Le onde gravitazionali nello spazio: riusciremo a rilevarle?

05.12.2012

Illustrazione delle pieghe nello spazio-tempo create dall'interazione di due oggetti molto massicci. Credit: wikimedia

Le onde gravitazionali sono forse tra le cose più eccitanti che gli astronomi stanno cercando di osservare e sono uno dei campi più all'avanguardia nella moderna astrofisica e cosmologia. Si tratta di "pieghe" nello spaziotempo causate da eventi particolarmente catastrofici che vedono protagonisti oggetti dalle grandissime masse che esercitano potenti campi gravitazionali. Si parla per esempio della collisione di due stelle a neutroni, o di due buchi neri! In questo senso, l'evento più spettacolare (e anche più facile) da vedere è la collisione tra due buchi neri supermassicci al centro di una galassia! Diversi esperimenti stanno già da tempo in ascolto, ma per riuscire a capire quando riusciremmo a rilevare le prime onde gravitazionali, serve capire prima quanto spesso questo tipo di collisioni avvengono. Una recente pubblicazione scientifica rilasciata dall'astrofisico Sean McWilliams e un'altro paio di suoi colleghi scienziati della Princeton University, mostra che fino ad ora abbiamo severamente sottostimato la frequenza di simili collisioni. I loro calcoli suggeriscono che la collisione tra nuclei galattici è di almeno un ordine di magnitudo più grande e di conseguenza ci sono moltissimi più eventi da cui potrebbero arrivare i segnali, quindi la probabilità che le prime osservazioni siano vicine aumenta notevolmente.

In poche parole, la natura delle onde gravitazionali è frutto di una previsione fatta dalla Teoria della Relatività Generale di Albert Einstein. Come ricorderete, il buon Einstein rivoluzionò il modo in cui pensiamo allo spazio e al tempo, ipotizzando che uno stesso fenomeno, osservato però da sistemi di riferimento diversi, potesse apparire diverso, al punto che anche il tempo potesse scorrere in modo diverso. Quindi, se prima pensavamo al sistema di riferimento come spaziale e basta (le tre famose direzioni dello spazio), adesso dovevamo aggiungere anche il tempo. Da qui nasce l'idea di spaziotempo.

Quando la distribuzione della materia (quindi tipo la massa dell'oggetto in quello spazio-tempo), viene modificata velocemente, ad esempio per via di un rapido movimento come nel caso della collisione di due buchi neri, la forma dello spazio-tempo cambia di conseguenza. La variazione non è istantanea in tutto l'universo, ma si propaga. Ora è qui che sta il fulcro di quest'idea di onde gravitazionali. In pratica si propagano come delle onde dal luogo in cui hanno avuto origine e lo fanno alla velocità della luce. Ma cosa si propaga? beh si propaga questa variazione nella forma dello spazio tempo. Insomma si propaga una regione dove lo spazio-tempo ha una forma leggermente diversa. Quindi, per esempio, se io sparo un laser da un punto A ad un punto B, e la luce ci metterà 1 minuto per arrivare, al passaggio di un onda gravitazionale dovrei vedere il tempo variare improvvisamente e diventare magari 40 secondi e poi di nuovo 1 minuto. Spesso viene usato il paragone dell'increspatura sulla superficie di un lago che si muove dopo il lancio di un sasso, ma dovette sempre pensare che non c'è una superficie piana che si muove ma è lo spaziotempo (che è a 3 dimensioni spaziali più una temporale) che si muove.

Le previsioni circa la loro esistenza erano già ben note ai fisici dell'epoca di Einstein, ma dissero tutti che sarebbero effetti così minuscoli che sarebbero impossibili da rilevare. In realtà negli ultimi decenni sono nati diversi esperimenti che in linea teorica arriverebbero all'estrema sensibilità necessaria per osservarle direttamente! Si è anzi scatenata una vera e propria corsa tra diversi laboratori di varie nazioni e diversi team sono in competizioni per chi arriverà alla prima osservazione diretta!

