domenica 13 marzo 2016

Onda Su Onda...Lo Spaziotempo Vibra

La rilevazione dell'onda gravitazionale è stata vista come un segnale comune tra i due siti di LIGO.
Questa immagine mostra i dati osservati (riga in alto), il segnale teorico previsto al computer (riga centrale),
  e ciò che rimane dopo che il segnale  teorico viene sottratto dai dati osservati (riga in basso).
 (*)Vedere le note, alla fine dell'articolo, per gli approfondimenti 

Il 14 settembre 2015 passerà alla storia. Questo è, infatti, il giorno in cui i ricercatori hanno rilevato per la prima volta un'onda gravitazionale. 100 anni fa Albert Einstein propose la sua teoria della relatività generale che prevede tali distorsioni dello spazio-tempo!
Mi piace pensare che il buon vecchio Albert stia gongolando da qualche parte...

Dicevamo che il 14 settembre 2015, precisamente intorno alle ore 04:51 in Louisiana (ore 09:50:45 UTC o tempo universale), i due interferometri LIGO uno a Livingston, Los Angeles, e l'altro a Hanford, nello Stato di Washington avevano rilevato un segnale di onde gravitazionali che fu etichettato come GW150914 (in base alla data del rilevamento).

L'analisi dei dati (quasi in tempo reale) mise sul chi va là gli scienziati circa tre minuti più tardi, allorquando fu evidente che c'era qualcosa di sostanzialmente interessante nei dati. 
Valutare questo segnale (della durata di circa mezzo secondo) ha richiesto una notevole quantità di tempo ed un'estrema accuratezza nell'analisi, ma il successo è arrivato aprendo il nuovo campo dell'astronomia delle onde gravitazionali!
Non c'è stata, infatti, soltanto la prima rilevazione diretta delle onde gravitazionali, ma anche la prima rilevazione diretta di un sistema binario di buchi neri! 

Ma andiamo con calma, io ne ho ancora bisogno dopo un mese dall'annuncio della scoperta, e non certo perché la notizia sia arrivata senza preavviso. Da mesi, circolavano in rete "rumor" ed ipotesi circa la scoperta delle onde gravitazionali. Addirittura, pochi giorni prima dell'annuncio ufficiale, l'ennesima voce su Twitter: questa volta il blabbermouth era stato Clifford Burgess, fisico teorico alla McMaster University di Hamilton, Canada, che dava per certa la scoperta, sulla base di sue personali informazioni.

In effetti, così è stato. 

E finalmente, l'11 febbraio 2016 verso le 16:15 ora italiana, ho potuto assistere in streaming live alla press conference dell'annuncio, sul canale YouTube della National Science Foundation (NSF) che finanzia i due osservatori LIGO, gestiti da Caltech e MIT. L'emozione è stata indescrivibile e alle 17:35, poco prima della conclusione della diretta, pubblicavo questo post su Google+:


Durante l'annuncio di giovedì 11 febbraio 2016, avvenuto a Washington, DC, alcuni scienziati del Caltech, del MIT, e della LIGO Scientific Collaboration hanno fornito una forte evidenza della loro scoperta.
Non dimenticherò mai il momento in cui David Reitzeexecutive director del LIGO Laboratory, ha detto:

Ladies and gentlemen, we have detected gravitational waves. We did it.” 

Tutto questo è avvenuto cinque mesi dopo che l'Advanced Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (aLIGO) ha iniziato a raccogliere dati, a seguito di una revisione esaustiva che ha aumentato significativamente la sensibilità dei suoi rivelatori.

Questa la premessa! Proviamo ad andare con ordine, cercando di comprendere. 
Ma prima date un'occhiata a questo bel video di Science Magazine:

Gravitational waves finally detected!


► Che cosa sono realmente le onde gravitazionali?

Cercherò di non farla troppo lunga, risparmiandovi dettagli tecnici che appesantirebbero la comprensione dell'argomento, ma non posso non rifarmi a Newton...anche se il personaggio è vissuto oltre tre secoli fa.

Copertina del 
Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica

di Newton, pubblicato il 5 luglio 1687 e in cui 
compariva per la prima volta la
 Gravitazione Universale.
Sicuramente molti conosceranno la storia della "mela di Newton", che suona più o meno così.
Un giorno, mentre era seduto sotto un albero, Newton osservò una mela che cadeva giù, in lontananza, è realizzò che la luna orbita attorno alla Terra a causa della stessa forza che fa cadere la mela dall'albero.
Non sapremo mai se effettivamente andò così, ma una cosa è certa: Newton si rese conto che quella forza era dovuta alla gravità e che la gravità agisce a distanza senza alcun contatto fisico!
Le masse avvertono la forza di gravità perché ogni massa nell'Universo possiede il proprio campo gravitazionale, che si somma a tutti gli altri campi nell'universo.
Secondo la teoria newtoniana della gravità, quando una massa cambia posizione, l'intero campo gravitazionale cambia istantaneamente ovunque nell'universo, e, di conseguenza, le forze gravitazionali risultanti si modificano all'istante.


