La rivelazione delle onde gravitazionali (Sergio Papucci)

La rivelazione delle onde gravitazionali (Sergio Papucci)

ASTROFISICA

 

LA RIVELAZIONE DELLE ONDE GRAVITAZIONALI: UN PASSO DECISIVO PER LA CONOSCENZA DELLE ORIGINI DELL’UNIVERSO 

Di  SERGIO PAPUCCI  (1° incontro)

 

Le onde meccaniche – come il suono e le onde sull’acqua- sono deformazioni di un mezzo  (l’aria per il suono e l’acqua per le onde) che si propagano in esso grazie alla sua elasticità, cioè ai legami tra le molecole che lo compongono. Le onde elettromagnetiche sono invece campi che si spostano senza bisogno di un mezzo materiale di sostegno, nello spazio  vuoto alla velocità della luce c, e nei mezzi a loro trasparenti con una velocità che dipende dall’interazione con le molecole del materiale.

ln fine, le onde gravitazionali sono deformazioni dello spazio-tempo, il reticolo che costituisce la trama dell’universo, e che,  alla scala cosmica (104-109 anni luce), presenta la stessa geometria del minuscolo angolo di cosmo in cui viviamo: in esso valgono cioè i postulati di Euclide  (per un punto esterno a una retta passa una sola parallela alla retta data, ecc., dai quali deriva che la somma degli angoli interni di un triangolo è 180°, e che il rapporto tra circonferenza e diametro vale p) e in cui  gli orologi  sono sincronizzati e camminano tutti con lo stesso ritmo: quando valgono queste condizioni si dice che  lo spazio è piatto e il tempo uniforme.

Alla scala cosmica la densità media dell’universo (massa/unità di volume) ha un valore detto critico,  dedotto dalle soluzioni delle equazioni  della  Relatività Generale, uguale a 9·10-27 kg/m3  e che  corrisponde  all’incirca a 5 atomi di idrogeno per metro cubo: il suo valore infinitesimo indica che lo spazio è prevalentemente vuoto, come evidenziano le mappe, seppur di estensione limitata, che rappresentano i dati della distribuzione delle galassie.   

Tuttavia, in prossimità delle grandi masse (stelle, buchi neri), dove la densità supera immensamente quella critica, la forza della gravità cambia la geometria dello spazio-tempo, il cui reticolo acquista una curvatura positiva, come quella di una sfera, flettendosi  in modo concavo attorno alla massa sorgente come nella figura. In questa situazione locale i percorsi di distanza minima tra due punti sono le linee

geodetiche (su una sfera corrispondono ai segmenti di arco di diametro massimo);  attraversando queste regioni, la luce, per mantenere il suo moto inerziale a velocità  c, non può far altro che seguirle, dato che esse rappresentano l’equivalente delle linee rette nello spazio piatto; in parole povere, la luce viene attratta dalle masse e il suo percorso viene momentaneamente curvato. 

 

Fig.1  Traiettorie della luce nello spazio-tempo curvo

Le evidenze di questo fenomeno sono comuni: per esempio, quando passa vicino a  grandi concentrazioni di massa, la luce proveniente dalle galassie retrostanti viene spesso deviata in modo da formare un’immagine della sorgente davanti alle masse che la nascondono,  spesso deformata come se fosse passata attraverso una lente: le galassie antistanti funzionano quindi come lenti gravitazionali.

 

Fig.2  Lensing gravitazionale

Quella delineata è una visione statica della deformazione dello spazio-tempo; nella realtà, le masse si muovono spesso in modo accelerato e turbolento, generando dilatazioni e contrazioni locali dello spazio-tempo che provocano in esso  increspature che  vi si propagano poi alla velocità della luce,  in modo simile alle onde sull’acqua:    sono le onde gravitazionali, che sono quindi perturbazioni dello spazio e non nello spazio. Si tratta di onde trasversali, che oscillano cioè nel piano perpendicolare alla loro direzione di propagazione (come quelle elettromagnetiche),  e che producono alternativamente l’allungamento delle dimensioni  dello spazio in una direzione e la loro contrazione nella direzione  perpendicolare. 

Lo spazio quindi può oscillare, ma, essendo la forza gravitazionale estremamente debole (è 10-36 volte meno intensa di quella elettromagnetica) le sue perturbazioni sono talmente irrilevanti che solo i recenti grandi progressi della tecnologia strumentale ne hanno reso pensabile la misura. Queste onde risultano particolarmente intense quando le masse subiscono  violentissime accelerazioni,  per esempio quando esplode una supernova oppure se le due stelle  che costituiscono  un sistema binario in fase avanzata di evoluzione (due stelle di neutroni, o due buchi neri, o un stella di neutroni e un buco nero),  si fondono a causa della reciproca attrazione: è proprio l’ultimo degli eventi citati che ha prodotto i segnali gravitazionale che sono stati rivelati. 

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