Nella maggior parte dei casi, rilevare gli effetti della gravità non è così difficile. I paracadutisti si precipitano verso terra nel momento in cui escono da un piano e, grazie ai telescopi spaziali, puoi vedere la luce che si deforma in meravigliosi anelli da enormi gruppi di galassie. Ma è stato particolarmente difficile rilevare onde gravitazionali, increspature nello spazio-tempo innescate da un potente evento cosmico.
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La maggior parte dei tentativi finora ha cercato il modo in cui si prevede che le increspature spazio-temporali influenzino la luce e la materia. Ora gli scienziati negli Stati Uniti e in Israele pensano che potremmo trovare le onde più veloci ed economiche se cerchiamo i loro effetti sul tempo anziché sullo spazio.
La caccia alle onde gravitazionali è iniziata dal 1916, quando Albert Einstein predisse che avrebbero dovuto esistere come parte della sua teoria generale della relatività. Ha sostenuto che lo spazio-tempo è come un tessuto e ciò che percepiamo come gravità è una curvatura in quel tessuto causata da oggetti enormi. Come una palla da bowling sospesa in una coperta, ad esempio, il nostro enorme pianeta Terra curva attorno allo spazio-tempo.
La teoria suggerisce anche che quando oggetti molto massicci come i buchi neri si fondono, l'esplosione gravitazionale invierà increspature che si propagano verso l'esterno attraverso lo spazio-tempo. Rilevarli non solo continuerebbe a convalidare la teoria di Einstein, ma aprirebbe una nuova finestra sull'universo, perché gli scienziati potrebbero usare le onde gravitazionali per sondare eventi altrimenti invisibili attraverso il cosmo. Ma la prova delle onde gravitazionali è stata inafferrabile, in gran parte perché le onde si indeboliscono man mano che viaggiano, e molte fonti di onde gravitazionali si trovano ai margini dell'universo, a miliardi di anni luce di distanza.
L'anno scorso un esperimento chiamato BICEP2 ha affermato di aver rilevato i deboli segnali associati a un tipo di onda gravitazionale primordiale, prodotta da un improvviso scatto di crescita nell'universo primordiale. L'affermazione è stata prematura, tuttavia, poiché le analisi successive hanno ridotto la fiducia nel fatto che il team BICEP2 abbia visto qualcosa di più della polvere turbinante nella Via Lattea.
L'osservatorio eLISA pianificato dall'Agenzia spaziale europea, previsto per il lancio nel 2034, è progettato per rilevare un diverso tipo di onda: onde gravitazionali a bassa frequenza o a bassa frequenza generate dalla fusione di coppie supermassive di buchi neri. Gli scienziati hanno scoperto buchi neri supermassicci nei centri di molte grandi galassie, compresa la nostra. Si prevede che la coalescenza di due di queste galassie emetta onde gravitazionali che possono propagarsi attraverso l'universo. Per trovarli, eLISA utilizzerà i laser per misurare piccoli cambiamenti nella spaziatura di una flotta di veicoli spaziali che dovrebbero verificarsi quando passa un'onda gravitazionale.
In un nuovo articolo, Avi Loeb presso il Centro di astrofisica di Harvard-Smithsonian e Dani Maoz all'Università di Tel Aviv sottolineano che i recenti progressi nel cronometraggio potrebbero consentire agli orologi atomici di rilevare le onde gravitazionali più velocemente ed economiche di eLISA. Descrivono una proposta per una serie di orologi atomici posizionati in punti diversi intorno al sole che potrebbero rilevare un fenomeno chiamato dilatazione del tempo, quando gli effetti gravitazionali possono far rallentare il tempo.
Come eLISA, il loro piano richiede anche che i veicoli spaziali volino in formazione e comunichino usando i laser. Ma invece di trasmettere informazioni sulle variazioni di distanza, i laser terranno traccia di piccole discrepanze nel cronometraggio tra gli orologi atomici sincronizzati installati a bordo del veicolo spaziale.
