Una nuova finestra sull’Universo: cosa sono le onde gravitazionali e a cosa servono

Negli ultimi anni stiamo assistendo ad una rivoluzione in astronomia: la prima conferma sperimentale dell'esistenza delle onde gravitazionali avvenuta nel 2015 ha aperto una nuova finestra sull'Universo, permettendoci di indagare fenomeni prima inaccessibili all'osservazione tramite telescopi. Esse possono essere descritte come increspature dello spazio-tempo teorizzate per la prima volta da Albert Einstein e misurate sperimentalmente molti decenni dopo con appositi rilevatori. Vediamo insieme più in dettaglio cosa sono le onde gravitazionali e cosa gli scienziati possono imparare di nuovo sull'Universo in cui viviamo.

Cosa sono e quando sono state scoperte le onde gravitazionali?

L'ipotetica esistenza delle onde gravitazionali fu una delle prime predizioni della teoria della Relatività Generale di Albert Einstein. Ricordiamo che questa teoria mette in relazione la struttura dello spazio-tempo con le masse che in esso vi si trovano: ogni oggetto dotato di massa curva in maniera più o meno accentuata lo spazio-tempo che, altrimenti, sarebbe piatto.

Ad un anno dalla pubblicazione delle equazioni della Relatività Generale, Einstein si rese immediatamente conto che esse implicavano l'esistenza di onde di gravità che si muovono alla velocità della luce. Queste onde gravitazionali possono essere immaginate come increspature dello spazio-tempo che modificano le distanze spazio-temporali tra i costituenti della materia e ne causano compressioni e dilatazioni.

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La teoria di Einstein prevede che ogni corpo in accelerazione, non dotato di una distribuzione di massa a simmetria sferica, può emettere onde gravitazionali. Questo significa che anche un essere umano, un'auto o un aereo possono emettere onde gravitazionali, ma le loro accelerazioni e masse sono così piccole da renderne la rilevazione impossibile con gli strumenti attuali. Le onde gravitazionali, a parte causare l'effetto di modifica delle distanze spazio-temporali prima menzionato, interagiscono molto debolmente con la materia, di conseguenza viaggiano quasi indisturbate per miliardi di anni-luce, permettendoci di sondare le aree più remote del cosmo.

Quali strumenti si usano per rilevarle?

Dal momento che le onde gravitazionali causano una modifica delle distanze spazio-temporali tra i costituenti della materia, gli astronomi sfruttano proprio questo effetto per poterle rilevare. Lo strumento usato è un interferometro, cioè un sistema formato da due tunnel di 3 e 4 km in cui viene creato il vuoto e alle cui estremità vi sono delle masse. Il passaggio di onde gravitazionali comprime e dilata le distanze all'interno dei bracci. Questa variazione viene misurata con un complesso sistema di laser e messa in relazione con l'intensità e la frequenza delle onde gravitazionali passanti.

La prova della loro esistenza

Per rendersi conto di quanto sofisticato questo sistema debba essere, pensate che gli eventi astronomici rilevati con gli interferometri moderni sono in grado di rilevare spostamenti dell'ordine di una piccola frazione delle dimensioni di un nucleo atomico. L'Italia è tra i pionieri dello studio delle onde gravitazionali, difatti uno dei due rilevatori di onde gravitazionali attualmente attivi, ovvero VIRGO, si trova in provincia di Pisa. L'altro, LIGO, si trova invece negli Stati Uniti d'America ed è stato il primo a rilevare il passaggio di onde gravitazionali nel 2015, evento che valse agli scienziati Rainer Weiss, Barry C. Barish and Kip S. Thorne il premio Nobel per la Fisica nel 2017.

Da quali sorgenti provengono le onde gravitazionali?

La tecnologia attuale ci permette di rilevare solo alcuni dei processi astrofisici emettenti onde gravitazionali, ma che costituiscono comunque tra gli eventi più estremi ed affascinanti che il cosmo ha da offrirci. Le prime onde gravitazionali rilevate nel 2015, GW150914, provenivano dalla fusione di un sistema binario formato da due buchi neri stellari (cioè la cui formazione è avvenuta per collasso di stelle massicce). Utilizzando la relatività Generale e complesse simulazioni al computer, i ricercatori sono in grado di ricreare l'intensità e la frequenza dei segnali astrofisici attesi.

Dal confronto tra questi modelli e ciò che è stato osservato, i ricercatori sono giunti alla conclusione che i due buchi neri si trovavano ad una distanza di 1.3 miliardi di anni-luce e che la loro fusione ha dato origine ad un nuovo più massiccio buco nero di 62 masse solari a partire dalle 29 e 36 masse solari iniziali. La differenza tra le masse dei singoli buchi neri e quella del nuovo buco nero più grande che si è formato non è andata persa, ma si è trasformata in energia ed è stata irradiata nel cosmo sotto forma di onde gravitazionali giunte fino a noi.

Le sorgenti astrofisiche che hanno dato origine alle onde gravitazionali fino ad ora rilevate sono per lo più costituite da sistemi binari fatti di due stelle di neutroni, due buchi neri o una stella di neutroni e un buco nero. I costituenti di questo sistema binario iniziano ad orbitare sempre più vicini tra di loro, accelerandosi a vicenda fino a velocità relativistiche (necessarie per emettere onde gravitazionali abbastanza intense da essere rilevate) salvo poi fondersi in un unico oggetto. Altre sorgenti di onde gravitazionali sono il collasso di stelle massicce in supernovae e le onde gravitazionali cosmologiche provenienti dai primi istanti di vita dell'Universo. Queste ultime due sorgenti producono onde gravitazionali che non sono ancora rilevabili coi moderni strumenti, ma che si spera possano essere trovate con strumenti di nuova generazione come LISA, un esperimento congiunto NASA/ESA che sarà lanciato nello spazio nel 2034.

L'importanza delle onde gravitazionali per lo studio dell'universo

Il motivo per cui le onde gravitazionali aprono una nuova finestra sullo studio dell'Universo sta nel fatto che esse ci permettono di studiare fenomeni inaccessibili ad uno studio basato puramente sulla radiazione elettromagnetica. Ad esempio, le onde gravitazionali ci permettono di studiare la Relatività Generale nelle condizioni di campo forte, cioè in presenza di oggetti che distorcono in maniera incredibile lo spazio-tempo, come i buchi neri.

Inoltre, esse ci permetteranno di scoprire cosa avviene nei primi momenti dell'Universo: la più antica radiazione elettromagnetica che possiamo vedere è quella della radiazione cosmica di fondo che ci mostra come era l'Universo quando esso aveva circa trecentomila anni, ma le onde gravitazionali primordiali o cosmologiche provengono da ancora più lontano e ci permetteranno di scoprire cosa c'è dietro questo muro per ora invalicabile.

La scienza delle onde gravitazionali è solo all'inizio della sua storia. Nuove sorgenti di onde gravitazionali vengono scoperte nel cosmo ogni mese da VIRGO e LIGO e nuovi esperimenti sono sulla rampa di lancio per i prossimi anni. Questi studi, specialmente quelli sulle onde gravitazionali primordiali, costituiscono una delle aree più promettenti per ampliare, o chissà riscrivere, le conoscenze sull'Universo e su come esso si è formato.