Vista aerea dell'osservatorio LIGO sotto aggiornamento ora per renderlo ancor più sensibile. Credit: LIGO

Ma tornando alla ricerca di cui si parla oggi, quanto manca? Secondo questa nuova analisi, le prove potrebbero già essere nei dati raccolti negli ultimi anni. McWilliams e co. si basano su varie misurazioni della grandezza e la massa di alcune galassie. Questi dati mostrano che negli ultimi 6 miliardi di anni, le galassie hanno più o meno raddoppiato la loro massa e quintuplicato la loro grandezza. Gli astrofisici sanno che che negli ultimi "tempi cosmici" c'è stata poca formazione di nuove stelle quindi l'unico modo che le galassie hanno di crescere in questo modo sono le collisioni tra di loro. L'idea è nata da decenni di studi e simulazioni computerizzate riguardo a come le galassie si evolvono. I più recenti modelli computerizzati, esposti dai ricercatori qui, mostrano però che queste collisioni dovrebbero essere molto più frequenti di quanto chiunque si sia mai immaginato prima.

Questo ovviamente significa che i buchi neri supermassicci al centro delle galassie entrano in collisione molto più spesso di quanto si pensava. Questo ci interessa perché essendo gli oggetti più massicci dell'universo, quando collidono sono quelli che generano anche le onde gravitazionali più grandi e rilevabili. McWilliams e co. hanno calcolato che le collisioni di questo tipo dovrebbero essere da 10 a 30 volte più comuni rispetto alle precedenti stime e che quindi i segnali di onde gravitazionali provenienti da quei eventi dovrebbero essere da 3 a 5 volte più intensi del previsto.

Questo ha importantissime implicazioni per l'abilità degli astronomi di osservare questi segnali. Gli astrofisici sono interessati in queste onde perché ci permetterebbero di studiare il cosmo in un modo del tutto nuovo e permetterebbero di mettere alla prova teorie che oggi sono impossibili da testare!

Prima accennavamo al modo in cui si potrebbero rilevare queste onde, usando dei laser. Ovviamente servirebbero dei laser estremamente precisi e dispositivi in grado di misurare anche le più minuscole variazioni nella distanza. Inoltre servirà escludere con certezza qualsiasi altra possibile fonte di rumore come i movimenti causati dalla geologia terrestre o persino del passaggio di camion o treni vicini.
Simili dispositivi sono tra i più sensibili strumenti di misurazione mai costruiti dall'uomo! Un esempio è il VIRGO costruito in Italia, e un'altro più sensibile sarà LIGO (Laser Interferometri Gravitational-Wave Observatory) che attualmente è in fase di aggiornamento è sarà pronto dal 2018-2019.

Un'altro metodo però prevede di monitorare le pulsar ed i loro segnali radio estremamente regolari. Si potrebbero cercare di rilevare quei segnali che sono distorti dal passaggio di onde gravitazionali e che quindi arrivano con tempi diversi. Per fare questo bastano strumenti molto meno costosi, ma si è sempre ritenuto che costruire i molto più sensibili strumenti come LIGO fosse un grosso vantaggio. Questo potrebbe cambiare ora che le onde gravitazionali potrebbero essere più intense del previsto e questo potrebbe permettere di osservare i primi segnali osservando una pulsar già questo decennio! A questo si aggiunge il fatto che negli ultimi anni gli strumenti per il monitoraggio delle pulsar sono migliorati di gran lunga in sensitività. Se McWilliams e co. hanno ragione, questo rende molto più facile aspettarsi un segnale positivo molto presto. Secondo McWilliams, nei casi peggiori, un segnale proveniente dall'esame delle pulsar potrebbe arrivare nel 2016! "Ci aspettiamo un rilevamento entro il 2016 con una probabilità del 95%".

Pulsar della Vela, vista ai raggi X dal Chandra Space Observatory. Credit: NASA/CXC/PSU/G. Pavlov et al.

C'è da dire comunque che a prescindere da chi sarà il primo a trovarle, osservatori come LIGO o il futuro osservatorio simile spaziale, LISA, avranno una risoluzione molto maggiore ed una sensibilità di gran lunga superiore ai dati che potrebbero essere ottenuti con le pulsar, quindi non sono progetti costruiti per nulla.

E' una previsione davvero straordinaria e anche molto eccitante, data la generale difficoltà che da anni si respira nella ricerca delle prime osservazioni di onde gravitazionali. Ma non posso sottolineare abbastanza quanto sarà fondamentale e rivoluzionario riuscire a fare tante e frequenti misurazioni delle onde gravitazionali! Riuscirà davvero a far fare un grande passo avanti a moltissimi campi di studio astrofisico.
Inoltre, molto probabilmente, c'è un nobel per la fisica in gioco per chi riuscirà ad osservarle per primo! E' questo è sempre un bel stimolo.

http://arxiv.org/abs/1211.4590