Ma la Teoria einsteniana della Relatività Generale, che fornisce la descrizione della gravità più comunemente accettata, afferma che nessuna informazione può viaggiare più veloce della luce, compresa l'informazione sulle posizioni della massa nell'universo, comunicata mediante il campo gravitazionale. La Relatività Generale prevede che una variazione nel campo gravitazionale viaggerà attraverso l'universo alla velocità della luce. Proprio queste variazioni nel campo gravitazionale sono le onde gravitazionali.

► Increspature nel tessuto dello spazio-tempo

Grosso modo, queste onde gravitazionali si possono immaginare come delle "increspature nel tessuto dello spazio-tempo", dove lo spazio-tempo comprende il tempo insieme alle 3 dimensioni spaziali a cui siamo abituati nella vita di ogni giorno. La Relatività descrive con molta precisione la gravitazione in questo universo 4-dimensionale. Poiché le quattro dimensioni sono difficili da visualizzare, possiamo utilizzare una superficie flessibile come un modello semplificato per lo spazio-tempo in 3 dimensioni.



Curvatura dello spaziotempo. Fonte

Secondo Einstein la gravità è il risultato della curvatura dello spazio-tempo.
Se non c'è alcuna massa a premere su questa superficie, allora lo spazio-tempo è piatto ed una pallina che vi rotola sopra si muoverà in linea retta. Ma se su questa superficie c'è una grande massa a premere, la pallina viene deviata verso la massa dalla curvatura della superficie, come se ci fosse una attrazione gravitazionale tra le due masse. Qualsiasi cambiamento nella posizione delle masse produrrà increspatureo onde gravitazionali- su questa superficie, che rappresenta il nostro campo gravitazionale che cambia.


Increspature nel tessuto dello spaziotempo, generate da
stelle in rapida rotazione. Fonte: Wikipedia

Le onde gravitazionali sono per la gravità l'analogo delle radiazioni elettromagnetiche per l'elettromagnetismo. Le onde gravitazionali sono create, infatti, da masse in movimento, così come le onde elettromagnetiche sono create da cariche in movimento.

Ci sono però due differenze principali tra gravità ed elettromagnetismo, ciascuna con una propria serie di conseguenze per la natura e il contenuto informativo della radiazione: 

1. La gravità è una interazione di debole intensità (circa 10^-34 N) ed ha soltanto un segno di "carica" (la massa inerziale).
L'interazione elettromagnetica è molto più intensa (circa 10^2 N) ed ha due segni opposti di carica (+, -).

Questa è la differenza più significativa tra gravità ed elettromagnetismo, ed è la ragione principale per cui noi percepiamo questi due fenomeni in modo diverso. Tale differenza porta ad alcune immediate conseguenze:

campi gravitazionali significativi sono generati dalla concentrazione di grandi quantità di materia. I campi elettromagnetici sono generati da lievi squilibri provocati da piccole (spesso microscopiche) separazioni  di carica.
Analogamente, le onde gravitazionali sono generate dal movimento di grandi masse, e hanno lunghezze d'onda molto più grandi degli oggetti stessi. Le onde elettromagnetiche, invece, sono tipicamente generate da piccoli movimenti di coppie elettriche all'interno degli oggetti, e hanno lunghezze d'onda molto più piccole degli oggetti stessi.
Le onde gravitazionali sono debolmente interagenti, il che le rende estremamente difficili da rilevare; allo stesso tempo, possono viaggiare senza ostacoli attraverso la materia interposta, che abbia qualsivoglia densità o composizione. 
Le onde elettromagnetiche interagiscono fortemente con la materia ordinaria, il che le rende facili da rilevare; ma esse sono anche facilmente assorbite o diffuse dalla materia interposta.
Le onde gravitazionali danno informazioni olistiche di tipo audio sulle vibrazioni e i movimenti complessivi di oggetti. Le onde elettromagnetiche forniscono immagini che rappresentano le proprietà complessive di cariche microscopiche sulle superfici degli oggetti.

2. La "carica" gravitazionale è equivalente all'inerzia.
La carica elettromagnetica è indipendente dall'inerzia.

Questa è la differenza fondamentale tra elettromagnetismo e gravità, e influenza molti dettagli della radiazione gravitazionale, ma in sé non è responsabile delle marcate differenze nel modo in cui percepiamo questi due tipi di radiazione. La maggior parte delle conseguenze del principio di equivalenza nella gravità è stata ampiamente discussa nella letteratura scientifica, ad esempio:

Il campo fondamentale della gravità è un campo gravitazionale mareale, e richiede un dispositivo distribuito su una certa distanza che possa rilevarlo. Il campo fondamentale dell'elettromagnetismo è un campo di forza elettrica, che può essere sentito da cariche singole all'interno di un dispositivo.

