Chì sò l'onde gravitazionali è a so scuperta
L'onde gravitazionali sò una di e scuperte più stupende di a fisica muderna perchè danu à l'omu un "novu modu" d'osservà l'universu. Mentre l'astronomia s'hè prima basata nantu à a luce - da a luce visibile, a radio, l'infrarossu, à i raggi X - l'onde gravitazionali ci permettenu di sente e "vibrazioni" di u spaziu è di u tempu stessu. Stu fenomenu ùn hè micca solu una teoria; l'onde gravitazionali sò state rilevate direttamente, aprendu un novu capitulu in a ricerca cosmica, in particulare per ciò chì riguarda l'uggetti estremi cum'è i buchi neri è e stelle di neutroni.
Chì sò l'onde gravitazionali ?
In poche parole, l'onde gravitazionali sò increspature o "onde" chì si propaganu in u spaziu-tempu per via di l'accelerazione di una massa assai grande. U cuncettu di spaziu-tempu hà a so origine in a Teoria Generale di a Relatività di Albert Einstein (1915), chì vede a gravità micca cum'è una forza attrattiva, cum'è in a fisica newtoniana, ma cum'è una curvatura di u spaziu è di u tempu per via di a presenza di massa è energia. Quandu e grande masse si movenu in certi modi - per esempiu, dui buchi neri chì giranu l'unu intornu à l'altru - a curvatura di u spaziu-tempu cambia dinamicamente è emette disturbi chì si sparghjenu in tutte e direzzione. Sti disturbi sò chjamati onde gravitazionali.
L'onde gravitaziunali viaghjanu à a velocità di a luce. Tuttavia, u so effettu nant'à l'uggetti ch'elli attraversanu hè estremamente chjucu. Imaginate dui punti à un chilometru di distanza: un'onda gravitaziunale chì passa pò cambià sta distanza di menu di u diametru di un protone. Dunque, ancu s'è l'idea esiste dapoi u principiu di u XXu seculu, hà necessitatu una tecnulugia incredibilmente sofisticata per dimustrà la.
Fonti di onde gravitazionali in l'universu
Micca tutti i muvimenti di massa producenu onde gravitazionali misurabili. L'eventi di ogni ghjornu cum'è una vittura in muvimentu o una persona chì corre emettenu tecnicamente onde gravitazionali, ma e so ampiezze sò troppu chjuche per esse rilevate. L'onde gravitazionali osservabili sò tipicamente originate da eventi cosmici chì implicanu masse enormi, accelerazioni estreme è muvimenti asimmetrici.
Alcune di e principali fonti di onde gravitazionali includenu:
1. Fusione di buchi neri
Dui buchi neri in orbita perderanu energia per via di l'onde gravitazionali, e so orbite si restringeranu, è infine si scontreranu è si fonderanu. Questu avvenimentu pruducerà un putente signale d'onda gravitazionale.
2. Fusione di stelle di neutroni
Una stella di neutroni hè u core densu, residuu di una stella massiccia. Quandu duie stelle di neutroni si fusionanu, in più di pruduce onde gravitazionali, questu avvenimentu pò ancu emette luce in varie lunghezze d'onda è pruduce elementi pesanti cum'è l'oru.
3. Supernove è esplosioni di stelle massive
U crollu di u core di una stella hè qualchì volta asimmetricu è pò emette onde gravitazionali, ancu s'è a so rilevazione hè assai difficiule.
4. Rotazione imperfetta di stelle di neutroni
Sè una stella di neutroni gira cù una ligera "urto" o irregularità, pò emette onde gravitazionali continuamente.
5. Onde gravitazionali primordiali
Hè statu ipotizzatu chì l'universu primitivu hà pruduttu onde gravitaziunali chì si sò "congelate" in u fondu cosmicu. S'ellu hè rilevatu, questu puderia furnisce indizii nantu à i primi secondi dopu à u Big Bang.
Da a teoria d'Einstein à a prima prova
Einstein hà previstu l'onde gravitazionali in u 1916 (è l'hà raffinate in u 1918) basendu si nantu à l'equazioni di a Relatività Generale. Ma per decennii, i scientifichi anu dibattitu se l'onde gravitazionali sò reali o solu artefatti matematichi. A difficultà deriva da u fattu chì u spaziu-tempu hè dinamicu; capisce ciò chì hè "veramente" misurabile ùn hè micca sempre faciule.
Un puntu di svolta cruciale hè accadutu à a mità di u XXu seculu quandu a teoria di a relatività s'hè sviluppata è i fisici anu cuminciatu à capisce chì l'onde gravitazionali portanu energia reale. Sè un sistema perde energia emettendu onde gravitazionali, allora a so orbita o u so muvimentu devenu cambià in modu misurabile.
Evidenza indiretta: pulsar binarie di Hulse-Taylor
In u 1974, dui astronomi - Russell Hulse è Joseph Taylor - anu scupertu un sistema binariu di pulsari chjamatu PSR B1913+16. I pulsari sò stelle di neutroni chì emettenu segnali radio periodichi cum'è "fari". In un sistema binariu, un pulsar orbita intornu à un'altra stella di neutroni. Sorprendentemente, u periodu orbitale di stu sistema diminuisce pianu pianu: i dui oggetti si avvicinanu.
