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L’alba dell’astronomia gravitazionale

Forse non tutti sanno che la rivelazione sperimentale delle onde gravitazionali, avvenuta il 14 Settembre del 2015 e annunciata giovedì scorso 11 Febbraio 2016 in una conferenza stampa a Washington DC, è stata possibile grazie alla versione “avanzata” di LIGO (Advanced LIGO, a LIGO). Queste onde dello spazio, che allungano e accorciano la lunghezza dell’interferometro di una quantità incredibilmente piccola, hanno avuto origine da una violenta fusione (merger) di due buchi neri, di massa iniziale pari a una trentina di masse solari, così come riportato nell’articolo scientifico pubblicato su Physical Review Letters. Si tratta di un fenomeno accaduto in una galassia distante 1,3 miliardi di anni-luce e le “increspature” nello spaziotempo, per l’appunto le onde gravitazionali, sono arrivate qui sulla Terra qualche mese fa.

La storia, però, non finisce qui, nè sembra essere la più importante, a dispetto di quanto è stato riportato nei media di tutto il mondo. Già, perchè le onde gravitazionali sono state osservate indirettamente qualche tempo fa in un sistema di due stelle di neutroni che orbitano l’una attorno all’altra: stiamo parlando del sistema binario Hulse-Taylor in cui una delle due componenti è una pulsar.

Il grafico mostra la variazione del periodo orbitale in funzione del tempo del sistema binario PSR B1913+16. I dati, in rosso, indicano la variazione osservata all’epoca del periastro mentre la curva illustra la variazione teorica secondo la relatività generale.

L’intervallo di tempo tra gli impulsi si sposta leggermente man mano che la pulsar si muove avvicinandosi e allontanandosi dalla Terra, perciò il moto orbitale della stella di neutroni attorno alla sua compagna può essere monitorato accuratamente. Il suo periodo orbitale si è lentamente modificato nel corso di decenni e queste variazioni sono perfettamente consistenti con ciò che ci aspettiamo se il sistema sta perdendo energia, emessa sotto forma di invisibili onde gravitazionali, al ritmo predetto dalla teoria di Einstein. Per questa scoperta, Hulse e Taylor ricevettero nel 1993 il Premio Nobel per la Fisica. Al momento, si conoscono altri esempi di simili coppie di stelle di neutroni che mostrano lo stesso tipo di perdita di energia in perfetto accordo con le equazioni di Einstein. Bisogna dire, però, che le onde gravitazionali sono inevitabili, una volta che si accettano le equazioni di Einstein del 1905 della relatività speciale, in cui lo scienziato tedesco suggerì che la velocità della luce rappresenta una sorta di velocità limite universale, imposta dalla struttura dello spaziotempo. Ad esempio, le onde sonore esistono perchè la velocità del suono è finita. Se fosse infinita, la vibrazione di una corda di chitarra farebbe oscillare l’intera atmosfera avanti e indietro in sincronia con la corda stessa. Allo stesso modo, dato che gli effetti della gravità devono propagarsi a velocità finita, gli effetti gravitazionali di oggetti orbitanti devono creare delle onde. L’unica domanda è quella di capire quali sono le proprietà fisiche di queste onde. Nessuno, perciò, dovrebbe essere sorpreso dall’esistenza delle onde gravitazionali o dal fatto che esse si propagano alla velocità della luce, proprio come le onde elettromagnetiche. Nessuno si dovrebbe meravigliare del fatto che aLIGO abbia rivelato onde gravitazionali le cui proprietà sono quelle predette dalle equazioni della relatività generale. Se non fosse così, il sistema binario di Hulse-Taylor si sarebbe comportato in maniera decisamente differente. In più, nessuno si dovrebbe soprendere dal fatto che aLIGO abbia osservato onde gravitazionali causate dalla fusione di due buchi neri. Di fatto, questo strumento è stato concepito sin dall’inizio con l’obiettivo di studiare l’interazione di due buchi neri o di due stelle di neutroni, o una delle due componenti, per rivelare cioè l’emissione di onde gravitazionali. Sappiamo che queste interazioni avvengono e gli esperti erano molto fiduciosi che lo strumento li avrebbe trovati. Dunque, le domande che si ponevano i fisici erano: a) aLIGO avrebbe funzionato come previsto? b) Se avesse funzionato come ci si aspettava, dopo quanto tempo avrebbe scoperto le onde gravitazionali? c) Infine, l’eventuale scoperta sarebbe stata in accordo con le equazioni di Einstein?

