Cosa sappiamo delle onde gravitazionali?

di Luciana Ziino 

Era il 2016, precisamente l’11 febbraio, quando, dagli Stati Uniti e dall’Italia, veniva annunciata quella che molti hanno definito la scoperta del secolo: la prima verifica sperimentale delle onde gravitazionali! L’anno precedente gli strumenti gemelli LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory) situati a Livingston, in Louisiana, e a Hanford, nello stato di Washington, avevano rivelato il debole segnale prodotto dalla collisione di due buchi neri, distanti 1,3 miliardi di anni luce da noi. Le onde gravitazionali registrate erano state prodotte nell’ultima frazione di secondo di questo processo, i cui protagonisti erano un buco nero di massa pari a 29 volte quella del Sole e un altro di massa equivalente a 36 masse solari. I due oggetti, prima di fondersi, avevano spiraleggiato, per poi scontrarsi a una velocità di circa 150.000 km/s, un valore incredibile se pensiamo che è pari a metà della velocità della luce. Il risultato di questa collisione era un buco nero ruotante più massiccio, di circa 62 masse solari.

Ma attenzione: l’oggetto risultante aveva una massa inferiore rispetto al totale della somma dei due corpi iniziali. Mancavano all’appello 3 masse solari. Che fine avevano fatto? Ebbene, la massa mancante era stata trasformata in energia, emessa sotto forma di onde gravitazionali! Tutto questo avveniva 1,3 miliardi di anni fa. 

Rappresentazione artistica delle onde gravitazionali generate da un sistema binario di stelle di neutroni. Crediti: R. Hurt/Caltech-JPL

Fin qui lo storico annuncio del 2016, che rendeva pubblica l’osservazione di un fenomeno predetto da Einstein un secolo prima. Ma da quella data a oggi quali progressi sono stati fatti? Gli strumenti americani LIGO e l’italo-francese VIRGO (situato a Cascina, in Toscana) quante altre sorgenti di onde gravitazionali hanno rivelato? E con che caratteristiche?

Possiamo affermare che, grazie agli ultimi aggiornamenti tecnologici, non è più una rarità individuare una sorgente di onde gravitazionali. Sono state infatti decine le osservazioni di questi eventi, 39 solo nel periodo aprile-ottobre 2019. Un risultato davvero eccezionale!

Se ci concentriamo sui dati più recenti, relativi appunto al 2019, vediamo che la maggior parte degli eventi scoperti sono fusioni di buchi neri; ma, tra l’aprile e l’ottobre dell’anno scorso, sono state rivelate anche la probabile fusione di due stelle di neutroni e la fusione di due sistemi verosimilmente misti, cioè composti da un buco nero e una stella di neutroni.

Tra tutti questi eventi, ce ne sono alcuni particolarmente interessanti per le loro implicazioni astrofisiche. Uno di questi è certamente quello osservato il 21 maggio 2019, la fusione di due buchi neri con massa rispettivamente pari a 66 e 85 volte quella del Sole, fusione che ha prodotto un buco nero finale di 142 masse solari. Sia gli oggetti iniziali che quello finale si trovano in un intervallo di massa che non è stato mai osservato prima, né con onde gravitazionali, né con osservazioni elettromagnetiche. Inoltre, il corpo risultato dalla fusione appartiene alla classe dei cosiddetti buchi neri di massa intermedia (da cento a centomila volte la massa del Sole), che solo pochissime volte sono stati identificati per mezzo di osservazioni elettromagnetiche, e mai fino ad oggi per mezzo delle onde gravitazionali. Sono loro che fondendosi danno origine ai buchi neri supermassicci (i mostri dell’Universo, con masse pari a milioni o miliardi di volte quella del Sole, che si trovano al centro delle galassie)? Questo è uno dei tanti interrogativi al quale lo studio delle onde gravitazionali potrebbe dare risposta.

