mercoledì 9 dicembre 2015

Cosa sono le onde gravitazionali

La grande onda (non gravitazionale)
di Kanagawa di Katsushita Hokusai.

Con il lancio di LISA-pathfinder la ricerca di onde gravitazionali muove i primi passi nello spazio.
Le onde gravitazionali sono l’ultimo  baluardo della forza di gravità, che resiste ancora ad ogni tentativo di rivelazione (qui il podcast sulle onde gravitazionali in cui Giuliana intervista il prof. Calloni dell’Università di Napoli)

Fu Newton a intuire per primo le caratteristiche della forza di gravità. Il filosofo del XVII secolo si rese conto che la forza che vincola la luna a orbitare attorno alla terra è la stessa che ci tiene ancorati al nostro pianeta. Tutti i corpi dotati di massa si attraggono tra loro, ipotizzò Newton, ma la forza di gravità è così debole che nell’esperienza quotidiana possiamo percepire solo l’attrazione terrestre.
La legge di gravitazione universale formulata da Newton nel 1687 è più che sufficiente a descrivere il moto dei pianeti nel sistema solare e rese possibile la scoperta del pianeta Nettuno – circa due secoli dopo (1846) – proprio a partire dalle perturbazioni causate da questo corpo celeste nell’orbita di Urano. Non è mai riuscita, però, a chiarire le anomalie dell’orbita di Mercurio, che è troppo vicino al Sole affinché la trattazione classica della gravità sia sufficiente a darne una spiegazione esauriente. (#stacce1)

Prima ancora di Newton, Galileo si era reso conto di un’altra fondamentale caratteristica della gravità: tutti i corpi cadono con la stessa accelerazione, indipendentemente dalla loro massa. Questo perché numericamente la massa gravitazionale, che ci attrae verso la terra, è la stessa di quella inerziale, che si oppone alla spinta dei corpi. Questo fenomeno (principio di equivalenza) è ancora inspiegato dal punto di vista teorico (#stacce2) e, inoltre, nessuno ha la più pallida idea del perché sia valido per la gravità e non per le altre tre forze fondamentali della natura.
Einstein lo assunse il principio di equivalenza come postulato e si accinse a calcolarne le conseguenze. La teoria della Relatività generale vincola lo spazio e il tempo in un ente inscindibile e descrive l’universo come un tessuto che determina la traiettoria di tutte le particelle, siano esse dotate di massa oppure a massa nulla. Infatti, anche la traiettoria della luce (ossia i fotoni che descrivono le oscillazioni del campo elettromagnetico) viene deviata dalle distorsioni dello spazio-tempo generate dalla masse di ogni genere: terresti, stellari o galattiche. E infatti, la prima prova della Relatività generale di Einstein giunse nel 1919 quando, durante una eclisse di Sole, fu possibile osservare la deflessione della luce di alcune stelle causata dalla massa del Sole.
Tra le predizioni della Relatività generale vi è il fenomeno delle onde gravitazionali, debolissime e quasi impercettibili increspature nello spazio-tempo .
Il segnale più facilmente distinguibile dal ‘rumore’ delle vibrazioni ambientali è quello di due corpi molto massicci, stelle di neutroni o buchi che ruotano l’uno intorno all’altro in una traiettoria a spirale sino a collidere tra loro.  Questo  valzer di morte è stato osservato nel 1974, e ha fruttato il premio Nobel nel 1993 a Russell A. Hulse e Joseph H. Taylor, Jr. Il moto di caduta dei due corpi l’uno sull’altro, infatti, può essere spiegata solo assumendo che essi perdano energia emettendo onde gravitazionali.
Qui video NASA della
 collisione di due stelle di neutroni.

Manca ancora all’appello la rivelazione diretta delle onde gravitazionali: quando queste raggiungono la Terra, si manifestano come microscopici allungamenti e contrazioni dello spazio e sono rivelabili. A tutt’oggi la rivelazione diretta delle onde gravitazionali non è stata ancora eseguita.  La loro osservazione si  può dedurre  dal fatto che, quando esse raggiungono la Terra, si manifestano come microscopici allungamenti e contrazioni dello spazio e risultano quindi rivelabili utilizzando, per esempio, l’interferenza della luce del laser proprio perché quest’ultima è particolarmente sensibile alle variazioni del cammino percorso. Maggiore è la distanza, tanto più sensibile sarà lo strumento. Data l’esiguità del segnale, risulta necessario costruire lunghe gallerie sotto vuoto (Virgo, Ligo), possibilmente sotterranee come Kagra per ridurre ogni fonte di rumore ambientale.  L’alternativa è andare nello spazio come nel caso di LISA Pathfinder. In realtà la missione originale prevedeva tre satelliti, necessari per rivelare le onde gravitazionali come piccole perturbazioni della loro orbita. Purtroppo i tagli dei finanziamenti hanno ridotto il numero di satelliti prima a due e poi a uno (LISA pathfinder). La missione, per quanto importante, è stata però estremamente ridotta negli scopi da draconiani tagli di bilancio. Infatti originariamente era prevista una flotta di tre satelliti che dovevano volare in formazione e quindi si riduce ad un dimostratore tecnologico non in grado di rivelare onde gravitazionali  (#stacce3).
Decadimento

Decadimento orbitale del sistema PSR B1913+16 .
 Lo sfasamento temporale nel corso degli anni 
è spiegato solo se si suppone che lo spiraleggiare di due stelle di neutroni emetta onde gravitazionali.


La speranza è che un giorno si possa non solo far luce su fenomeni astrofisici sempre più complessi e lontani da noi, ma anche comprendere la reale natura della gravità, fino ad arrivare ad una trattazione unitaria con la meccanica quantistica. Trattazione che ha non solo eluso Einstein nei suoi ultimi anni di studi, ma anche frustrato tutti i ricercatori che da allora ci si sono cimentati (#stacce4).
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