La figura mostra alcuni risultati dello studio della sorgente GW150914 che ha portato alla rivelazione delle onde gravitazionali da parte di aLIGO. Il grafico mostra il confronto tra l’onda gravitazionale vista a Hanford con quella predetta dalla relatività generale nel corso delle tre fasi dell’interazione tra due buchi neri: moto a spirale, fusione e quiescenza. In basso, il grafico mostra la variazione della distanza e velocità dei due buchi neri e come esse cambiano una volta che si ha la fusione. Credit: Abbott et al. 2016

La prima grande notizia è che aLIGO funziona davvero. Questo esperimento rappresenta una delle più grandi conquiste tecnologiche della civiltà umana. Ad ogni modo, l’interferometro non si trova nella sua configurazione finale in quanto sono previsti tutta una serie di ulteriori miglioramenti. Attualmente, lo strumento è in grado di misurare la variazione della lunghezza delle braccia dell’interferometro di una quantità incredibilmente piccola: stiamo parlando di una parte su un miliardo di triliardo, che vuol dire un migliaio di volte più piccola del raggio del protone. In altre parole, aLIGO è capace di misurare una distanza così piccola come quella che può esplorare il Large Hadron Collider (LHC), anche se con una quantità di energia molto minima rispetto al collisore.

Questa animazione illustra come funzionano i due osservatori gemelli LIGO. Uno si trova a Hanford, Washington, l’altro a Livingston, Lousiana. Ognuno degli osservatori ospita un interferometro a grande scala, cioè uno strumento che utilizza l’interferenza di due fasci di luce laser per realizzare le misure più precise di distanza al mondo. L’animazione inizia con una descrizione semplificata di LIGO. Un fascio di luce laser viene generato e diretto verso un deviatore di luce (splitter), che lo suddivide in due fasci eguali. I due fasci di luce si propagano perpendicolarmente fino a raggiungere uno specchio distante, percorrendo all’interno di un braccio una distanza di 4 chilometri. Gli specchi riflettono la luce verso il deviatore, un processo che viene ripetuto 200 volte. Quando un’onda gravitazionale passa attraverso lo strumento, essa deforma la lunghezza dei due bracci che alternativamente si allungano e si accorciano di una quantità infinetisimale, che nella simulazione è stata esagerata per essere visibile. Questo movimento fa sì che il fascio di luce che colpisce il rivelatori subisca un tremolio. Nella seconda parte dell’animazione viene spiegato il tremolio della luce, cioè quando entra in gioco il fenomeno dell’interferenza. Una volta che i due fasci di luce sono stati riflessi dagli specci, essi si incontrano al deviatore, dove la luce viene ricombinata secondo un processo chiamato interferenza. Di solito, in assenza di onde gravitazionali, la distanza tra il deviatore e gli specchi viene controllata in maniera precisa così che le onde luminose sono mantenute fuori fase, l’una rispetto all’altra, per cui esse si cancellano. Il risultato è che nessuna luce colpisce i rivelatori. Quando, però, un’onda gravitazionale passa attraverso il sistema, la distanza che separa gli specchi dal deviatore del fascio di luce si allunga in un braccio e si accorcia nell’altro in un modo tale che le onde luminose che provengono dai due bracci vanno fuori fase. Quando le onde luminose sono in fase, esse si sommano in maniera costruttiva e producono un fascio di luce luminoso che illumina i rivelatori. Quando, invece, le onde luminose sono fuori fase, esse si cancellano e non si vede alcun segnale. In questo modo, le onde gravitazionali che sono prodotte da un violento evento cosmico, come la fusione di due buchi neri, fanno sì che il segnale sia soggetto a un tremolio, così come è stato osservato. Digitalizzando e registrando le specifiche forme dei segnali che colpiscono i rivelatori di LIGO, i ricercatori possono analizzare ciò che essi rivelano e confrontare i dati con i segnali gravitazionali predetti dai modelli. Gli effetti delle onde gravitazionali sullo strumento LIGO che si vedono nel video sono stati enormemente esagerati a scopo illustrativo. In realtà, le variazioni della lunghezza delle braccia dell’interferometro sono di appena 1/1000 il raggio del protone. Credit: LIGO/T. Pyle