► La modalità dominante per quanto riguarda la radiazione gravitazionale è quadrupolare: ha una dipendenza quadratica dalle posizioni delle "cariche" (masse) che la generano. La modalità dominante della radiazione elettromagnetica è dipolare: ha una dipendenza lineare dalle posizioni delle cariche generatrici.

Infine, ricordiamo che le onde elettromagnetiche viaggiano nello spazio-tempo, mentre le onde gravitazionali sono un disturbo dello spazio-tempo stesso.

Se si tengono presenti tali fondamentali differenze, si possono considerare le onde gravitazionali più o meno alla stessa stregua delle onde elettromagnetiche. Esse possono esistere in qualsiasi lunghezza d'onda e si muovono alla velocità della luce. Quante ne esistono ad una data lunghezza d'onda dipende da quanti sono i processi per la loro produzione. I processi noti danno luogo alla distribuzione che si può osservare nel grafico del paragrafo seguente. Un rivelatore di onde gravitazionali è fondamentalmente un'antenna sintonizzata su una frequenza particolarmente promettente.


► Spettro delle onde gravitazionali

Mentre le onde elettromagnetiche di origine astrofisica sono tipicamente molto più piccole delle loro sorgenti, variando da qualche chilometro a lunghezze d'onda sub-nucleari, le onde gravitazionali sono più grandi delle loro sorgenti, con lunghezze d'onda che variano da pochi chilometri fino alle dimensioni dell'universo. Una perturbazione gravitazionale più grande dell'universo non si potrebbe considerare come un'onda perché non avrebbe alcuna oscillazione rilevabile.

Il diagramma seguente illustra alcune ampiezze e lunghezze d'onda tipiche delle onde gravitazionali attraverso l'intero spettro, e le sensibilità dei diversi metodi di rilevamento. Alcune di queste sorgenti sono molto speculative, o hanno ampiezze altamente incerte. Ci sono anche molte sorgenti ancora più speculative che non sono state incluse nel diagramma. (Fonte del diagramma ed ulteriori informazioni)




Quella che segue è una infografica del Gravitational Astrophysics Lab della NASA che illustra lo spettro delle onde gravitazionali con le relative sorgenti ed i rivelatori.
Crediti: NASA Goddard Space Flight Center

► Sorgenti di onde gravitazionali

In generale, qualsiasi accelerazione che non sia sfericamente o cilindricamente simmetrica produrrà un'onda gravitazionale. Si consideri una stella prossima a diventare una supernova. L'esplosione produrrà onde gravitazionali se la massa non verrà espulsa secondo una simmetria sferica, sebbene il centro di massa può trovarsi nella stessa posizione prima e dopo l'esplosione. Un altro esempio è una stella rotante. Una stella perfettamente sferica non produrrà un'onda gravitazionale, mentre la produrrà una stella che non lo è.
Le onde gravitazionali, a cui i rivelatori moderni sono sensibili, si troverebbero nella gamma di frequenza percettibile se fossero onde sonore. In questo senso, questi rivelatori possono essere pensati come "ricevitori di onde gravitazionali". Così come le onde radio non possono essere ascoltate, senza una radio che rilevi le onde e decodifichi il segnale musicale, le onde gravitazionali non possono essere "ascoltate" senza un rilevatore che sia grado di distinguere l'onda gravitazionale da decodificare. Tutta la fisica che ha portato alla produzione di un'onda gravitazionale è quindi codificata in questa "musica" che i fisici devono decodificare. Nelle seguenti descrizioni di onde gravitazionali, il "suono" che esse producono sarà spesso documentato per illustrare le proprietà del previsto segnale.


Rappresentazione artistica di due stelle orbitanti l'una attorno all'altra fino a fondere in una unica stella con
produzione di onde gravitazionali.
[Immagine: NASA/CXC/GSFC/T.Strohmayer]


- Ascoltate un esempio di segnale proveniente da due stelle di neutroni che stanno per fondere insieme: cliccare

- Adesso lo stesso segnale mescolato con il rumore di fondo: cliccare
I rumori di fondo nei rivelatori di LIGO provengono principalmente dall'ambiente locale.

Ci sono quattro principali sorgenti di onde gravitazionali, che denominerò come segue (traducendo approssimativamente in italiano i termini originali dalla lingua inglese): continue, spiraleggianti, esplosive, e stocastiche.

