Scoperte le onde gravitazionali: inizia una nuova era nell'astronomia

Dall'alba della nostra specie, l'uomo si è ingegnato per ideare nuovi strumenti per esplorare le vastità del cosmo: prima con l'occhio nudo, poi con telescopi sempre più potenti, e, infine, espandendo le proprie osservazioni a tutto lo spettro elettromagnetico, dalle onde radio ai raggi gamma. Oggi, potremmo aver assistito all'inizio di una nuova era nello studio dell'Universo: con la scoperta delle onde gravitazionali, gli astronomi hanno acquisito un nuovo senso per sondare le profondità più violente e misteriose del cosmo.

Credit: LIGO

Le onde, rilevate alle 10:51 ora italiana 14 Settembre, sono state prodotte 1.3 miliardi di anni fa dalla collisione di due buchi neri. Dotati di 29 e 36 masse solari e larghi circa 150 chilometri l'uno, i due buchi neri si sono scontrati viaggiando a metà della velocità della luce, fondendosi in un unico buco nero 62 volte più massiccio della nostra stella. Le tre masse solari mancanti sono state rilasciate sotto forma di un'onda gravitazionale, rilevata con sette millisecondi di differenza da due diversi esperimenti negli USA.
Le onde gravitazionali sono una conseguenza della teoria della relatività generale avanzata da Albert Einstein poco più di un secolo fa. Studiando come l'accelerazione o la decelerazione di oggetti massicci potesse influenzare lo spaziotempo, Einstein si accorse che, in casi estremi, la sua teoria della relatività generale consentiva la formazione di increspature, o distorsioni, in grado di cavalcare il tessuto dell'Universo alla velocità della luce.
"Con questa scoperta, l'umanità si è imbarcata su un meraviglioso viaggio, quello di esplorare lo spaziotempo distorto," spiega Kip Thorne, fisico teorico presso il Caltech. "La descrizione di questa osservazione è descritta alla perfezione nella teoria della relatività generale formulata da Einstein 100 anni fa. Sarebbe stato bellissimo poter vedere la faccia di Einstein dopo averglielo detto," aggiunge Rainer Weiss del MIT.

Secondo la teoria, le onde gravitazionali si formerebbero in seguito ad alcuni dei più estremi eventi cosmici: supernove, sistemi binari di stelle di neutroni, collisioni tra buchi neri. In tutti questi casi, le onde gravitazionali trasporterebbero parte dell'energia sprigionata, diffondendola nel cosmo - un po' come le onde che si formano in una bacinella d'acqua quando facciamo cadere un sasso. Proprio come le increspature nell'acqua si fanno sempre più lievi man mano che si allontanano dall'epicentro, le increspature dello spaziotempo - le onde gravitazionali, appunto - si indeboliscono gradualmente più si allontanano dalle loro sorgenti. È per questo che le onde gravitazionali hanno eluso tutti i nostri tentativi di rilevarle per un intero secolo - fino ad oggi, forse.

Ma qual è la vera utilità di queste onde? Oltre a essere l'ennesima conferma - e forse una delle più importanti - della validità della relatività generale, la scoperta delle onde gravitazionali potrebbe spianare la strada a una nuova era nell'astronomia. Fino ad oggi, gran parte di ciò che sappiamo sull'Universo proviene dallo studio delle radiazioni elettromagnetiche, che si tratti di radioastronomia o di astronomia nell'infrarosso, nell'ultravioletto, nei raggi-X, nel visibile, nelle microonde, nei raggi gamma o nel sub-millimetrico. Le onde gravitazionali, invece, ci potrebbero permettere di aprire una nuova finestra nell'Universo, consentendoci di studiare alcuni dei più estremi e misteriosi eventi celesti e di portare le nostre teorie ai limiti per verificare la loro validità. Per fare un'analogia, è come se avessimo trascorso tutta la nostra vita a guardare il mondo intorno a noi, e all'improvviso scoprissimo un nuovo senso, come l'udito.
L'esperimento LIGO, responsabile della scoperta assieme al collega VIRGO, comprende due rilevatori distanti circa tremila chilometri tra di loro - ovvero circa dieci millisecondi luce. Ciascun rilevatore consiste in una struttura a L dotata di uno specchio in ogni angolo. Un impulso laser viene sparato in ognuna delle due gambe della L (lunghe circa 4 chilometri l'una), rimbalzando da uno specchio all'altro una settantina di volte. Successivamente, i due impulsi laser vengono indirizzati verso un rilevatore. In condizioni nominali, i due raggi laser raggiungono il rilevatore allo stesso momento, annullandosi a vicenda. Tuttavia, il passaggio di un'onda gravitazionale allungherebbe una delle due gambe della L e restringerebbe l'altra, facendo sì che i due impulsi laser raggiungano il rilevatore in momenti diversi. La distorsione di ciascuna gamba sarebbe pari in media a meno di un millesimo del diametro di carica di un protone. La presenza di due diversi siti rende possibile l'identificazione della sorgente dell'onda, tramite triangolazione.