Onde gravitazionali e buchi neri: la scoperta apre le porte a un mondo nuovo. Intervista a Licia Troisi

Licia Troisi1 

Le onde gravitazionali esistono e sono state osservate. Il grande successo della scienza ha dimostrato le teorie di Einstein sono un potenziale per ora inesplorato che potrebbe aprire le porte a un mondo tutto nuovo, ancora da scoprire.

Potremmo forse sapere di più sull’origine del nostro Universo, e magari trovare applicazioni pratiche a queste onde come fu per i raggi x, all’epoca della scoperta solo una curiosità scientifica, oggi alla base di molti strumenti di diagnostica medica.

Ma cosa sono davvero? Perché sono spesso associate ai buchi neri? A queste ed altre domande ha risposto Licia Troisi, astrofisica e autrice, oltre che di molti libri fantasy di successo, anche del recente testo di divulgazione astronomica ‘Dove va a finire il cielo’.

NM. Ciao Licia, innanzitutto cosa sono le onde gravitazionali?

LT. Le onde gravitazionali sono delle increspature dello spazio-tempo, il nuovo modo di interpretare la realtà introdotto da Albert Einstein con la teoria della relatività generale. Si tratta di fatto del tessuto sul quale si trova l’Universo, “costruito” su tre dimensioni spaziali e una temporale. Le masse sono in grado di deformarlo, quando sono in accelerazione o in rapida "implosione" generando appunto le onde gravitazionali.

NM. Ma come è avvenuta la scoperta?

LT. È avvenuta esattamente il 14 settembre 2015 negli Usa attraverso un’antenna che riceve onde gravitazionali chiamata ‘LIGO’. In realtà lo strumento è composto da due antenne che si trovano ai lati opposti del Paese, una nello stato di Washington a Nord-Ovest e l’altra nella Louisiana, a Sud-Est, separate da 3 mila Km di distanza. LIGO funziona come un interferometro: due raggi laser che formano due bracci perpendicolari di lunghezza nota vengono sparati contemporaneamente e poi ricombinati in modo che la luce “somma” confluisca su un rivelatore.

In questo modo si crea quella che si chiama ‘figura di interferenza’, il cui aspetto dipende dalla lunghezza del braccio. Quando passa un’onda gravitazionale, a causa della natura del fenomeno, i due bracci si deformano in modo diverso. Quindi, cambiando la lunghezza dei bracci, cambia la figura di interferenza che si vede sul rivelatore.

È questo che effettivamente LIGO ha misurato, la deformazione dei bracci dovuta al passaggio dell’onda gravitazionale. Tale deformazione è a dir poco minuscola, corrispondente a un millesimo del diametro del nucleo di un atomo.    

NM. Ci puoi spiegare la relazione tra le onde gravitazionali e i buchi neri? Perché questi fenomeni vengono spesso associati?

LT. Alcuni tipi di buchi neri sono in grado di generare onde gravitazionali. Quelle rilevate da LIGO, per esempio, sono state generate da due buchi neri in coalescenza, ovvero che giravano intorno l’uno all’altro fino a fondersi. Durante questo movimento, per via della relatività generale, i buchi neri perdono progressivamente energia e quindi le loro orbite decadono, avvicinandosi sempre di più, fino a fondersi.

La fase di avvicinamento in rotazione non si è vista moltissimo, mentre si sono rilevati i momenti appena precedenti la fusione. Infatti questi due buchi neri, che erano enormi (uno pari a 29 volte la massa del Sole e l’altro 36 volte maggiore), hanno generato un oggetto pari a 62 volte la massa del Sole. In realtà 29 + 36 è pari a 65, non 62. Le tre masse solari “perse” si sono trasformate totalmente nell’energia che ha generato le onde gravitazionali osservate.

D’altronde queste sono veramente molto piccole, quindi sono necessari fenomeni fortemente energetici per essere rilevate. Anche la Terra che gira intorno al Sole genera onde gravitazionali, solo che, al di là del fatto che noi siamo sulla Terra, sono veramente troppo piccole per essere misurate.

NM. Potremo veramente un giorno usare i buchi neri per passare attraverso lo spazio-tempo come si vede in molti film di fantascienza, come il recente Interstellar?

LT. Dunque, i buchi neri sono così chiamati perché sono oggetti così densi da non lasciare scampo a nulla, nemmeno alla luce, quindi generalmente vengono osservati in modo indiretto. Quello che abbiamo al centro della nostra galassia, ad esempio, è stato scoperto osservando tante stelle girare intorno al “nulla”, deducendo la presenza di un buco nero.