1. Onde gravitazionali continue
Le onde gravitazionali continue sono prodotte da sistemi aventi una frequenza piuttosto costante e ben definita. Ne sono esempi stelle binarie o sistemi di buchi neri orbitanti l'uno attorno all'altro oppure stelle solitarie in rapida rotazione attorno al proprio asse e che presentano alcune irregolarità nella propria forma. Si ipotizza che tali sorgenti producano onde gravitazionali relativamente deboli poiché evolvono in un periodo di tempo più lungo e sono di solito meno catastrofiche delle sorgenti di onde gravitazionali spiraleggianti o di quelle esplosive. Il suono, che tale tipo di onde gravitazionali produrrebbe, dovrebbe essere un suono continuo poiché la frequenza dell'onda gravitazionale è quasi costante.


Un esempio di segnale riferito ad una sorgente di onda gravitazionale continua. [Crediti: A. Stuver/LIGO] 
2. Onde gravitazionali spiraleggianti
Questo tipo di onde si forma durante la fase finale del ciclo di vita dei sistemi binari, in cui i due oggetti fondono in uno solo. Questi sistemi sono solitamente due stelle di neutroni, due buchi neri o una stella di neutroni e un buco nero le cui orbite hanno degenerato fino ad un punto tale che le due masse finiscono per fondere. Ruotando le due masse una attorno all'altra, le loro distanze orbitali diminuiscono e aumentano le loro velocità. Ciò fa aumentare la frequenza delle onde gravitazionali fino al momento della coalescenza. Il suono che queste onde gravitazionali produrrebbero è il suono corrispondente ad un segnale cosiddetto "chirp", ovvero un suono corto e acuto, come quello emesso da un insetto o da un uccello, in sintesi una sorta di breve fischio. 


Esempio di segnale di un'onda gravitazionale spiraleggiante. [Crediti: A. Stuver/LIGO]
3. Onde gravitazionali esplosive
Queste onde provengono da sorgenti sconosciute o impreviste, di breve durata. Si ipotizza che le supernovae o i lampi gamma possano produrre onde gravitazionali esplosive, ma si sa davvero troppo poco circa i dettagli di questi sistemi per anticipare la forma che avranno tali onde. I suoni che esse dovrebbero produrre potrebbero essere 'botti' e 'fruscii'.


Esempio di segnale di un'onda gravitazionale esplosiva.
[Crediti: A. Stuver/LIGO using data from C. Ott, D. Burrows, e al.]
4. Onde gravitazionali stocastiche
Le onde gravitazionali stocastiche provengono dall'evoluzione dell'universo primitivo. Molto simili alla radiazione cosmica di fondo (CMB), che è la luce residua del Big Bang, queste onde gravitazionali derivano da un gran numero di eventi casuali e indipendenti, che si si sono combinati dando origine ad una radiazione cosmica di fondo di onde gravitazionali. Si pensa che il Big Bang sia un ottimo candidato per la produzione dei numerosi processi casuali necessari a generare onde gravitazionali stocastiche (e la CMB), che possono fornire informazioni circa l'origine e la storia dell'universo. Se tali onde gravitazionali hanno veramente avuto origine con il Big Bang, esse si sono propagate con l'espansione dell'Universo e ci possono fornire informazioni sulle sue primissime fasi: esse sarebbero state prodotte da circa 10^-36 a 10^-32 secondi dopo il Big Bang, mentre la CMB è stata prodotta circa 300.000 anni dopo il Big Bang. Il suono che queste onde gravitazionali produrrebbero, sarebbe un rumore continuo e uguale in ogni parte del cielo (proprio come la CMB).


Esempio di segnale relativo ad un'onda gravitazionale stocastica. [Crediti: A. Stuver/LIGO]
► La ricerca delle onde gravitazionali

La gravità è la più debole delle quattro forze fondamentali (le altre sono: elettromagnetica, nucleare debole e nucleare forte): le onde gravitazionali sono estremamente piccole. Per i fisici, un'onda gravitazionale di forte intensità produrrà spostamenti dell'ordine di 10^-18 metri, valore che è 1000 volte minore del diametro di un protone. Onde di questa intensità saranno prodotte da sistemi molto massicci sottoposti a grandi accelerazioni, come due buchi neri orbitanti sul punto di fondere in uno solo. Dal momento che tali sistemi sono rari, queste sorgenti saranno distanti anni luce. Pertanto, cercare le onde gravitazionali è andare a caccia dei minimi effetti prodotti da alcuni dei più energetici sistemi astrofisici dalle profondità dell'universo.

Le onde gravitazionali interagiscono con la materia comprimendo gli oggetti in una direzione e allungandoli nella direzione perpendicolare alla prima. Pertanto, gli attuali rivelatori di onde gravitazionali sono realizzati a forma di L e misurano le relative lunghezze dei bracci utilizzando l'interferometria, che esamina i modelli di interferenza prodotta dalla combinazione di due sorgenti luminose.
LIGO è il più grande dei rivelatori di onde gravitazionali, con due bracci (interferometri) lunghi 4 km ciascuno (la rete internazionale di rivelatori comprende VIRGO in Italia, GEO in Germania e TAMA in Giappone).

