A caccia di onde gravitazionali: l’era di LIGO

Per migliaia di anni, l’astronomia è stata il teatro della luce visibile, quella stretta banda dello spettro elettromagnetico fatta di colori che sono visibili dall’occhio umano. Ma a partire dal 20° secolo, gli astronomi hanno iniziato ad esplorare altre forme di luce, dalle onde radio, all’infrarosso fino ai raggi gamma. Su un altro fronte, gli scienziati hanno costruito rivelatori di neutrini oppure osservatori per lo studio dei raggi cosmici, allo scopo di studiare l’Universo per mezzo delle particelle. Più di recente, è arrivata sulla scena un’altra branca dell’astronomia: stiamo parlando delle onde gravitazionali.

Non è complicato produrre onde gravitazionali: basta scuotere le braccia. L’orbita terrestre produce onde gravitazionali molto potenti ma queste sono ancora troppo piccole per essere misurate. Questa, però, è una buona notizia perchè le onde gravitazionali trasportano energia e perdere troppa energia farebbe muovere la Terra a spirale fino a farla precipitare verso il Sole. Le onde gravitazionali rappresentano una delle predizioni più importanti della relatività generale di Einstein. Secondo la teoria, diversi oggetti astrofisici, come le esplosioni stellari (supernovae), coppie di buchi neri e altri sistemi binari, dove sono presenti oggetti esotici come le stelle di neutroni, emettono energia sotto forma di perturbazioni del tessuto dello spaziotempo che si propagano alla velocità della luce: stiamo parlando, per l’appunto, delle onde gravitazionali. Nonostante le onde gravitazionali siano presenti ovunque e spesso trasportano enormi quantità di energia, l’effetto gravitazionale che essi producono è così debole che a stento possono perturbare gli oggetti che incontrano mentre si propagano nello spazio. Tuttavia, rivelatori sufficientemente sensibili dovrebbero essere in grado di misurare questi effetti così piccolissimi.

Gli scienziati hanno già misurato indirettamente le onde gravitazionali. La prima evidenza della loro esistenza risale agli anni ‘70 quando Russell Alan Hulse e Joseph Hooton Taylor studiarono una pulsar binaria (PSR B1913+16). Le pulsar sono i resti di stelle molto più massicce del Sole. La loro massa è compressa in un oggetto il cui diametro è paragonabile a quello di una metropoli. La dimensione così piccola fa sì che in un sistema binario le pulsar si possano muovere lungo orbite molto ravvicinate, il che determina l’emissione di onde gravitazionali man mano che esse perdono energia, accelerando sempre di più il loro moto orbitale mentre si avvicinano. Dopo quella scoperta, gli astronomi hanno continuato a monitorare la pulsar binaria di Hulse-Taylor e l’accelerazione che essi hanno trovato segue esattamente l’effetto previsto delle onde gravitazionali. Oggi, gli osservatori dedicati allo studio delle onde gravitazionali si basano su un concetto diverso. Uno di questi è LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory), uno strumento alquanto potente che di recente ha iniziato a raccogliere dati dopo un periodo di manutenzione e di aggiornamento del sistema tecnico. LIGO consiste di due rivelatori, situati negli Stati Uniti e in particolare uno nella Louisiana e l’altro a Washington. L’aggiornamento del sistema ha permesso di aumentare la sensibilità dello strumento in modo da catturare le onde gravitazionali emesse dalle supernovae, dalla collisione di due pulsar nei sistemi binari e da altri fenomeni catastrofici di alta energia che avvengono a centinaia di milioni di anni-luce dalla Terra.