Questa diminuzione hè in cunfurmità assai precisa cù e previsioni di a Relatività Generale nantu à a perdita d'energia per via di l'onde gravitazionali. Questu furnisce una prova indiretta assai forte chì l'onde gravitazionali esistenu. Per sta scuperta, Hulse è Taylor anu ricevutu u Premiu Nobel di Fisica in u 1993.
Scuperta diretta: LIGO è "sente" collisioni di buchi neri
Malgradu evidenze indirette convincenti, i scientifichi cercanu sempre a rilevazione diretta: catturà l'onde gravitazionali mentre passanu per a Terra. Stu sforzu scontra sfide significative perchè l'ampiezza di l'onde hè cusì chjuca. A suluzione hè di utilizà un interferometru laser, un dispositivu chì pò misurà cambiamenti estremamente chjuchi di distanza.
Cumu funziona LIGO ?
LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) hè un grande prughjettu in i Stati Uniti cù duie strutture principali: una in Hanford, Washington, è una in Livingston, Louisiana. Ognuna hà un bracciu interferometricu longu 4 chilometri. U fasciu laser hè divisu in dui fasci chì viaghjanu avanti è indietro longu i bracci, poi si ricombinanu. Quandu un'onda gravitazionale passa, cambia a lunghezza effettiva di i bracci assai ligeramente, producendu un mudellu d'interferenza misurabile è alteratu.
Avè dui detectori in lochi diversi hè cruciale per assicurà chì u signale osservatu ùn sia micca duvutu à interferenze lucali (cum'è un picculu terramotu, vibrazioni di veiculi, o altri fattori ambientali). Sè i dui detectori vedenu un mudellu coerente cù un ritardu di tempu ragiunevule, hè assai più prubabile chì u signale sia un'onda gravitazionale da u spaziu.
Prima rilevazione: GW150914
U 14 di settembre di u 2015, LIGO hà rilevatu un signale chjamatu dopu GW150914. Stu signale hè urighjinatu da a fusione di dui buchi neri cù masse circa dece volte a massa di u Sole, chì si hè verificata à più di un miliardu d'anni luce da a Terra. Stu avvenimentu hà pruduttu un "cinguettiu": un rapidu aumentu di frequenza è ampiezza chì hà righjuntu un piccu quandu i dui buchi neri si sò fusi, poi si sò calmati.
L'annunziu ufficiale hè statu fattu in ferraghju 2016 è hè statu subitu acclamatu cum'è una tappa impurtante. Sta scuperta ùn hà micca solu pruvatu direttamente l'onde gravitaziunali, ma hà ancu marcatu a prima rilevazione diretta di un sistema binariu di buchi neri.
Per i so cuntributi maiò à LIGO, u Premiu Nobel di Fisica 2017 hè statu attribuitu à Rainer Weiss, Barry C. Barish è Kip S. Thorne.
Perchè hè impurtante a scuperta di l'onde gravitazionali ?
A rilevazione di l'onde gravitazionali hè spessu chjamata l'iniziu di l'era di l'astronomia di l'onde gravitazionali. Ci sò parechje ragioni per chì questu hè rivoluzionariu:
1. Apertura di novi "sensi" per osservà l'universu
Parechji oggetti cosmichi, cum'è i buchi neri, ùn emettenu micca luce facilmente rilevabile. L'onde gravitazionali ci permettenu di studià questi oggetti direttamente per via di i so effetti nantu à u spaziu-tempu.
2. Pruvà a relatività generale in cundizioni estreme
E fusioni di buchi neri implicanu una gravità incredibilmente forte è velocità incredibilmente alte. Sò un laburatoriu naturale per testà e teorie d'Einstein in cundizioni estreme chì sò difficiuli da replicà nantu à a Terra.
3. Capisce l'urighjini di l'elementi pisanti
E fusioni di stelle di neutroni sò state dimustrate esse ligate à a furmazione di elementi pesanti per via di u prucessu r (cattura rapida di neutroni). Questu aiuta à risponde à a quistione: da induve sò venuti l'oru è u platinu in l'universu?
4. Mappatura di a pupulazione di buchi neri è stelle di neutroni
Cù parechje rilevazioni, i scientifichi ponu misurà a distribuzione di massa, i tassi di fusione è a storia di furmazione di sti oggetti compatti.
Penutup
L'onde gravitaziunali sò increspature in u spaziu-tempu previste da Einstein più di un seculu fà è infine cunfirmate per via di evidenze indirette in pulsar binarie è rilevazione diretta da LIGO in u 2015. Sta scuperta ùn hè micca solu una realizazione tecnica, ma un cambiamentu in u modu in cui l'omu vede u cosmos: pudemu avà "ascultà" l'universu, micca solu vedelu. Cù u sviluppu di novi rilevatori è cullaburazioni mundiali (cum'è Virgo in Europa, KAGRA in Giappone, è u LISA previstu in u spaziu), si prevede chì u futuru di l'astronomia di l'onde gravitaziunali diventerà ancu più riccu, avvicinenduci à e risposte à i più grandi misteri di l'universu.
