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Nuovi scenari per l’astronomia gravitazionale

L’annuncio relativo alla rivelazione delle onde gravitazionali da parte del Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) ha causato una grande eco nell’ambito della comunità dei fisici e astronomi al punto che adesso si dovrà iniziare davvero ad esplorare più in profondità questa nuova finestra sull’Universo. Come è stato già detto, il segnale, registrato il 14 Settembre 2015 da entrambi gli interferometri LIGO, è stato prodotto dalla fusione di due buchi neri di massa iniziale pari a circa una trentina di Soli. Ciò ha permesso agli scienziati di risolvere immediatamente un enigma astrofisico in quanto l’esistenza di binarie di buchi neri era stata messa in dubbio. Ulteriori osservazioni potranno fornirci preziosi indizi sulla natura di oggetti esotici come le stelle di neutroni e le supernovae. Ma siamo solo all’inizio. Le onde gravitazionali ci permetteranno di esplorare non solo alcuni aspetti della fisica fondamentale ma possibilmente potranno portarci ai primi istanti di vita dell’Universo. La domanda è: quali misteri della cosmologia potremo mai risolvere ora che siamo entrati nell’era dell’astronomia gravitazionale?

La lunga analisi dei dati ha indicato che il segnale registrato da LIGO è stato causato dalla coalescenza di due buchi neri che si sono avvicinati sempre più raggiungendo la velocità di circa 150 mila chilometri al secondo, cioè metà del valore limite della velocità della luce, fino a fondersi, secondo un processo noto come merging, per dar luogo a un oggetto contenente una massa di circa 60 Soli. Prima della rivelazione di questo segnale, l’esistenza di coppie di buchi neri era molto dibattuta. Essendo, per definizione, “neri” è molto complicato individuare oggetti che hanno masse dell’ordine di qualche decina di masse solari, a meno che non ci siano nei dintorni degli oggetti che brillano, come ad esempio una stella che orbita attorno ad essi (vedasi Alla ricerca della strana coppia).

La scoperta di una pulsar in orbita attorno a un buco nero rappresenterebbe una sorta di “sacro graal” per verificare alcune previsioni della Relatività Generale. Credit: SKA Organisation/Swinburne Astronomy Productions

Il prossimo obiettivo sarà rivelare onde gravitazionali dalla coalescenza di due stelle di neutroni. A differenza dei buchi neri, la cui massa rimane “nascosta” al di là dell’orizzonte degli eventi anche quando essi entrano in collisione, l’interazione gravitazionale di una binaria di stelle di neutroni produce materiale brillante e ad alta temperatura che viene espulso nello spazio. Infatti, è di recente la notizia che il satellite spaziale Fermi, dedicato alla rivelazione di eventi rari e non prevedibili nella banda dei raggi gamma, ha osservato un segnale a distanza di 0,4 secondi dalla rivelazione dell’onda gravitazionale registrata da LIGO (vedasi Onda gravitazionale con raggi gamma?) Una correlazione sembrerebbe esserci, ma gli astronomi hanno ancora molti dubbi da chiarire. Ad ogni modo, lo studio di queste esplosioni stellari potrebbe fornire agli astronomi delle informazioni importanti sul fronte lampi-gamma di breve durata (short gamma-ray burst), fenomeni astrofisici enigmatici di brevissima durata ed incredibilmente luminosi. Non solo, ma si potrebbero ricavare preziosi indizi sull’origine degli elementi pesanti come l’uranio, il torio e l’oro. Entro i prossimi due anni, LIGO dovrebbe raggiungere una sensibilità tale da rivelare onde gravitazionali dalla fusione di due stelle di neutroni che avvengono possibilmente nelle 300 mila galassie più vicine: ciò vuol dire che si potrebbe rivelare un segnale gravitazionale al mese.

Il grafico mostra l’incremento della sensibilità attesa per i rivelatori LIGO e Virgo in funzione della massa totale del sistema (asse orizzontale) e del volume di spazio esplorato (asse verticale). La stella rossa indica la massa della sorgente GW150914. Credit: Abbott et al. 2016

