Le onde gravitazionali

Increspature nello spaziotempo

La relatività generale di Einstein descrive la gravità non come un'attrazione ma come una curvatura dello spazio e del tempo, uniti nello spaziotempo. Gli oggetti pesanti curvano lo spaziotempo e gli altri oggetti seguono quelle curve.

Quando oggetti massicci si muovono e accelerano, possono inviare onde attraverso lo spaziotempo, un po' come una barca che crea increspature su un lago. Sono le onde gravitazionali. Al loro passaggio lo spazio si allunga in una direzione e si comprime nell'altra, ripetutamente, alla velocità della luce.

L'effetto è minuscolo. Persino un'onda prodotta da due buchi neri in collisione cambia la distanza tra Terra e Sole di meno della larghezza di un atomo. Solo gli eventi più violenti dell'universo producono onde che possiamo sperare di misurare.

Dalla previsione alla prova

Nel 1916 Einstein calcolò che le onde gravitazionali dovevano esistere, ma pensava che fossero troppo deboli per essere rilevate. Per decenni molti fisici discussero persino sulla loro realtà.

Una prova indiretta arrivò nel 1974, quando Russell Hulse e Joseph Taylor scoprirono una coppia di stelle di neutroni in orbita l'una attorno all'altra. Negli anni la loro orbita si restrinse esattamente al ritmo previsto se stessero perdendo energia sotto forma di onde gravitazionali. La scoperta valse il Premio Nobel per la fisica 1993.

Catturare direttamente un'onda sulla Terra richiese altri 40 anni e alcuni degli strumenti più sensibili mai costruiti.

Come funzionano LIGO, Virgo e KAGRA

LIGO, il Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, ha due rivelatori negli Stati Uniti, a Hanford, nello stato di Washington, e a Livingston, in Louisiana. Ognuno ha la forma di una L con bracci lunghi circa 4 km.

Un fascio laser viene diviso e inviato lungo i due bracci, riflesso da specchi e ricombinato. Normalmente i due fasci si annullano. Se un'onda gravitazionale allunga un braccio e comprime l'altro, i fasci si sfasano leggermente e compare un tremolio di luce. La variazione di lunghezza è inferiore a un decimillesimo della larghezza di un protone.

Avere più rivelatori molto distanti aiuta a escludere vibrazioni locali, come camion o terremoti, e permette di localizzare la sorgente nel cielo. LIGO lavora con Virgo in Italia e con KAGRA, un rivelatore sotterraneo in Giappone. Insieme formano una rete globale.

La prima rilevazione

Il 14 settembre 2015 entrambi i rivelatori LIGO registrarono un breve segnale, un cinguettio crescente durato una frazione di secondo. Proveniva da due buchi neri di circa 36 e 29 masse solari che spiraleggiavano l'uno verso l'altro fondendosi a circa 1,3 miliardi di anni luce di distanza.

In quell'ultimo istante una massa pari a circa tre Soli fu convertita in energia di onde gravitazionali. Il risultato fu annunciato nel febbraio 2016 e nel 2017 Rainer Weiss, Barry Barish e Kip Thorne ricevettero il Premio Nobel per la fisica per il loro ruolo in LIGO.

Alla fine del quarto periodo di osservazione, a fine 2025, la rete aveva registrato oltre 300 segnali candidati. La maggior parte sono fusioni di buchi neri, mentre un numero minore coinvolge stelle di neutroni.

Cosa ci dicono le onde gravitazionali

Nell'agosto 2017 i rivelatori captarono onde prodotte dalla collisione di due stelle di neutroni. Pochi secondi dopo i telescopi spaziali videro un lampo di raggi gamma, e osservatori di tutto il mondo seguirono poi il bagliore in dissolvenza, detto kilonova. I detriti contenevano elementi pesanti, una forte prova che collisioni come questa forgiano gran parte dell'oro e del platino dell'universo.

Le onde gravitazionali rivelano buchi neri che altrimenti sarebbero invisibili e mostrano che hanno masse più varie del previsto. Permettono di verificare la relatività generale dove la gravità è più intensa e offrono persino un modo indipendente per misurare la velocità di espansione dell'universo.

Poiché attraversano polvere e gas quasi indisturbate, portano informazioni direttamente dal cuore di eventi che la luce non può mostrare.

In ascolto dallo spazio: LISA

I rivelatori a terra captano segnali acuti da oggetti relativamente piccoli. Per cogliere le onde lente e profonde della fusione di buchi neri supermassicci al centro delle galassie servono bracci molto più lunghi di quelli possibili sulla Terra.

Nel 2024 l'Agenzia spaziale europea ha adottato la missione LISA, realizzata con la NASA. Tre veicoli spaziali voleranno a triangolo, con lati di circa 2,5 milioni di km, collegati da laser, seguendo la Terra attorno al Sole. Al 2026 il lancio è previsto verso il 2035.

Nel frattempo i radioastronomi usano le reti di temporizzazione delle pulsar, osservando il ticchettio regolare di molte pulsar, e nel 2023 hanno riportato indizi di un lieve ronzio di fondo di onde gravitazionali molto lunghe. Le onde gravitazionali non si vedono con un telescopio, ma servizi di allerta pubblici condividono le nuove rilevazioni, spesso entro pochi minuti.