Le oscillazioni nello spazio-tempo furono scoperte un secolo dopo che erano state previste da Einstein. Inizia una nuova era nell'astronomia.
Gli scienziati sono stati in grado di rilevare le fluttuazioni nello spazio-tempo causate dalla fusione dei buchi neri. Ciò accadde cento anni dopo che Albert Einstein aveva predetto queste "onde gravitazionali" nella sua teoria della relatività generale e cento anni dopo che i fisici avevano iniziato a cercarle.
Questa scoperta storica è stata segnalata oggi dai ricercatori del LIGO Laser Interferometric Gravitational Wave Observatory. Hanno confermato le voci che avevano circondato l'analisi della prima serie di dati che avevano raccolto per mesi. Gli astrofisici affermano che la scoperta delle onde gravitazionali consente un nuovo sguardo sull'universo e rende possibile riconoscere eventi lontani che non possono essere visti con i telescopi ottici, ma si possono sentire e persino udire i loro deboli tremori raggiungerci attraverso lo spazio.
“Abbiamo rilevato onde gravitazionali. Ce l'abbiamo fatta! ha annunciato David Reitze, direttore esecutivo del gruppo di ricerca di 1.000 membri, parlando oggi a una conferenza stampa a Washington presso la National Science Foundation.
Le onde gravitazionali sono forse il fenomeno più sfuggente tra le previsioni di Einstein; lo scienziato ha discusso questo argomento con i suoi contemporanei per decenni. Secondo la sua teoria, lo spazio e il tempo formano la materia che allunga, che si piega sotto l'influenza di oggetti pesanti. Sentire la gravità significa entrare nelle curve di questa materia. Ma può questo spazio-tempo tremare come la pelle di un tamburo? Einstein era confuso, non sapeva cosa significassero le sue equazioni. E ha cambiato più volte il suo punto di vista. Ma anche i più accaniti sostenitori della sua teoria credevano che le onde gravitazionali fossero comunque troppo deboli per essere osservate. Dopo certi cataclismi si estendono a cascata e, mentre si muovono, allungano e contraggono alternativamente lo spazio-tempo. Ma quando queste onde raggiungono la Terra,si allungano e comprimono ogni chilometro di spazio di una minuscola frazione del diametro di un nucleo atomico.
Rilevatore dell'osservatorio LIGO a Hanford, Washington
Foto: REUTERS, Hangout
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Ci sono voluti pazienza e cautela per rilevare queste onde. L'osservatorio LIGO ha lanciato fasci laser avanti e indietro lungo curve ad angolo retto lunghe quattro chilometri di due rilevatori, uno a Hanford, Washington e l'altro a Livingston, in Louisiana. Ciò è stato fatto alla ricerca di espansioni e contrazioni coincidenti di questi sistemi durante il passaggio delle onde gravitazionali. Utilizzando stabilizzatori all'avanguardia, strumenti per il vuoto e migliaia di sensori, gli scienziati hanno misurato i cambiamenti nella lunghezza di questi sistemi, pari a solo un millesimo delle dimensioni di un protone. Una tale sensibilità degli strumenti era impensabile cento anni fa. Sembrava incredibile anche nel 1968, quando Rainer Weiss del Massachusetts Institute of Technology concepì un esperimento chiamato LIGO.
“È un grande miracolo che alla fine ci siano riusciti. Sono stati in grado di rilevare queste minuscole vibrazioni! - ha affermato il fisico teorico dell'Università dell'Arkansas, Daniel Kennefick, che ha scritto nel 2007 il libro Travelling at the Speed of Thought: Einstein and the Quest for Gravitational Waves (In viaggio con la velocità del pensiero. Einstein e la ricerca delle onde gravitazionali).