Ad ogni modo, la rivelazione di questi eventi presi singolarmente rappresenta solo l’inizio di una nuova esplorazione spaziale. Se immaginiamo, per un attimo, di metterli tutti insieme potremmo essere in grado di ricostruire più in generale la storia e il contenuto dell’Universo. I segnali associati alla fusione di più coppie di buchi neri, ad esempio, potrebbero essere combinati per comprendere la natura e il ruolo dell’energia scura, quella enigmatica componente cosmica che sta causando l’espansione accelerata dell’Universo, sfruttando una tecnica che permetta di misurare le distanze cosmologiche e di conseguenza il tasso dell’espansione cosmica (vedasi La caccia alle onde gravitazionali). L’analisi della “forma” del segnale, cioè osservando come varia il suo andamento “su e giù”, permette di determinare non solo la dimensione dei buchi neri coinvolti nella “danza cosmica” ma anche la potenza dell’evento all’origine del fenomeno. Se poi paragoniamo le deboli vibrazioni che ha rivelato LIGO rispetto all’estrema violenza che ha portato due buchi neri alla fusione, possiamo farci un’idea dell’enorme distanza a cui è avvenuto l’evento.

L’immagine, pubblicata su Astronomy Picture of the Day (APOD), illustra le tre fasi della fusione di due buchi neri: coalescenza, fusione e formazione del buco nero di massa maggiore. In basso, l’andamento del segnale rivelato dai due interferometri LIGO situati a Livingston e Hanford. Credit: LIGO, NSF, Aurore Simonnet (Sonoma State University)

Dunque, combinando queste informazioni con le osservazioni che ci forniscono i telescopi, possiamo capire di quanto si è “allungato” lo spazio durante l’intervallo di tempo che hanno impiegato le onde gravitazionali per raggiungere i nostri rivelatori, fornendoci così una misura dell’effetto dovuto all’energia scura. In più, questa misura potrebbe essere più precisa e attendibile rispetto a qualsiasi altro metodo sia stato utilizzato fino ad oggi. In altre parole, individuare un certo numero di eventi associati alla fusione di due buchi neri potrebbe cambiare tutto: avere una lista anche di una decina di merger aprirebbe certamente una nuova disciplina della cosmologia. Altri ricercatori sperano ora di utilizzare le onde gravitazionali per verificare ancora meglio la teoria di Einstein. Un modo sarà quello di sfruttare il principio di equivalenza, cioè l’assunzione secondo cui la gravità influenza le masse allo stesso modo. Una delle domande a cui rispondere sarà anche quella di capire se la gravità si comporta come predice la relatività generale su larga scala.

Gli osservatori per lo studio delle onde gravitazionali. Credit: LIGO

Il successo ottenuto da LIGO potrebbe vedere l’esplosione, è il caso di dirlo, dell’astronomia gravitazionale. Ad esempio, l’India ha già dato il via al progetto per ospitare un terzo rivelatore LIGO (vedasi Luce verde per LIGO-India). Ma potrebbero nascere altri tipi di rivelatori. Uno dei programmi scientifici più interessanti è quello dell’Agenzia Spaziale Europea che sta per iniziare una serie di test per la strumentazione di cui sarà dotato eLISA (evolved Laser Interferometer Antenna), un gigantesco interferometro che sarà situato in orbita nello spazio (vedasi Per eLISA, oro e platino in caduta libera). Un altro esperimento preparatorio, LISA Pathfinder, è già in orbita ed inizierà i primi test il prossimo mese. Ma guardando più avanti, potrebbero essere realizzati rivelatori ancora più sensibili di onde gravitazionali a lunghezze d’onda più corte rispetto a quelle esplorate da LIGO. Questi rivelatori potrebbero “ascoltare” l’Universo primordiale le cui onde di gravità sarebbero state prodotte durante l’inflazione cosmica, quel periodo di rapida espansione esponenziale che diede forma allo spazio subito dopo il Big Bang. Infatti, a differenza dei fotoni e delle altre forme di radiazione elettromagnetica, le onde gravitazionali primordiali avrebbero viaggiato liberamente nello spazio una volta originatesi l’Universo. Al momento, la luce più antica che siamo in grado di “vedere” risale all’epoca in cui lo spazio divenne trasparente alla radiazione, ossia 380 mila anni dopo il Big Bang: stiamo parlando della radiazione cosmica di fondo. Infine, le onde gravitazionali potrebbero portarci alla formulazione di una teoria della grande unificazione. A un certo punto nella storia dell’Universo, tutte e quattro le forze della natura erano unificate in una singola forza. Poi, man mano che l’Universo si espandeva e la temperatura si abbassava, le forze si separarono a seguito di una serie di eventi che non sono ancora ben chiari. Insomma, si spera che gli osservatori di nuova generazione per lo studio delle onde gravitazionali, che opereranno in una banda di lunghezze d’onda più corte, potranno fornirci nuovi indizi per tentare di spiegare questi affascinanti temi.


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