L’immagine mostra le localizzazioni nel cielo per le diverse rivelazioni di LIGO-Virgo nel periodo aprile-ottobre 2019. Ciascuna localizzazione – rappresentata da una area colorata sulla mappa – è ottenuta sulla base dei dati dei tre rivelatori nella rete. Sono indicati: il giorno e ora dell’arrivo sulla Terra, il nome scientifico e il tempo necessario al segnale per arrivare sulla Terra dalla regione dell’Universo dove si è generato. Crediti: EGO/Virgo Collaboration/Greco

Il 14 agosto 2019 gli interferometri per onde gravitazionali hanno rivelato un segnale molto intenso (denominato S190814bv) che, stando alle masse in gioco, potrebbe aver avuto origine dalla fusione fra un buco nero e una stella di neutroni.

Fino ad oggi, per la trentina di eventi di onde gravitazionali osservati, quasi tutte le masse in gioco dei corpi coinvolti sono stati della decina di masse solari, un valore che è tipico dei buchi neri. E’ indubbio il fatto che la fusione di due buchi neri sia un evento affascinante, ma si pensa che i buchi neri non emettano “nulla” e risultano, perciò, poco “interessanti”. La storia è ben diversa quando l’allerta gravitazionale riguarda oggetti più leggeri, con masse inferiori alle 3 masse solari. In questo caso si parla di stelle di neutroni, nocciolini di stelle che hanno finito la loro vita con una spettacolare esplosione. Sono oggetti superdensi e supermagnetici che rappresentano l’ultima fermata astrofisica prima del buco nero, ma sono ancora oggetti “visibili”, cioè capaci di emettere radiazione gamma, X, ottica e radio. Dopo tanti eventi dovuti alla fusione di buchi neri e qualcuno prodotto da stelle di neutroni (ma al momento solo Gw 170817 è certificato), la famiglia delle coppie gravitazioni potrebbe essersi arricchita con una coppia mista, formata da un buco nero non troppo pesante e da una stella di neutroni con questo evento dell’agosto del 2019. Ma nessun telescopio da terra o dallo spazio ha osservato una controparte elettromagnetica dell’evento fino ad oggi. [1] Quello che è certo è che lo studio delle onde gravitazionali, reso possibile dalle nuove tecnologie, ci sta facendo scoprire tante ‘stranezze’ dell’Universo.

Ma cosa sono le onde gravitazionali? E per quale motivo sono passati 100 anni prima che arrivasse la prima prova sperimentale della loro esistenza?

Le onde gravitazionali possono essere definite come oscillazioni dello spazio-tempo che viaggiano alla velocità della luce. Per capire meglio, dobbiamo partire dal concetto di gravitazione. Nella teoria della Relatività Generale la gravità cessa di essere una forza e diventa una conseguenza della deformazione dello spazio-tempo. Ogni massa, infatti, deforma lo spazio-tempo, e più il corpo è massiccio, maggiore è la deformazione. Un corpo con massa piccola verrà attratto da un corpo con massa più grande, proprio perché seguirà la curvatura dello spazio-tempo prodotta dall’oggetto più massiccio. Tutto questo può essere visualizzato col classico esempio del foglio di gomma, sul quale sono poggiate delle biglie: il foglio rappresenta lo spazio-tempo e le biglie rappresentano i corpi che con la loro massa lo deformano.

Questa rappresentazione artistica visualizza lo spazio-tempo come una superficie bidimensionale, che viene distorta dalla presenza di tre corpi massicci, rappresentati come sfere colorate. La distorsione causata da ciascuna sfera è proporzionale alla sua massa. Crediti: ESA–C.Carreau

Fin qui il concetto di gravità.

Ma che cos’è che scatena la propagazione di un’onda gravitazionale? Essenzialmente, un’onda gravitazionale viene prodotta quando un evento perturba la curvatura dello spazio-tempo. In questo caso, lo spazio-tempo lo possiamo visualizzare come la superficie di uno stagno e l’evento perturbatore come una goccia d’acqua che cade su di esso. La goccia che cade 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 sotto forma di onde gravitazionali.

Quali eventi provocano questa perturbazione dello spazio-tempo? In linea di principio qualunque spostamento asimmetrico di masse può generare onde gravitazionali. Tuttavia, gli unici eventi di cui noi possiamo accorgerci coinvolgono generalmente masse molto grandi e che si muovono a velocità molto elevate. Volendo citare degli esempi concreti, uno ‘spaziotempo-moto’ può essere provocato da due buchi neri o stelle di neutroni che orbitano velocemente uno attorno all’altro; oppure da stelle di neutroni rotanti o ancora da esplosioni di supernovae. Eventi particolari, ma non rarissimi.

