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Voci tra i fisici: forse scoperte le onde gravitazionali, ultimo tassello della Teoria della relatività https://t.co/jdZ7Pv4ye9

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Dal settembre scorso i bassifondi “fisici” di Internet sono percorsi da indiscrezioni e gossip riguardo una scoperta da permio Nobel immediato: l’osservazione diretta delle onde gravitazionali.
Qualche giorno fa, un fisico della McMaster University e del Perimeter Institute (Canada) ha inviato un’email al suo intero dipartimento per avvisarli che probabilmente questo giovedì, 11 Febbraio, apparirà su Nature un articolo della collaborazione LIGO sull’osservazione delle onde gravitazionali prodotte dalla fusione di due buchi neri.
L’email è finita immediatamente su Twitter:

Ma cosa sono le onde gravitazionali? Perché sono così importanti? E cosa vuol dire “ringdown to Kerr”?

La teoria della relatività generale di Einstein spiega come qualunque concentrazione di massa (e quindi di energia) in un punto curvi lo spazio-tempo attorno a sé: maggiore è la massa, maggiore sarà la curvatura. Se una massa accelera, emetterà onde gravitazionali, analogamente a quanto fa una carica accelerata che emette onde elettromagnetiche (così funzionano le antenne). Queste onde non sono altro che la curvatura dello spazio-tempo che si propaga nello spazio-tempo stesso. L’intensità di tali onde è molto debole, per cui in pratica servono masse grandissime, come quelle delle stelle per emettere un segnale rivelabile.
Teorizzate nel 1916 da Einstein, finora abbiamo avuto solo evidenze indirette della sua esistenza, che ha però già portato due premi Nobel, Russel Hulse e Joseph Taylor: nel 1974, usando il telescopio di Arecibo, i due scoprirono la prima pulsar (ovvero una stella di neutroni che gira molto velocemente su sé stessa emettendo due potenti getti di radiazione elettromagnetica) ruotante attorno ad un’altra stella. L’emissione di onde gravitazionel sottrae energia al sistema binario e fa sì che le due stelle spiraleggino l’una verso l’altra. Misurando la diminuzione della loro orbita (1 cm al giorno) nel corso degli anni, si è verificato che la perdita d’energia delle due stelle coincide con quella prevista da Einstein. Qua un’animazione del sistema binario e della produzione di onde gravitazionali.

Tuttavia manca(va?) ancora un’osservazione diretta.
Per questo motivo, due esperimenti sono stati costruiti dopo il 2000: VIRGO a Cascina, vicino a Pisa, e LIGO, con due osservatori, uno in Lousiana e uno nello stato di Washington.
Prossimamente un altro osservatorio, LISA, verrà costruito nello spazio (abbiamo parlato di Pathfinder, il precursore di LISA, su hookii).

Il principio di funzionamento di questi esperimenti è quello dell’interferometro: un fascio laser viene diviso in due, mandandolo in due lunghi bracci (3 o 4 km) fra di loro perpendicolari; alla fine dei bracci uno specchio riflette i fasci laser che si ricombinano infine su un rivelatore. Se lo spazio percorso dai due fasci è esattamente lo stesso, questi arriveranno in fase sul rivelatore, sommando i loro segnali; se invece un’onda gravitazionale colpisce l’osservatorio mentre i fasci stanno viaggando lungo i bracci, lo spazio si deformerà in modo differente nelle due direzioni perpendicolari, per cui la luce percorrerà due distanze diverse prima di arrivare al rivelatore e i segnali dei due fasci avranno una fase diversa, per cui il loro segnale non si sommerà come prima.

L’osservazione diretta apre la strada ad un nuovo tipo di astronomia, quella gravitazionale: in questo modo saremmo in grado di osservare fenomeni non visibili (come la fusione di due buchi neri!) con i normali telescopi che guardano lo spettro della radiazione elettromagnetica.

Cosa vuol dire “ringdown to Kerr”?
Quando due buchi neri si fondono insieme, il risultato all’inizio non sarà un buco nero in equilibrio, ma sarà deformato. Il buco nero emetterà onde gravitazionali per liberarsi di queste deformità e finire nel suo stato di equilibrio come predetto dalle equazioni di Einstein. Questo processo si chiama “ringdown”. Se il buco nero risultante sarà un buco nero ruotante (come quello di Interstellar), allora si chiama buco nero di Kerr.