La scoperta storica sulle onde gravitazionali

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Nel  1600 Galileo Galilei per la prima volta puntò il suo telescopio verso il cielo dando inizio ad una nuova epoca. Oggi non è più un solo un uomo ma più di 1000 che hanno dato una nuova svolta epocale alla scienza. Cerchiamo di capire in modo semplice le tappe della storica scoperta annunciata ieri.

 

Cos’è un onda gravitazionale?

Cerchiamo prima di capire in modo intuitivo cos’è un’onda gravitazionale. Tutto ebbe inizio nel 1915 quando Albert Einstein pubblicò la sua teoria della relatività generale. Einstein introdusse il concetto di spazio-tempo per descrivere la struttura quadridimensionale dell’universo: lunghezza, larghezza, profondità e tempo. In pratica lo spazio-tempo è sia il palcoscenico sia il coprotagonista di tutte le cose che succedono nell’Universo. Per capire cosa significa possiamo fare un esempio: l’universo può essere considerato come il telo di un trampolino elastico che può essere deformato mettendoci sopra dei pesi. Se ci mettiamo sopra una palla da Bowling il telo affonderà di un po’  e se lanciamo una pallina più leggera vicino a quella da Bowling questa curverà la sua traiettoria. Se aggiustiamo il tiro  potremo anche farle compiere un paio di giri intorno alla palla più grande. Questo è esattamente quello che accade quando un pianeta gira attorno a una stella: quest’ultima ha deformato lo spazio-tempo e il pianeta ne segue la curvatura. Un’onda gravitazionale è un’oscillazione ritmica di questo spazio-tempo.

Elaborazione grafica di onde gravitazionali (NASA - sito ufficiale)

Elaborazione grafica di onde gravitazionali (NASA – sito ufficiale)

Non è mai stato possibile vederne una per gli enormi problemi tecnologici legati, ma ci sono riusciti per la prima volta due anni fa i tre interferometri di LIGO e VIRGO che si trovano rispettivamente negli USA e in Italia. Un interferometro è una struttura enorme, formato da due tunnel lunghi dai 2 ai 4 Km che osservano silenziosamente lo spazio-tempo in attesa di onde gravitazionali.

 

Le tappe della scoperta

Il 17 agosto i rilevatori di LIGO e VIRGO hanno rilevato una nuova onda gravitazionale, nominata GW170817  (la quinta mai osservata). Due secondi dopo i telescopi spaziali Fermi (NASA) e INTEGRAL (ESA) hanno osservato un flash di raggi gamma nella stessa porzione di cielo dell’emisfero sud. Non appena è scesa la notte, i telescopi di mezzo mondo sono stati puntati in quel pezzetto di cielo per capire cosa avesse generato le onde gravitazionali. Il primo a dare l’annuncio è stato il telescopio Swope della Carnegie Institution for Science, confermato subito dal telescopio Pan-STARRS alle Hawaii: un nuovo punto di luce era apparso nel cielo. Mettendo insieme le tre rilevazioni si è capito che  GW170817 era stata prodotta dalla fusione di due stelle di neutroni che avevano generato anche un’enorme esplosione chiamata Kilonova.

Elaborazione grafica della fusione di due stelle di neutroni (INFN - sito ufficiale)

Elaborazione grafica della fusione di due stelle di neutroni (INFN – sito ufficiale)

 

Metalli pesanti e lampi di luce

Fino a quest’ultima scoperta erano state rilevate solo onde gravitazionali prodotte da buchi neri che però non emettono radiazioni elettromagnetiche (raggi gamma, infrarossi, ultravioletti ma anche luce). Le stelle di neutroni invece lo fanno e per questo sono di gran lunga più interessanti. Grazie a questo è stato possibile dare una risposta a due domande: da dove vengono i “gamma ray burst” e come si sono formati i metalli pesanti. Cerchiamo di capirli uno alla volta.

I “lampi di raggi gamma”  (Gamma ray burst) sono dei brevi lampi i radiazioni elettromagnetiche di cui non si capiva ancora la provenienza: ora invece sappiamo che non sono segnali alieni ma vengono prodotti (almeno in parte) dalle kilonove. La seconda domanda è legata invece alla formazione degli elementi della tavola periodica. Sappiamo che dopo il big bang c’era energia disponibile per creare nuclei di atomi grandi fino a quello del ferro, mentre era inspiegabile come si fossero formati quelli più grandi (Oro, Platino, Piombo, Uranio e tanti altri). Ora sappiamo invece la fusione di due stelle di neutroni  implica la produzione di enormi quantità di energia utilizzata per costituire e disperdere questi elementi attraverso l’Universo.

La tavola periodica (Università di Bologna - Dipartimento di chimica)

La tavola periodica (Università di Bologna – Dipartimento di chimica)

Il contributo italiano

Il progetto ha coinvolto circa 1500 fisici e ingegneri in tutto il mondo, tra cui 280 europei che lavorano a Virgo, l’interferometro che si trova a Cascina, in provincia di Pisa. Virgo ha svolto un ruolo fondamentale senza il quale non sarebbe stato possibile giungere a questa scoperta. I ricercatori italiani coinvolti sono 9 e provengo dalle università di Firenze e Urbino. Lavorano allo sviluppo hardware di Virgo e all’analisi dati di tutti i tre interferometri e hanno dato un particolare contributo alla stesura dell’articolo scientifico pubblicato.

L'interferometro Virgo

L’interferometro Virgo

 

Una nuova epoca

Aldilà di metalli pesanti e lampi di luce, questa scoperta apre scenari del tutto nuovi.  Tutto ciò che sapevamo finora dell’universo lo abbiamo dedotto osservando onde elettromagnetiche perché era l’unico modo che avevamo. Ora possiamo usare anche le onde gravitazionali, chiave di volta di una nuova scienza che sta nascendo, l’astrofisica multimessaggera. Basti pensare che una sola rilevazione ha svelato due importanti misteri del cosmo. Pensate se potessimo avere un’onda gravitazionale alla settimana o al giorno!

 

Possiamo ben dire che il 17 agosto è stato un giorno storico che ha dato inizio a una nuova epoca di scoperte. Ci porterà a una conoscenza più profonda dell’universo e di cosa lo popola.

Gabriele Palma

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