La seconda grande notizia è che se le onde gravitazionali sono state rivelate da aLIGO allora vuol dire che la fusione di due buchi neri avviene davvero, come predice la teoria di Einstein. Il successo di questa predizione in termini di quella che dovrebbe essere la forma delle onde gravitazionali rappresenta un ulteriore e potente test alle equazioni di Einstein, rispetto alla semplice esistenza delle onde gravitazionali.

I grafici mostrano i segnali relativi alle onde gravitazionali che sono stati rivelati dai due osservatori gemelli a Livingston, in Lousiana, e a Hanford, a Washington. I segnali sono emessi dalla fusione di due buchi neri, ciascuno avente una massa di circa 30 volte la massa del Sole, localizzati alla distanza di 1,3 miliardi di anni-luce. I primi due grafici mostrano i dati ricevuti a Hanford e a Livingston, rispettivamente, assieme alle predette forme delle onde. Le predette forme dell’onda mostrano che due buchi neri in collisione dovrebbero apparire secondo quanto previsto dalle equazioni della relatività generale, assieme al mai-assente rumore dello strumento. Il tempo è rappresentato sull’asse orizzontale e la sollecitazione sull’asse verticale, che rappresenta la frazione di quanto vengono distorte le distanze. Come si vede dal grafico, i dati di LIGO eguagliano perfettamente le predizioni di Einstein. Nel grafico in basso sono confrontati i dati di entrambi i rivelatori. I dati di Hanford sono stati appositamente invertiti a causa di un diverso orientamento dei rivelatori nei due siti. Inoltre, i dati sono stati opportunamente spostati per compensare il ritardo temporale dei segnali tra Livingston e Hanford (il segnale ga raggiunto prima Livingston e poi propagandosi alla velocità della luce ha raggiunto Hanford 7 millesimi di secondo dopo). Come dimostra il grafico, entrambi i rivelatori hanno registrato lo stesso evento, confermando la rivelazione del segnale gravitazionale. Credit: LIGO/Caltech

Immaginiamo per un istante due oggetti delle dimensioni di una metropoli che hanno una massa di qualche decina di masse solari e che sono separati di una decina di chilometri mentre orbitano l’uno attorno all’altro. La loro “danza stellare” diventa sempre più veloce e negli ultimi secondi, prima della fusione, può raggiungere un ritmo equivalente a circa 100 giri, o più, al secondo. I due oggetti continuano ad avvicinarsi, raggiungendo la velocità limite universale. Questo moto estremo crea una vibrazione enorme dello spaziotempo che aumenta rapidamente, generando gigantesche onde che si dipartono dalla sorgente verso l’esterno nello spazio. Finalmente, continuando a spiraleggiare, i due buchi neri arrivano a toccarsi e si fondono dando luogo a un singolo oggetto di massa più grande, rispetto a quella iniziale dei singoli oggetti, che ruota a un ritmo incredibile. La fusione avviene in un batter d’occhio, qualche decina di millisecondi, e la configurazione finale causa l’emissione di più onde gravitazionali. Durante l’intero processo, la quantità totale di energia emessa in termini di vibrazioni dello spaziotempo è alcune volte superiore rispetto a quella che potrebbe essere estratta, magicamente, dal Sole contenuta nel sua massa a riposo (E=mc2). Si tratta di una quantità immensa di energia, più di quella che può emettere tipicamente una supernova.