Questa scoperta ha segnato l'inizio di una nuova era nell'astronomia delle onde gravitazionali. Si spera di avere idee più accurate sulla formazione, composizione e ruolo galattico dei buchi neri - queste sfere di massa superdense che distorcono lo spazio-tempo in modo così drammatico che nemmeno la luce può sfuggire da lì. Quando i buchi neri si avvicinano l'uno all'altro e si fondono, generano un segnale di impulso: oscillazioni spazio-temporali che aumentano di ampiezza e tono e poi terminano bruscamente. I segnali che possono essere registrati dall'osservatorio sono nella gamma del suono, tuttavia sono troppo deboli per essere ascoltati dall'orecchio nudo. Puoi ricreare questo suono facendo scorrere le dita sui tasti del pianoforte. "Inizia dalla nota più bassa e lavora fino alla terza ottava", ha detto Weiss. "Questo è quello che sentiamo."
I fisici sono già sbalorditi dal numero e dalla forza dei segnali che sono stati registrati al momento. Ciò significa che ci sono più buchi neri nel mondo di quanto si pensasse in precedenza. "Siamo fortunati, ma ho sempre contato su tale fortuna", ha detto l'astrofisico del Caltech Kip Thorne, che ha creato LIGO con Weiss e Ronald Drever, anch'essi del Caltech. "Questo di solito accade quando si apre una finestra completamente nuova nell'universo."
Avendo origliato le onde gravitazionali, possiamo formarci idee completamente diverse sullo spazio e forse scopriremo fenomeni cosmici inimmaginabili.
"Posso paragonarlo al momento in cui abbiamo puntato per la prima volta un telescopio verso il cielo", ha detto l'astrofisica teorica Janna Levin del Barnard College, Columbia University. "Le persone si sono rese conto che c'era qualcosa lì, e puoi vederlo, ma non potevano prevedere l'incredibile serie di possibilità che esistono nell'universo." Allo stesso modo, ha osservato Levin, la scoperta delle onde gravitazionali potrebbe mostrare che l'universo è "pieno di materia oscura che non possiamo semplicemente rilevare con un telescopio".
La storia della scoperta della prima onda gravitazionale è iniziata lunedì mattina di settembre ed è iniziata con un applauso. Il segnale era così chiaro e forte che Weiss pensò: "No, non ha senso, non ne verrà fuori niente".
Intensità delle emozioni
Questa prima onda gravitazionale ha attraversato i rilevatori del LIGO aggiornato - prima a Livingston e sette millisecondi dopo a Hanford - durante una corsa simulata la mattina presto del 14 settembre, due giorni prima dell'inizio ufficiale della raccolta dei dati.
I rilevatori sono stati "rodati" dopo un aggiornamento di cinque anni che è costato 200 milioni di dollari. Sono dotati di nuovi specchietti per la cancellazione del rumore e di un sistema di feedback attivo per sopprimere le vibrazioni estranee in tempo reale. L'aggiornamento ha conferito all'osservatorio aggiornato un livello di sensibilità più elevato rispetto al vecchio LIGO, che ha trovato "zero assoluto e puro", come ha detto Weiss, tra il 2002 e il 2010.
Quando a settembre è arrivato il segnale forte, gli scienziati in Europa, dove in quel momento era mattina, hanno cominciato a bombardare frettolosamente i loro colleghi americani con le e-mail. Quando il resto del gruppo si è svegliato, la notizia si è diffusa molto rapidamente. Quasi tutti erano scettici su questo, ha detto Weiss, soprattutto quando hanno visto il segnale. Era un vero classico da manuale, quindi alcune persone pensavano che fosse un falso.
Idee sbagliate nella ricerca delle onde gravitazionali sono state ripetute molte volte dalla fine degli anni '60, quando Joseph Weber dell'Università del Maryland riteneva di aver trovato vibrazioni risonanti in un cilindro di alluminio con sensori in risposta alle onde. Nel 2014 ha avuto luogo un esperimento chiamato BICEP2, in base ai risultati del quale è stato annunciato che sono state rilevate le onde gravitazionali originali - le oscillazioni spazio-temporali del Big Bang, che ormai si sono allungate e permanentemente congelate nella geometria dell'universo. Gli scienziati del team BICEP2 hanno annunciato la loro scoperta con grande clamore, ma poi i loro risultati sono stati verificati in modo indipendente, durante il quale si è scoperto che si sbagliavano e che questo segnale proveniva dalla polvere cosmica.