Perché utilizzare rivelatori multipli
Gli interferometri multipli sono necessari per individuare e localizzare con sicurezza le sorgenti di onde gravitazionali, poiché osservazioni direzionali non possono essere effettuate con un singolo rivelatore come LIGO, che è sensibile a grandi porzioni del cielo alla volta.
Le onde gravitazionali hanno una velocità finita e si ipotizza che viaggino alla velocità della luce. Ciò provoca un ritardo di rilevamento (fino a circa 10 millisecondi) tra i due rivelatori LIGO. L'utilizzo di questo ritardo e del ritardo tra LIGO e i suoi partner internazionali contribuirà a individuare la posizione, nel cielo, della sorgente di onde gravitazionali. I rilevatori multipli contribuiscono anche a risolvere i "falsi" eventi di onde gravitazionali causate da sorgenti locali, quali potrebbero essere gli alberi che cadono nei boschi o anche un tecnico che lascia cadere un martello in loco. Questi eventi ovviamente non sono onde gravitazionali, ma potrebbero apparire come tali nei dati raccolti. Se si osserva un evento candidato come onda gravitazionale in un rivelatore ma non nell'altro, entro il tempo di percorrenza della luce tra i rivelatori, l'evento candidato viene scartato.

Come funziona un interferometro
Per misurare le relative lunghezze dei bracci, un singolo fascio laser viene suddiviso all'incrocio dei due bracci. Metà della luce laser viene trasmessa in un braccio mentre l'altra metà è riflessa nel secondo braccio. Gli specchi sono sospesi come dei pendoli all'estremità di ogni braccio e vicino al divisore di fascio. In ciascun braccio, la luce laser rimbalza avanti e indietro tra questi specchi, e infine ritorna all'incrocio, dove interferisce con la luce dell'altro braccio.

Se le lunghezze dei due bracci sono rimaste invariate, allora le due onde luminose combinandosi dovrebbero sottrarsi reciprocamente del tutto (interferenza distruttiva) e non sarà osservata nessuna luce all'uscita del rivelatore. Tuttavia, se un'onda gravitazionale dovesse allungare leggermente un braccio (di circa 1/1000 del diametro di un protone)  e comprimere l'altro, i due fasci di luce non si sottrarrebbero più completamente a vicenda, producendo figure luminose di interferenza in uscita dal rivelatore. Codificate in queste figure luminose ci sono le informazioni relative alla variazione della lunghezza tra i due bracci, che a sua volta ci dice che cosa ha dato origine alle onde gravitazionali.


LIGO


Diagramma semplificato e non in scala di un rivelatore Advanced LIGO. Fonte.

Diverse cose sulla superficie della Terra possono causare variazioni di lunghezza molto piccole nei bracci di LIGO. Questi segnali terrestri onnipresenti sono considerati come rumore di fondo (e somigliano molto ai disturbi elettrici causati da un segnale inviato attraverso un altoparlante). LIGO cerca di misurare la variazione di lunghezza dei suoi bracci dovuta ad un'onda gravitazionale e non i piccoli e incessanti movimenti dei componenti di LIGO causati dall'ambiente. Per ridurre al minimo gli effetti locali sul rivelatore, sono stati apportati molti miglioramenti al disegno di base dell'interferometro (oltre ad ottenere che entrambi i rivelatori siano in grado di rilevare lo stesso segnale entro il tempo di percorrenza della luce tra i due rivelatori). 
Un miglioramento è stato quello di posizionare i componenti ottici di LIGO all'interno di un ambiente sotto vuoto. A livello di superficie, ciò impedisce alle correnti d'aria di disturbare gli specchi (anche in un sistema ben isolato, differenze di temperatura lungo i bracci del rivelatore potrebbero indurre delle correnti d'aria), ma soprattutto questo procedimento assicura che la luce laser possa compiere un percorso rettilineo nei bracci. Lievi differenze di temperatura attraverso il braccio costringeranno la luce a piegarsi a causa della dipendenza dell'indice di rifrazione dalla temperatura (una misura di quanto la luce viene curvata quando passa attraverso un mezzo).
Anche una leggera flessione della luce nei bracci fa sì che il laser colpisca l'interno del tubo del diametro di circa 1,2 metri per la sua intera lunghezza di 4 km. In definitiva, LIGO è il più grande osservatorio al mondo tenuto sotto vuoto spinto (8 volte il vuoto dello spazio) che mantiene un volume di circa 8.500 metri cubi ad un trilionesimo della pressione dell'atmosfera terrestre.


