La nuova ondata di onde gravitazionali

La prima GW è stata identificata nel 2015 dal Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (Ligo)

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Circa 10 miliardi di trilioni di trilionesimi di secondo dall’inizio della creazione, si crede che l’universo abbia avuto un breve ma assurdamente veloce scatto di crescita. Questo episodio, chiamato inflazione, fu così catastrofico che il tessuto stesso dello spazio e del tempo fu fatto vibrare dalle onde gravitazionali (GW). 

In confronto, le GW rilevate per la prima volta sei anni fa sono affari su piccola scala causati dalla collisione di buchi neri.

Ma ora gli scienziati dell’Esa stanno puntando su obiettivi più grandiosi e sperano di poter presto essere in grado di rilevare i deboli echi degli spasimi inflazionistici dell’universo, quasi 14 miliardi di anni dopo l’evento, utilizzando lo strumento più grande mai costruito.

Centinaia di volte più grande della Terra, il rivelatore di onde gravitazionali pianificato dall’Esa fluttuerà nello spazio e cercherà oscillazioni nello spaziotempo causate da ogni sorta di immense convulsioni astrofisiche.

La prima GW è stata identificata nel 2015 dal Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (Ligo), un progetto internazionale che ha vinto il premio Nobel per la fisica 2017 per tre dei suoi principali sostenitori.



Ligo è costituito da due enormi rilevatori posizionati negli stati americani di Washington e Louisiana. Ciascuno dispiega due tunnel lunghi 4 km, che si intersecano ad angolo retto, lungo i quali un raggio laser viaggia verso uno specchio all’estremità opposta e rimbalza indietro.

Le onde luminose di ritorno interferiscono l’una con l’altra dove le braccia si incrociano. Quando una GW passa, contrae o allunga leggermente lo spaziotempo. Poiché quell’effetto sarà diverso in ogni braccio, cambia la sincronia delle onde luminose e quindi altera l’interferenza dei due raggi.

Ligo non è solo. Una seconda GW rilevata il giorno di Natale 2015 è stata successivamente confermata in collaborazione con il rilevatore europeo Virgo, con sede in Italia. Un rilevatore in Giappone, chiamato Kagra, ha iniziato a funzionare all’inizio dello scorso anno e altri sono previsti in India e Cina.

La maggior parte delle GW viste finora sono state apparentemente causate dalla collisione di due buchi neri. Questi si formano quando stelle molte volte più massicce del nostro Sole bruciano tutto il loro combustibile e collassano sotto la loro stessa gravità.

Secondo la teoria della relatività generale di Albert Einstein, che descrive la gravità come la deformazione dello spaziotempo causata dalla massa, il collasso può continuare finché non rimane altro che una “singolarità” quasi infinitamente densa, che produce un campo gravitazionale così intenso che nemmeno la luce può sfuggirgli.

La collisione di due buchi neri – un evento rilevato per la prima volta in assoluto dal Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, o Ligo – è vista in questa immagine da una simulazione al computer.
La collisione di due buchi neri – un evento rilevato per la prima volta in assoluto dal Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, o Ligo – è vista in questa immagine da una simulazione al computer. Fotografia: SXSproject

Se due buchi neri vengono catturati dalla gravità l’uno dell’altro, possono assumere un’orbita a spirale verso l’interno finché non si fondono. La relatività generale ha predetto più di un secolo fa che tali eventi generano GW che si propagano attraverso il cosmo, sebbene non vi fossero prove dirette della loro esistenza fino al rilevamento di Ligo.

Anche altri fenomeni astrofisici estremi possono causarli, come la fusione di stelle di neutroni: stelle bruciate meno massicce dei buchi neri che hanno interrotto il loro collasso nel punto in cui sono fatte di materia così densa che un ditale pieno di questa materia peserebbe molte centinaia di chili.

Le GW possono anche essere prodotte da oggetti ancora più grandi. Al centro della nostra galassia, e di molte altre, si trova un buco nero supermassiccio grande diversi milioni di volte la massa del nostro Sole, formato da stelle collassate e nuvole di gas e polvere cosmici.

