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martedì 13 luglio 2021

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.

domenica 13 gennaio 2019

Relatività Heistein dimostrata da satelliti Galileo

Fonte - ANSA - La teoria della relatività di Albert Heistein, è stata recentemente dimostrata dai satelliti europei Galileo con una precisione di misura mai vista fino ad oggi! 


I satelliti europei Galileo dimostrano la relatività del fisico tedesco con la più alta precisione mai ottenuta fino ad oggi:

Relatività Heistein dimostrata da satelliti Galileo
Relatività Heistein dimostrata da satelliti Galileo

infatti sono riusciti ad ottenere la misura più accurata di come le variazioni della forza di gravità alterino il passare del tempo, un effetto previsto dalla teoria elaborata 100 anni fa.

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Pubblicato sulla rivista Physical Review Letters, il risultato si deve al progetto Great (Galileo gravitational Redshift Experiment with eccentric sATellites), guidato dall'unità di ricerca Syrte (Sistemi di riferimento spazio-tempo) presso l'Osservatorio di Parigi e dal centro tedesco Zarm che è coordinato dal Galileo Navigation Science Office dell'Agenzia Spaziale Europea (Esa).

La ricerca è stata possibile grazie ai dati raccolti in oltre 1000 giorni da due satelliti della costellazione del programma promosso dalla Commissione Ue e realizzato dall'Esa ed è il felice esito di un incidente infelice.

Nel 2014, infatti, i satelliti Galileo 5 e 6 sono rimasti bloccati in orbite scorrette, cioè molto ellittiche, da un malfunzionamento del livello superiore del razzo Soyuz, che li aveva portati nello spazio.

I controllori di volo dell'Esa erano entrati in azione, eseguendo un audace salvataggio per correggere le orbite dei due satelliti, rendendole più circolari.

L'operazione ha consentito di usare i due satelliti nei servizi di ricerca e soccorso di Galileo, ma non nel servizio di posizionamento.

Questo perché, nonostante la correzione, le orbite dei due satelliti sono ancora ellittiche e, in più, ogni satellite sale e scende di circa 8500 chilometri due volte al giorno.

Fonte: ANSA

giovedì 11 gennaio 2018

Esperimento italiano supera limiti teoria relatività

Fonte - ANSA - Superati i linmiti della famosa teoria della relatività di Einstein, grazie a "fontane atomiche" che hanno permesso di osservare gli effetti della gravità. 


La teoria della relatività di Albert Einstein, chi non la conosce in ambito scientifico, particolarmente coloro che si occupano di fisica, i cui limiti fino ad oggi ne hanno contraddistinto l'applicabilità:

Esperimento italiano supera limiti teoria relatività
Esperimento italiano supera limiti teoria relatività

Grazie a "fontane atomiche" si è potuto superare tale limiti e riuscire ad osservare gli effetti specifici della gravità ai ricercatori dell’Università di Firenze e dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (Infn), coordinati da Guglielmo Tino.

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Si tratta di alcune prove di laboratorio che i fisici italiani hanno potuto condurre in ambito del progetto Magia Advanced, riuscendo a replicare il famoso esperimento mentale che Galileo Galilei effettuò con la celebre "Caduta dei travi" dalla torre di Pisa:

Caduta dei travi
Fig.1

Einstein si ispirò proprio al nostro scienziato, immaginando delgi individui dentro degli ascensori spaziali cosi da potere dimostrare che i corpi possono cadere nel vuoto con lidentica velocità d'accellerazione aldilà della loro massa!

Ecco dunque che i ricercatori che ahno preso parte a questi test hanno sostituito i pesi con degli atomi che sono stati lanciati in alto, mentre nel secondo test sono stati lanciati all'interno di fontane atomiche!

Esperimento italiano supera limiti teoria relatività
Fig.2

“Raffreddando con il laser atomi di rubidio fin quasi allo zero assoluto (-273,16 gradi centigradi) e lanciandoli in alto in un sistema sottovuoto - ha spiegato Tino - abbiamo creato le condizioni per misurare la caduta dei gravi eliminando gli effetti della gravità terrestre che influenzano qualunque misurazione, dall’esperimento di Galileo sulla torre di Pisa in poi”.

Infine ha concluso il fisico italiano, dichiarando che:

“I nostri esperimenti consentiranno di sostituire le onde luminose, i fotoni, con onde di materia, gli atomi, per studiare le onde gravitazionali a frequenze bassissime, che non si possono osservare con gli attuali interferometri ottici terresti”.

Fonte: ANSA

martedì 4 luglio 2017

Unire relatività e fisica quantistica: spaziotempo come schiuma

Unire la relatività del tempo con la fisica quantistica, trovare l'anello di congiuzione tra queste due realtà per una definizione dello spaziotempo. 