Un altro miglioramento apportato è quello di aggiungere sistemi di isolamento sismico all'interno e all'esterno di LIGO.
Internamente, ci sono piccoli magneti fissati alla parte posteriore di ogni specchio e le posizioni di questi magneti sono rilevate dalle ombre che essi proiettano da sorgenti LED.
Se gli specchi si muovono troppo, un elettromagnete genera un campo magnetico di contrasto per rimettere in posizione magneti e specchio. Questo metodo non è solo valido a contrastare il movimento degli specchi causato dalle vibrazioni locali, ma è anche utile a contrastare la forza mareale del Sole e della Luna poiché la nostra stella ed il nostro satellite attraggono a sé gli specchi nello stesso modo in cui attraggono l'acqua degli oceani.
Esternamente, ci sono sistemi idraulici che contrastano le vibrazioni della superficie terrestre prima che possano causare vibrazioni nei componenti interni di LIGO.

► Che cosa ha rilevato LIGO il 14 settembre 2015?

Le onde gravitazionali rilevate da LIGO sono state prodotte durante la frazione finale di un secondo in cui è avvenuta la fusione di una coppia di buchi neri rotanti di massa stellare, che hanno dato origine ad un buco nero rotante più massiccio. 


In base ai segnali osservati, gli scienziati di LIGO stimano che i due buchi neri iniziali avessero una massa pari rispettivamente a circa 29 e 36 volte la massa solare e che l'evento sia avvenuto 1,3 miliardi di anni fa. Il buco nero, prodotto dalla fusione della coppia, aveva una massa pari a 62 masse solari, pertanto una massa pari a 3 masse solari è stata convertita in onde gravitazionali in una frazione di secondo, con una potenza di picco pari a circa 50 volte quella dell'intero universo osservabile.
Osservando il momento di arrivo dei segnali (il rivelatore Livingston ha registrato l'evento 7 millisecondi prima del rivelatore Hanford), gli scienziati sono stati in grado di risalire alla posizione della sorgente

Poiché i due rivelatori LIGO erano gli unici operativi al momento dell'evento (VIRGO, in Italia, sta terminando gli aggiornamenti della fase avanzata del rivelatore e KAGRA, in Giappone, è in costruzione con lo stesso tipo di strumentazione avanzata), non è stato facile stabilire con precisione da dove è venuto il segnale. I ricercatori sono stati in grado di restringere il campo ad una zona del cielo, sulla base del tempo impiegato dall'onda gravitazionale a viaggiare tra i due rivelatori LIGO e di altri fattori quali la potenza del segnale in ogni rivelatore (vi è una risposta un po' diversa per ciascun rivelatore in base alle diverse posizioni del cielo). La posizione più probabile da cui è provenuto il segnale si trova intorno alle costellazioni Pesce Volante e Carena, nel cielo dell'emisfero meridionale.


L'area colorata su questa mappa mostra la sorgente più probabile dell'onda gravitazionale, in cui il rosso è più
probabile del viola. La posizione viene mostrata in una mappa del cielo notturno centrata sulla Via Lattea con le 
costellazioni profilate. [Crediti: NASA Deep Star Maps (Visualization Credits, Ernie Wright (USRA):Lead Animator
Tom Bridgman (GST):Animator) by NASA/Goddard Space Flight Center Scientific Visualization
Studio con le figure delle costellazioni basate su quelle sviluppate per la IAU da Alan MacRobert di Sky and
Telescope magazine (Roger Sinnott and Rick Fienberg), e la posizione della sorgente basata su Gravoscope
screen grabs (LIGO & Nick Risinger, skysurvey.org), il tutto in coordinate galattiche.
Composizione dell'University of Florida / S. Barke.]. Fonte 

Secondo la relatività generale, una coppia di buchi neri orbitanti uno attorno all'altro perde energia mediante l'emissione di onde gravitazionali. Ciò causa, nel corso di miliardi di anni, il loro graduale e reciproco avvicinamento, che poi diventa molto più rapido nei minuti finali.
Durante la frazione finale di un secondo, i due buchi neri collidono ad una velocità che è circa la metà della velocità della luce e formano un unico buco nero più massiccio, convertendo una parte della massa complessiva in energia, secondo la formula di Einstein E = mc^2.
Tale energia viene emessa come una intensa raffica finale di onde gravitazionali. Sono queste le onde gravitazionali che LIGO ha osservato.

L'esistenza delle onde gravitazionali fu dimostrata per la prima volta negli anni '70 e '80 da Joseph Taylor e colleghi. Taylor e Russell Hulse scoprirono nel 1974 un sistema binario composto da una pulsar in orbita attorno a una stella di neutroni. Taylor e Joel M. Weisberg nel 1982 trovarono che l'orbita della pulsar si stava restringendo lentamente con il passare del tempo a causa del rilascio di energia sotto forma di onde gravitazionali. Per la scoperta di un nuovo tipo di pulsar che aprì nuove strade allo studio della gravitazioneHulse e Taylor ricevettero nel 1933 il Premio Nobel per la Fisica.