Gli oggetti che si muovono a spirale in questi buchi neri supermassicci generano GW che oscillano a frequenze più basse e lunghezze d’onda più lunghe di quelle delle onde di fusione dei buchi neri più piccole viste da Ligo e Virgo.

I rilevatori a terra non possono individuarle: sarebbe come cercare di catturare una balena in una nassa. Per vederle, un rilevatore interferometrico avrebbe bisogno di braccia molto più lunghe.

È complicato, poiché ogni braccio deve essere un canale lungo, dritto e vuoto, privo di qualsiasi vibrazione. Quindi i ricercatori stanno pianificando invece di realizzare rivelatori GW a bassa frequenza nello spazio. Il più avanzato di questi progetti è il dispositivo ora in costruzione per l’Esa: il Laser Interferometer Space Antenna (Lisa).

Lisa invierà raggi laser da un veicolo spaziale per rimbalzare su uno specchio che galleggia liberamente all’interno di un altro veicolo. Con tre veicoli spaziali puoi realizzare una struttura a doppio braccio a forma di L come Ligo.

Ma i bracci non devono necessariamente essere ad angolo retto: Lisa posizionerà le sue tre navicelle spaziali a diversi milioni di chilometri di distanza agli angoli di un triangolo, in modo che ogni angolo diventi uno dei tre rilevatori. L’intera schiera seguirà l’orbita terrestre.

Per testare la fattibilità dell’interferometria laser nello spazio, nel 2015 Esa ha lanciato un progetto pilota chiamato Lisa Pathfinder, un veicolo spaziale che ha dimostrato la tecnologia su piccola scala. La missione, completata nel 2017, “ci ha lasciato senza fiato“, afferma Paul McNamara dell’Esa, che era lo scienziato del progetto che gestiva la missione.

Ha soddisfatto le nostre esigenze il primo giorno, senza modifiche, niente di niente“.

Lisa Pathfinder ha dimostrato che uno specchio fluttuante all’interno di un’astronave può essere tenuto incredibilmente fermo, oscillando di non più di un millesimo delle dimensioni di un singolo atomo. Per mantenerlo così stabile, la navicella usa minuscoli propulsori per compensare la forza prodotta dalla luce proveniente dal sole.

In altre parole, afferma McNamara, “la nostra navicella spaziale era molto più stabile delle dimensioni del coronavirus“. Il che va bene, perché Lisa dovrà rilevare un cambiamento nella lunghezza del braccio, dovuto a un GW, di circa un decimo della larghezza di un atomo su un milione di chilometri.

 

Lisa cambierà l’astronomia GW più o meno nello stesso modo in cui andare oltre la luce visibile [alle onde radio, ai raggi X, ecc.] è stato un punto di svolta per l’astronomia ordinaria“, afferma Berti.

Esaminerà diverse classi di sorgenti GW“.

Studiando le fusioni di buchi neri supermassicci, dice, “speriamo di capire molto sulla formazione della struttura nell’universo e sulla gravità stessa“. E se Lisa vede GW “primordiali” dall’inflazione all’inizio del big bang, ciò potrebbe testare le teorie su come tutto è iniziato.


Un modo alternativo per trovare le GW

Potrebbe esserci un altro modo per vedere GW a bassa frequenza che non richiederebbero affatto un rilevatore appositamente costruito. Una collaborazione chiamata North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves (NanoGrav) sta usando osservazioni fatte con una rete globale di radiotelescopi per cercare l’effetto che le GW hanno sui tempi di “orologi cosmici” chiamati pulsar.

Le pulsar sono stelle di neutroni in rapida rotazione che emettono intensi fasci di onde radio dai loro poli, spazzando il cielo come i raggi di un faro. I segnali Pulsar sono altamente regolari e prevedibili. Ma “se una GW passa tra la pulsar e la Terra“, afferma Stephen Taylor, membro del team NanoGrav della Vanderbilt University nel Tennessee, “deforma lo spaziotempo intermedio“, facendo sì che l’impulso arrivi prima o dopo del previsto.