Allora perché è così difficile rivelare le onde gravitazionali? Innanzitutto, perché la gravità è una forza estremamente debole, la più debole dell’Universo. E poi perché queste sorgenti di onde gravitazionali sono molto distanti da noi, per cui la ampiezza delle onde che arrivano sulla Terra è estremamente ridotta. Per capirci, l’onda gravitazionale prodotta dalla fusione di due stelle di neutroni in una galassia vicina modificherà la distanza Terra-Sole (150 milioni di km) soltanto della dimensione di un atomo.

In basso a destra Virgo, l’interferometro nato da una collaborazione internazionale con forte contributo italiano, situato a Cascina, in provincia di Pisa. In alto a destra il primo interferometro di LIGO a Livingston in Lousiana, in basso a sinistra il secondo, a Hanford, nello Stato di Washington.

Quali strumenti si usano per registrare dei segnali così deboli? Gli interferometri laser: si tratta di grandi tunnel a forma di “L” lunghi alcuni chilometri per lato (4 nel caso di LIGO e 3 nel caso di Virgo), in cui viene fatto propagare un raggio laser. Alle due estremità specchi di altissima qualità riflettono la luce, allo scopo di aumentare virtualmente la lunghezza dei bracci. Al vertice della L i due fasci laser si ricombinano formando una determinata figura di interferenza.

Cosa succede se un’onda gravitazionale arriva sulla Terra? Considerando due generici oggetti, l’effetto dell’onda sarà quello di allungare e accorciare alternativamente la loro distanza, in verso opposto, lungo due direzioni perpendicolari (come in figura).

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. Crediti: Wikipedia

Nel caso dell’interferometro a variare sarà la lunghezza dei due tunnel: uno si allungherà, l’altro si accorcerà. Questa variazione produrrà un minuscolo sfasamento tra i due fasci e quindi una minuscola variazione della figura di interferenza risultante. Ecco rivelata l’onda gravitazionale!

Tuttavia, nella realtà è tutto estremamente più complicato, perché il segnale prodotto da un’onda gravitazionale è quasi indistinguibile dal rumore di fondo. Ma la precisione di questi apparati è tale da permettere la rivelazione di una variazione di lunghezza pari a un miliardesimo del diametro di un atomo!

Le nuove tecnologie hanno quindi aperto la strada a una nuova astronomia: se fino al 2015 le uniche fonti di conoscenza dell’Universo erano i fotoni (luce visibile, onde radio, raggi X, ecc.) da un lato e le particelle (neutrini e raggi cosmici) dall’altro, oggi, con l’osservazione delle onde gravitazionali, possono essere svelati processi che prima erano invisibili e si possono ottenere informazioni preziosissime su meccanismi ancora poco conosciuti.

L’ambizione più grande sarebbe quella di studiare il Big Bang, sul quale la luce non ci può fornire informazioni, visto che i primi fotoni vennero emessi 300000 anni dopo. Non sappiamo se si riuscirà davvero ad andare così tanto indietro nel tempo mediante lo studio delle onde gravitazionali, ma è probabile che grazie ad esse assisteremo a scoperte che oggi non possiamo neanche immaginare.

Fonti: 

INFN-Istituto Nazionale di Fisica Nucleare
VIRGO

[1] I dati sono stati ricavati da un articolo di Patrizia Caraveo, apparso su Media INAF:

Buco nero e stella di neutroni, fusione avvenuta?

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Informazioni su Sabrina Masiero

Direttore Responsabile della Didattica e Divulgazione presso la Fondazione GAL Hassin-Centro Internazionale delle Scienze Astronomiche, Isnello, (Palermo) e associata INAF-Osservatorio Astronomico di Palermo. Ho lavorato presso INAF-Osservatorio Astronomico di Padova e la Fundaciòn Galileo Galilei, FGG-Telescopio Nazionale Galileo, La Palma, Isole Canarie nell'ambito dei pianeti extrasolari.

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