La nuova scoperta di LIGO è la prima osservazione delle onde gravitazionali stesse, realizzata misurando le piccole perturbazioni dello spaziotempo, che le onde producono quando attraversano la Terra.

La scoperta corona un ambizioso traguardo che è stato raggiunto dopo oltre un cinquantennio, dedicato alla ricerca di questo elusivo fenomeno, e nel centesimo anniversario della Relatività Generale, confermando ulteriormente la validità della teoria einsteniana. Una conseguenza immediata della scoperta di LIGO è la conferma che esistono i sistemi binari di buchi neri, e quindi i buchi neri in generale, un'altra previsione del genio einsteniano.

Il raggiungimento di questa pietra miliare nella storia della scienza è stata possibile grazie alla LIGO Scientific Collaboration (LSC), un gruppo formato da oltre 1000 scienziati provenienti da università degli Stati Uniti e di altri 14 paesi. Oltre 90 università e istituti di ricerca della LSC lavorano allo sviluppo tecnologico del rivelatore e analizzano i dati; circa 250 studenti sono membri della collaborazione e vi contribuiscono attivamente. La rete dei rivelatori LSC include gli interferometri LIGO e il rivelatore GEO600. Il team GEO comprende scienziati del Max Planck Institute for Gravitational Physics (Albert Einstein Institute, AEI), Leibniz Universität Hannover, insieme con i partner dell'University of Glasgow, della Cardiff University, dell'University of Birmingham, di altre università del Regno Unito, e dell'University of the Balearic Islands in Spagna.

Della rete internazionale di rivelatori fa anche parte VIRGO, come detto in precedenza. La ricerca di VIRGO è condotta dalla VIRGO Collaboration, composta da più di 250 fisici ed ingegneri appartenenti a 19 diversi gruppi di ricerca europei: 6 del Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) in Francia; 8 presso l'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) in Italia; 2 in Olanda con Nikhef; il Wigner RCP in Ungheria; il POLGRAW group in Polonia; e l'European Gravitational Observatory (EGO), il laboratorio che ospita il rivelatore Virgo a Cascina (Pisa), in Italia.

Qual è il significato di questa scoperta per la Scienza?


Fonti dell'infografica: scientificamerican.com, sciencemag.org
Le onde gravitazionali hanno appena dato inizio ad una nuova era in astronomia. La ricerca astronomica svolta in passato si è basata per lo più su varie forme di radiazione elettromagnetica (luce visibile, onde radio, raggi X, ecc.), ma le onde elettromagnetiche sono facilmente riflesse e assorbite da qualsiasi mezzo che si interpone tra la loro sorgente e l'osservatore.
Anche quando si osserva la luce dell'universo, essa è spesso trasformata durante il suo viaggio per giungere a noi. Infatti, quando la luce passa attraverso le nubi di gas o l'atmosfera terrestre, alcune sue componenti sono assorbite e pertanto impossibili da osservare.

Le onde gravitazionali cambieranno il modo di fare astronomia perché l'universo è quasi trasparente rispetto ad esse: il mezzo interposto e i campi gravitazionali non assorbono né riflettono in modo significativo le onde gravitazionali. Gli scienziati potranno esplorare oggetti astrofisici, altrimenti preclusi all'osservazione, quali i meccanismi interni ai fenomeni che non producono luce. Per esempio, se le onde gravitazionali stocastiche provengono veramente dai primi momenti successivi al Big Bang, allora non solo avremo la possibilità di ripercorrere la storia dell'universo più indietro di quanto non abbiamo fatto prima, ma anche di vedere questi segnali come erano all'origine ovvero quando sono stati prodotti.

La fisica coinvolta nella creazione di un un'onda gravitazionale è codificata nell'onda stessa. Per estrarre tali informazioni, un rivelatore di onde gravitazionali si comporta in modo analogo ad una radio. Infatti come questa estrae la musica codificata nelle onde radio che riceve, così LIGO riceve le onde gravitazionali che sono poi decodificate per estrarre informazioni sulla loro origine fisica. È in questo senso che LIGO è effettivamente un osservatorio, anche se non ospita telescopi tradizionali.
Tuttavia, l'analisi dei dati necessaria alla ricerca di onde gravitazionali è molto più grande di quella associata ai telescopi ottici tradizionali, così il rilevamento in tempo reale di onde gravitazionali non è solitamente possibile. Pertanto, LIGO costruisce una storia registrata dei dati del rivelatore. Ciò fornisce un vantaggio nella collaborazione con gli osservatori tradizionali, perché LIGO ha una funzione 'indietro' che i telescopi non hanno. Si consideri una supernova, che è osservabile soltanto dopo la fase iniziale dell'esplosione. I ricercatori di LIGO possono risalire, attraverso i dati, proprio a quella fase e cercare le onde gravitazionali prodotte dall'evento esplosivo. 

