Le onde gravitazionali: 5 domande cosmologiche a cui possono rispondere

La prima evidenza sperimentale confermata delle onde gravitazionali è ad oggi ampiamente attesa per l’annuncio in conferenza stampa l’11 Febbraio da parte dell’Advanced Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO). Utilizzando gli enormi rivelatori gemelli di LIGO – uno a Livingston, in Louisiana, e l’altro in Hanford, Washington – i ricercatori dicono di aver misurato le increspature dello spazio-tempo prodotte da una collisione tra due buchi neri.

Un tale annuncio rivendicherà la predizione di Albert Einstein delle onde gravitazionali, che ha compiuto quasi esattamente 100 anni fa come parte della sua teoria della Relatività Generale – ma avrà in realtà anche molte altre implicazioni significative. In quanto vibrazioni della trama dello spazio-tempo, le onde gravitazionali sono spesso paragonate al suono, e il tipico segnale viene studiato convertito in frammenti sonori. In effetti, i telescopi per onde gravitazionali permettono agli scienziati di “ascoltare” i fenomeni allo stesso modo in cui vengono osservati i segnali luminosi tramite i più noti telescopi ottici o di altre bande dello spettro elettromagnetico.

I membri del LIGO e della sua controparte più piccola Virgo situata a Pisa in Italia, hanno già messo in piedi un sistema per mettere prontamente in allerta le altre comunità scientifiche che lavorano con altri tipi di telescopi.

Quando LIGO ha combattuto per ottenere i fondi governativi americani nei primi anni ’90, i suoi maggiori oppositori alle udienze congressuali erano proprio gli astronomi. “La visione generale era che LIGO non avesse molto a che fare con l’astronomia,” dice Clifford Will, un teorico di relatività generale all’University of Florida in Gainseville, ed uno dei primi supporter di LIGO.  Ma le cose sono cambiate adesso, egli afferma.

Benvenuti nel nuovo campo dell’astronomia delle onde gravitazionali: vediamo dunque di fornire un quadro generale sulle questioni ed i fenomeni che essa ci permetterà di esplorare.

I buchi neri esistono veramente?

Il segnale che pare verrà annunciato da LIGO questo Giovedì risulta essere stato prodotto dalla fusione di due buchi neri. Questi eventi sono i più energetici conosciuti; la potenza delle onde gravitazionali che vengono emesse dal fenomeno può facilmente essere paragonata a quella prodotta da tutte le stelle dell’Universo osservabile combinate insieme fra loro. Le fusioni di buchi neri sono anche tra i più chiari e semplici segnali di onde gravitazionali da interpretare.

QUI il video su YouTube con l’animazione del fenomeno di fusione di due buchi neri. Colorate giallo e azzurro le diverse orientazioni delle increspature dello spazio-tempo generate dal fenomeno.

La fusione di un buco nero avviene quando due buchi neri iniziano a spiraleggiare l’uno verso l’altro, emettendo energia sotto forma di onde gravitazionali. Queste onde dovrebbero avere un suono caratteristico chiamato “cinguettìo”, che può essere utilizzato per misurare le masse dei due oggetti.  Successivamente, i buchi neri si fondono. “E’ come porre due bolle di sapone così vicine l’una all’altra da formare una unica bolla. Inizialmente la bolla più grande viene deformata,” dice Thibault Damour, un teorico di gravità all’Institute of Advanced Scientific Studies presso Parigi. Il singolo buco nero che ne risulta si riadagerà su di una perfetta forma sferica, ma prima di ciò è previsto che emetta onde gravitazionali in una conformazione nota come ad anello basso.

Una delle più importanti conseguenze scentifiche del rilevare la fusione di due buchi neri è che ci permetterebbe di confermarne la loro effettiva esistenza! – almeno in quanto oggetti perfettamente sferici costituiti da puro, vuoto, spazio-tempo deformato come predetto dalla relatività generale. Un’altra implicazione sarebbe legata al modo in cui il fenomeno di fusione evolve nel tempo. Gli astronomi hanno già numerose evidenze circostanziali di questo tipo di fenomeni,  ma fino ad ora provenienti da casi in cui sono le stelle e il gas ad alte temperature che orbitano intorno ai buchi neri, e non quindi da buchi neri soltanto.

“La comunità scientifica, includendo me stesso, è diventata molto indifferente verso i buchi neri. Li abbiamo ormai presi per assodati,” dice Frans Pretorius, uno specialista in simulazioni di relatività generale alla Princeton University in New Jersey. “Ma se pensate di quanto possa essere incredibile una predizione teorica come quella di un buco nero, abbiamo anche bisogno di una evidenza osservativa altrettanto incredibile.”

Le onde gravitazionali si propagano alla velocità della luce?

Quando gli scienziati iniziano a confrontare le osservazioni da LIGO con quelle provenienti da altri tipi di telescopi, una delle prime cose che verrà analizzata è che i due segnali arrivino nello stesso tempo. I fisici ipotizzano che la gravità venga trasmessa da particelle chiamate gravitoni, l’analogo gravitazionale dei fotoni. Se, come i fotoni, queste particelle non hanno massa, allora le onde gravitazionali viaggerebbero alla velocità della luce, confermando la predizione teorica della velocità delle onde gravitazionali nella teoria classica della relatività generale.  La loro velocità potrebbe risentire dell’espansione accelerata dell’Universo, ma questo dovrebbe manifestarsi solo su distanze molto più grandi di quelle che LIGO riesce ad analizzare.

