Onde gravitazionali: cosa sono?

L’11 febbraio 2016 è una data che la comunità scientifica difficilmente potrà dimenticare. Lo scorso anno, infatti, in un tranquillo giovedi di metà febbraio, gli scienziati dell’osservatorio statunitense LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory/ Osservatorio Interferometro Laser delle Onde Gravitazionali), con cui l’Italia collabora attraverso l’Istituto di Fisica Nucleare INFN, acclamavano a gran voce una delle piu’ importanti scoperte dell’ultimo secolo. [ihc-hide-content ihc_mb_type=”show” ihc_mb_who=”1,2,3″ ihc_mb_template=”1″ ]L’entusiasmo generale che ne è poi seguito, e che ha lentamente coinvolto milioni e milioni di persone in tutto il mondo, non fu tanto dovuto alla scoperta in sè, quanto al carattere anche storico-culturale di cui essa si dipinge. Acclamare “Le onde gravitazionali esistono” è il punto di arrivo di un duro e sofisticato lavoro sperimentale frutto dell’utilizzo di strumenti di elevato valore tecnologico e di ore ed ore di osservazioni per niente semplici. Cio’ che pero’ fa più voce, è che la stessa identica frase fu pronunciata quasi più di un secolo fa da uno degli scienziati piu’ grandi di tutti i tempi, Albert Einstein, quale ipotesi nata da un lavoro di ricerca intellettiva e di calcoli matematici molto sofisticati, ma non di osservazioni dirette. E’ come se si stesse parlando dunque di una “predizione” rivelatasi vera solo dopo cento anni. Reagire con entuasiasmo ad una simile scoperta è dunque inevitabile.

J.J. Thomson, presidente della Royal Society negli anni ’20, nonché l’uomo che scoprì l’esistenza dell’elettrone, spendeva queste parole di elogio per la teoria della relatività einsteiniana: “Forse Einstein ha realizzato una delle massime conquiste del pensiero umano, ma nessuno è ancora riuscito a spiegare in un linguaggio chiaro in che cosa consista la sua teoria”. Molti scienziati, infatti, stentavano a credere alle ipotesi di Einstein. Il loro contenuto cosi come gli studi di Einstein in generale erano troppo complicati per qualunque mente dell’epoca, e forse anche di oggi. Il problema principale risiede nel fatto che il mondo scientifico accetta una ipotesi, un’idea detto in parole semplici, solo quando essa ha un riscontro pratico, ovvero quando è confermata da prove sperimentali. Dunque con l’osservazione diretta delle onde gravitazionali, ormai non ci sono più dubbi che la sua teoria fosse completamente giusta.

Il clamore che ha seguito questa importantissima scoperta è forse legato intrinsecamente piu’ alla persona di Einstein che al suo essere stato un grande scienziato. Ciò che lo ha reso infatti uno degli uomini piu’ conosciuti e amati di tutti i tempi è proprio il suo carattere eclettico e ironico. La sua “teoria della deflessione della luce” ebbe talmente successo che egli stesso pronunciò queste parole: “Da quando questo risultato è diventato di pubblico dominio, sono stato oggetto di un tale culto che mi sento come un idolo pagano. Ma anche questo passerà, se Dio vuole passerà.” Come se non avesse fatto nulla di eclatante. Ma il genere umano stava per subire un cambiamento irreversibile, dal quale sarebbe emersa una realtà nuova, una visione del mondo completamente diversa dal passato al punto che lo studio dell’universo non sarebbe mai stato più lo stesso.

Era il 10 novembre 1919 quando sul “Times” di Londra comparve a caratteri cubitali il seguente titolo: “Rivoluzione nella scienza: NUOVA TEORIA DELL’UNIVERSO, LA CONCEZIONE NEWTONIANA DEMOLITA”. Altre testate giornalistiche di alto livello internazionale come il “New York Times” e l’illustre giornale tedesco “Berliner Illustrierte Zeitung” tuonavano a gran voce un avvenimento dal carattere superlativo. Qualche mese prima, nel febbraio 1919, due equipe di scienziati partirono dalla Gran Bretagna, una alla volta della costa centrale dell’Africa, l’altra verso il Brasile, con l’obiettivo di studiare il comportamento della luce emessa da alcune stelle “fisse”. Proprio perché fisse, la posizione di tali stelle nella volta celeste è sempre la stessa, non cambia, e i due gruppi di scienziati partirono proprio con l’intento di studiare il loro comportamento di giorno e di notte. Era tuttavia necessario condurre un tale studio durante un’eclissi totale di Sole, (quando cioè il Sole si oscura completamente, evento molto raro in Europa), che rendeva l’osservazione del cielo in pieno giorno decisamente più semplice, essendo il Sole completamente oscurato. Dal confronto delle foto scattate di giorno e quelle di notte, emerse che loro posizione nelle due diverse istantanee era leggermente diversa. Era come se le stelle si fossero spostate, cosa che nella pratica è impossibile che avvenga per una qualunque stella fissa.

