Più di un miliardo di anni fa, in una galassia lontana, molto lontana, due buchi neri eseguivano gli ultimi passi in un passo veloce, concludendo con un abbraccio finale così violento da rilasciare più energia dell'uscita combinata di ogni stella in ogni galassia nell'universo osservabile. Tuttavia, a differenza della luce delle stelle, l'energia era oscura, trasportata dall'invisibile forza di gravità. Il 14 settembre 2015, alle 5:51 am Eastern Daylight Time, un frammento di quell'energia, sotto forma di "onda gravitazionale", raggiunse la Terra, ridotto dal suo vasto transito attraverso lo spazio e il tempo a un semplice sussurro del suo fragoroso inizio.
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AcquistarePer quanto ne sappiamo, la Terra è già stata bagnata da questo tipo di disturbo gravitazionale. Frequentemente. La differenza questa volta è che due rivelatori incredibilmente precisi, uno a Livingston, in Louisiana, e l'altro a Hanford, Washington, erano pronti. Quando l'onda gravitazionale passò, solleticò i rivelatori, fornendo l'inconfondibile firma di scontrarsi con buchi neri sull'altro lato dell'universo e segnando l'inizio di un nuovo capitolo nell'esplorazione del cosmo da parte dell'umanità.
Quando le voci della scoperta sono iniziate a circolare a gennaio, ho alzato gli occhi a quello che era chiaramente un falso allarme o uno stratagemma per suscitare un piccolo ronzio. Come programma di ricerca ben giunto alla sua quinta decade, la caccia alle onde gravitazionali era da tempo diventata la principale scoperta che si stagliava sempre all'orizzonte. I fisici si erano rassegnati ad aspettare il loro Godot gravitazionale.
Ma l'ingegno e la perseveranza umana hanno trionfato. È una di quelle vittorie che danno anche a quelli di noi il tifo per i brividi da brivido.
Ecco la storia, in breve.
Lo scorso novembre, il mondo ha celebrato il centenario della più grande scoperta di Einstein, la teoria generale della relatività, che ha rivelato un nuovo paradigma per comprendere la gravità. L'approccio di Isaac Newton prevede correttamente l'attrazione gravitazionale tra due oggetti qualsiasi, ma non fornisce alcuna idea di come qualcosa qui può raggiungere attraverso lo spazio vuoto e tirare qualcosa lì. Einstein ha trascorso un decennio cercando di determinare come comunicare la gravità, e alla fine ha concluso che lo spazio e il tempo formano la mano invisibile che fa la gravità.
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Questa storia è una selezione dal numero di aprile della rivista Smithsonian
AcquistareLa metafora della scelta, abusata ma evocativa, è pensare allo spazio come a un trampolino. Posiziona una palla da bowling al centro del trampolino facendolo curvare e un marmo sarà spinto a spostarsi lungo una traiettoria curva. Allo stesso modo, Einstein affermava che vicino a un corpo astronomico come il Sole, le curve dell'ambiente spaziotempo, il che spiega perché la Terra, proprio come il marmo, segue una traiettoria curva. Nel 1919, le osservazioni astronomiche confermarono questa straordinaria visione e fecero Einstein Einstein.
Einstein spinse ulteriormente la sua importante scoperta. A quel punto, si era concentrato su situazioni statiche: determinare la forma fissa di una regione dello spaziotempo derivante da una determinata quantità di materia. Ma Einstein si rivolse quindi a situazioni dinamiche: cosa accadrebbe al tessuto spaziotempo se la materia si muovesse e si scuotesse? Si rese conto che quando i bambini che saltano su un trampolino generano onde sulla superficie che si increspano verso l'esterno, la materia che si muove in questo modo e che genererà onde nel tessuto dello spaziotempo che si increspano anche all'esterno. E poiché, secondo la relatività generale, lo spaziotempo curvo è la gravità, un'onda di spaziotempo curvo è un'onda di gravità.
Le onde gravitazionali rappresentano la deviazione più significativa della relatività generale dalla gravità newtoniana. Lo spaziotempo flessibile è sicuramente una profonda rifusione della gravità, eppure in contesti familiari come l'attrazione gravitazionale del Sole o della Terra, le previsioni di Einstein differiscono appena da quelle di Newton. Tuttavia, poiché la gravità newtoniana tace su come viene trasmessa la gravità, la nozione di viaggiare sui disturbi gravitazionali non ha posto nella teoria di Newton.
Lo stesso Einstein nutriva dubbi sulla sua predicazione delle onde gravitazionali. Quando si incontrano per la prima volta le sottili equazioni della relatività generale, è difficile districare la matematica astratta dalla fisica misurabile. Einstein fu il primo a impegnarsi in questa rissa, e c'erano caratteristiche che nemmeno lui, il cinismo della relatività, non riusciva a comprendere appieno. Ma dagli anni '60, gli scienziati che usavano metodi matematici più raffinati stabilirono oltre ogni dubbio che le onde gravitazionali erano una caratteristica distintiva della teoria generale della relatività.
