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La danza cosmica delle stelleIl Sole 24 Ore
11 Sep 2016
di Ful­vio Ric­ci
La sco­per­ta del­le on­de gra­vi­ta­zio­na­li, la cui eco è rim­bal­za­ta in ogni an­go­lo del mon­do, rap­pre­sen­ta dav­ve­ro un pas­so sto­ri­co per la no­stra co­no­scen­za. A cen­to an­ni dal­le pre­vi­sio­ni teo­ri­che di Al­bert Ein­stein, ci ha av­via­ti in una nuo­va epo­ca, ha da­to ini­zio all’astro­no­mia gra­vi­ta­zio­na­le.
Nel­la vi­ta quo­ti­dia­na sia­mo abi­tua­ti a os­ser­va­re tan­ti ti­pi di­ver­si di fe­no­me­ni on­du­la­to­ri: le on­de d’ac­qua, la lu­ce, le on­de so­no­re emes­se da uno stru­men­to mu­si­ca­le, le on­de elet­tro­ma­gne­ti­che che fan­no fun­zio­na­re te­le­fo­ni­ni e te­le­vi­so­ri.
Nel­la vi­ta quo­ti­dia­na sia­mo abi­tua­ti a os­ser­va­re tan­ti ti­pi di­ver­si di fe­no­me­ni on­du­la­to­ri: le on­de d’ac­qua, la lu­ce, le on­de so­no­re emes­se da uno stru­men­to mu­si­ca­le, le on­de elet­tro­ma­gne­ti­che che fan­no fun­zio­na­re te­le­fo­ni­ni e te­le­vi­so­ri.
Che ti­po di on­de so­no al­lo­ra quel­le gra­vi­ta­zio­na­li? In real­tà, es­se so­no de­bo­li in­cre­spa­tu­re nel­lo spa­zio­tem­po, il mon­do a quat­tro di- men­sio­ni che Ein­stein ha crea­to nel­le sue teo­rie del­la Re­la­ti­vi­tà Ri­stret­ta e Ge­ne­ra­le. Il pas­sag­gio di un’on­da gra­vi­ta­zio­na­le de­ter­mi­na il cam­bia­men­to sia del­la di­stan­za tra gli og­get­ti, sia del­la lo­ro stes­sa di­men­sio­ne, ma ta­le cam­bia­men­to è una quan­ti­tà inim­ma­gi­na­bil­men­te pic­co­la, per­ché le on­de gra­vi­ta­zio­na­li in­te­ra­gi­sco­no in mo­do estre­ma­men­te de­bo­le con la ma­te­ria. Que­sto ren­de mol­to dif­fi­ci­le la lo­ro ri­le­va­zio­ne, ma rap­pre­sen­ta an­che un van­tag­gio: que­ste on­de si pos­so­no pro­pa­ga­re at­tra­ver­so lo spa­zio in­ter­stel­la­re sen­za es­se­re al­te­ra­te e le in­for­ma­zio­ni che tra­spor­ta­no non so­no mo­di­fi­ca­te. Per pro­dur­re un’on­da gra­vi­ta­zio­na­le “ef­fi­ca­ce” oc­cor­re che un cor­po mol­to mas­sic­cio, ad esem­pio una stel­la, sia ac­ce­le­ra­to. Mol­te stel­le fan­no par­te di si­ste­mi dop­pi, ov­ve­ro og­get­ti che ruo­ta­no uno in­tor­no all’al­tro gra­zie al­la re­ci­pro­ca at­tra­zio­ne gra­vi­ta­zio­na­le.
