Cosa sono le onde gravitazionali?

Le onde gravitazionali sono oscillazioni dello spazio-tempo che viaggiano alla velocità della luce. Albert Einstein ne predisse l’esistenza nel 1916, come conseguenza della sua teoria della Relatività Generale, pubblicata nel 1915.

Dopo più di 50 anni di ricerche, durante i quali sono rimaste elusive, i 14 settembre 2015 le onde gravitazionali sono state finalmente rivelate

Cosa sono queste misteriose onde e perchè è così difficile rivelarle? Come suggerisce il loro nome, esse sono una conseguenza della gravitazione. Nella Relatività Generale, la gravità può essere interpretata come una conseguenza della forma dello spazio-tempo. Infatti le equazioni di Einstein dicono che la presenza di un corpo dotato di massa deforma lo spazio-tempo intorno a sè. Possiamo immaginare la trama dello spazio-tempo come un foglio di gomma. Se vi appoggiamo sopra una massa, il foglio elastico sarà deformato e qualunque cosa si muova su di esso ne seguira’ la curvatura.

Artist’s impression of spacetime curved by a massive body

Rappresentazione grafica dello spazio-tempo curvato dalla preseza di una massa.

In altre parole, una massa di test passando vicino ad un oggetto massiccio seguirà la curvatura dello spazio-tempo, attorno all’oggetto massiccio. Noi descriviamo tutto questo come dovuto ad una forza attrattiva che chiamiamo gravità. La luce, a sua volta, viaggia in linea retta in uno spazio-tempo piatto, ma, vicino ad un oggetto massiccio, anche la luce seguirà la curvatura dello spazio-tempo, come se fosse attratta dalla massa.

Tutto ciò non è facile da immaginare, poichè noi vivamo nello stesso spazio-tempo. Comunque possiamo misurarne la curvatura guardando, per esempio, la deviazione del cammino della luce che ci arriva da stelle lontane, passando vicino al sole. Questa deflessione è stata osservata per la prima volta nel 1919, durante un’eclissi solare, fornendo, quindi, uno dei primi test sperimentali della Relatività Generale.

Artist’s impression of a gravitational wave

Rappresentazione artistica di un’onda gravitazionale. In questo esempio lo spazio-tempo è perturbato dal moto di due buchi neri ruotanti uno attorno all’altro. (Credit: Swinburne Astronomy Productions).

Onde gravitazionali appaiono quando un evento perturba la curvatura dello spazio-tempo. Possiamo pensare ad una goccia d’acqua che cade sulla superficie di uno stagno. Essa perturba la superficie dell’acqua e questa perturbazione si propaga verso l’esterno sotto forma di onde. Similmente, se lo spazio-tempo viene perturbato, la perturbazione si propaga alla velocità della luce (~300000 km/s) sotto forma di onde gravitazionali.

Quali eventi sono all’origine di queste deformazioni della trama dello spazio-tempo? In linea di principio qualunque spostamento asimmetrico di masse può generare onde gravitazionali. Potremmo chiamare questo fenomeno un “spaziotempo-moto”. Per esempio questo accade in una situazione come in figura, quando due buchi neri o stelle di neutroni orbitano velocemente una attorno all’altro, o perfino durante il Big Bang, l’evento che ha dato origine al nostro Universo. Anche stelle di neutroni rotanti o esplosioni come le supernovae possono emettere onde gravitazionali, così come altri fenomeni sconosciuti, che i rivelatori scopriranno.

Solo i più potenti di questi eventi possono emettere onde gravitazionali sensibili sulla terra. Infatti la gravità è una forza estremamente debole; per questo gli effetti delle onde gravitazionali sono così piccoli e difficili da rivelare. Sulla terra il passaggio di un’onda gravitazionale allungherà e accorcerà alternativamente la distanza fra due oggetti, in verso opposto, lungo due direzioni perpendicolari. Rivelatori come Advanced Virgo vedranno la lunghezza dei loro bracci oscillare alla stessa frequenza dell’onda gravitazionale di passaggio.

Deformation of the spacetime between a ring of test masses induced by the passage of a gravitational wave

Deformazione dello spazio-tempo occupato da un anello di masse di test, indotta dal passaggio di un’onda gravitazionale. L’effetto è enormemente amplificato per renderlo visibile.

Per esempio, l’onda gravitazionale prodotta dalla fusione di due stelle di neutroni in una galassia vicina modificherà la distanza terra-sole (150 milioni di km) della dimensione di un atomo. Rivelare tali minuscole variazioni di distanza è la grande sfida di uno strumento come Virgo.

Lo studio delle onde gravitazionali ci consentirà una comprensione più profonda di questi estremi fenomeni e ci aiuterà a mettere alla prova le leggi della gravitazione. Segnali di onde gravitazionali dovrebbero essere chiaramente rivelati nei prossimi anni dagli osservatori gravitazionali di seconda generazione, Advanced Virgo e Advanced LIGO.

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