Questa simulazione numerica mostra la distorsione dello spazio e del tempo attorno a due buchi neri durante la fase di collisione, così come è stato osservato da LIGO il 14 Settembre 2015. La superficie colorata rappresenta il nostro Universo, vista da una ipotetico, piatto universo a più dimensioni nel quale è immerso il nostro Universo. Il nostro Universo appare come una sorta di lenzuolo deformato bidimensionale poichè una delle sue tre dimensioni spaziali è stata rimossa. Attorno a ciascun oggetto, lo spazio piega verso il basso, formando una specie di buca, che rappresenta la distorsione prodotta dall’enorme massa del buco nero. In prossimità dei buchi neri, i colori rappresentano il ritmo con cui scorre il tempo. Nelle regioni color verde, al di fuori dei buchi neri, il tempo scorre normalmente. Nelle regioni color giallo, il tempo rallenta del 20-30 percento. Nelle regioni color rosso, il tempo viene estremamente rallentato. A distanze maggiori, le regioni color blu e porpora rappresentano l’emissione delle onde gravitazionali prodotte dal moto orbitale dei buchi neri e dalla collisione. Lo spazio del nostro Universo viene trascinato dal moto orbitale dei due buchi neri e quindi dalla loro gravità e rotazione. Il movimento dello spazio è rappresentato da frecce color argento e fa sì che il piano dell’orbita preceda gradualmente, così come viene mostrato nel video. I numeri in alto a sinistra mostrano il tempo, misurato da un ipotetico osservatore che si trova in prossimità dei buchi neri, ma non troppo vicino ad essi in modo da evitare la distorsione del tempo. Nella parte in basso, viene mostrata la forma dell’onda relativa alle onde gravitazionali emesse. Le onde gravitazionali trasportano energia e ciò fa sì che i buchi neri si muovano a spirale fino a collidere. In prossimità della collisione, l’animazione procede al rallentatore e si ferma nel momento in cui le superfici dei due buchi neri, ossia i loro orizzonti degli eventi, si toccano: in questa fase si nota come lo spazio sia enormemente distorto. Dopo questo istante, procedendo sempre al rallentatore, le forme dello spazio e del tempo oscillano fortemente, anche se per un brevissimo istante, per poi raggiungere uno stato di quiescenza una volta che si sono fusi i due buchi neri. Tornando alla normale animazione, si notano come le onde gravitazionali emesse a seguito della collisione si propagano verso lo spazio esterno nell’Universo. La collisione e le ampie oscillazioni costituiscono una sorta di ‘tempesta’ nella struttura dello spazio e del tempo, una gigantesca e super potente tempesta, seppur di breve durata. Durante questa tempesta, la potenza emessa sotto forma di onde gravitazionali è di gran lunga superiore alla luminosità di tutte le stelle presenti nell’Universo osservabile. In altre parole, la collisione dei due buchi neri, ciascuno delle dimensioni di una metropoli, rappresenta l’esplosione più potente che gli astronomi hanno osservato, a parte il Big Bang. Credit: Simulating eXtreme Spacetimes Project

Kip Thorne. Credit: Caltech

Ciò che abbiamo osservato è davvero fantastico”, ha dichiarato Kip Thorne, uno dei primi promotori dell’esperimento LIGO. “Non è come studiare un buco nero. Si tratta, invece, di due buchi neri che orbitano l’uno attorno all’altro, in un moto a spirale, finchè collidono e fondono. In questa collisione, essi creano qualcosa che noi esseri umani, astronomi o scienziati, non abbiamo mai visto prima. Essi creano una sorta di tempesta nel tessuto dello spaziotempo. È un po’ come se finora avessimo osservato la superficie dell’oceano in un giorno di calma, senza averla mai vista durante una tempesta mentre le onde si scontrano. Analogamente, non abbiamo mai visto un ampio tasso di oscillazione della forma dello spazio e dello scorrere del tempo. Non l’abbiamo mai visto prima. Ora, invece, lo abbiamo visto sia nelle simulazioni numerche che nella realtà grazie alla rivelazione di queste onde gravitazionali. Ciò rappresenta un nuovo modo di studiare l’Universo. Un modo completamente nuovo di esplorare le proprietà dei buchi neri che non abbiamo compreso fino ad oggi”.

