Il primo rilevamento diretto delle onde gravitazionali dovrebbe essere annunciato l'11 febbraio dagli scienziati dell'Advanced Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO). Usando due rivelatori giganti LIGO - uno a Livingston, in Louisiana e l'altro a Hanford, Washington - gli scienziati hanno misurato le increspature nello spaziotempo generate dalla collisione di due buchi neri e sembrano aver finalmente trovato quello che stavano cercando.
Una simile affermazione confermerebbe le onde gravitazionali predette da Albert Einstein, che fece parte della sua teoria generale della relatività 100 anni fa, ma le conseguenze non finiranno qui. In quanto vibrazione del tessuto dello spazio-tempo, le onde gravitazionali sono spesso paragonate al suono, persino trasformate in colonne sonore. I telescopi per onde gravitazionali consentirebbero agli scienziati di "sentire" i fenomeni nello stesso modo in cui i telescopi di luce li "vedono".
Quando LIGO ha combattuto per ottenere finanziamenti dal governo degli Stati Uniti all'inizio degli anni '90, gli astronomi erano i suoi principali contendenti nelle udienze del Congresso. "All'epoca si pensava che LIGO non avesse nulla a che fare con l'astronomia", afferma Clifford Will, teorico della relatività generale presso l'Università della Florida a Gainesville e uno dei primi sostenitori di LIGO. Ma da allora molto è cambiato.
Benvenuti nel campo dell'astronomia delle onde gravitazionali. Esaminiamo le questioni e i fenomeni che potrebbe rivelare.
I buchi neri esistono davvero?
Il segnale atteso dall'annuncio di LIGO potrebbe essere stato prodotto dalla fusione di due buchi neri. Eventi come questi sono i più energici conosciuti; la forza delle onde gravitazionali da loro emesse può eclissare brevemente tutte le stelle dell'universo osservato in totale. La fusione dei buchi neri è anche abbastanza facile da interpretare da onde gravitazionali molto pure.
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Il segnale atteso dall'annuncio di LIGO potrebbe essere stato prodotto dalla fusione di due buchi neri. Eventi come questi sono i più energici conosciuti; la forza delle onde gravitazionali da loro emesse può eclissare brevemente tutte le stelle dell'universo osservato in totale. La fusione dei buchi neri è anche abbastanza facile da interpretare da onde gravitazionali molto pure.
La fusione dei buchi neri si verifica quando due buchi neri si avvolgono a spirale, emettendo energia sotto forma di onde gravitazionali. Queste onde hanno un suono caratteristico (chirp) che può essere utilizzato per misurare la massa di questi due oggetti. Dopo di che, i buchi neri di solito si fondono.
“Immagina due bolle di sapone che si avvicinano abbastanza da formare una bolla. La bolla più grande è deformata , afferma Tybalt Damour, un teorico gravitazionale presso l'Istituto per la ricerca scientifica avanzata vicino a Parigi. Il buco nero finale sarà perfettamente sferico, ma dovrà prima emettere onde gravitazionali di tipo prevedibile.
Una delle implicazioni scientifiche più importanti della scoperta delle fusioni di buchi neri sarà la conferma dell'esistenza dei buchi neri - almeno oggetti perfettamente circolari composti da spaziotempo puro, vuoto e curvo, come previsto dalla relatività generale. Un'altra conseguenza è che la fusione procede come previsto dagli scienziati. Gli astronomi hanno molte conferme indirette di questo fenomeno, ma finora si tratta di osservazioni di stelle e gas surriscaldato nell'orbita dei buchi neri, e non dei buchi neri stessi.
“La comunità scientifica, me compreso, non ama i buchi neri. Li diamo per scontati ", afferma Frans Pretorius, specialista in simulazioni di relatività generale presso la Princeton University nel New Jersey. "Ma se pensi a quanto sia sorprendente questa previsione, abbiamo bisogno di una prova davvero sorprendente."
Le onde gravitazionali si muovono alla velocità della luce?
Quando gli scienziati iniziano a confrontare le osservazioni di LIGO con quelle di altri telescopi, la prima cosa che controllano è se il segnale è arrivato nello stesso momento. I fisici credono che la gravità sia trasmessa dalle particelle gravitoniche, l'analogo gravitazionale dei fotoni. Se, come i fotoni, queste particelle non hanno massa, le onde gravitazionali si muoveranno alla velocità della luce, coerente con la previsione della velocità delle onde gravitazionali nella relatività classica. (La loro velocità può essere influenzata dall'espansione accelerata dell'Universo, ma questa dovrebbe manifestarsi a distanze notevolmente superiori a quelle coperte da LIGO).
