Gli scienziati hanno sentito l'aria della gravità per la prima volta.
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Quando due buchi neri si avviarono l'uno verso l'altro e si unirono, crearono increspature nel tessuto del cosmo esattamente nella forma che i fisici hanno previsto per un secolo: onde gravitazionali. Presentato oggi durante una serie di conferenze stampa internazionali, il segnale apre la strada a una comprensione completamente nuova dell'universo.
"Questa è la prima volta che l'universo ci parla attraverso le onde gravitazionali. Fino ad ora siamo stati sordi", ha dichiarato il direttore del laboratorio LIGO David Reitze, dell'Università della Florida, in occasione di un evento stampa a Washington, DC.
Alla base delle onde gravitazionali c'è la teoria della gravità di Albert Einstein, secondo cui qualsiasi cosa con massa deforma il tessuto stesso dello spazio-tempo. Quando gli oggetti enormi si muovono, creano distorsioni nel tessuto cosmico, generando onde gravitazionali. Queste onde si increspano nell'universo come onde sonore che pulsano nell'aria.
La teoria di Einstein prevede che l'universo brulichi di onde gravitazionali, ma fino ad ora non siamo stati in grado di rilevarli, in parte perché le onde sono eccezionalmente deboli. Ma ancor prima che i suoi strumenti aggiornati diventassero ufficialmente online l'anno scorso, il Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) ha raccolto un chiaro segnale dalla potente collisione di due buchi neri a 1, 3 miliardi di anni luce di distanza.
"Avere un segnale d'onda gravitazionale rilevato mentre LIGO non è ancora vicino alla sensibilità progettuale nella prima serie scientifica è sorprendente, è sbalorditivo, in un buon modo" dice Joan Centrella, che ha diretto il Laboratorio di astrofisica gravitazionale al Goddard Space Flight della NASA Centro prima di diventare vicedirettore della divisione di scienza astrofisica a Goddard.
Quell'euforia si diffuse attraverso l'osservatorio di LIGO a Livingston, in Louisiana, e nel resto del mondo mentre la squadra faceva il suo annuncio. Quasi tutto ciò che gli astronomi hanno appreso sul cosmo proviene da diverse forme di luce, come visibili, onde radio e raggi X. Ma proprio come le onde sismiche possono rivelare strutture nascoste in profondità all'interno della Terra, le onde gravitazionali portano con sé informazioni sulle proprietà nascoste dell'universo che nemmeno la luce può rivelare.
"Abbiamo iniziato con un lavoro ad alto rischio con un potenziale di guadagno molto elevato", ha dichiarato durante l'evento stampa Kip Thorne, co-fondatore di LIGO e fisico gravitazionale presso il California Institute of Technology. "E oggi siamo qui con un grande trionfo, un modo completamente nuovo di osservare l'universo."
Indizi precoci
La caccia alle onde gravitazionali è iniziata un secolo fa, con la pubblicazione della teoria generale della relatività di Einstein. A metà degli anni '70, i fisici Russell A. Hulse e Joseph H. Taylor, Jr. acquisirono prove estremamente convincenti dell'esistenza di queste increspature. Misurarono il tempo impiegato da due stelle di neutroni dense - i nuclei schiacciati di stelle un tempo imponenti - per orbitarsi a vicenda.
Sulla base del lavoro di Einstein, sapevano che queste stelle dovevano irradiare energia gravitazionale mentre ruotavano, e che l'energia persa avrebbe dovuto farli spirare l'uno verso l'altro. Dopo aver studiato le due stelle per i prossimi anni, videro che l'orbita diminuiva esattamente della quantità prevista dalla relatività generale.
Mentre quella scoperta ha valso al duo il premio Nobel per la fisica nel 1993, la maggior parte dei fisici non lo definirebbe un rilevamento diretto delle onde gravitazionali.
Nel 2001, LIGO iniziò a operare in due località distanti 1.875 miglia: una a Livingston, in Louisiana e l'altra a Hanford, Washington. Alcuni anni dopo, anche il telescopio europeo ad onde gravitazionali Virgo è entrato in linea. Entrambi hanno funzionato fino al 2010 e 2011, rispettivamente, prima di andare offline per gli aggiornamenti.
Sebbene gli scienziati avessero sperato che questi primi osservatori catturassero le onde gravitazionali, sapevano che si trattava di una possibilità remota. Queste increspature sono segnali molto deboli e gli strumenti non erano abbastanza sensibili da sentire i loro sussurri. Ma le prove iniziali servono come test della tecnologia per gli strumenti di prossima generazione.
La Vergine è ancora in fase di aggiornamento, ma il team di LIGO ha completato il lavoro su entrambi i rilevatori nel 2015. Ora chiamati Advanced LIGO, gli osservatori della Louisiana e di Washington hanno ascoltato le onde gravitazionali durante la prima serie di osservazioni scientifiche tra il 18 settembre 2015 e il 12 gennaio, 2016. Il segnale annunciato oggi è stato raccolto appena prima di quella prima corsa ufficiale, mentre il team stava eseguendo i test operativi dei rivelatori.
Precisione laser
Percepire un'onda mentre attraversava la Terra richiedeva molta ingegneria intelligente, potenza informatica e oltre 1.000 scienziati che lavoravano in tutto il mondo.