Trovare il punto in comune tra la fisica quantistica e la relatività, l'obbiettivo che uno studio condotto in Italia si è prefisso di raggiungere:

Unire relatività e fisica quantistica: spaziotempo come schiuma
Unire relatività e fisica quantistica: spaziotempo come schiuma
Lo spaziotempo come fosse una schiuma, una trama di tipo granulare, quella che rappresenterebbe la sua essenza, cosi almeno si evince per la prima volta in assoluto l'ipotesi che da decenni studiata!
L'analisi statistica dei dati sperimentali che si sono avuti direttamente dall'osservatorio per i neutrini 'IceCube' nel continente antartico e dal telescopoio spazioale Fermi della NASA ha confermato che lo spaziotempo è come una sostanza schiumosa granulare:

Unire relatività e fisica quantistica: spaziotempo come schiuma
Fig.1
allo studio ha partecipato anche l'Italia attraverso l'Agenzia Spaziale Italiana (Asi) e l'Istituto Nazionale di Astrofisica (Infn).
Grazie ai risultati che si sono avuti da questo studio, si è potuto effettuare un primo passo avanti verso la ricerca dell'anello di congiuzione tra la fisica quantistica e la relatività generale, ed i risultati sono stati pubblicati sulla rivista scientifica Nature Astronomy dal team di Giovanni Amelio Camelia, fisico dell'Università la Sapienza di Roma.

Unire relatività e fisica quantistica: spaziotempo come schiuma
Fig.2
Spaziotempo come schiuma dunque i cui modelli tenengono conto delle particelle microscopiche che descrivono lo spaziotempo come una sorta di struttura granulare:
l'esatto opposto a quanto avviene per i moti di corpi macroscopici dei pianeti, in cui non ha luogo nessuna granularità spaziotemporale!
La stessa condizione che si potrebbe avere per fare un esempio in un secchiello trasparente che viene riempito per metà di sabbia e osservadolo da lontano non si è in grado di stabilire se al suo interno ci sia una sostanza liquida oppure granulare:

Unire relatività e fisica quantistica: spaziotempo come schiuma
Fig.3
soltanto avvicinandosi maggiormente si potrebbe avere la certezza che al suo interno ci sarebbe della sabbia!
Fino ad oggi non si era riusciti a dare nessun genere di dimostrazione sperimentale a questa ipotesi, dal momento che gli effetti di questo fenomeno sono infinitamente piccoli e complessi da indentificare:
Ed è questo l'ostacolo maggiore che ha dovuto superare lo studio condotto dalla Sapienza che invece ha sfruttato un'impostazione statistica che tiene conto di tutti i dati ottenuti da Fermi e IceCube per stabilire quanto sono frequenti le osservazioni di particelle (fotoni o neutrini) con proprietà attribuibili alla schiuma spaziotemporale.
Il campione statistico non è ancora sufficiente a trarre conclusioni definitive, ma "con l'accumulo di dati che si avrà nei prossimi 4 o 5 anni - spiega Amelino Camelia - potremo sapere con certezza se lo specifico modello di schiuma spaziotemporale che abbiamo considerato è confermato".

Fonte: ANSA

martedì 20 giugno 2017

Riprodotto test caduta dei gravi: teoria relatività anche nel infinitesimale

Riprodotto il test che fece Galileo Galilei sulla caduta dei gravi, che ha confermato come le leggi della gravitazione siano applicabili anche nel mondo dell'infinitesimale! 


Anche nell'universo dell'infinitesimale, le leggi della gravitazione esistono e rispettano esattamente ciò che Einstein aveva previsto nella sua teoria della relatività:

Riprodotto test caduta dei gravi: teoria relatività anche nel infinitesimale
Riprodotto test caduta dei gravi: teoria relatività anche nel infinitesimale
Il risultato che è stato ottenuto dal test effettuato riproducendo la caduta dei gravi, è stato pubblicato sulla rivista Nature Communications, ma ne viene fuori anche una specie di "sconfessione" riguardo a quanto ipotizzato da Einstein in merito ai suoi dubbi verso la fisica quantistica.
"La teoria di Einstein era stata sviluppata per oggetti classici, come pianeti, stelle e onde gravitazionali, ma finora nessuno aveva mai verificato se le stesse leggi della gravità valessero anche nei sistemi quantistici", ha fatto presente il coordinatore della ricerca, Guglielmo Tino, dell'università di Firenze.
L'esperimento, chiamato "Magia Advanced", è stato condotto in collaborazione con l'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (Infn).
L'esperimento, chiamato "Magia Advanced"
L'esperimento, chiamato "Magia Advanced"
L'esperimento che è stato condotto ha segnato una sorta di evoluzione rispetto a quello che fu eseguito nel 2014, in cui furono fatti cadere degli atomi nel vuoto aventi proprietà singolari:
ovvero sia masse diverse in due stati di energia differente per una condizione comune nel mondo della fisica quantistica, simile al paradosso del gatto di Schroedinger che può essere vivo e morto nello stesso tempo.
La novità è che atomi così stravaganti obbediscono alle leggi della gravità pensate per il mondo dei grandi oggetti.

