di FRANCESCO FIDECARO

Il Nobel per la Fisica 2017 è stato assegnato a Kip Thorne, Barry Barish e Rainer Weiss per aver rilevato sperimentalmente l'esistenza delle onde gravitazionali. Nel nuovo Almanacco di scienze di MicroMega in edicola, un saggio di Francesco Fidecaro descrive i nuovi scenari aperti da questa scoperta. Ne anticipiamo alcuni stralci.

[…] L’esistenza di onde gravitazionali era stata prevista da Albert Einstein con la relatività generale. Le equazioni della teoria sono molto difficili da risolvere. Lo spazio-tempo è simultaneamente equazione e soluzione: le sue proprietà sono scritte nelle equazioni da risolvere e la soluzione, la curvatura, descrive lo spazio-tempo, cioè le equazioni. Dal punto di vista fisico nella curvatura gravitazionale è contenuta energia (cioè massa), che genera a sua volta ulteriore curvatura. Nel suo articolo «Integrazione approssimata delle equazioni di campo della gravitazione» pubblicato nei resoconti dell’Accademia prussiana delle Scienze, Einstein studiò delle soluzioni approssimate in casi dove la curvatura fosse così piccola da modificare in modo semplice l’equazione di partenza. Come risultato si ottennero equazioni molto simili a quelle dell’elettromagnetismo, e più precisamente le equazioni di propagazione delle onde.

Stessa equazione, stessa soluzione, e Einstein vide scritta la velocità dell’interazione gravitazionale, uguale a quella della luce, cambiamento notevole rispetto alla teoria di Newton. Ma all’epoca non si conoscevano i neutroni nemmeno come particelle, e il buco nero era un oggetto di studio teorico, così da far osservare a Einstein che le onde gravitazionali erano un fenomeno senza rilevanza, perché le sorgenti note avrebbero irraggiato onde di ampiezza irrisoria. Altrimenti Einstein avrebbe forse immaginato come scoprire e studiare attraverso la forma del segnale oggetti completamente invisibili ai normali telescopi.

L’intensità della forza corrispondente all’onda gravitazionale emessa è in ogni caso molto bassa. La difficoltà di coglierne il passaggio diventa però anche un pregio: un’onda gravitazionale viaggia indisturbata da una parte all’altra dell’Universo. L’intero globo terrestre non la può certo assorbire per cui un rivelatore di onde gravitazionali può identificare sorgenti dallo zenit al nadir. Onde gravitazionali generate al momento del Big Bang possono anche attraversare l’Universo dei primi istanti, e arrivare indisturbate fino a noi. Si tratta di una possibilità unica: finora si ha del Big Bang l’immagine inviata quando l’Universo si è raffreddato al punto da diventare trasparente, a una età di circa 380 mila anni. Ci si trova ad avere di fronte un vetro satinato davanti a una lampada, si capisce che arriva la luce ma si intravede appena la forma della sorgente luminosa. Eppure si è riusciti a capire molto dell’origine dell’Universo. Le onde gravitazionali hanno la possibilità di dare molti più dettagli, per loro il «vetro satinato» è trasparente.

La costruzione di strumenti in grado di evidenziare il passaggio di un’onda gravitazionale ha richiesto uno straordinario sforzo di creatività e di ingegno.

[…] La prima rivelazione diretta di onde gravitazionali può essere considerata uno straordinario successo dell’ingegno umano. A un secolo dalle previsioni di una teoria raffinatissima, degli effetti debolissimi sono stati registrati con strumenti sviluppati in maniera da sfruttare appieno le leggi della fisica. Le componenti degli strumenti sono il risultato di anni di ricerca tesa a ottenere il comportamento desiderato introducendo il minimo disturbo. L’interferometro stesso, che si potrebbe dire essere molto di più della somma delle sole componenti, deve essere trasportato con delicate procedure. È importante ricordare infine che la ricerca scientifica è un’avventura umana, resa possibile dalla collaborazione e dall’organizzazione di moltissime persone.

Ora è possibile guardare l’Universo con un occhio completamente diverso. All’inizio di agosto, l’entrata in funzione di Advanced Virgo accanto a Ligo ha cambiato qualitativamente la capacità di ascolto dell’Universo, permettendo una precisa ricostruzione della posizione della sorgente nel cielo da comunicare ai telescopi. Già i primi eventi hanno portato una grandissima quantità di nuove informazioni, altri permetteranno di elaborare una cosmografia delle masse, dell’energia e delle stelle, di osservare sia la componente gravitazionale che ottica di fenomeni ad altissima energia, di studiare il comportamento della materia e della forza di gravità in condizioni estreme, e forse di scoprire fenomeni completamente nuovi. Il lavoro si svolgerà assieme agli astrofisici, per capire bene la natura dei segnali e delle sorgenti, e ai fisici teorici della relatività generale, teoria che non ha finito di svelare quanto è contenuto nelle sue equazioni. [...]

(4 ottobre 2017)