Ma è possibile che i gravitoni abbiano una leggera massa, il che implicherebbe che le onde gravitazionali viaggino ad una velocità inferiore a quella della velocità della luce. Quindi se, mettiamo caso, LIGO e Virgo dovessero riuscire a rilevare le onde gravitazionali da un evento cosmico, e trovassero che le onde gravitazionali impieghino più tempo per arrivare fino alla Terra di quanto non impieghino le emissioni di raggi gamma associate all’evento e rilevate da telescopi più convenzionali, allora ciò comporterebbe conseguenze importanti nella fisica fondamentale.

Lo spazio-tempo è costituito da stringhe cosmiche?

Una scoperta ancora più bizarra si avrebbe nel caso in cui un aumento nel segnale di onde gravitazionali provenisse dalle stringhe cosmiche. Queste ipotetiche imperfezioni nella curvatura dello spazio-tempo, le quali potrebbero o non potrebbero essere collegate alla teoria delle stringhe, sarebbero infinitesimamente sottili ma si stirerebbero attraverso distanze di scala cosmica. I ricercatori hanno predetto che le stringhe cosmiche, se esistono, potrebbero occasionalmente produrre delle increspature; se una stringa dovesse spezzarsi, produrrebbe una repentina emissione di onde gravitazionali, le quali potrebbero essere misurate dai rivelatori LIGO e Virgo.

Le stelle di neutroni sono rugate?

Le stelle di neutroni sono i residui di stelle più grandi che sono collassate sotto il loro stesso peso, divenendo così dense da far fondere i costituenti fondamentali (protoni ed elettroni) in neutroni. La loro fisica estrema è ancora ad oggi poco compresa, ma le onde gravitazionali potrebbero fornirci dei dettagli unici. Ad esempio, la forte gravità in corrispondenza della superficie della stella forzerebbe una forma quasi perfettamente sferica. Ma alcuni ricercatori hanno teorizzato che potrebbero comunque esserci delle “montagne” – irregolarità di appena qualche millimetro di altezza – che renderebbero questi densi oggetti, di per sè con un diametro di circa 10 km, leggermente asimmetrici. Le stelle di neutroni tipicamente ruotano su se stesse molto rapidamente, per cui queste distribuzioni asimmetriche di massa potrebbero deformare lo spazio-tempo e produrre un segnale continuo di onde gravitazionali con una forma a seno d’onda, che radierebbe energia e rallenterebbe la velocità di rotazione della stella.

Coppie di stelle di neutroni che orbitano l’una attorno all’altra producono un segnale altrettanto continuo ed importante. Proprio come per i buchi neri, le stelle inizierebbero a spiraleggiare l’una intorno all’altra e successivamente si fonderebbero, dando origine a volte ad un “cinguettio” udibile. Ma i loro istanti finali differirebbero drammaticamente da quelli dei buchi neri. “Abbiamo un vasto insieme di possibilità, in base alle masse e a quanta pressione di materia densa di neutroni viene esercitata,” dice Pretorius. Per esempio, la stella risultante dalla fusione potrebbe essere una enorme stella di neutroni, oppure potrebbe immediatamente collassare in un buco nero.

Cosa fa esplodere le stelle?

I buchi neri e le stelle di neutroni si formano quando le stelle terminano la combustione termonucleare e collassano su se stesse. Gli astrofisici pensano che questo processo sia ciò che aziona l’esplosione del più comune tipo di supernova, conosciuta come Tipo II. Le simulazioni numeriche di questo tipo di supernovae non hanno ancora pienamente spiegato cosa le aziona, ma ascoltare l’emissione delle onde gravitazionali che una supernova sarebbe in grado di produrre potrebbe aiutarci ad ottenere una risposta. Infatti, in base alla forma del segnale prodotto, alla sua intensità, e alla sua frequenza e correlazione con le emissioni elettromagnetiche provenienti dalla stessa supernova, i dati potrebbero validare o rigettare diversi modelli attualmente esistenti.

Quanto velocemente si espande l’Universo?

L’espansione dell’Universo significa che gli oggetti distanti che si stanno allontanando (recedendo) dalla nostra galassia appaiono più arrossati di quanto non lo siano (redshift cosmologico), a causa del fatto che la luce da loro emessa viene stirata durante il percorso. I cosmologi stimano il tasso di espansione dell’Universo confrontando questo redshift delle galassie con la loro distanza da noi. Ma la distanza è tipicamente calibrata dalle luminose supernovae di Tipo Ia (ne abbiamo parlato anche precedentemente in un articolo pubblicato QUI sul portale) – una tecnica che comunque lascia diverse incertezze sulla precisione.

Se i rivelatori di onde gravitazionali disposti in diversi punti del pianeta riuscissero a trovare segnali provenienti dallo stesso processo di fusione di stelle di neutroni, combinando insieme le rilevazioni indipendenti di segnale sarebbero in grado di fornire una stima della intensità assoluta del segnale, la quale rivelerebbe quanto distante sia avvenuto il fenomeno. Inoltre, sarebbero anche in grado di fornire la direzione da cui è provenuto il segnale; gli astronomi potrebbero così dedurre quale galassia ha ospitato il processo di fusione. Confrontare il redshift della galassia con la distanza così derivata potrebbe dunque fornirci una stima indipendente del tasso di espansione cosmica, probabilmente più accurata di quella di altri metodi ad oggi esistenti.

Articolo originale disponibile su Nature News