Che ti­po di on­de so­no al­lo­ra quel­le gra­vi­ta­zio­na­li? In real­tà, es­se so­no de­bo­li in­cre­spa­tu­re nel­lo spa­zio­tem­po, il mon­do a quat­tro di- men­sio­ni che Ein­stein ha crea­to nel­le sue teo­rie del­la Re­la­ti­vi­tà Ri­stret­ta e Ge­ne­ra­le. Il pas­sag­gio di un’on­da gra­vi­ta­zio­na­le de­ter­mi­na il cam­bia­men­to sia del­la di­stan­za tra gli og­get­ti, sia del­la lo­ro stes­sa di­men­sio­ne, ma ta­le cam­bia­men­to è una quan­ti­tà inim­ma­gi­na­bil­men­te pic­co­la, per­ché le on­de gra­vi­ta­zio­na­li in­te­ra­gi­sco­no in mo­do estre­ma­men­te de­bo­le con la ma­te­ria. Que­sto ren­de mol­to dif­fi­ci­le la lo­ro ri­le­va­zio­ne, ma rap­pre­sen­ta an­che un van­tag­gio: que­ste on­de si pos­so­no pro­pa­ga­re at­tra­ver­so lo spa­zio in­ter­stel­la­re sen­za es­se­re al­te­ra­te e le in­for­ma­zio­ni che tra­spor­ta­no non so­no mo­di­fi­ca­te. Per pro­dur­re un’on­da gra­vi­ta­zio­na­le “ef­fi­ca­ce” oc­cor­re che un cor­po mol­to mas­sic­cio, ad esem­pio una stel­la, sia ac­ce­le­ra­to. Mol­te stel­le fan­no par­te di si­ste­mi dop­pi, ov­ve­ro og­get­ti che ruo­ta­no uno in­tor­no all’al­tro gra­zie al­la re­ci­pro­ca at­tra­zio­ne gra­vi­ta­zio­na­le.
Che ti­po di on­de so­no al­lo­ra quel­le gra­vi­ta­zio­na­li? In real­tà, es­se so­no de­bo­li in­cre­spa­tu­re nel­lo spa­zio­tem­po, il mon­do a quat­tro di- men­sio­ni che Ein­stein ha crea­to nel­le sue teo­rie del­la Re­la­ti­vi­tà Ri­stret­ta e Ge­ne­ra­le. Il pas­sag­gio di un’on­da gra­vi­ta­zio­na­le de­ter­mi­na il cam­bia­men­to sia del­la di­stan­za tra gli og­get­ti, sia del­la lo­ro stes­sa di­men­sio­ne, ma ta­le cam­bia­men­to è una quan­ti­tà inim­ma­gi­na­bil­men­te pic­co­la, per­ché le on­de gra­vi­ta­zio­na­li in­te­ra­gi­sco­no in mo­do estre­ma­men­te de­bo­le con la ma­te­ria. Que­sto ren­de mol­to dif­fi­ci­le la lo­ro ri­le­va­zio­ne, ma rap­pre­sen­ta an­che un van­tag­gio: que­ste on­de si pos­so­no pro­pa­ga­re at­tra­ver­so lo spa­zio in­ter­stel­la­re sen­za es­se­re al­te­ra­te e le in­for­ma­zio­ni che tra­spor­ta­no non so­no mo­di­fi­ca­te. Per pro­dur­re un’on­da gra­vi­ta­zio­na­le “ef­fi­ca­ce” oc­cor­re che un cor­po mol­to mas­sic­cio, ad esem­pio una stel­la, sia ac­ce­le­ra­to. Mol­te stel­le fan­no par­te di si­ste­mi dop­pi, ov­ve­ro og­get­ti che ruo­ta­no uno in­tor­no all’al­tro gra­zie al­la re­ci­pro­ca at­tra­zio­ne gra­vi­ta­zio­na­le.
Se le stel­le, coin­vol­te in que­sta dan­za co­smi­ca, so­no mol­to den­se e vi­ci­ne tra lo­ro, al­lo­ra so­no un si­ste­ma idea­le per l’emis­sio­ne di on­de gra­vi­ta­zio­na­li. Il fat­to di emet­te­re ra­dia­zio­ne gra­vi­ta­zio­na­le fa sì che il si­ste­ma di stel­le per­da ener­gia mec­ca­ni­ca, de­ter­mi­nan­do il lo­ro pro­gres­si­vo av­vi­ci­na­men­to, si­no al­lo scon­tro fi­na­le. A ma­no a ma­no che le due stel­le si av­vi­ci­na­no, la lo­ro ve­lo­ci­tà di ro­ta­zio­ne re­ci­pro­ca au­men­ta, l’emis­sio­ne gra­vi­ta­zio­na­le di­vie­ne più in­ten­sa e il se­gna­le è mes­so a fre­quen­ze sem­pre più al­te.