L'astronomia delle onde gravitazionali sarà fondamentale nell'esplorare alcune delle grandi domande della fisica: Come si formano i buchi neri? La Relatività Generale costituisce veramente la corretta descrizione della gravità? Come si comporta la materia, sottoposta alle condizioni estreme di temperatura e pressione nelle stelle di neutroni e nelle supernovae?

Inoltre, grazie all'astrofisica delle onde gravitazionali forse potremo finalmente risolvere quattro misteri della cosmologia:

1. energia oscura
2. principio di equivalenza
3. inflazione cosmica
4. Teoria della Grande Unificazione

O almeno questa è la sfida!

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NOTE

(*Nella riga in alto, figura il segnale che è stato osservato. Tuttavia, non sono i dati grezzi così come sono stati raccolti bensì quelli filtrati 1) per ridurre il rumore di fondo e 2) per includere solo le componenti della frequenza che sono intorno alla gamma di frequenza del segnale stesso. Il grafico rosso a sinistra è il segnale rilevato a Hanford, mentre la traccia blu a destra corrisponde al segnale rilevato a Livingston. Per confronto, la linea rossa sotto la linea blu di Livingston è il segnale di Hanford che è stato spostato temporalmente, per tener conto del tempo di percorrenza tra i rivelatori, ed invertito (moltiplicato per -1) per accordarlo all'orientamento dei bracci (i bracci di ciascun sito hanno un orientamento opposto l'uno rispetto all'altro, in modo che il segnale positivo in un rivelatore sarà negativo nell'altro). Il segnale comune può essere visto con il rumore di fondo, in questo confronto.
Riga centrale
I grafici mettono a confronto il segnale previsto dalla relatività numerica (si tratta di risultati di simulazioni al computer, in cui le previsioni della relatività generale non possono essere risolte da esplicite espressioni matematiche) per una coppia di buchi neri, uno dei quali ha una massa 36 volte la massa del nostro Sole e l'altro 29 volte. (La linea rossa nel grafico a sinistra per Hanford e la linea blu sulla destra per Livingston.) Al di sotto di ciascuna delle due linee ci sono due tracce grigie che mostrano il segnale rilevato dai dati reali di LIGO con due diversi e indipendenti metodi di analisi dei dati. Anche in questo caso, si può constatare che le previsioni e le osservazioni si accordano bene.
Riga in basso
Sono i grafici di segnali residui, corrispondenti al rumore di fondo che rimane quando viene rimosso il segnale dell'onda gravitazionale. La constatazione che non è rimasto alcuno schema in questi grafici supporta il fatto che quanto osservato è una vera e propria onda gravitazionale. 
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Riferimenti:

LIGO Scientific Collaboration

Gravitational Waves Detected, New Era of Astronomy Begins 

► Everything you need to know about gravitational waves

Gravitational Waves Detected 100 Years After Einstein's Prediction

► Brian Greene Explains The Discovery Of Gravitational Waves

► Einstein's gravitational waves found at last

► Gravitational waves: 6 cosmic questions they can tackle

LIGO Caltech

► LIGO Science

Alcune fonti accademiche per i più coraggiosi

►  Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger 

► Properties of the binary black hole merger GW150914

► Characterization of transient noise in Advanced LIGO relevant to gravitational wave signal GW150914

► Observing gravitational-wave transient GW150914 with minimal assumptions

► Tests of general relativity with GW150914

The Rate of Binary Black Hole Mergers Inferred from Advanced LIGO Observations Surrounding GW150914 

► GW150914: Implications for the stochastic gravitational-wave background from binary black holes

► Constraining Population Synthesis Models via Empirical Binary Compact Object Merger and Supernova Rates

4 commenti:

  1. E la peppa! Quanta grazia di Dio...
    Grazie, grazie, grazie per aver accolto la mia richiesta. Finalmente ho compreso da che parte iniziare insieme al significato di questa scoperta, che come mi avevi già detto è pari per importanza all'invenzione del cannocchiale galileiano.

    Domani lo consiglierò a scuola ai miei colleghi.

    Con gratitudine ed ammirazione, un salutone da
    Ruben.

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    1. Ciao, Ruben. In realtà, non ho avuto soltanto la tua richiesta perché me ne sono arrivate altre. Così, visto l'interesse suscitato da questa scoperta, ho deciso di fare il punto della situazione, scrivendo un articolo di approfondimento.
      Sono contenta che tu abbia apprezzato.
      Un salutone a te. ☺

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  2. Uno degli articoli più chiari e allo stesso tempo approfonditi che abbia mai letto

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    1. Grazie, Paolo. Fa piacere trovare un riscontro positivo.

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