Fonte: ANSA

mercoledì 15 marzo 2017

Come misurare variazione rotazione della Terra: esperimento Ginger

Come misurare ogni minima variazione durante la rotazione della Terra, l'obbiettivo dell'esperimento Ginger, messo in atto da ricercatori dell'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (Infn). 


Misurare ogni minima variazione di rotazione della Terra, questo è lo scopo dell'esperimento denominato Ginger, che i ricercatori dell'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (Infn) stanno mettendo in atto all'interno dei Laboratori Nazionali del Gran Sasso:

Come misurare variazione rotazione della Terra: esperimento Ginger
Come misurare variazione rotazione della Terra: esperimento Ginger
Sulla rivista Review of Scientific Instruments sono stati pubblicati i dati provenienti dall'esperimento, il prototipo dello strumento finale concepito per misurare uno degli effetti cardine della teoria della relatività.
Tutti gli oggetti che ruotano, avendo una massa differente, proporio come la Terra, generano delle distorsioni nello spazio-tempo, come se trascinassero assieme a loro tutto ciò che li circonda.

Si tratta del cosiddetto effetto di Lense-Thirring e, anche se si tratta di un fenomeno 'minore' e quasi impossibile da rilevare, è importante perché potrebbe mostrare piccole deviazioni previste dalla teoria della relatività generale.

effetto di Lense-Thirring
effetto di Lense-Thirring
Per osservare il 'trascinamento' prodotto dalla Terra servono strumenti capaci di misurare la velocità di rotazione con precisione elevatissima e per farlo i ricercatori italiani hanno sviluppato uno speciale giroscopio laser 'cuore' dell'esperimento chiamato Ginger.
"E' un prototipo necessario per poter realizzare in futuro il più potente e sofisticato esperimento finale, Ginger", ha spiegato Angela Di Virgilio, coordinatrice dell'esperimento. 
"Il rilevatore che abbiamo messo a punto finora, ha aggiunto, si è rivelato essere estremamente sensibile a allo stesso tempo molto robusto, ossia può funzionare per mesi senza aver bisogno di nessun tipo di interventi”.

Leggi articolo originale 

venerdì 3 marzo 2017

Costante cosmologica rimedio errore teoria della relatività

Costante cosmologica, ovvero sia la chiave risolutiva che Albert Eistein oltre un secolo addietro ipotizzò per rimediare ad un anomalia riguardo la sua teoria della relatività.


Si tratterebbe della soluzione per arrivare a capire come l'energia oscura agisce ed influenza le fondamenta della teoria della relatività che oltre un secolo fa, il fisico scienziato Alber Eistein ipotizzò:

Costante cosmologica rimedio errore teoria della relatività
Costante cosmologica rimedio errore teoria della relatività
Compie un secolo ed è ancora un incredibile rompicapo. 
La costante cosmologica introdotta da Albert Einstein nel febbraio 1917 per rimediare a un errore della sua teoria della relatività e confermare che l'universo era stazionario era stata bollata dallo stesso Einstein come la "più grande cantonata" della sua vita, ma poi è stata riabilitata dalla fisica moderna e oggi è la chiave per capire l'energia oscura, ossia quella sorta di misterioso motore che fa espandere l'universo e che lo occupa per il 70%.
"La costante cosmologica di un secolo fa non cessa di essere un grande rompicapo" e adesso "sta avendo un'insospettata nuova giovinezza", ha osservato ha osservato il vicepresidente dell'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (Infn), Antonio Masiero. 

Costante cosmologica rimedio errore teoria della relatività
Fig.1
La storia di questo concetto fondamentale della fisica era cominciata nel 1916 con una brutta sorpresa:
l'equazione alla base della teoria della relatività descriveva un universo in espansione, ma questo concetto era in aperta contraddizione con l'immagine tradizionale di un cosmo stazionario e immobile.
Tuttavia nella teoria della relatività "c'era comunque spazio per aggiungere un valore che non varia nel tempo.

Così - ha aggiunto Masiero - decideva di introdurre una costante", un'equazione capace di bloccare l'espansione dell'universo.

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