Quando il cosmologo della Arizona State University Lawrence Krauss ha sentito parlare della scoperta del team LIGO, ha pensato che fosse una "roba cieca". Durante il funzionamento del vecchio osservatorio, i segnali simulati sono stati segretamente inseriti nei flussi di dati per testare la risposta, e la maggior parte del team non ne era a conoscenza. Quando Krauss apprese da una fonte esperta che questa volta non si trattava di "imbottitura cieca", riuscì a malapena a contenere la sua gioiosa eccitazione.
Il 25 settembre, ha twittato ai suoi 200.000 follower: “Voci di un'onda gravitazionale rilevata sul rilevatore LIGO. Incredibile se vero. Ti darò i dettagli, se non è un tiglio. " Questo è seguito da una voce dell'11 gennaio: “Le voci precedenti su LIGO sono confermate da fonti indipendenti. Segui le notizie. Forse vengono scoperte onde gravitazionali!"
La posizione ufficiale degli scienziati era la seguente: non diffondere il segnale ricevuto finché non c'è una certezza al cento per cento. Thorne, legato mani e piedi da questo impegno alla segretezza, non disse nemmeno nulla a sua moglie. "Ho festeggiato da solo", ha detto. Per cominciare, gli scienziati hanno deciso di tornare all'inizio e analizzare tutto nei minimi dettagli per scoprire come il segnale si propagava attraverso le migliaia di canali di misurazione di vari rivelatori e per capire se c'era qualcosa di strano nel momento in cui il segnale è stato rilevato. Non hanno trovato niente fuori dall'ordinario. Hanno anche eliminato gli hacker che avrebbero dovuto conoscere meglio le migliaia di flussi di dati nell'esperimento. "Anche quando la squadra entra in gioco, non sono abbastanza perfetti e lasciano molte impronte dietro di loro", ha detto Thorne. "E non c'erano tracce qui."
Nelle settimane seguenti, hanno sentito un altro segnale più debole.
Gli scienziati hanno analizzato i primi due segnali e ne hanno ricevuti sempre di più. A gennaio, hanno presentato i loro documenti di ricerca in Physical Review Letters. Questo numero è su Internet oggi. Secondo le loro stime, la significatività statistica del primo segnale più potente supera il "5-sigma", il che significa che i ricercatori sono fiduciosi al 99,9999% nella sua autenticità.
Ascoltando la gravità
Le equazioni della relatività generale di Einstein sono così complesse che alla maggior parte dei fisici ci sono voluti 40 anni per essere d'accordo: sì, le onde gravitazionali esistono e possono essere rilevate, anche teoricamente.
All'inizio Einstein pensava che gli oggetti non potessero rilasciare energia sotto forma di radiazione gravitazionale, ma poi cambiò il suo punto di vista. Nel suo lavoro storico, scritto nel 1918, ha mostrato quali oggetti possono fare questo: sistemi a forma di manubrio che ruotano simultaneamente attorno a due assi, ad esempio, binari e supernove che esplodono come petardi. Sono loro che possono generare onde nello spazio-tempo.
Modello di computer che illustra la natura delle onde gravitazionali nel sistema solare
Foto: REUTERS, dispensa
Ma Einstein ei suoi colleghi hanno continuato a esitare. Alcuni fisici hanno affermato che anche se le onde esistono, il mondo vibrerà con esse e sarà impossibile sentirle. Fu solo nel 1957 che Richard Feynman chiuse la questione dimostrando in un esperimento mentale che se esistono onde gravitazionali, teoricamente possono essere rilevate. Ma nessuno sapeva quanto fossero comuni questi sistemi di manubri nello spazio o quanto fossero forti o deboli le onde risultanti. "Alla fine, la domanda era: saremo mai in grado di trovarli?" Ha detto Kennefick.