L’evento fu spiegato in maniera magistrale proprio da Einstein. Gli scienziati erano giunti alla conclusione che la vera posizione delle stelle era quella designata dalla fotografia notturna. Tuttavia, cio’ che emergeva dal confronto, rendendolo fuorviante, era che quella stessa identica posizione corrispondeva nella foto di giorno proprio al punto in cui c’era il Sole. In altre parole, le stelle non si sarebbero dovute affatto osservare di giorno, perchè il Sole le avrebbe dovute coprire completamente. Eppure il contenuto delle foto scattate di giorno era chiarissimo: le stelle si vedevano. Facendo leva sulla sua teoria della relatività, Einstein spiego’ che se le stelle apparivano nelle foto di giorno era perchè la luce che emettevano, trovandosi in prossimità del Sole stesso, deviava percorso, evitando cosi’ di “finire nel Sole”. Il risultato era dunque che di giorno si poteva ammirare una posizione apparente delle stelle fisse, non quella reale. Questo fenomeno è ben conosciuto come “deflessione della luce” o meglio “lente gravitazionale”.

La presenza di corpi molto pesanti nell’universo, come stelle, galassie e soprattutto buchi neri, distorce lo spazio a formare curve. Dunque così come una biglia che rotola su un pavimento deformato percorre una serie di curve, tutto ciò che si muove in uno spazio distorto segue una traiettoria curvilinea. Da questo principio è possibile spiegare il motivo per il quale il nostro pianeta ruota intorno al Sole: la presenza del Sole, più pesante della Terra, determina la formazione di una buca spaziale, che “spinge” la Terra a muoversi intorno ad un cerchio (un ellisse, per la precisione). Queste increspature e curvature dello spazio diventano tanto più consistenti quanto più massiccio è il corpo che le genera. Naturalmente, sulla Terra non si è in grado di percepire un fenomeno di questo tipo: le masse con cui comunemente entriamo in contatto sono effimere se paragonate a quelle stellari o di corpi extra stellari. Traducendo in cifre, un uomo pesa in media 70 kg mentre il nostro pianeta Terra pesa 6000000000000000000000000 kg (24 zeri…); di contro, il Sole ha una massa pari a 2000000000000000000000000000000 kg (30 zeri), niente in confronto ad un buco nero di media stazza, che pesa invece circa 30-50 volte il Sole.

Le due spedizioni del 1919 si rivelarono dunque fondamentali per il successo di Albert Einstein: dall’osservazione diretta di quanto ipotizzato dal grande scienziato ne derivo’ una delle teorie più affascinanti ed allo stesso tempo complesse di tutti i tempi. Accettare l’idea che lo spazio di possa distorcere e curvarsi fu molto complicato all’epoca, ed a tratti lo resta tuttora. Tuttavia, la mente di Einstein partori’ un’ulteriore ipotesi, figlia della relatività generale ma destinata a rimanere per molti anni solo il frutto di uno studio teorico, e per molti non vero. Dalla rotazione reciproca di due corpi molto ma molto pesanti, come due stelle, o meglio ancora, due buchi neri, si genererebbero delle “onde gravitazionali”, ovvero delle curvature dello spazio che non rimarrebbero fisse nei paraggi del corpo che le genera, ma si diffonderebbero addirittura nello spazio vuoto. Spiegare cosa accade nella pratica è veramente complicato, non solo nessun essere umano ne è mai stato coinvolto, ma addirittura tutto il Sistema Solare, la nostra “casa” nell’universo. Si tratta infatti di fenomeni che si sviluppano a velocità prossime a quella della luce, la massima raggiungibile, 300mila chilometri al secondo. Basti pensare che l’oggetto più veloce mai costruito dall’uomo è la sonda spaziale Juno, con una velocità di “soli” 73,61 chilometri al secondo.

L’ipotesi di Einstein era insomma destinata a rimanere tale, ad essere sempre e solo una speculazione mentale di un cervello geniale che forse si era spinto troppo al di là delle capacità umane. Infatti, molti aspetti di questa idea non hanno mai convinto la comunità scientifica internazionale. In primis, il concetto di “onda”. Era difficile immaginare un’onda in uno spazio vuoto, e vuoto vuol dire che in esso non c’è praticamente nulla, nè aria nè acqua. In secundis, un’ipotesi non verificabile sperimentalmente è destinata sicuramente a fallire. Tutto cio’ fino all’11 febbraio dello scorso anno, quando da un laboratorio statunitense, ad un secolo di distanza dalle fantomatiche “illazioni” di Einstein, un equipe di scienziati affermava con veemenza che il buon vecchio scienziato, per l’ennesima volta, aveva avuto ragione.

In effetti, e’ veramente complicato osservare un’onda gravitazionale. Occorrono masse veramente eccezionali per generarle, e non è un caso che la loro prima osservazione sia scaturita proprio dal movimento reciproco di due buchi neri, un evento alquanto raro e difficilissimo da osservare.
Ma ora sappiamo che essere esistono davvero, si producono nello spazio, e possono essere la causa di molti altri fenomeni nel nostro universo. In particolare, potrebbero aver dato luogo a molti eventi intrinsecamente legati alla nascita dell’universo e alla sua evoluzione; eventi che potrebbero far luce sulla nascita del tempo, così come offrire uno spunto per prevedere il futuro dell’universo stesso. La corsa alla scoperta dell’ignoto continua, e chissà che nei prossimi anni non si arricchisca di altre affascinanti osservazioni.[/ihc-hide-content]


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