È del tutto possibile, tuttavia, che i gravitoni abbiano una massa piccola, il che significa che le onde gravitazionali si muoveranno a una velocità inferiore alla luce. Quindi, ad esempio, se LIGO e Virgo rilevano le onde gravitazionali e scoprono che le onde sono arrivate sulla Terra più tardi di quelle associate a un evento cosmico di raggi gamma, ciò potrebbe avere conseguenze fatali per la fisica fondamentale.
Lo spaziotempo è fatto di stringhe cosmiche?
Una scoperta ancora più strana potrebbe accadere se venissero rilevate esplosioni di onde gravitazionali provenienti da "stringhe cosmiche". Questi ipotetici difetti di curvatura dello spazio-tempo, che possono o non possono essere correlati alle teorie delle stringhe, dovrebbero essere infinitamente sottili ma allungati su distanze cosmiche. Gli scienziati prevedono che le stringhe cosmiche, se esistono, potrebbero piegarsi accidentalmente; se la corda si piega, provocherà un'ondata gravitazionale che rilevatori come LIGO o Virgo potrebbero misurare.
Le stelle di neutroni possono essere frastagliate?
Le stelle di neutroni sono i resti di grandi stelle che sono collassate sotto il loro stesso peso e sono diventate così dense che elettroni e protoni hanno iniziato a fondersi in neutroni. Gli scienziati hanno poca comprensione della fisica dei buchi di neutroni, ma le onde gravitazionali potrebbero dire molto su di loro. Ad esempio, l'intensa gravità sulla loro superficie fa sì che le stelle di neutroni diventino quasi perfettamente sferiche. Ma alcuni scienziati hanno suggerito che potrebbero anche avere "montagne" - alte pochi millimetri - che rendono questi oggetti densi, di 10 chilometri di diametro, non di più, leggermente asimmetrici. Le stelle di neutroni di solito ruotano molto rapidamente, quindi una distribuzione di massa asimmetrica deformerà lo spaziotempo e produrrà un segnale di onda gravitazionale sinusoidale costante, rallentando la rotazione della stella ed emettendo energia.
Anche le coppie di stelle di neutroni che ruotano l'una intorno all'altra producono un segnale costante. Come i buchi neri, queste stelle si muovono a spirale e alla fine si fondono in un suono distintivo. Ma la sua specificità differisce dalla specificità del suono dei buchi neri.
Perché le stelle esplodono?
I buchi neri e le stelle di neutroni si formano quando le stelle massicce smettono di brillare e collassano su se stesse. Gli astrofisici pensano che questo processo sia al centro di tutti i tipi comuni di esplosioni di supernove di tipo II. Le simulazioni di tali supernova non hanno ancora dimostrato perché si accendono, ma si ritiene che l'ascolto delle esplosioni di onde gravitazionali emesse da una vera supernova fornisca una risposta. A seconda di come appaiono le onde di scoppio, quanto sono forti, quanto spesso si verificano e come si correlano con le supernove tracciate dai telescopi elettromagnetici, questi dati potrebbero aiutare a escludere un gruppo di modelli esistenti.
Quanto velocemente si sta espandendo l'universo?
L'espansione dell'universo significa che gli oggetti distanti che si allontanano dalla nostra galassia appaiono più rossi di quanto non siano in realtà, poiché la luce che emettono si allunga mentre si muovono. I cosmologi stimano il tasso di espansione dell'universo confrontando il redshift delle galassie con quanto sono lontane da noi. Ma questa distanza è solitamente stimata dalla luminosità delle supernove di tipo Ia e questa tecnica lascia molte incertezze.
Se diversi rilevatori di onde gravitazionali in tutto il mondo rilevano segnali dalla fusione delle stesse stelle di neutroni, insieme possono stimare in modo assolutamente accurato il volume del segnale e con esso la distanza alla quale è avvenuta la fusione. Potranno anche valutare la direzione e, con essa, identificare la galassia in cui si è verificato l'evento. Confrontando lo spostamento verso il rosso di questa galassia con la distanza dalle stelle che si fondono, è possibile ottenere un tasso indipendente di espansione cosmica, forse più accurato di quanto consentano i metodi attuali.