Un'illustrazione delle onde gravitazionali (John Hersey) Come potrebbe quindi essere testata questa previsione iconica? Nel 1974, usando il radiotelescopio Arecibo, Joseph Taylor e Russell Hulse scoprirono una pulsar binaria: due stelle di neutroni in orbita il cui periodo orbitale poteva essere rintracciato con grande precisione. Secondo la relatività generale, le stelle orbitanti generano una costante marcia di onde gravitazionali che drenano energia, facendo sì che le stelle si avvicinino e orbitino più rapidamente. Le osservazioni hanno confermato questa previsione a una T, fornendo prove, sebbene indirette, che le onde gravitazionali siano reali. Hulse e Taylor hanno ricevuto il premio Nobel nel 1993.
Il risultato ha reso il rilevamento diretto delle onde gravitazionali ancora più allettante. Ma il compito era scoraggiante. I calcoli mostrano che quando un'onda gravitazionale si increspa attraverso lo spazio, qualsiasi cosa sul suo cammino sarà alternativamente allungata e schiacciata lungo gli assi perpendicolari alla direzione del moto dell'onda. Un'onda gravitazionale diretta verso gli Stati Uniti si allungava e stringeva alternativamente lo spazio tra New York e la California e quello tra il Texas e il Nord Dakota. Monitorando con precisione tali distanze, dovremmo quindi essere in grado di individuare il passaggio dell'onda.
La sfida è che quando un'increspatura in uno stagno si attenua mentre si espande, un'ondulazione gravitazionale si diluisce mentre viaggia dalla sua fonte. Poiché le maggiori collisioni cosmiche si verificano in genere molto lontano da noi (per fortuna), quando le onde gravitazionali generate raggiungono la Terra, la quantità di stiramento e compressione che causano è minuscola, inferiore a un diametro atomico. Rilevare tali cambiamenti è alla pari con la misurazione della distanza dalla Terra alla stella più vicina oltre il sistema solare con una precisione migliore dello spessore di un foglio di carta.
Il primo tentativo, lanciato dalla Joseph Weber dell'Università del Maryland negli anni '60, ha utilizzato cilindri in alluminio solido multi-tonnellata, nella speranza di risuonare delicatamente come gigantesche forchette di sintonia in risposta a un'onda gravitazionale che passa. All'inizio degli anni '70, Weber affermò il successo, alla grande. Riferì che le onde gravitazionali facevano suonare il suo rivelatore quasi quotidianamente. Questo importante risultato ha ispirato gli altri a confermare le affermazioni di Weber, ma dopo anni di tentativi, nessuno è stato in grado di catturare nemmeno una singola ondata.
La tenace convinzione di Weber nei suoi risultati, molto tempo dopo che le prove accumulate suggerivano diversamente, contribuì a una prospettiva che ha colorato il campo per decenni. Nel corso degli anni, molti scienziati hanno creduto, così come Einstein, che anche se le onde gravitazionali fossero reali, sarebbero semplicemente troppo deboli per essere mai rilevate. Coloro che erano partiti per trovarli stavano facendo una commissione per stupidi, e quelli che credevano che le dichiarazioni di accertamento fossero state ingannate.
Negli anni '70, i pochi che avevano ancora l'insetto dell'onda gravitazionale si rivolse a uno schema di rilevamento più promettente in cui i laser sarebbero stati usati per confrontare le lunghezze di due tunnel identici lunghi orientati a 90 gradi l'uno dall'altro. Un'onda gravitazionale di passaggio allungherebbe un tunnel mentre schiacciava l'altro, modificando leggermente le distanze percorse dai raggi laser sparati lungo ciascuno di essi. Quando i due raggi laser vengono successivamente ricombinati, il modello risultante che la luce forma è sensibile alle minime differenze nella distanza percorsa da ciascun raggio. Se passasse un'onda gravitazionale, anche il minuscolo disturbo che crea lascerebbe sulla sua scia uno schema laser modificato.
È una bellissima idea Ma martelli pneumatici nelle vicinanze, camion rimbombanti, raffiche di vento o alberi che cadono potrebbero disturbare un simile esperimento. Quando si cercano differenze di lunghezza inferiori a un miliardesimo di miliardesimo di metro, la capacità di proteggere l'apparato da ogni possibile agitazione ambientale, per quanto lieve, diventa fondamentale. Con quell'apparentemente insormontabile requisito, agli oppositori furono fornite ancora più munizioni. Catturare un'onda gravitazionale renderebbe Horton sentire un Who, anche sopra il ruggito frastuono della metropolitana di New York City, un semplice gioco da ragazzi.
Tuttavia, i fisici americani Kip Thorne e Rainer Weiss, in seguito raggiunti dal fisico scozzese Ronald Drever, sognavano di costruire un rilevatore di onde gravitazionali basato sul laser e misero in moto le ruote per trasformare quel sogno in realtà.
