimentale, la prima di una lunga serie, alla sua teoria della Relatività Generale.

We detected for the first time gravitational waves”. L’annuncio storico arriva in tutto il mondo alle 16.30, ora italiana, dell’11 febbraio 2016. “Abbiamo visto le onde21-fulvio_ricci4 gravitazionali”. In diretta dall’Osservatorio gravitazionale europeo (Ego) di Cascina, in provincia di Pisa, a dare la notizia che rivoluzionerà l’approccio allo studio dell’Universo è Fulvio Ricci, portavoce del progetto internazionale Virgo, a cui l’Italia partecipa con l’Istituto nazionale di Fisica Nucleare (Infn). 

Il primo segnale delle onde gravitazionali ad essere captato è stato generato dalla collisione di due buchi neri, collisione avvenuta un miliardo di anni fa. Lo strumento Ligo- Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory – ha drizzato le antenne e lo ha catturato dagli Stati Uniti il 14 settembre 2015, per poi riuscire ad interpretarlo grazie alla collaborazione con Virgo, rivelatore interferometrico di onde gravitazionali, che si trova proprio a Cascina.


Il 26 dicembre 2015, alle 4:38 di mattina ora italiana, anche per i rivelatori di onde gravitazionali è arrivato Babbo Natale. Portando in dono il secondo segnale inequivocabile prodotto dalle increspature del tessuto spazio-temporale. Entrambi i rivelatori che compongono il Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) hanno registrato l’evento, chiamato GW151226.

L’osservazione di un secondo evento di onde gravitazionali è stata annunciata ieri, nel corso di una conferenza stampa congiunta, dagli scienziati delle collaborazioni scientifiche LIGO e VIRGO, cui l’Italia partecipa con l’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare INFN. Le minuscole increspature nel tessuto dello spaziotempo, previste dalla Relatività Generale di Albert Einstein cent’anni fa, sono state registrate per la seconda volta, sempre durante il primo periodo di presa dati conclusosi il 12 gennaio 2016, dagli interferometri gemelli Advanced LIGO, negli Stati Uniti (a Livingston in Louisiana, e a Hanford nello Stato di Washington), alle ore 3:38:53 UTC del 26 dicembre 2015. Come nel caso della prima rivelazione, anche queste onde gravitazionali sono state prodotte dalla fusione di due buchi neri, processo che risale a 1,4 miliardi di anni fa.


Lo studio è stato accettato per la pubblicazione dalla rivista scientifica internazionale Physical Review Letters che, l’11 febbraio scorso, aveva pubblicato l’articolo della scoperta delle onde gravitazionali.
Dopo l’apertura di nuovi orizzonti scientifici con la prima storica osservazione delle onde gravitazionali, questa nuova misura ci conferma che siamo davvero entrati nel vivo dell’era dell’astronomia gravitazionale: stiamo cioè studiando il nostro universo in un modo completamente nuovo.

L’osservazione
Le onde misurate in questa seconda osservazione si riferiscono alle ultime 27 orbite che i buchi neri, di massa pari a 14 e 8 masse solari, hanno percorso nello “spiraleggiare” vorticosamente l’uno attorno all’altro prima di fondersi e formare un unico buco nero più massiccio, con massa equivalente a 21 masse solari. L’energia liberata sotto forma di onde gravitazionali equivale quindi a circa una massa solare.

onde gravitazionali previste da Einstein
Questo secondo evento – spiega Fulvio Ricci, ricercatore INFN e professore alla Sapienza Università di Roma, a capo della collaborazione scientifica internazionale VIRGO – ha caratteristiche sensibilmente diverse dal primo”. “È, infatti, generato da buchi neri più leggeri di quelli del precedente segnale – prosegue Ricci – e noi siamo stati in grado di seguirne l’evoluzione per più tempo: questo ci ha consentito di caratterizzare bene il sistema, nonostante il rapporto tra il segnale e il rumore di fondo fosse di minore intensità. La caccia ai segnali generati da sistemi binari di buchi neri si è anche arricchita di un terzo evento, più debole degli altri due e quindi con una probabilità più elevata che possa essere una falsa rilevazione. Tuttavia, anche in questo caso, attribuendo a questo terzo evento un significato astrofisico, saremmo di fronte a un terzo sistema di buchi neri, che è collassato a formare un buco nero finale. Nella sostanza stiamo intravedendo l’esistenza di un’intera popolazione di buchi neri, le cui caratteristiche saranno ben presto svelate nelle prossime fasi di presa dati degli interferometri avanzati”, conclude Ricci.  