Le onde gravitazionali, emesse da una coppia di buchi neri interagenti, sono state convertite in onde sonore, così come viene udito in questa animazione. L’evento, incredibilmente potente, che ha rilasciato una quantità di energia pari a circa 50 volte quella di tutte le stelle presenti nell’Universo osservabile, è durato solamente qualche frazione di secondo. Nelle prime due elaborazioni dell’animazione, le frequenze dell’onda sonora eguagliano esattamente quelle delle onde gravitazionali. Nelle seconde due elaborazioni dell’animazione si sentono ancora i suoni ma a frequenze più alte per permettere di essere udibili dall’orecchio umano. L’animazione termina con la riproduzione doppia delle frequenze originali. Man mano che i due buchi neri si muovono a spirale, diventando sempre più vicini, la frequenza delle onde gravitazionali aumenta. Gli scienziati chiamano questi suoni ‘chirp’ poichè alcuni eventi che generano le onde gravitazionali emetterebbero dei suoni simili al cinguettio degli uccelli. Credit: LIGO/Caltech

In altre parole, possiamo dire che aLIGO ha forse osservato l’evento più potente che sia mai stato rivelato dagli esseri umani. Anche se questa drammatica “danza stellare” consiste di una estrema e complicata distorsione dello spazio e del tempo, tuttavia le increspature che sono state rivelate dall’interferometro, cioè miliardi di anni dopo, sono diventate molto più tenui poichè avendo percorso immense distanze cosmiche esse si sono decisamente indebolite: infatti, il loro effetto crea oggi piccolissime oscillazioni dello spaziotempo.

Il 14 Settembre 2015, LIGO è diventato il primo strumento ad aver rivelato le onde gravitazionali. Quando due buchi neri, ciascuno dei quali ha una massa di circa 30 volte la massa del Sole, fondono essi generano onde gravitazionali, increspature nella struttura dello spaziotempo. Più di un miliardo di anni dopo, quelle onde hanno raggiunto i rivelatori di LIGO determinando una piccolissima variazione della distanza tra i suoi specchi, separati di 4 chilometri, di circa 1/1000 il raggio del protone. Questa animazione mostra lo zoom verso il protone di un atomo di idrogeno. Il movimento del protone mostra le piccolissime variazioni misurate da LIGO. Credit: LIGO/Caltech

Possiamo dire che le onde gravitazionali sono la parte, relativamente, più semplice. La vera sfida sarà la predizione delle proprietà fisiche dell’interazione di due buchi neri, nonostante il successo di aver rivelato le onde gravitazionali emesse da un tale evento rappresenta una notevole conquista da parte dei teorici. Inoltre, a partire da questo evento, gli scienziati potranno eseguire tutta una serie di nuovi test per verificare se le equazioni di Einstein siano in qualche modo incomplete in termini della descrizione della gravità, dei buchi neri e dello spaziotempo. Infine, la terza grande notizia è che si apre un nuovo campo della scienza: l’astronomia gravitazionale. Si tratta di una disciplina complementare a molti altri metodi utilizzati per studiare l’Universo. Il lato positivo dell’astronomia gravitazionale è che sebbene accadano eventi drammatici senza lasciare dei segnali visibili all’occhio umano, o senza che si abbia emissione di alcuna forma di radiazione elettromagnetica, nulla di violento può accadere senza che si formino onde gravitazionali nello spaziotempo. Ogni oggetto crea gravità, attraverso la curvatura dello spaziotempo, e ogni oggetto sente allo stesso modo la gravità. aLIGO può essere stato fortunato ad osservare così presto la fusione di due buchi neri. Perciò possiamo essere ottimisti che l’interazione gravitazionale di due buchi neri potrà essere osservata più frequentemente con l’attuale versione avanzata dell’interferometro che, come dicevamo prima, sarà ulteriormente migliorato entro qualche anno. L’astronomia gravitazionale potrà, quindi, diventare una disciplina molto ricca, ricca di tanti dati già entro la fine di quest’anno. Dunque, ci aspettiamo di imparare molto sulle proprietà dei buchi neri, delle stelle di neutroni o di altri oggetti massivi. Forse, saremo in grado di risolvere alcuni enigmi astrofisici, come ad esempio i lampi gamma. O, ancora, sveleremo altri eventi drammatici e violenti in qualche altra regione dell’Universo distante e di cui ignoriamo l’esistenza. Siamo solo all’inizio.

Physical Review Letters: Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger

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