All'interno di ogni osservatorio LIGO a forma di L, un laser si trova nel punto d'incontro di due tubi perpendicolari. Il laser passa attraverso uno strumento che divide la luce, in modo che due raggi viaggino per circa 2, 5 miglia lungo ogni tubo. Gli specchi alle estremità dei tubi riflettono la luce verso la sua sorgente, dove un rivelatore attende.
In genere nessuna luce si accende sul rilevatore. Ma quando passa un'onda gravitazionale, dovrebbe allungarsi e schiacciare lo spazio-tempo in uno schema prevedibile, cambiando efficacemente le lunghezze dei tubi di una piccola quantità, nell'ordine del millesimo del diametro di un protone. Quindi, una certa luce atterrerà sul rivelatore.
Per tenere conto del cambiamento incredibilmente piccolo, gli specchi dello strumento sono collegati a sistemi complessi che li isolano dalla maggior parte delle vibrazioni. Gli scienziati di LIGO hanno anche programmi informatici speciali in grado di filtrare vari tipi di rumore di fondo, come tremori occasionali, e determinare se qualsiasi segnale in arrivo corrisponde a possibili fonti astronomiche calcolate usando la relatività generale.
I siti della Louisiana e di Washington lavorano insieme per verificare un avvistamento. "Non crediamo di vedere un'onda gravitazionale a meno che entrambi i rilevatori non vedano lo stesso segnale entro il tempo che l'onda gravitazionale impiegherebbe a viaggiare tra i due siti", afferma Amber Stuver, membro del team LIGO della Louisiana State University. In questo caso, l'onda ha attraversato la Terra e ha colpito i due rivelatori a soli sette millisecondi di distanza.
Una volta che i siti della Louisiana e di Washington hanno rilevato una possibile melodia gravitazionale, gli scienziati hanno iniziato a lavorare sull'analisi. LIGO ha raccolto questo segnale il 14 settembre, ma solo ora è in grado di dire con alta certezza di aver visto le onde gravitazionali.
"Ci sono voluti mesi di attento controllo, ricontrollo, analisi, lavoro con ogni dato per garantire l'avvistamento", ha detto Reitze durante l'evento DC. "E ci siamo convinti che sia così." I risultati compaiono questa settimana in Physical Review Letters .
Una veduta aerea del rivelatore LIGO a Livingston, Louisiana. (Laboratorio LIGO) Il segnale dell'onda gravitazionale che gli astronomi hanno tirato fuori dalle osservazioni più recenti corrispondeva a quello che si aspettavano che due buchi neri si avvitassero l'uno verso l'altro. La danza emette onde gravitazionali con una frequenza e una forza prevedibili, a seconda della distanza degli oggetti e delle loro masse.
Quando iniziano a danzare più vicino, le lunghezze d'onda delle onde gravitazionali si riducono e la loro canzone raggiunge toni più alti. Quando i buchi neri si chiudono per l'abbraccio finale, il segnale dell'onda gravitazionale ha un'ultima nota finale, o "cinguettio", come lo chiamano gli astronomi.
Il segnale di settembre si allinea perfettamente con ciò che la squadra si aspetterebbe da due buchi neri con masse pari a circa 29 e 36 volte la massa del sole. Quei buchi neri si schiantarono insieme per creare un nuovo buco nero 62 volte la massa del sole, irradiando via 3 masse solari del valore di energia gravitazionale.
Aspettati l'inaspettato
Con questa rilevazione iniziale, gli astronomi sperano che Advanced LIGO continui a catturare le onde gravitazionali e inizi a costruire dati per tutti i tipi di studi scientifici, dalla comprensione di come funzionano le supernova all'apprendimento dei primi pochi momenti dell'universo. Mentre nessun altro telescopio astronomico ha visto alcun segno di questa collisione del buco nero, alcune delle altre fonti che Advanced LIGO sta cercando dovrebbero avere controparti visibili ai telescopi che catturano la luce.
Ciò sembra particolarmente promettente se si considera che Advanced LIGO non ha ancora raggiunto la sua piena sensibilità. Questo arriverà nei prossimi anni, afferma Stuver.
Ognuno di questi segnali darà agli astronomi ciò che non hanno mai avuto prima: un modo per sondare casi estremi di gravità e movimenti di oggetti invisibili. Ancora più eccitante, gli astronomi sanno che con ogni progresso tecnologico, l'universo ha un modo di sorprenderci.
"Ogni volta che abbiamo guardato in un modo nuovo e in un diverso tipo di luce, scopriamo qualcosa che non ci aspettavamo di trovare", afferma Stuver. "Ed è quella cosa inaspettata che rivoluziona la nostra comprensione dell'universo". dopo che gli astronomi hanno trasformato le antenne radio nel cielo, hanno scoperto un tipo inaspettato di stella di neutroni chiamato pulsar. E, forse poeticamente, era una stella pulsar e di neutroni che faceva una danza orbitale che Hulse e Taylor studiarono negli anni '70.
Ora, con l'alba dell'astronomia delle onde gravitazionali, gli scienziati hanno un nuovo strumento per campionare il cosmo. E dal suono di ciò, ci aspetta musica meravigliosa.
Nota del redattore: l'affiliazione di Joan Centrella è stata corretta.
