Come sono state scoperte le onde gravitazionali?

Bene, ora sapete tutto sulle onde gravitazionali. Giusto?
No?
Ho capito, la grande abbuffata di spiegazioni che vi hanno bombardato in questi giorni con un fiume di parole non hanno fatto altro che confondervi le idee, non è vero? Buchi neri, doppi buchi neri, teoria della relatività, curvatura dello spazio-tempo.
Tranquilli sintetizzo tutto in poche parole.

L’onda gravitazionale è una “increspatura” dello spazio-tempo (vanno sempre a braccetto). Una deformazione che comprime e allarga lo spazio, come se fosse una tela elastica, causata da una grande massa in movimento. Quindi la propagazione della variazione della forma dello spazio-tempo (increspatura), come una specie di tsunami, prende il nome di onda gravitazionale. Essa si propaga indisturbata nell’universo praticamente senza trovare ostacoli.
Punto. Non c’è altro da aggiungere.

Qual’è il suo effetto – mi domanda il mio cane.
Domanda azzeccata, caro amico – rispondo – Ecco, finalmente qualcuno (e c’è voluto un cane) che centra l’argomento. Questo era l’aspetto centrale della questione su cui si doveva dare maggiore risalto. Ma sta di fatto che tutti, tranne i siti istituzionali, gli esperti di internet ed esperti dell’ultima ora, hanno puntato solo sul fatto sensazionale della notizia.

Devi sapere che le onde gravitazionali che sono originate a centinaia di milioni di anni luce dalla Terra ci arrivano attenuate. L’ampiezza, infatti, di un’onda sferica decresce proporzionalmente all’inverso della distanza dalla sorgente (secondo il termine 1/r). Quindi, anche le onde provenienti da sistemi estremi, come buchi neri binari in corso di fusione, quando raggiungono la Terra hanno un’ampiezza molto piccola.
In pratica questa radiazione sono onde a bassissima frequenza con lunghezze d’onda di dimensioni cosmiche e viaggiano praticamente indisturbate nell’universo a velocità della luce. Tra l’altro interagiscono debolmente con la materia.
Il loro passaggio ha effetti quasi invisibili, si parla di milionesimi delle dimensioni di un atomo.

Spiegati meglio, perché non ho capito bene questo passaggio – mi chiede il mio assistente astrofisico a quattro zampe.

Un oggetto investito da una onda gravitazionale potrebbe subire uno spostamento dell’ordine di 10^-18 metri. Tanto per renderti l’idea, due persone poste alla distanza di un metro subirebbero uno spostamento di un milionesimo del diametro di un protone, una delle particelle che formano il nucleo atomico.

Wow – esclama il mio cane – Immagino che è per questa ragione che è difficile rilevarle.
Tu sei proprio un cane intelligente.
E come hanno fatto ad osservarle? Tutti dicono con uno strumento chiamato LIGO. Ma in pratica come ha funzionato? – mi domanda il mio fedele amico.

Attraverso una struttura che utilizza il metodo della interferometria.
Ma ora stai calmo che spiego anche questo. Vado per ordine.

La scoperta annunciata è attribuita effettivamente a LIGO, (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory), un osservatorio interferometrico laser costruito negli Stati Uniti nel 1999 proprio per il rilevamento delle le onde gravitazionali.

Dal 2002 al 2010 LIGO non ha rilevato alcuna onda gravitazionale, per questo gli strumenti sono stati “spenti” per 5 anni durante i quali i rivelatori sono stati sostituiti e migliorati per arrivare al rilevamento di spostamenti dell’ordine di 10^-21 metri.
E così nasce Advanced LIGO, cioè un osservatorio che sarà fino a dieci volte più sensibile. Il 18 settembre 2015, Advanced Ligo ha iniziato le sue prime osservazioni scientifiche a circa quattro volte la sensibilità iniziale degli interferometri LIGO facendo centro, e la sensibilità sarà ulteriormente rafforzata fino a raggiungere il massimo intorno al 2021.

Tuttavia un solo osservatorio non basta (spiego dopo il motivo) per cui ne è stato costruito un gemello a 3.000 chilometri di distanza. A Livingston, in Louisiana, e a Hanford, nello stato di Washington. Due impianti gemelli ma separati, gestiti come un singolo e grande osservatorio.

Bene, fatta questa doverosa premessa, ora è arrivato il momento di spiegare come è stato possibile rilevare queste onde gravitazionali.

Osservatori a forma di “L”

L’interferometro LIGO (in figura è quello italiano, VIRGO) è composto da due bracci in cemento lunghi 4 chilometri e presenta una forma a “L” disposti ad angolo retto. L’interno dei due bracci è costituito da tubi di 1,2 metri di diametri sotto vuoto spinto. In essi attraverso specchi ultra precisi vengono fatti rimbalzare dei raggi laser.

In testa del dispositivo il fascio di luce laser emesso viene suddiviso da uno specchio nei rispettivi due tubi perfettamente identici. Alle cui estremità altri specchi che riflettono i raggi laser.
Dopo una serie di andirivieni le due onde laser ritornano indisturbate al punto di origine che si annullano a vicenda.

Ma se qualcosa deforma anche di una quantità infinitesima (la centomilionesima parte del diametro di un atomo di idrogeno) lo spazio-tempo rappresentato dai raggi i due raggi non saranno più in fase e la loro interferenza farà accendere una lucetta. Quella lucetta che per anni non si è accesa. Quella lucetta che ora i ricercatori hanno visto accendersi. L’onda rilevata dalle due strutture LIGO era identica.

Un sussurro gravitazionale aveva scosso il delicato fascio laser.

Il segnale è comunque estremamente debole, che per distinguerlo dai segnali di fondo (disturbi dovuti ad altri fenomeni, terrestri e provenienti dallo spazio) era necessario che altre strutture simili a grande distanza rilevassero lo stesso segnale. Questo il motivo dei due rilevatori LIGO e VIRGO installato nella campagna pisana e attualmente in fase di potenziamento.

E’ stata proprio questa collaborazione transoceanica che ha permesso questa scoperta che cambierà il nuovo modo di guardare l’Universo ora che l’era delle onde gravitazionali è ufficialmente iniziato. E la concezione del mondo non potrebbe essere più la stessa.

Dalla espressione sembra che il mio cane abbia capito e quindi ora possiamo andare tranquilli a farci un giretto insieme.

(fonte:MediaInaf)

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