Que­ste on­de pos­so­no es­se­re ri­ve­la­te a Ter­ra da spe­cia­li stru­men­ti: gli in­ter­fe­ro­me­tri per on­de gra­vi­ta­zio­na­li. Per os­ser­va­re il cam­bia­men­to del­lo spa­zio at­tor­no a noi, ov­ve­ro del­la di­stan­za tra gli og­get­ti che ci cir­con­da­no, pos­sia­mo di­spor­re due spec­chi in po­si­zio­ni di­ver­se fa­cen­do rim­bal­za­re la lu­ce tra lo­ro. In que­sto mo­do l’ar­ri­vo dell’on­da gra­vi­ta­zio­na­le è se­gna­la­to dal cam­bia­men­to del tem­po im­pie­ga­to dal­la lu­ce per rim­bal­za­re tra i due spec­chi.
Que­ste on­de pos­so­no es­se­re ri­ve­la­te a Ter­ra da spe­cia­li stru­men­ti: gli in­ter­fe­ro­me­tri per on­de gra­vi­ta­zio­na­li. Per os­ser­va­re il cam­bia­men­to del­lo spa­zio at­tor­no a noi, ov­ve­ro del­la di­stan­za tra gli og­get­ti che ci cir­con­da­no, pos­sia­mo di­spor­re due spec­chi in po­si­zio­ni di­ver­se fa­cen­do rim­bal­za­re la lu­ce tra lo­ro. In que­sto mo­do l’ar­ri­vo dell’on­da gra­vi­ta­zio­na­le è se­gna­la­to dal cam­bia­men­to del tem­po im­pie­ga­to dal­la lu­ce per rim­bal­za­re tra i due spec­chi.
Il si­ste­ma in­ter­fe­ro­me­tri­co per on­de gra­vi­ta­zio­na­li uti­liz­za rag­gi la­ser ri­fles­si da spec­chi po­sti a di­stan­ze chi­lo­me­tri­che. Per de­dur­re la di­re­zio­ne di pro­ve­nien­za dei se­gna­li pro­dot­ti dal si­ste­ma bi­na­rio, si uti­liz­za il me­to­do del­la trian­go­la­zio­ne, co­me nel ca­so dei se­gna­li del si­ste­ma sa­tel­li­ta­re GPS: si sfrut­ta l’in­for­ma­zio­ne rac­col­ta da al­me­no tre ri­ve­la­to­ri po­sti in pun­ti di­ver­si del­la Ter­ra. I tre si­ste­mi so­no, nel no­stro ca­so, i due in­ter­fe­ro­me­tri LIGO ne­gli Sta­ti Uni­ti, a Li­ving­ston e a Han­ford, fi­nan­zia­ti dall’ame­ri­ca­na Na­tio­nal Scien­ce Foun­da­tion (NSF), che han­no ini­zia­to a rac­co­glie­re da­ti do­po i la­vo­ri di po­ten­zia­men­to a set­tem­bre del­lo scor­so an­no, e Vir­go, il ri­ve­la­to­re co­strui­to in Ita­lia, vi­ci­no a Pi­sa, dall’Isti­tu­to Na­zio­na­le di Fi­si­ca Nu­clea­re (INFN) ita­lia­no e dal Con­seil Na­tio­nal de la Re­cher­che Scien­ti­fi­que (CNRS) fran­ce­se, che rien­tre­rà in at­ti­vi­tà an­ch’es­so po­ten­zia­to in au­tun­no.
Il si­ste­ma in­ter­fe­ro­me­tri­co per on­de gra­vi­ta­zio­na­li uti­liz­za rag­gi la­ser ri­fles­si da spec­chi po­sti a di­stan­ze chi­lo­me­tri­che. Per de­dur­re la di­re­zio­ne di pro­ve­nien­za dei se­gna­li pro­dot­ti dal si­ste­ma bi­na­rio, si uti­liz­za il me­to­do del­la trian­go­la­zio­ne, co­me nel ca­so dei se­gna­li del si­ste­ma sa­tel­li­ta­re GPS: si sfrut­ta l’in­for­ma­zio­ne rac­col­ta da al­me­no tre ri­ve­la­to­ri po­sti in pun­ti di­ver­si del­la Ter­ra. I tre si­ste­mi so­no, nel no­stro ca­so, i due in­ter­fe­ro­me­tri LIGO ne­gli Sta­ti Uni­ti, a Li­ving­ston e a Han­ford, fi­nan­zia­ti dall’ame­ri­ca­na Na­tio­nal Scien­ce Foun­da­tion (NSF), che han­no ini­zia­to a rac­co­glie­re da­ti do­po i la­vo­ri di po­ten­zia­men­to a set­tem­bre del­lo scor­so an­no, e Vir­go, il ri­ve­la­to­re co­strui­to in Ita­lia, vi­ci­no a Pi­sa, dall’Isti­tu­to Na­zio­na­le di Fi­si­ca Nu­clea­re (INFN) ita­lia­no e dal Con­seil Na­tio­nal de la Re­cher­che Scien­ti­fi­que (CNRS) fran­ce­se, che rien­tre­rà in at­ti­vi­tà an­ch’es­so po­ten­zia­to in au­tun­no.