Nel 1968 Rainer Weiss era un giovane professore al Massachusetts Institute of Technology e gli fu assegnato un corso di relatività generale. In quanto sperimentatore, ne sapeva poco, ma all'improvviso ci fu la notizia della scoperta di Weber delle onde gravitazionali. Weber ha costruito tre rilevatori di risonanza delle dimensioni di una scrivania in alluminio e li ha collocati in diversi stati americani. Ora ha detto che tutti e tre i rilevatori hanno registrato "il suono delle onde gravitazionali".
Agli studenti di Weiss è stato chiesto di spiegare la natura delle onde gravitazionali ed esprimere la loro opinione sul messaggio emesso. Studiando i dettagli, è rimasto stupito dalla complessità dei calcoli matematici. “Non riuscivo a capire cosa diavolo stesse facendo Weber, come i sensori interagiscono con l'onda gravitazionale. Mi sono seduto a lungo e mi sono chiesto: "Qual è la cosa più primitiva a cui riesco a pensare per rilevare le onde gravitazionali?" E poi mi è venuta in mente un'idea, che chiamo la base concettuale di LIGO ".
Immagina tre oggetti nello spazio-tempo, diciamo, specchi agli angoli di un triangolo. "Invia un segnale luminoso da uno all'altro", ha detto Weber. "Guarda quanto tempo ci vuole per passare da una messa all'altra e controlla se il tempo è cambiato." Si scopre, ha osservato lo scienziato, che questo può essere fatto rapidamente. “L'ho affidato ai miei studenti come compito scientifico. Letteralmente l'intero gruppo è stato in grado di fare questi calcoli ".
Negli anni successivi, quando altri ricercatori tentarono di replicare i risultati dell'esperimento di Weber con un rivelatore di risonanza, ma fallirono costantemente (non è chiaro cosa osservasse, ma queste non erano onde gravitazionali), Weiss iniziò a preparare un esperimento molto più accurato e ambizioso: l'interferometro a onde gravitazionali. Il raggio laser rimbalza su tre specchi a forma di L per formare due raggi. La spaziatura dei picchi e delle valli delle onde luminose indica con precisione la lunghezza delle ginocchia “G” che creano gli assi X e Y dello spaziotempo. Quando la bilancia è ferma, le due onde luminose rimbalzano sugli angoli e si annullano a vicenda. Il segnale nel rivelatore è zero. Ma se un'onda gravitazionale attraversa la Terra, allunga la lunghezza di un braccio della lettera "G" e comprime la lunghezza dell'altro (e viceversa a sua volta). La mancata corrispondenza dei due fasci di luce crea un segnale nel rivelatore, mostrando leggere fluttuazioni nello spazio-tempo.
All'inizio, i colleghi fisici erano scettici, ma presto l'esperimento trovò supporto nella persona di Thorn, il cui gruppo di teorici del Caltech ha studiato i buchi neri e altre potenziali fonti di onde gravitazionali, nonché i segnali che generano. Thorne è stato ispirato dall'esperimento di Weber e da sforzi simili di scienziati russi. Dopo aver parlato nel 1975 a una conferenza con Weiss, "ho iniziato a credere che il rilevamento delle onde gravitazionali avrebbe avuto successo", ha detto Thorne. "E volevo che anche la Caltech fosse coinvolta in questo." Ha concordato con l'istituto di assumere lo sperimentatore scozzese Ronald Driever, che ha anche annunciato che avrebbe costruito un interferometro a onde gravitazionali. Nel corso del tempo, Thorne, Driver e Weiss hanno iniziato a lavorare come una squadra, risolvendo ciascuno la propria parte di innumerevoli problemi in preparazione di un esperimento pratico. Il trio ha formato LIGO nel 1984 e quando sono stati costruiti i prototipi e un team in crescita ha iniziato a collaborare, hanno ricevuto 100 milioni di dollari di finanziamenti dalla National Science Foundation all'inizio degli anni '90. Sono stati redatti progetti per la costruzione di una coppia di rivelatori giganti a forma di L. Un decennio dopo, i rilevatori hanno iniziato a funzionare.