In effetti, le pulsar stesse diventano i rivelatori. Come afferma il membro del team NanoGrav Julie Comerford dell’Università del Colorado a Boulder, questo dà ai bracci del “rilevatore” la distanza tra la Terra e le pulsar: forse migliaia di anni luce.

A causa di queste immense dimensioni, i segnali rilevabili da NanoGrav hanno lunghezze d’onda molto lunghe e frequenze molto basse, oltre la portata di Lisa e formati da giganteschi buchi neri supermassicci miliardi di volte più massicci del sole, che si fondono mentre intere galassie si scontrano.

Nessun altro rilevatore potrebbe rilevarli, afferma Taylor. Per quanto impensabilmente catastrofiche, tali fusioni sono in realtà abbastanza comuni e NanoGrav vedrebbe una sorta di tumulto creato da molti di loro.

In tutto l’universo ci sono coppie di buchi neri supermassicci che orbitano l’uno intorno all’altro e producono GW“, dice Comerford. “Queste increspature producono un mare di GW in cui ci stiamo muovendo“.

A gennaio, un team di NanoGrav guidato dal ricercatore post-dottorato di Comerford, Joseph Simon in Colorado, ha riportato un possibile primo rilevamento di questo sfondo GW. Sebbene sia ancora necessario ulteriore lavoro per verificare che il segnale sia veramente causato da GW, Comerford lo definisce “il risultato astrofisico più entusiasmante che abbia mai visto negli ultimi anni“.

Se NanoGrav utilizza, in effetti, un rilevatore GW di dimensioni di anni luce, il fisico Sougato Bose dell’University College di Londra crede che potremmo realizzarne uno abbastanza piccolo da stare all’interno di un armadio.

La sua idea si basa su uno degli effetti più strani della teoria quantistica, che generalmente descrive oggetti molto piccoli come gli atomi. Gli oggetti quantistici possono essere collocati nelle cosiddette sovrapposizioni, il che significa che le loro proprietà non sono definite in modo univoco finché non vengono misurate: è quindi possibile più di un risultato.

Gli scienziati quantistici possono sistematicamente mettere gli atomi in una sovrapposizione quantistica, ma questo comportamento peculiare scompare per oggetti grandi come i palloni da calcio, che sono qui o là, che si guardi o meno.

Per quanto ne sappiamo, non è che una sovrapposizione sia impossibile per qualcosa di così grande: è semplicemente impossibile sostenerla abbastanza a lungo da rilevarla, perché la sovrapposizione viene distrutta troppo facilmente da qualsiasi interazione con l’ambiente circostante.

Bose e i suoi colleghi suggeriscono che se siamo in grado di creare una sovrapposizione quantistica di un oggetto di dimensioni intermedie tra un atomo e un pallone da calcio – un minuscolo cristallo di circa un centinaio di nanometri di diametro, circa le dimensioni di una grande particella virale – la sovrapposizione sarà così precaria che sarebbe sensibile a un passaggio di GW.

In effetti, è possibile far sì che i due possibili stati di una sovrapposizione quantistica interferiscano come due onde luminose e le distorsioni dello spaziotempo causate da un GW si presenterebbero come un cambiamento in tale interferenza.

Bose pensa che i nanocristalli di diamante tenuti all’interno di un vuoto molto più vuoto dello spazio esterno e raffreddati a un soffio dallo zero assoluto potrebbero essere mantenuti in sovrapposizione abbastanza a lungo da ottenere il risultato voluto.

Non sarebbe facile, ma dice che tutte le sfide tecniche sono già state dimostrate individualmente: si tratta di metterle tutte insieme. “Non vedo alcun ostacolo nel farlo nei prossimi 10 anni circa, se avremo abbastanza fondi“, dice.

Se questi e altri sviluppi creeranno un boom nell’astronomia GW, cosa vedremo? “Quando apri una nuova finestra sull’universo, di solito vedi cose che non ti aspetti“, dice McNamara.

Oltre a vedere più tipi di eventi che già sappiamo causare GW, potremmo anche ricevere segnali che non possiamo spiegare facilmente. “Questo“, dice McNamara, “è quando inizia il divertimento“.

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