Nel 2002, dopo un paio di decenni di ricerca e sviluppo e oltre 250 milioni di dollari di investimenti dalla National Science Foundation, due meraviglie scientifiche e tecnologiche che compongono il LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) furono dispiegate a Livingston, Louisiana e Hanford, Washington. I tunnel di quattro chilometri evacuati a forma di una gigantesca lettera "L" ospitavano un raggio laser circa 50.000 volte più potente di un puntatore laser standard. La luce laser rimbalzava avanti e indietro tra gli specchi più lisci del mondo, posizionati alle estremità opposte di ciascun braccio, cercando una piccola discrepanza nel tempo impiegato da ciascuno per completare il viaggio.
I ricercatori hanno aspettato. E ho aspettato. Ma dopo otto anni, niente. Deludente, certo, ma come hanno sostenuto i team di ricerca, non sorprende. I calcoli avevano mostrato che LIGO era a malapena alla soglia di sensibilità necessaria per rilevare le onde gravitazionali. Quindi nel 2010, LIGO è stato chiuso per vari aggiornamenti, per un importo di oltre $ 200 milioni, e nell'autunno del 2015 è stato attivato un LIGO migliorato, molte volte più sensibile. Incredibilmente, meno di due giorni dopo, un brivido improvviso fece tremare il rivelatore in Louisiana, e sette millisecondi dopo il rivelatore di Washington si contorse quasi esattamente allo stesso modo. Lo schema delle delicate vibrazioni corrispondeva a quello che le simulazioni al computer prevedevano per le onde gravitazionali che sarebbero state prodotte dalle ultime spinte di orbitanti buchi neri che si schiantavano insieme.
Un mio amico all'interno, giurato di mantenere la segretezza ma disposto a fornire un suggerimento non così sottile, mi disse: "Immagina solo che il nostro sogno più selvaggio si è avverato". Ma era questo colpire del jackpot delle onde gravitazionali che ha dato una pausa ai ricercatori. Era quasi troppo perfetto.
L'apparato LIGO dipende da specchi progettati con precisione e perfettamente puliti. (Matt Heintze / Caltech / MIT / LIGO Lab) Con alcuni mesi di intenso e diligente sforzo di investigare attentamente su tutte le altre spiegazioni, per quanto improbabili, rimase in piedi solo una conclusione. Il segnale era reale. Un secolo dopo che Einstein aveva previsto la loro esistenza, il primo rilevamento diretto delle onde gravitazionali è stato celebrato dagli oltre 1.000 scienziati che hanno lavorato all'esperimento LIGO. Avevano catturato il mormorio momentaneo di uno tsunami gravitazionale scatenato più di un miliardo di anni fa, il residuo di una fusione scura da qualche parte nel profondo cielo meridionale.
L'annuncio ufficiale della stampa, l'11 febbraio, a Washington, DC, era elettrico. Nella mia stessa istituzione, la Columbia University, abbiamo dovuto trasferire il flusso live dei procedimenti in uno dei più grandi spazi del campus e storie simili si sono svolte nelle università di tutto il mondo. Per un breve momento, le onde gravitazionali hanno superato la prognosi presidenziale.
L'eccitazione era giustificata. La storia ripercorrerà la scoperta come uno di quei pochi punti di inflessione che cambiano il corso della scienza. Da quando il primo essere umano ha guardato verso il cielo, abbiamo esplorato l'universo usando onde di luce. Il telescopio ha sostanzialmente migliorato questa capacità, e con essa abbiamo incontrato lo splendore di nuovi paesaggi cosmici. Nel corso del 20 ° secolo, abbiamo ampliato i tipi di segnali luminosi che rileviamo - infrarossi, radio, ultravioletti, gamma e raggi X - tutte le forme di luce ma con lunghezze d'onda al di fuori della gamma che possiamo vedere ad occhio nudo. E con queste nuove sonde, il paesaggio cosmico è diventato ancora più ricco.
Le onde gravitazionali sono un tipo completamente diverso di sonda cosmica, con il potenziale di produrre conseguenze ancora più drammatiche. La luce può essere bloccata. Un materiale opaco, come un paralume, può bloccare la luce visibile. Una gabbia di metallo può bloccare le onde radio. Al contrario, la gravità attraversa tutto, praticamente invariato.
E così, con le onde gravitazionali come nostra sonda saremo in grado di esaminare regni che sono off-limits per la luce, come il caotico spazio-tempo si scontrano quando due buchi neri si scontrano o forse il rombo selvaggio del big bang stesso, 13, 8 miliardi di anni fa. L'osservazione ha già confermato l'idea che i buchi neri potrebbero formare coppie binarie. Ancora più allettante, possiamo trovare un paesaggio oscuro popolato da cose che non abbiamo ancora nemmeno immaginato.
Dato che una rete di rivelatori in tutto il mondo - in Italia, Germania, presto Giappone e probabilmente India - mette in comune i loro dati, speriamo di essere uniti in futuro da un enorme rivelatore che opera nello spazio, la nostra capacità di sondare il cosmo farà un altro salto da gigante inoltrare. Il che è assolutamente elettrizzante. Non c'è niente di più stimolante della nostra capacità, nel mezzo delle nostre sempre presenti lotte terrestri, di alzare lo sguardo, di meravigliarci e di avere l'ingegnosità e la dedizione per vedere un po 'più lontano.
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