Ad Hanford e Livingston, al centro di ciascuna delle curve di quattro chilometri dei rivelatori c'è un vuoto, grazie al quale il laser, il suo raggio e gli specchi sono isolati al massimo dalle vibrazioni costanti del pianeta. Per assicurare ancora di più, gli scienziati LIGO monitorano i loro rilevatori mentre lavorano con migliaia di strumenti, misurando tutto ciò che possono: attività sismica, pressione atmosferica, fulmini, raggi cosmici, vibrazioni delle apparecchiature, suoni nell'area di un raggio laser e così via. Quindi filtrano questo rumore di fondo indesiderato dai loro dati. Forse la cosa principale è che hanno due rilevatori e questo ti consente di confrontare i dati ricevuti, controllandoli per la presenza di segnali coincidenti.
All'interno del vuoto che si crea, anche quando i laser e gli specchi sono completamente isolati e stabilizzati, "accadono sempre cose strane", afferma Marco Cavaglià, vice portavoce del progetto LIGO. Gli scienziati devono seguire questi "pesci rossi", "fantasmi", "mostri marini incomprensibili" e altri fenomeni vibrazionali estranei, scoprendone la fonte per eliminarli. Un caso difficile si è verificato durante la fase di convalida, ha affermato Jessica McIver, una ricercatrice del team LIGO, che studia tali segnali estranei e interferenze. Nei dati spesso appariva una serie di rumori periodici a singola frequenza. Quando lei ei suoi colleghi hanno convertito le vibrazioni degli specchi in file audio, "il telefono suonava distintamente", ha detto McIver. "Risultòche erano gli inserzionisti di comunicazioni che chiamavano al telefono all'interno della sala laser ".
Nei prossimi due anni, gli scienziati continueranno a migliorare la sensibilità dei rivelatori del modernizzato Laser Interferometric Gravitational Wave Observatory LIGO. E in Italia inizierà a funzionare un terzo interferometro, denominato Advanced Virgo. Una risposta che i dati ottenuti aiuteranno a dare è come si formano i buchi neri. Sono il prodotto del collasso delle prime stelle massicce o il risultato di collisioni all'interno di densi ammassi stellari? "Queste sono solo due ipotesi, suppongo che ce ne saranno di più quando tutti si saranno calmati", dice Weiss. Mentre LIGO inizia ad accumulare nuove statistiche nel corso del suo prossimo lavoro, gli scienziati inizieranno ad ascoltare le storie sull'origine dei buchi neri che lo spazio sussurrerà loro.
Per forma e dimensioni, il primo segnale pulsato più forte ha avuto origine a 1,3 miliardi di anni luce da dove, dopo un'eternità di danza lenta, sotto l'influenza dell'attrazione gravitazionale reciproca, due buchi neri, ciascuno circa 30 volte la massa solare, si sono finalmente fusi. I buchi neri giravano sempre più velocemente, come un vortice, avvicinandosi gradualmente. Poi c'è stata una fusione e in un batter d'occhio hanno rilasciato onde gravitazionali con un'energia paragonabile a quella dei tre Soli. Questa fusione è diventata il più potente fenomeno energetico mai registrato.
"È come se non avessimo mai visto l'oceano durante una tempesta", ha detto Thorne. Ha aspettato questa tempesta nello spazio-tempo dagli anni '60. La sensazione che Thorne ha provato mentre le onde si infrangevano non era eccitazione, dice. Era qualcos'altro: una sensazione di profonda soddisfazione.