A differenza dei maggiori telescopi ottici situati all’interno di strutture decisamente elevate o delle enormi parabole dei radiotelescopi, LIGO si trova posizionato sul terreno. Ogni rivelatore forma una grande “L” le cui braccia sono formate da tubi di calcestruzzo lunghi 4 chilometri. La parte interna di ciascun tubo è tenuta in una condizione di vuoto elevato. L’esperimento consiste nel far brillare un potente laser proiettato lungo le braccia del rivelatore finchè il fascio si riflette su uno specchio semovente posizionato all’estremità finale dei tubi. Quando passa un’onda gravitazionale, essa colpisce lo specchio spostando leggermente la posizione delle creste del fascio laser. Confrontando i fasci di luce tra le due braccia, i ricercatori possono individuare l’effetto prodotto dal passaggio di un’onda gravitazionale e identificare, possibilmente, la sorgente da cui si è originata. I rivelatori di onde gravitazionali devono essere molto più piccoli in termini di dimensione rispetto alla sorgente, anche se rivelatori di piccole dimensioni sono meno sensibili. LIGO, però, è stato concepito per avere quella dimensione giusta che potrà permettere di rivelare le onde gravitazionali emesse dalle pulsar o dai buchi neri binari quando essi collidono, nel punto cioè in cui gli oggetti sono separati di qualche chilometro. Per sistemi più stabili, come nel caso della pulsar binaria di Hulse-Taylor, avremmo bisogno di un osservatorio come LIGO le cui dimensioni sarebbero maggiori di quelle del nostro pianeta. Da qui è nata l’idea di LISA (Laser Interferometer Space Antenna) un progetto dell’ESA che prevede la messa in orbita di tre satelliti in orbita attorno al Sole. LIGO richiede una sensibilità elevata dato che la gravità è la forza più debole dell’Universo: anche le onde gravitazionali più potenti emesse dalle supernovae o da altri eventi di alta energia possono interagire producendo un effetto estremamente minimo. Ma LIGO è in grado di misurare una variazione piccolissima dello specchio semovente dell’ordine di 10^-20 metri, circa un decimillesimo della dimensione di un nucleo atomico. Questa sensibilità è la migliore in assoluto rispetto ad ogni altro esperimento attualmente in corso, ma c’è un prezzo da pagare. Ci sono tante cose che possono far muovere lo specchio del rivelatore, dai terremoti ai forti venti che sbattono sulle pareti della struttura in cui è posizionato LIGO. Per questo motivo, gli scienziati hanno dovuto pensare ad una seconda antenna separata di 3000 chilometri. Qualsiasi cosa causi del rumore in un rivelatore non sarà correlata al rumore dell’altra antenna, anche se l’effetto dovuto ai terremoti sarà presente in entrambe in funzione dell’efficienza con cui esse si propagano attraverso la crosta terrestre. Ad ogni modo, entrambi i rivelatori saranno operativi per 12 ore, un tempo sufficiente per catturare dei segnali associati alla propagazione di onde gravitazionali. Come ogni esperimento che si rispetti, la vera prova del successo è rappresentata dalla qualità dei dati che esso produce. L’attuale fase operativa dell’esperimento è chiamata Advanced LIGO, iniziata lo scorso Settembre. Secondo il gruppo di ricercatori che fanno parte del progetto scientifico, con questa sensibilità il rivelatore potrebbe “ascoltare” la collisione di due stelle di neutroni che si trovano a 260 milioni di anni-luce, più di 100 volte la distanza a cui si trova la galassia di Andromeda. Ma il lavoro non è ancora finito: una volta che lo strumento sarà completamente operativo entro i prossimi due anni, così come previsto, la suddetta distanza si estenderà a 650 milioni di anni-luce, il che rappresenta una buona fetta dell’Universo locale. Certo, dipenderà dall’Universo fare il resto.

Sono passati circa quattro secoli da quando abbiamo iniziato ad esplorare il cielo con i telescopi, un fatto che dà agli scienziati una idea di quale stima si può ricavare sul numero di eventi che potrà rivelare LIGO (circa 10 all’anno). D’altra parte, se non riveleremo alcuna onda gravitazionale con LIGO non vorrà dire che esse non esistono, perchè al contrario il sistema binario di Hulse-Taylor ce lo dimostra, così come altri sistemi astrofisici, ma forse perchè i nostri modelli stanno sovrastimando il loro numero. Comunque sia, la risposta arriverà da LIGO. La parte più eccitante sta in ciò che non comprendiamo ancora, tra cui ad esempio la fisica delle supernovae. Grazie a LIGO, gli astronomi sperano di poter “vedere” più in dettaglio all’interno di una stella che collassa dove il moto della materia produce necessariamente onde gravitazionali. Infine, così come l’astronomia X e radio hanno portato alla scoperta di nuovi fenomeni sorprendenti, come le pulsar, l’astronomia delle onde gravitazionali ci porterà senza dubbio qualcosa di completamente nuovo. Insomma, è ormai una storia vecchia dato che ogni qualvolta abbiamo osservato l’Universo in maniera differente ci siamo imbattuti sempre in qualcosa di inaspettato.

Symmetry Magazine: Gravitational waves and where to find them

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