I cambiamenti temporali previsti sono minuscoli: "Stiamo parlando di una parte su un milione di bilioni di precisione temporale", afferma Loeb. "Per rilevare quel tipo di cambiamento, hai bisogno di un orologio che non guadagnerà né perderà solo un decimo di secondo anche se dovesse funzionare per 4, 5 miliardi di anni, o per l'intera età della Terra."
Fino a poco tempo fa, questo tipo di precisione andava oltre la capacità degli orologi atomici che utilizzano l'elemento cesio, che è la base per l'attuale standard internazionale di cronometraggio. Ma all'inizio del 2014, i fisici del National Institute of Standards and Technology (NIST) hanno svelato un orologio atomico sperimentale a "reticolo ottico" che ha stabilito nuovi record mondiali di precisione e stabilità. Questi orologi funzionano a frequenze ottiche e quindi offrono una maggiore precisione rispetto agli orologi atomici al cesio, che fanno affidamento sulle microonde per mantenere il tempo.
In teoria, gli orologi atomici ottici possono fornire la precisione necessaria per rilevare i piccoli spostamenti di tempo previsti dalle onde gravitazionali. Loeb e Maoz sostengono che il loro design sarebbe più semplice e potrebbe essere realizzato a costi inferiori, perché richiederebbe laser meno potenti di eLISA. Gli orologi atomici di precisione inferiore sono già in uso sui satelliti GPS, quindi Loeb pensa che dovrebbe essere possibile inviare nello spazio anche la nuova generazione di orologi atomici.
Due veicoli spaziali posizionati alla giusta distanza l'uno dall'altro potevano percepire sia il picco che la depressione di un'onda gravitazionale di passaggio. (Loeb et al., Arxiv.org) La migliore configurazione sarebbe una coppia di orologi atomici installati su veicoli spaziali gemelli che condividono l'orbita terrestre attorno al sole. Una navicella spaziale principale sarebbe anche in orbita per coordinare i segnali provenienti dagli orologi. L'imbarcazione con orologio dovrebbe essere separata da circa 93 milioni di miglia, all'incirca la distanza tra la Terra e il sole, o un'unità astronomica (AU).
"È una bella coincidenza, perché una AU sembra essere all'incirca uguale a mezza lunghezza d'onda per un'onda gravitazionale [a bassa frequenza], come quelli che gli scienziati pensano che fondano i buchi neri supermassicci emettono", afferma Loeb. In altre parole, sarebbe esattamente la distanza giusta per percepire sia il picco che la depressione di un'onda gravitazionale che passa attraverso il sistema solare, quindi gli orologi atomici posizionati in questi due punti subirebbero i maggiori effetti di dilatazione del tempo.
Per ora una tale missione non è presente in nessun banco di lavoro di agenzie spaziali o proposta di bilancio. Ma Loeb spera che l'idea innescherà uno studio più attento delle alternative eLISA. Il progetto eLISA "ha beneficiato di decenni di discussioni, quindi dovremmo consentire a questo progetto alternativo di essere studiato almeno per alcuni mesi prima di respingerlo".
Loeb aggiunge che ci sono numerose applicazioni pratiche dall'avere orologi atomici più precisi nello spazio, come una migliore precisione GPS e comunicazioni migliorate. Pensa che i primi orologi a traliccio ottico potrebbero essere lanciati dalle imprese per scopi commerciali, piuttosto che dalle agenzie governative. "Se ciò dovesse accadere, qualsiasi scienza che ne trarremo sarebbe un sottoprodotto", afferma.
Jun Ye, fisico dell'Università del Colorado e membro del NIST, afferma che la proposta di Loeb e Maoz "apre un nuovo fronte intellettuale" sull'uso di orologi atomici ottici per testare la fisica fondamentale, inclusa la ricerca di onde gravitazionali. "Sono ottimista circa l'ulteriore miglioramento degli orologi ottici e del loro eventuale utilizzo in tali applicazioni", afferma Ye.
