Secolo di scoperte incredibili: Onde gravitazionali e relatività generale

Fonte passioneastronomia.it - Sicuramente un secolo addietro nessuno mai o quasi si sarebbe potuto immaginare che cosa avrebbe potuto portare di utile per il bene dell’umanità la scoperta di concetti astratti come le Onde Gravitazionali e la Relatività Generale!

Lo studio del sistema triplo PSR J0337+1715, pubblicato appena 10 giorni fa, non fu il primo studio di un sistema stellare ad essere usato come un importante test (superato) della solidità della Relatività Generale di Einstein. 

C’è infatti un precedente celebre, risalente al 1975, anno in cui Hulse e Taylor osservano per la prima volta un sistema binario con una stella di neutroni. 

Fonte web - Onde gravitazionali e relatività generale

Fu una scoperta dalle conseguenze epocali, che portò alla prima prova dell’esistenza delle onde gravitazionali, della quale parleremo oggi. 

Ma prima di arrivarci, occorre una breve contestualizzazione, sia storica che di contenuto.

Nel 2015, la coppia di interferometri statunitensi LIGO, distanti 3002 Km tra di loro, rileva la fusione di due buchi neri stellari. 

Fonte web - Fusione di due buchi neri

Si trattò della prima prova sperimentale dell’esistenza di questi misteriosi e mostruosi oggetti, ma anche la prima osservazione diretta dell’esistenza delle cosiddette onde gravitazionali! 

La fusione che originò il segnale avvenne a circa a 1.3 miliardi di anni luce dalla Terra, che raggiunse in data 14/9/2015, quando i rilevatori LIGO captano il segnale. 

Le onde urtano così prima un’antenna, poi l’altra, con uno sfasamento di 6.9 millisecondi, esattamente quanto ci si aspetta da un’onda che si propaga alla velocità della luce. 

Ma non solo, si notò come i segnali captati dai due rilevatori si sovrapponessero alla perfezione, permettendo quindi di concludere che si trattava dello stesso segnale! 

Si notò inoltre come la durata dell’emissione captata fosse di 0.2 secondi, ovvero solo gli ultimi 0.2 secondi prima della fusione furono captati, quando la velocità di rotazione dei buchi neri raggiunge valori tali da emettere onde gravitazionali di intensità e frequenza alte abbastanza da rientrare nella finestra di sensibilità di LIGO. 

Infatti, risultò che i due buchi ruotavano a circa 30% di della velocità della luce a 0.2 secondi prima della fusione, per poi raggiungere addirittura il 60% quando mancavano pochi centesimi di secondo.

Per capirlo, andiamo indietro nel tempo, fino al 1915, anno in cui Albert Einstein pubblica la Relatività Generale. 

Secondo questa teoria, in assenza di masse lo spazio è piano, ovvero le distanza tra i vari oggetti sono descrivibili tramite la geometria euclidea. 

Ma in presenza di masse, esso si incurva, avendo come conseguenza che, nel caso di un passaggio ravvicinato di un un oggetto o un raggio di luce, esso assume una traiettoria curva, seguendo la curvatura dello spazio. 

Ma non è finita qui: 

Fonte web - equazioni della Relatività Generale

nel 1916 Einstein scopre che le equazioni della Relatività Generale ammettono l’esistenza delle onde gravitazionali, ovvero lo spazio-tempo, incurvandosi, può oscillare, e queste oscillazioni si possono propagare. 

Per capire meglio questo concetto, un esempio puo’ essere dato da un maremoto, ovvero un terremoto che fa oscillare violentemente le terre sommerse di un oceano. 

In questo caso, il maremoto fa oscillare la superficie dell’oceano generando onde (spesso degli tsunami) che si propagano. 

Allo stesso modo il movimento di masse fa oscillare lo spazio-tempo generando onde gravitazionali, facendo allungare e accorciare (ovvero oscillare) le distanze tra gli oggetti che attraversano. 

Tale emissione di onde gravitazionali è in particolare molto efficiente nel caso in cui le masse sono molto compatte (generando quindi un campo di gravità molto intenso) e si muovono a velocità simili a quella della luce.

Come riconoscimento di questa rivoluzionaria teoria, Einstein fu premiato col Premio Nobel del 1921, a seguito della verifica sperimentale condotta da Sir Arthur Eddington, il quale confermò la curvatura dello spazio-tempo osservando la deviazione della luce delle stelle durante eclissi solare del 29 maggio 1919, esattamente come predetto da Einstein. 

Al tempo, non fu però ancora possibile ottenere delle evidenze osservative anche riguardo l’esistenza delle onde-gravitazionali, e si dovette appunto aspettare fino al 1975, l’anno di Hulse e Taylor, scopritori del sistema binario PSR B1913+16, il primo sistema binario composto da due oggetti compatti, di cui una stella di neutroni, ad essere osservato. 

Fu una scoperta storica, infatti, nel 1982, l’osservazione di tale oggetto portò Taylor e Weisberg scoprire che il sistema binario stava perdendo energia in modo consistente con l’emissione di onde gravitazionali! In particolare, le due componenti spiraleggiano, ovvero ruotano l’una intorno all’altra diminuendo la distanza, ma in un modo molto particolare. 

Infatti, la spirale accelera sempre più`, in quanto emettendo onde essi dissipano l’energia gravitazionale del sistema e si avvicinano, ma avvicinandosi aumentano la loro velocità di rotazione (in modo simile a quanto descritto dalla Seconda Legge di Keplero), che aumenta l’emissione di onde gravitazionali e cosi via. 

Si ottenne così la prima robusta evidenza dell’esistenza di queste onde onde che, come detto, vennero poi osservate sperimentalmente nel 2015.