LE ONDE GRAVITAZIONALI

Importanze delle onde gravitazionali 

Cos'è un'onda gravitazionale? E' un'increspatura nel tessuto dello spazio-tempo. Immagina che lo spazio sia un gigantesco tappeto di gomma: gli oggetti dotati di massa fanno piegare il tappeto al pari di una palla da bowling su un trampolino elastico: più grande è la massa e più lo spazio si incurva e si deforma per effetto della gravità. Ad esempio il motivo perchè la Terra gira intorno al sole è che il sole ha una enorme massa e questo provoca una grande deformazione dello spazio intorno ad esso. Se tu provassi  a muoverti in linea retta intorno ad una deformazione ti troveresti in pratica a girarle intorno. Ecco come funzionano le orbite; non c'è una vera forza che trattiene i pianeti in circolo, c'è solo la curvatura dello spazio. Le onde gravitazionali sono prodotte ogni qualvolta che delle masse accelerano modificando la deformazione dello spazio ecco perchè qualunque oggetto dotato di massa e/o energia può generare delle onde gravitazionali.
Se due persone cominciassero a ballare l'uno intorno all'altro, anch'essi provocherebbero delle increspature nel tessuto dello spazio-tempo ma sarebbero talmente piccole da risultare praticamente impercettibili. Siccome la gravità è molto debole rispetto alle altre forze dell'universo occorrono oggetti dotati di grande massa che si muovono molto molto velocemente per produrre delle increspature abbastanza grandi da essere rilevate.
 

Increspature nello spazio 

Ma come si fa a rilevare un'increspatura nello spazio? Se lo spazio tra due persone si dilatasse o si restringesse non potremmo di certo accorgercene neanche osservando dei segni lasciati sul nostro metaforico tappeto elastico; anche questi tratti distintivi si allontanerebbero tra loro. Esiste però un metro di misura che non subisce dilatazioni ed è quello della velocità della luce. Se lo spazio tra due punti si dilata allora la luce impiegherà piu tempo per andare da un punto all'altro. Se invece lo spazio si restringe la luce impiega meno tempo per andare da un punto all'altro. Misuriamo questi fenomeni con esperimenti che vengono effettuati dal LIGO e VIRGO. 
La struttura LIGO è dotata di tunnel lunghi 4 km e usa dei laser per misurare come cambia la distranza tra le estremità dei tunnel. Quando arriva un'onda gravitazionale essa dilata lo spazio in una direzione e lo contrae nell'altra direzione. 
Misurando l'interferenza tra i fasci laser che sono riflessi da un'estremità all'altra, gli scienziati possono misurare in maniera molto precisa se lo spazio tra le estremità si è dilatato o ristretto. Tutto questo necessita di una precisione incredibile: per rilevare un'onda gravitazionale bisogna essere in grado di distinguere cambiamenti di lunghezza di qualche unità in 10 alla (23ma) potenza. Il che equivale a distinguere se un bastoncino lungo mille miliardi di miliardi di metri si è accorciato di 5 millimetri. L'effetto di un'onda gravitazionale è talmente minuscolo e facilmente confondibile con il rumore di fondo che bisogna essere molto attenti e astuti nell'analizzare i dati.
 
 

Misurare le onde gravitazionali  

 
Gli scienziati sperano di identificare le caratteristiche delle onde gravitazionali confrontando le ondulazioni che misurano nell'esperimento con le ondulazioni che si aspettano dalle onde gravitazionali. E' come provare a riconoscere una canzone appena accennata nel chiasso di una festa; parliamo di una festa molto ma molto chiassosa. 
Immagina di essere stato sordo per tutta la vita finchè un giorno il tuo udito viene ristabilito; saresti in questo modo capace di rapportarti con l'universo in un modo totalmente nuovo.
Ecco perchè rilevare le onde gravitazionali è così importante e rappresenta un modo totalmente nuovo di studiare l'universo. Ogni volta che troviamo un modo nuovo per osservare l'universo scopriamo cose che non ci aspettavamo. Si tratta proprio di cercare cose nuove che non sapevamo esistessero esaminando i confini estremi della nostra conoscenza della fisica e testando le nostre teorie su come funziona l'universo. 
 
