Onde gravitazionali: parte seconda

Ma perché le onde gravitazionali sono così importanti?
Nella frazione di un secondo, l’Universo si è accresciuto da un puntino (big bang) a un’enorme bolla, 10^26 (dieci elevato alla ventiseiesima potenza) volte più grande.
Se si riuscisse in qualche modo a trovare tracce delle onde gravitazionali generate da quell’incredibile accelerazione di materia sarebbe un colpo grosso per testare la teoria dell’inflazione e avere informazioni preziose sui primi battiti della vita dell’Universo.

E’ per questo che le onde gravitazionali sono forse tra le cose più eccitanti che gli astronomi stanno cercando di osservare e sono uno dei campi più all’avanguardia nella moderna astrofisica e cosmologia.
Gli scienziati sanno da tempo che esistono in virtù di una serie di osservazioni indirette che confermano con precisione le previsioni della teoria di Einstein. Non sono, finora, mai riusciti ad acciuffarle direttamente, ma sono là e presto ci riusciranno a intercettarle.

Ma qual è il motivo di tanta inafferrabilità?
Il motivo per cui questa inafferrabile forza più elusiva che permei il nostro universo ci sfugge è legata al fatto che non è percepibile dagli strumenti normalmente preposti allo studio.
Questa radiazione, sono onde a bassissima frequenza con lunghezze d’onda di dimensioni cosmiche.

Le onde gravitazionali poi interagiscono debolmente con la materia. Per fare un esempio un’onda gravitazionale che attraversasse il Sole perderebbe soltanto una parte su 10^16 (dieci elevato alla sedicesima potenza) della sua energia. Esse viaggiano praticamente indisturbate nell’universo. La rivelazione di tali onde pone dunque problemi fisici e tecnologici d’eccezione.

Diversi esperimenti stanno già da tempo in ascolto, ma per riuscire a capire quando riusciremmo a rilevare le prime onde gravitazionali, serve capire prima dove cercarle.

Quello che cercano gli astrofisici sono grandi masse che interferiscono velocemente tra loro.
Certamente la più interessante è la collisione fra due buchi neri. Infatti l’evento più spettacolare (e anche più facile) da vedere è la collisione tra due buchi neri supermassicci al centro di una galassia.
Perché?
Semplicemente perché sono la massima concentrazione di materia.

Gli astrofisici sanno che negli ultimi “tempi cosmici” c’è stata poca formazione di nuove stelle quindi l’unico modo che le galassie hanno di crescere le loro masse sono le collisioni tra di loro.
L’idea è nata da decenni di studi e simulazioni computerizzate riguardo a come le galassie si evolvono. I più recenti modelli computerizzati, esposti dai ricercatori, mostrano che queste collisioni dovrebbero essere molto più frequenti di quanto chiunque si sia mai immaginato prima.

Questo ovviamente significa che i buchi neri supermassicci al centro delle galassie entrano in collisione molto più spesso di quanto si pensava. Questo  interessa molto gli scienziati perché essendo gli oggetti più massicci dell’universo, quando collidono sono quelli che generano anche le onde gravitazionali più grandi e rilevabili.

Si conoscono poi molte altre possibili sorgenti di onde gravitazionali, tra le quali sistemi binari di stelle, pulsar, esplosioni di supernovae, buchi neri in vibrazione e galassie in formazione; per ognuna di queste fonti il tipo di segnale emesso dovrebbe possedere un “timbro” caratteristico che identifichi univocamente il tipo di fonte e la causa dell’emissione.

O in alternativa un sistema stellare binario, formato cioè da due stelle che orbitano intorno ad un comune centro di massa. Esse dovrebbe produrre onde gravitazionali continue e il periodo (intervallo temporale corrispondente alla lunghezza d’onda) di queste onde sarebbe pari a metà del periodo dell’orbita delle due stelle.

Allora cosa stanno aspettando gli astrofisici, magari dandosi da fare per scoprire il gravitone? – mi domanda il mio cane che si è appena risvegliato, ma a quanto sembra aveva le orecchie tese – La scoperta del gravitone metterebbe a posto le cose e non sarebbe necessario indagare sulle collisioni dei buchi neri.

Vacci piano amico sapientone – rispondo al mio fedele cane – La tua domanda è giusta, ma non corretta. Effettivamente la scoperta del gravitone spiegherebbe la esistenza di questa ipotetica particella elementare responsabile della gravità, ma non delle onde gravitazionali che deformano profondamente lo spazio. Il gravitone se esiste è ovunque anche qui attorno a noi, proveniente dalla stessa materia che ci circonda e dallo spazio. Anche tu, che possiedi una “massa”, emetteresti gravitoni. Tuttavia il gravitone per ora è solo una teoria che non ha avuto ancora risposte valide.
Come ti ho detto queste onde viaggiano indisturbate nell’universo con una “lunghezza d’onda cosmica” e alla velocità della luce. Questo è il motivo per cui sono inafferrabili malgrado molti strumenti sono alla loro ricerca.

Ci sono molti strumenti che indagano e scandagliano il cielo alla ricerca per individuare un minimo segnale di queste onde tra la infinità di segnali che circolano nello spazio. Oggi si sta puntando su strumenti non unidirezionali, ovvero che “osservano” l’intero universo da qualsia parte le onde gravitazionali possano arrivare. Si utilizzano rivelatori risonanti o interferometrici.
Un rivelatore risonante funziona come un’antenna: il passaggio dell’onda gravitazionale provoca una variazione nelle dimensioni del rivelatore nel piano perpendicolare alla direzione di propagazione dell’onda.
In pratica misura la variazione della distanza relativa fra due masse libere, indotta dal passaggio dell’onda nello spazio che le separa. (se non avete capito quest’ultimo passaggio non ve ne fate una colpa, non lo ha capito nemmeno il mio cane, ma non glielo dite)

In Italia abbiamo il Nautilus.
E’ il rivelatore di onde gravitazionali risonante ultracriogenico istallato ai Laboratori Nazionali di Frascati dell’INFN dal 1992

Una cosa è certa.
C’è un nobel per la fisica in gioco per chi riuscirà ad osservarle per primo! E’ questo è sempre un bel stimolo.

(fonte: divulgazione INFN)

Leggi anche”onde gravitazionali: prima parte)

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