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Cosa sono le onde gravitazionali? Scopriamolo, numeri alla mano

Ricordiamo anzitutto alcune nozioni della Relatività Generale (RG):
qualunque massa produce una distorsione dello spazio circostante che quindi si “piega” attorno ad essa. Questo effetto si produce anche per la nostra auto o per noi stessi: solo che , vista l’entità delle masse in oggetto, esso non è misurabile neanche con i più perfezionati rivelatori.
Così non è per masse ingenti, come ad esempio il nostro sole. La luce di una stella posta dietro al sole, e per questo da noi non visibile, è invece resa visibile per il fatto che il raggio di luce è piegato dalla presenza della massa del sole. In realtà dobbbiamo dire, più precisamente, non che il raggio di luce è piegato dalla massa del sole, ma che lo spazio attorno al sole è piegato e quindi la luce segue la spazio in questa sua deformazione.

Un altro fenomeno previsto dalla Relatività Generale è la produzione di onde gravitazionali. Quando una massa si muove rapidamente, quindi accelera o decelera (ricordiamo che accelerazioni e gravità sono la stessa cosa per la RG), la curvatura dello spazio circostante ha come delle increspature che si propagano nello spazio, proprio come nel caso classico del sasso gettato nello stagno. Sono queste appunto le onde gravitazionali. La nosta auto o noi stessi muovendoci generiamo onde gravitazionali, ma , ancora una volta, esse sono troppo piccole per essere rivelate. Bisogna quindi che ad accelerare o decelerare siano masse molto più grandi.
E' appunto ciò che è accaduto nella recente rilevazioni di onde gravitazionali.

Due buchi neri aventi rispettivamente 29 e 36 masse solari si sono avvicinati l’uno all’altro e, in un a frazione di secondo, si sono fusi in un unico buco nero di 62 masse solari. Ricordiamo che un buco nero è un oggetto con una densità di materia elevatissima, tale da piegare lo spazio attorno ad esso in modo che neanche un raggio di luce possa sfuggire. Per tale ragione appunto essi sono chiamati buchi neri: essi sono completamente invisibili perché nessuna forma di energia raggiante può sfuggire. Non è così per le onde gravitazionali prodottesi durante l'evento. Le incredibili accelerazioni hanno prodotto enormi variazioni di massa e quindi una serie di onde gravitazionali che si sono propagate nell’universo fino a giungere fino a noi.
Cosa interessante di questo evento il “ventagliodi grandezze fisiche in gioco: dall’infinitamente grande all’infinitamente piccolo. Mettiamo quindi dei numeri a questo evento.
Anzitutto la distanza a cui esso ha avuto luogo. Il nuovo buco nero si trova a circa 1,2 miliardi di anni luce da noi, cioè esso si è formato 1,2 miliardi di anni fa. Come abbiamo visto, il nuovo buco nero ha una massa di 62 masse solari e non 65 come la somma aritmetica vorrebbe. Ciò significa che ben 3 masse solari si sono trasformate in energia (ricordiamo che E=mc exp2), l’energia appunto trasmessa alle onde gravitazionali generate. Non osiamo immaginare gli effetti locali di una tale quantità di energia liberata: un oggetto di un metro che si fosse trovato nelle vicinanze avrebbe forse subito degli accorciamenti o allungamenti di milioni di volte...
La bomba atomica sganciata su Hiroshima aveva un potenza di circa 15000 tonnellate di TNT (Trinitrotoluene, un potentissimo esplosivo). Tale immensa quantità di energia è stata fornita da circa 200 grammi di U235 che hanno subito la fissione. La massa del sole è di circa 2x10exp33 gr. Le tre masse solari trasformate in energia equivalgono quindi a circa 3x10exp31 bombe atomiche della potenza di quella sganciata su Hiroshima. Questa immensa quantità di energia, sotto forma di onde gravitazionali, ha quindi viaggiato per 1,2 miliardi di anni nello spazio per giungere infine a noi. Evidentemente durante questo viaggio le onde gravitazionali hanno via via diminuito la loro intensità fino a valori piccolissimi rispetto al valore di partenza.

I rivelatori sulla terra debbono quindi essere estremamente sensibili. L’interferometro LIGO che ha rivelato le onde gravitazionali, è composto da due bracci ad angolo retto di alcuni chilometri di lunghezza. L’angolo retto permette di rivelare onde da qualunque parte esse provengano. Ogni braccio possiede un emettitore laser e degli specchi alle estremità in modo da misurare ogni possibile allungamento o accorciamento dovuto alle onde gravitazionali: questo sarebbe misurato dalla interferenza tra i raggi laser, che hanno sensibilita’ elevatissime. E’ chiaro che ogni cura è stata posta per evitare rumori o altre cause di errore. Per questa ragione esistono due riveletori del tipo LIGO posti a parecchie migliaia di chilometri di distanza l’uno dall’altro: in tal modo una causa locale di errore non sarà, con ogni probabilità, presente in tutti e due i rivelatori.
L’intensità del fenomeno atteso, cioè l’allungamento-accorciamento delle due estremità del braccio di LIGO è di un decimillesimo delle dimensioni di un protone. Ricordiamo che un protone ha un diametro stimato di circa 10exp-18 m. LIGO è quindi capace di rilevare spostamenti della lunghezza dei bracci dell’ordine di 10exp-22 m: un valore davvero piccolo.
L’importanza del rilevamento delle onde gravitazionali è grandissima. Come detto, i buchi neri non emettono alcuna forma di energia raggiante , e sono quindi praticamente invisibili. La loro presenza è quindi indicata solo dai loro effetti gravitazionali. Le indicazioni fornite dalle onde gravitazionali provenienti dai loro movimenti sarebbe quindi un aiuto prezioso per il loro studio. Si parla di un nuovo interferometro triangolare posto nello spazio con i bracci lunghi milioni di chilometri: esso potrebbe essere più sensibile di LIGO di migliaia di volte.
Vista l’incredibile precisione richiesta nelle misure riportate , la prudenza è d’obbligo. Bisogna prima di tutto attendere la pubblicazione dei risultati ufficiali. Ci vorrà poi del tempo per discutere ed eliminare tutte le possibili cause di errore. Non vorremmo, ma dobbiamo, purtroppo, ricordare le storia dei neutrini che andavano più veloci della luce...

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Credit foto: debussy77 - Fotolia.com

19/02/2016