Onde Gravitazionali: nuovi metodi di indagine

nuove frontiere nel campo di una nuova fisica

Due articoli pubblicati di recente aprono nuove strade nella fisica delle onde gravitazionali. Questo nuovo campo di studio vede nascere metodi innovativi per risalire ai misteri della fusione di corpi massicci o addirittura alla struttura stessa dell’Universo primordiale

Gennaio è stato un mese molto prolifico nel campo più stimolante della fisica recente: dal 2015 l’interesse scientifico per le onde gravitazionali ha trovato sempre più conferme e si cercano ora nuovi metodi di indagine.

Le onde gravitazionali furono teorizzate dalla relatività generale di Einstein, ma la conferma definitiva della loro esistenza è stata siglata dal Nobel di Thorne & colleghi solo 100 anni dopo. In 4 anni il campo di studio ha sviluppato due rami principali di rilevazione: il primo riguarda fenomeni di collisione tra corpi nelle fasi finali della loro vita. Il secondo, più complesso, riguarda la cosmologia e l’Universo, com’era nelle prime fasi della sua nascita.

Vediamo ora quali sono le ultime news in entrambi i campi.

Indice:

Rappresentazione artistica del fenomeno della coalescenza. Fonte: Wired
Rappresentazione artistica del fenomeno della coalescenza. Fonte: Wired

Onde gravitazionali: cosa sono?

Come ogni intuizione di Einstein, il concetto delle onde gravitazionali sembra tanto evidente a posteriori quanto incredibile da concepire a priori. Le onde gravitazionali sono “semplicemente” fluttuazioni nella struttura dello spazio-tempo, in parole povere la realtà che ci circonda subisce oscillazioni a causa di eventi che possono turbarla. Come se fossimo su un tappeto elastico, esso rimbalza e oscilla a causa del nostro saltellare: si può ricordare una celebre puntata dei Simpson in cui si rende evidente questa struttura.

Come si formano queste onde? Eventi estremamente energetici nel cosmo possono avere molte conseguenze, una di queste è esattamente la produzione di queste increspature. Stiamo parlando dell’avvicinamento e dell’unione di corpi come le pulsar o i buchi neri, il processo si chiama coalescenza[1].

Questi eventi non sono così rari nell’universo, ma data la sua vastità abbiamo una frequenza limitata di osservazione e servono strumenti con una sensibilità elevatissima, tra questi si annoverano interferometri come il celebre LIGO o VIRGO (quest’ultimo su suolo Italiano).

La cosmologia invece prevede una loro produzione nelle prime fasi di sviluppo del nostro Universo, ma hanno ampiezze[2] e range di frequenza diversi dai fenomeni di coalescenza; esse potrebbero essere delle fonti fondamentali di informazioni dell’Universo primordiale.

Facciamo attenzione alla sostanziale differenza tra la radiazione comune, la quale viene trasmessa nello spazio-tempo e le onde gravitazionali: esse sono oscillazioni dello spazio-tempo stesso. Quindi noi possiamo rilevarle osservando come la struttura stessa della materia si modifica al passaggio di tale onda, ma sono grandezze così piccole al senso comune, da poter essere rilevate solamente dai più sensibili strumenti.

Esempio dell'effetto delle onde gravitazionali su particelle test. Fonte: UniPd
Esempio dell’effetto delle onde gravitazionali su particelle test. Fonte: UniPd

Come suggerisce la figura qui sopra, l’effetto principale del passaggio dell’onda è quello di stirare e comprimere la materia: immaginando di porre delle particelle campioni formando una circonferenza, ci ritroveremo delle ellissi. Chiaramente l’effetto è esagerato nell’immagine, quello reale è miliardi di volte (minimo!) più piccolo.

Le Pulsar: un nuovo metodo

Gli strumenti costruiti sono ancora tra i primi, ma hanno già evidenziato un limite di sensibilità notevole nell’individuazione delle onde gravitazionali: siamo alla ricerca di nuovi metodi. Uno di questi è in fase sperimentale: un team americano[3] sta lavorando per realizzare lo schema di un “rombo” di fondo di tali onde, così da poter prevedere ogni mutamento in questo reticolo. Inoltre ciò darebbe con maggior precisione consapevolezza sulla provenienza, ampiezza e polarizzazione dell’onda rilevata, insieme a tutte le informazioni che ne derivano.