Il 14 set­tem­bre 2015, i due stru­men­ti sta­tu­ni­ten­si, ap­pe­na ini­zia­ta la nuo­va pre­sa da­ti, han­no os­ser­va­to per la pri­ma vol­ta in mo­do di­ret­to le on­de gra­vi­ta­zio­na­li. È sta­ta la col­li- sio­ne tra due bu­chi ne­ri av­ve­nu­ta un mi­liar­do di an­ni fa a pro­vo­ca­re que­sto se­gna­le: co­sic­ché, ol­tre a con­fer­ma­re l’esi­sten­za del­le on­de gra­vi­ta­zio­na­li, è sta­ta for­ni­ta an­che la pri­ma os­ser­va­zio­ne di­ret­ta del­la di­na­mi­ca di un si­ste­ma di bu­chi ne­ri. L’even­to è sta­to in­vi­si­bi­le per­fi­no ai te­le­sco­pi più po­ten­ti per­ché non è ac­com­pa­gna­to da emis­sio­ne di lu­ce. A giu­gno del 2016 è sta­ta poi an­nun­cia­ta la ri­le­va­zio­ne di un se­con­do se­gna­le, pro­dot­to an­che que­sta vol­ta dal­la fu­sio­ne di due bu­chi ne­ri, più leg­ge­ri dei pre­ce­den­ti.
Il 14 set­tem­bre 2015, i due stru­men­ti sta­tu­ni­ten­si, ap­pe­na ini­zia­ta la nuo­va pre­sa da­ti, han­no os­ser­va­to per la pri­ma vol­ta in mo­do di­ret­to le on­de gra­vi­ta­zio­na­li. È sta­ta la col­li- sio­ne tra due bu­chi ne­ri av­ve­nu­ta un mi­liar­do di an­ni fa a pro­vo­ca­re que­sto se­gna­le: co­sic­ché, ol­tre a con­fer­ma­re l’esi­sten­za del­le on­de gra­vi­ta­zio­na­li, è sta­ta for­ni­ta an­che la pri­ma os­ser­va­zio­ne di­ret­ta del­la di­na­mi­ca di un si­ste­ma di bu­chi ne­ri. L’even­to è sta­to in­vi­si­bi­le per­fi­no ai te­le­sco­pi più po­ten­ti per­ché non è ac­com­pa­gna­to da emis­sio­ne di lu­ce. A giu­gno del 2016 è sta­ta poi an­nun­cia­ta la ri­le­va­zio­ne di un se­con­do se­gna­le, pro­dot­to an­che que­sta vol­ta dal­la fu­sio­ne di due bu­chi ne­ri, più leg­ge­ri dei pre­ce­den­ti.
Que­sti fat­ti ci ri­ve­la­no che per noi si sta apren­do una nuo­va epo­ca di sco­per­te, un ve­ro te­so­ro di nuo­ve in­for­ma­zio­ni, di­ver­se da quel­le che già pos­se­dia­mo tra­mi­te i te­le­sco­pi ot­ti­ci, ra­dio, in­fra­ros­si, UV, X o gam­ma, tut­ti ba­sa­ti sul­la ra­dia­zio­ne elet­tro­ma­gne­ti­ca. Con la sco­per­ta del­le on­de gra­vi­ta­zio­na­li ab­bia­mo spa­lan­ca­to una fi­ne­stra dal­la qua­le ora pos­sia­mo os­ser­va­re in mo­do com­ple­ta­men­te nuo­vo il no­stro uni­ver­so.
– Coor­di­na­to­re del­la col­la­bo­ra­zio­ne Vir­go, INFN Isti­tu­to Na­zio­na­le di Fi­si­ca Nu­clea­re, e Sa­pien­za Uni­ver­si­tà di Ro­ma
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