Ora conoscete meglio le onde gravitazionali.  Un'onda gravitazionale è un'increspatura invisibile (ma incredibilmente veloce) che si propaga nello spazio. Le onde gravitazionali viaggiano alla velocità della luce ovvero circa 299.792.458 metri al secondo . Le onde schiacciano e allungano qualsiasi cosa sul loro cammino mentre passano. Conosciamo le onde gravitazionali da molto tempo. Più di 100 anni fa, un grande scienziato di nome Albert Einstein ha avuto molte idee e formulato molte ipotesi sulla gravità e sullo spazio. Egli infatti ha predetto che succede qualcosa di speciale quando due corpi - come pianeti o stelle - si orbitano a vicenda. Credeva che questo tipo di movimento potesse causare increspature nello spazio. Queste increspature si spargerebbero come le increspature in uno stagno quando viene lanciata una pietra. Gli scienziati chiamano queste increspature delle onde gravitazionali dello spazio.

Quali sono le cause delle onde gravitazionali?

Le onde gravitazionali più potenti vengono create quando gli oggetti si muovono a velocità molto elevate. Alcuni esempi di eventi che potrebbero causare un'onda gravitazionale sono:
  • quando una stella esplode in modo asimmetrico, fenomeno che viene chiamato comunemente supernova;
  • quando due grandi stelle si orbitano a vicenda;
  • quando due buchi neri orbitano l'un l'altro e si fondono.

Ma questi tipi di oggetti che creano onde gravitazionali sono davvero molto lontani. E a volte, questi eventi causano solo onde gravitazionali molto piccole e deboli. Quando queste onde raggiungono la Terra sono molto  difficili da rilevare.

Come facciamo a sapere che esistono le onde gravitazionali?
 
Nel 2015, gli scienziati hanno rilevato per la prima volta le onde gravitazionali usando uno strumento molto sensibile chiamato LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory). Queste prime onde gravitazionali si sono verificate quando due buchi neri si sono schiantati l'uno nell'altro. La collisione è avvenuta 1,3 miliardi di anni fa. Ma le increspature ci hanno messo molto tempo ad arrivare fino a noi e hanno raggiunto la Terra solo nel al 2015! Sapete che a Ligo si trova a Hanford, Washington e che è  composto da due osservatori: uno in Louisiana e uno a Washington. Ogni osservatorio ha due lunghe "armi" lunghe ciascuna più di 4 chilometri. 
 
 
Einstein aveva ragione!
Il primo rilevamento di onde gravitazionali è stato un evento molto importante nella scienza. Prima che questo accadesse tutto ciò che sapevamo sull'universo proveniva dallo studio delle onde di luce. Ora abbiamo un nuovo modo di conoscere l'universo, studiando le onde gravitazionali che ci aiuteranno a imparare molte cose nuove sul nostro universo. Potremmo anche imparare di più sulla gravità stessa!
 

Come vengono rilevate le onde gravitazionali?

Quando un'onda gravitazionale passa sulla Terra, stringe e allunga lo spazio. LIGO è in grado di rilevare questa compressione e stiramento. Ogni osservatorio LIGO ha due "braccia" lunghe ciascuna più di 4 chilometri. Un'onda gravitazionale che passa facambiare leggermente la lunghezza delle braccia. L'osservatorio utilizza laser, specchi e strumenti estremamente sensibili per rilevare questi piccoli cambiamenti.
 
Siete curiosi? Wow allora dovete sapere che un secolo dopo che Albert Einstein ha ricritto la nostra comprensione dello spazio e del tempo, i fisici hanno confermato una delle sue teorie più importanti legate alla  relatività. In un'altra galassia, a circa un miliardo di anni luce di distanza, due buchi neri si scontrarono, scuotendo il tessuto dello spaziotempo e dando appunto la possibilità a LIGO di farci comprendere meglio le onde gravitazionali. Le onde gravitazionali, come abbiamo detto, sono increspature nel tessuto dello spaziotempo ed irradiano energia lontano da tali catastrofi. Le increspature sono molto sottili.
Vediamo come funziona LIGO. Per individuare un segnale, LIGO utilizza uno speciale specchio per dividere un raggio di luce laser e invia i raggi lungo due bracci lunghi 4 chilometri, con un angolo di 90 gradi l'uno rispetto all'altro. Dopo aver rimbalzato avanti e indietro 400 volte, trasformando il viaggio di ogni raggio in un viaggio di andata e ritorno di 1.600 chilometri, la luce si ricombina vicino alla sua sorgente.
L'esperimento è progettato in modo tale che, in condizioni normali, le onde luminose si annullino a vicenda quando si ricombinano, inviando alcun segnale luminoso al rivelatore vicino.
 