Tale schema è reso possibile dagli orologi più precisi in natura: le pulsar. Esse sono i residui densi e super rotanti di alcune stelle massicce, nelle fasi finali della loro evoluzione. A causa della loro veloce rotazione, la radiazione che ci trasmettono è periodica, in un comune effetto faro, di seguito esemplificato.

Rappresentazione artistica dell'Effetto Faro delle pulsar. Fonte: INFN
Rappresentazione artistica dell’Effetto Faro delle pulsar. Fonte: INFN

Questi impulsi raggiungono frequenze di onde radio ed hanno una precisione e ripetibilità tale da essere considerati appunto dei perfetti orologi naturali. Cosa c’entrano con le onde gravitazionali?

Beh se tali impulsi fossero veramente così precisi, ogni turbolenza nella struttura stessa dello spazio avrebbe una conseguente differenza rilevabile nei tempi di arrivo sulla Terra delle onde radio delle pulsar, no? È esattamente quello che sta cercando di provare il team americano.

Il modello dello studio è ancora work in progress, l’idea è comunque quella di utilizzare una cinquantina di pulsar distribuite in tutta la galassia, per avere una base enorme nella rilevazione di un “oceano cosmico” di fondo piuttosto che mutamenti causati da singoli eventi, come quello che valse il Nobel del 2017.

Il metodo della conversione

Un articolo pubblicato la settimana scorsa riferisce infine un’ulteriore suggestione nella rilevazione delle onde gravitazionali, ovvero la possibilità di poterle trasformare in onde radio, molto più conosciute ed investigabili.

La tecnica, ancora in fase sperimentale, prevede un range ad alta frequenza per questa conversione, grazie alla presenza di campi magnetici che distorcono la radiazione di fondo, la nota CMB[4].

Il duo che capeggia la ricerca mostra che questa distorsione può essere utilizzata per cercare onde gravitazionali ad alta frequenza generate da sorgenti cosmiche provenienti da epoche remote dell’Universo, quantomeno risalenti all’età oscura.

Le età oscura è il periodo tra il momento di formazione degli atomi e quello in cui le prime stelle hanno illuminato il cosmo: di questo tempo non si hanno informazioni esaustive circa la distribuzione della materia. Per questo motivo lo studio in esame può portare a conseguenze significative nella conoscenza di tali epoche.

Concludendo in termini tecnici, riporto la traduzione due virgolettati di Domcke, uno degli autori dell’articolo:

“Le probabilità che queste onde gravitazionali ad alta frequenza si convertano in onde radio sono minime, ma controbilanciamo queste probabilità utilizzando un enorme rivelatore, il cosmo”.

“Il fondo cosmico a microonde fornisce un limite superiore all’ampiezza delle onde gravitazionali ad alta frequenza che si convertono in onde radio. Queste onde ad alta frequenza sono oltre la portata degli interferometri laser LIGO, Virgo e KAGRA”.

 

Fonti:

Riporto infine in questo link il riferimento all’articolo originale sul fondo CMB e a questo link invece il riferimento al metodo delle pulsar.

Note:

[1] Coalescenza: il processo, spiegato nel dettaglio a questo link

[2] Ampiezza dell’onda: è descritta dal fattore “h”, indica una misura della grandezza del fenomeno. Tanto più h è grande, tanto più grandi saranno anche le increspature.

[3] Team americano: per dettagli sullo studio si rimanda al seguente link, in cui trovare riferimenti sull’articolo originale

[4] CMB: Cosmic Microwave Background, per dettagli ulteriori rimando a questo link

Informazioni su Edoardo Feudatari 8 Articoli
Sono un ragazzo di Padova, nato a Mantova nel 1993. Eterno studente, laureato in Psicologia e Astronomia, coltivo interessi in molti campi. Mi ritengo una persona poliedrica, un modo edulcorato per nascondere un curriculum schizofrenico che spazia dalla musica, allo sport, al bartending, ai motori, all'arbitraggio. Le molteplici esperienze mi hanno permesso di entrare in contatto con ambienti molto diversi e persone di ogni età e contesto, permettendomi di affinare adattabilità ed elasticità, problem solving, gestione dello stress e collaborazione in team anche con ruoli di responsabilità

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