Una rete di interferometri per l’astronomia gravitazionale
Gli osservatori per onde gravitazionali rappresentano uno strumento unico per indagare il cosmo, – spiega Federico Ferrini, direttore dello European Gravitational Observatory EGO, che ospita e gestisce l’interferometro VIRGO – perché questi particolarissimi messaggeri cosmici portano con sé informazioni che non saremmo in grado di ottenere in altro modo”. Il segnale delle onde gravitazionali è stato registrato dall’interferometro in Louisiana con 1,1 millisecondi di anticipo rispetto all’interferometro nello stato di Washington. Questa misura, seppur di grande precisione, non consente, però, di localizzare con esattezza la sorgente: per farlo è necessario almeno un terzo interferometro che consenta la triangolazione. “Quando nell’autunno di quest’anno l’interferometro europeo VIRGO entrerà in funzione, a conclusione dei lavori che lo porteranno, come i due interferometri LIGO, alla configurazione avanzata (advanced), – spiega Gianluca Gemme, responsabile nazionale INFN di VIRGO – allora sarà possibile restringere la porzione di cielo in cui ha avuto luogo il processo di fusione dei due buchi neri”. “Questo darà un contributo sostanziale alla nuova astronomia gravitazionale e all’astronomia multi-messaggero: potremo dare l’allerta agli altri esperimenti, telescopi sia terrestri sia spaziali per la rivelazione di fotoni gamma, raggi cosmici o neutrini, per esempio, in modo che si orientino, praticamente in tempo reale, nella direzione della sorgente per individuare altri eventuali messaggeri cosmici emessi da essa”.

onde gravitazionali previste da Einstein
Le osservazioni di onde gravitazionali, integrate con l’eventuale individuazione di altre radiazioni emesse dalla loro sorgente, – sottolinea Marco Pallavicini, presidente della Commissione Nazionale INFN per le ricerche di fisica astroparticellare – è come se ci dessero un senso completamente nuovo con cui esplorare il nostro universo”. “Nessuno può dire che cosa scopriremo con questo nuovo strumento sensoriale, ma la storia insegna che ci aspettano molte sorprese”, conclude Pallavicini.

Accanto al secondo segnale delle onde gravitazionali è stato probabilmente osservato un terzo evento, ritenuto molto probabile ma comunque in attesa di conferma. “È un evento molto più debole ed era stato individuato nel primo mese di analisi dei dati” Al momento “potrebbe benissimo essere una fluttuazione dei due rivelatori”, ha aggiunto Ricci riferendosi al rilevatore americano Ligo (Large Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory), “ma in molti sono pronti a scommettere su un evento gravitazionale”


VIRGO e la collaborazione nazionale
L’Italia ha svolto un ruolo di primo piano nel raggiungimento di questi fondamentali risultati e continuerà con il suo impegno a fornire contributi determinanti. L’INFN, assieme al Centre National della Recherche Scientifique CNRS francese, ha avviato il progetto per l’interferometro VIRGO, a Cascina (PI) presso lo European Gravitational Observatory EGO, che lo gestisce, dove la comunità dei fisici dell’INFN è oggi fortemente impegnata in queste ricerche. VIRGO è un progetto nato dall’originale idea dell’italiano Adalberto Giazotto e del francese Alain Brillet. Vi collaborano 250 fisici e ingegneri, di cui la metà dell’INFN, provenienti da 19 istituti europei in Italia (INFN), Francia (CNRS), Olanda (Nikhef), Ungheria (MTA Wigner RCP) e Polonia (POLGRAW group). L’INFN partecipa a VIRGO con le proprie Sezioni presso le Università di Pisa, Firenze con il gruppo di ricerca di Urbino, Perugia, Genova, Roma Sapienza, Roma Tor Vergata, Napoli, Padova, e i Centri Nazionali Tifpa di Trento e GSSI dell’Aquila.

onde gravitazionali previste da Einstein

LIGO
Gli osservatori LIGO, finanziati dalla National Science Foundation NSF, sono stati progettati e sono ora gestiti da Caltech e MIT. Alla collaborazione scientifica LIGO partecipano la collaborazione GEO600, che fa capo all’omonimo osservatorio in Germania, e l’Australian Consortium for Interferometric Gravitational Astronomy, oltre a università e istituti di ricerca degli Stati Uniti e di altri 14 Paesi.

onde gravitazionali previste da Einstein


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