 
Ma un'onda gravitazionale allunga un tubo mentre lo schiaccia l'altro, alterando la distanza che i due raggi percorrono l'uno rispetto all'altro. A causa di questa differenza di distanza, le onde ricombinanti non sono più perfettamente allineate e quindi non si annullano. Il rilevatore rileva un debole bagliore, segnalando un'onda che passa.
Sapete che una singola stella di neutroni rotante, il nucleo lasciato indietro dopo che una stella massiccia esplode, può sollevare lo spaziotempo a frequenze simili a quelle prodotte scontrandosi con buchi neri?
Potenti esplosioni note come supernove, innescate quando muore una stella massiccia, possono scuotere lo spazio e far esplodere il cosmo con uno scoppio di onde gravitazionali ad alta frequenza.
Anche il Big Bang avrebbe potuto scatenare onde gravitazionali di dimensioni universali 13,8 miliardi di anni fa. Queste onde avrebbero lasciato un'impronta sulla prima luce rilasciata nel cosmo 380.000 anni dopo, e si potrebbero vedere oggi sullo sfondo delle microonde cosmiche.
Anche in Italia con il rivelatore Virgo, vicino a Pisa, sarà possibile studiale le onde gravitazionali  e si pensa che si unirà a LIGO ben presto. 
 

Il silenzio dello Spazio 

Nello spazio nessuno può sentirti urlare quindi alcuni ricercatori hanno fatto pressioni sull' ESA Agenzia spaziale europea per mettere nello spazio un rivelatore simile a LIGO. Questa antenna spaziale per interferenze laser evoluta darebbe migliori risultati di LIGO. Così, l'ESA ha recentemente lanciato LISA Pathfinder, una missione per testare le tecnologie necessarie per costruire un rivelatore di onde gravitazionali a pieno spazio basato sullo spazio. Ma per captare meglio il ronzio derivante dallo scontro di buchi neri supermassicci, i ricercatori ascoltano anche le pulsar. Le Pulsar sono delle stelle di neutroni che ruotano rapidamente (i nuclei lasciati dopo l'esplosione di una stella massiccia) e inviano impulsi costanti di onde radio. Mentre un'onda gravitazionale stringe e allunga lo spazio tra la Terra e una pulsar, il battito sembra accelerare e diminuire. Tre progetti - il Parkes Pulsar Timing Array in Australia, il NANOGrav in Nord America e l'European Pulsar Timing Array in Europa - stanno monitorando dozzine di pulsar per i cambiamenti di tempo che possono rivelare non solo singole collisioni ma la cacofonia di giganteschi buchi neri che si rompono insieme in tutto il universo.
Cos'è successo durante il Big Bang?
Le onde gravitazionali rilasciate sulla scia del Big Bang avrebbero lasciato un segno sullo sfondo cosmico a microonde, o CMB. Questa radiazione riempie l'universo e costituisce una testimonianza del momento esatto in cui la luce si è liberata ed ha potuto viaggiare liberamente attraverso il cosmo, circa 380.000 anni dopo la sua nascita. Il CMB ha preservato il momento in cui lo spazio si è allungato e schiacciato a seguito di un'espansione fenomenale un trilione di trilioni di trilioni di trilioni di secondo dopo il Big Bang. Molti telescopi stanno cercando questa firma cosmica puntando a schemi specifici su come le onde luminose CMB si allineano tra loro. Non è una missione facile. 
Cosa possiamo imparare dalle onde gravitazionali?
Il successo di LIGO è un momento storico come lo è stato il momento in cui Galileo Galilei ha puntato il suo telescopio verso il cielo. Prima di quel momento sapevamo poco e niente delle stelle e dei pianeti. Non ci rendevamo conto che ci sono altre galassie e non avevamo idea dell'immensità dell'universo. Le onde gravitazionali sono un nuovo modo di vedere il cosmo. Sono una sorprendente conferma della relatività generale e riveleranno esplosioni e collisioni cataclismiche in tutto l'universo. Ma come con il telescopio di Galileo, molto di ciò che le onde gravitazionali possono insegnarci è probabilmente ancora da scoprire e possiamo solo immaginarlo.
  
Arrivederci a un'altra strepitosa avventura di Cosmo Academy   
 

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