Un altro modo per rilevarli è tramite i cosiddetti ‘dischi di accrescimento’ che emettono raggi gamma. In effetti questa è stata la prima volta in cui abbiamo potuto osservare buchi neri per via diretta, perché, come dicevamo prima, l’onda gravitazionale è stata proprio generata dal buco nero.

Esistono alcune teorie, attualmente in realtà abbastanza fantasiose, che sostengono l’esistenza di un collegamento tra un buco nero e un buco bianco, il cui percorso rappresenterebbe proprio una “scorciatoia” all’interno dello spazio-tempo. Se questo fosse vero un oggetto potrebbe effettivamente entrare da un punto dell’Universo e uscire da uno totalmente diverso.

Bisogna però mettere le mani avanti perché queste teorie, anche se si ricavano effettivamente dalle equazioni di Einstein, sono valide solo in alcune condizioni che non necessariamente possono verificarsi sul serio. Attualmente quindi la maggior parte della comunità scientifica vede queste ipotesi come fantasia, però in effetti, chissà in futuro cosa potrebbe accadere.

Onde grav Licia

NM. E comunque immaginiamo che un oggetto che entra in buco nero dovrebbe avere la capacità di uscirne per andare nel buco bianco, giusto?

LT. Sì, ma la verità è che non conosciamo le condizioni fisiche all’interno di un buco nero. Quello che possiamo dire è che quando un oggetto si avvicina ad un buco nero viene “spaghettificato”, a causa delle cosiddette ‘forze mareali’, ovvero la differenza di campi gravitazionali intorno all’oggetto.

Quello generato infatti da un buco nero è così forte che se un essere umano si avvicinasse a lui, la forza gravitazionale che sentirebbe sui piedi sarebbe molto diversa da quella percepita sulla testa. Si avvertirebbe quindi la sensazione che si prova quando qualcuno ci tira per i piedi.

In realtà questo succede anche sulla Terra: teoricamente la forza di gravità sui piedi è leggermente inferiore a quella esercitata sulla testa, perché tale forza dipende dalla distanza. Tuttavia, poiché sulla Terra i campi gravitazionali non sono così intensi, di certo non paragonabili a quelli dei buchi neri, tali differenze sono veramente minime.

NM. Quali applicazioni pratiche si possono prevedere per questa scoperta?

LT. Il primo tentativo che si farà sarà quello di capire cosa è accaduto dopo il Big Bang. Infatti quando studiamo le onde elettromagnetiche (raggi x, raggi gamma, onde radio) non riusciamo ad avere “fotografie” dell’Universo anteriori a 300 mila anni dopo il Big Bang (attualmente l'età del cosmo è di circa 13 miliardi e mezzo).

Questo perché prima l’Universo era talmente denso da essere in una sorta di “nebbia” tale da offuscare tutto e assorbire gli stessi fotoni, che urtavano continuamente contro delle particelle, non riuscendo ad andare dritti. Studiando invece le stesse particelle, si riesce ad andare più indietro nel tempo.

Anche se per ora vedere tutta la storia a partire dal momento del Big Bang non è possibile, possiamo pensare di osservare le onde gravitazionali prodotte nell’istante del Big Bang, il che non è di certo cosa da poco.

Una curiosità da notare, tra l’altro, è che, mentre le onde elettromagnetiche ci restituiscono le “foto” dell’Universo, quelle gravitazionali ci possono restituire i suoi “rumori”, rappresentando quindi un modo completamente diverso di studiarlo. È come se con le onde elettromagnetiche noi potessimo solo vedere il cosmo, mentre ora possiamo anche ascoltarlo.

E poi c’è l’ignoto. Quando Galileo Galilei ha puntato il telescopio nel cielo nessuno poteva immaginare che avrebbe scoperto i satelliti di Giove e gli anelli di Saturno. Anche noi quindi ora possiamo sperare di scoprire cose che attualmente nemmeno immaginiamo.

Dal punto di vista poi delle applicazioni pratiche, ora non si possono fare previsioni ma credo ci saranno sicuramente perché per riuscire a costruire una macchina che riesce a misurare differenze di lunghezza inferiori a un millesimo del diametro del nucleo di un atomo, è stato necessario uno sforzo tecnologico lungo 60 anni. È sicuro dunque che tale tecnologia verrà usata anche per altro.

Inoltre, anche quando sono stati scoperti i raggi x, si pensava ad una curiosità della fisica. Nessuno pensava potessero servire per la diagnostica medica. Poi qualcuno ha messo una mano tra una sorgente e una lastra fotografica, e ha visto che su questa veniva impressa l’immagine delle ossa. Quindi chissà, il futuro è aperto.

Roberta De Carolis

Credits foto di copertina: Rossella Rasulo

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