Onde Gravitazionali e Buchi Neri, le due facce della scoperta

So di essere mortale e creatura di un giorno; ma quando scopro gli ammassati cerchi roteanti delle stelle, i miei piedi non toccano più terra, ma, fianco a fianco con Zeus stesso, mi sazio di ambrosia, il cibo degli dei.

(Tolomeo astronomo del II secolo a.C.)

di Bruno Giorgini

Abbiamo lasciato le onde gravitazionali al 1972, quando un giovane studente di fisica nella sua tesi falsificava – sotto la guida dei suoi maestri Roberto Bergamini e Marcello Ceccarelli – i risultati sperimentali di Weber che asseriva di averle rilevate, concludendo: “Probabilmente la finestra gravitazionale è molto più angusta delle speranze che l’esperienza di Weber aveva aperto e ci pare che, comunque, l’ultima parola in questo campo debba ancora venire detta (…), ma, per uno strano (ma poi non tanto) paradosso, quel che sembrava un problema tra i più astratti e teorici ha aperto, nel campo della rivelazione di debolissimi segnali, una grande finestra tecnologica. Forse i nostri sogni sulla fisica si sono allontanati, ma ogni risveglio, per quanto faticoso, può essere l’inizio di un nuovo giorno (e anche, magari, di altre attività).”.

Forse è il caso di sottolineare come l’insuccesso di Weber non mettesse in discussione per nessuno l’esistenza delle onde gravitazionali perché troppo limpida era, e è, la derivazione delle stesse dalle equazioni di Einstein che descrivono la dinamica del campo gravitazionale in ottimo accordo con le osservazioni empiriche, per esempio i GPS sono calibrati tenendo conto delle correzioni dovute alla Relatività Generale.

Comunque già nel 1974 Russel Hulse e Joseph Taylor scoprono una coppia di pulsar (stelle di neutroni) il cui comportamento è spiegabile solo in base all’emissione di onde gravitazionali. Tuttavia in questo caso siamo nell’ambito di un paradigma che potremmo chiamare “indiziario”, deducendo il profilo di un colpevole dalle tracce che lascia, ma senza trovare la cosiddetta prova che lo indichi al di là di ogni ragionevole dubbio. Insomma manca l’esperimento che le misuri direttamente.

Passano gli anni e i tentativi di mettere a punto apparati sperimentali in grado di osservare le onde gravitazionali si susseguono tutti zoppicanti, fino a ieri.

L’11 febbraio del 2016 a Washington D.C. David Reitze, direttore del progetto LIGO in conferenza stampa annuncia “We did it”, ce l’abbiamo fatta. A LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) hanno collaborato circa 1000 (mille) ricercatori, una impresa collettiva che ha progettato e costruito uno strumento capace di rivelare segnali al di sotto delle dimensioni di un protone ≈ 10 alla meno 19 metri, con una sensibilità di 1 su 10 elevato alla 22 (10 alla meno 22), più o meno la larghezza di un capello sulla distanza tra il Sole e Alpha Centauri (≈ 4.4 anni luce, ricordo che la luce viaggia all’incirca a 300.000 km. al secondo). Senza entrare in dettagli tecnici, pensiamo l’interferometro come una coppia di sismografi molto sensibili. E il 14 settembre 2015 alle 4.50 a.m. il sismografo a Linvingston in Louisiana e alle 2.50 a.m. quello di Handford nello stato di Washington, a 3000 km di distanza l’uno dall’altro con 0.007 sec, cioè 7 millisecondi, di differenza – il tempo che ha impiegato la luce per percorrere la distanza che li separa – hanno registrato un segnale proveniente dal cosmo: una increspatura dello spaziotempo, l’onda gravitazionale tanto cercata che è corsa in un intervallo di tempo di 0.25 sec, un quarto di secondo.

Vi ho riempito di numeri per darvi la percezione di quanto sia minuscola nello spazio e nel tempo quest’onda, e fino a che punto si sia spinta la tecnologia di rilevazione di piccolissimi segnali, molto molto al di sotto di ogni percezione propria ai sensi umani, epperò moltiplicati nelle loro capacità dagli strumenti, l’apparato tecnologico di misura e di calcolo, dalla potenza degli algoritmi e infine dalla filosofia naturale (la fisica teorica e sperimentale).

Cioè la percezione scientifica del mondo va molto al di là dei nostri sensi, il che non è privo di conseguenze sia filosofiche che antropologiche.

Ma da dove è venuta quest’onda. Le cronache cosmiche raccontano di due Buchi Neri, rispettivamente di 29 e 36 masse solari, che un miliardo e trecento milioni di anni fa (cioè a una distanza ≈ 1 mld e 300 ml di anni luce) spiralizzando l’uno sull’altro, con una velocità pari alla metà di quella della luce si sono fusi dando origine a un Buco Nero finale con una massa pari a 62 masse solari. Ora 29 + 36 fa 65, quindi mancano 3 masse solari che se ne sono andate in energia della radiazione gravitazionale emessa, le nostre onde (ricordiamo che l’energia E=mc*2, l’energia è uguale alla massa per la velocità della luce al quadrato).

Per capire quanto i nostri neuroni possano essere eccitati, e performanti, nonché il nostro immaginario esteso di fronte a questi risultati, raccontiamola così.

Abbiamo due Buchi Neri all’incirca di trenta masse solari ciascuno, distanti un miliardo di anni luce da noi, che hanno girato l’uno attorno all’altro per centinaia di milioni d’anni, prima lentamente poi sempre più svelti e noi, cioè LIGO, abbiamo visto  le ultime orbite e la loro fusione captando la fine (0.2 secondi) del segnale emesso che ha viaggiato per un miliardo d’anni prima d’arrivare sulla terra.

C’è da averne il capogiro. E forse il fenomeno più notevole è proprio la dinamica dei due Buchi Neri, osservata in diretta per la prima volta, se non erro. Ovvero la finestra gravitazionale si è aperta su un panorama mai visto prima.

Adesso possiamo chiederci, ma sarà vero. O, dicendola in linguaggio scientifico: sarà possibile testare questi risultati col criterio della ripetibilità – dobbiamo essere almeno in due a fare lo stesso esperimento in modo indipendente ottenendo gli stessi numeri e la stessa descrizione . Oppure si potrà mettere in campo un protocollo credibile di falsificazione, analizzando i dati e procedure in fino per cercare eventuali sbagli o fenomeni spuri e inquinanti.

Certamente non da parte di uno studente, seppure con due maestri di gran classe, come avvenne per la tesi sugli esperimenti di Weber, che rispetto a LIGO appartengono a un’era geologica fa, almeno. Non è nemmeno pensabile, mi pare; soltanto il numero dei ricercatori coinvolti, 1000 di 25 nazioni, spaventa. Poi le vie dell’ingegno sono infinite e quindi non si sa mai.

GW Global Detector Map

A questo proposito Giovanni Bignami, Presidente dell’Istituto Nazionale d’Astrofisica, ha commentato così. “Secondo gli autori gli oggetti responsabili (dell’onda, ndr) erano due, diventati uno: due buchi neri (..) A prima vista, ci vuole fortuna. Perché buchi neri di quella massa, nella storia dell’astronomia, non erano mai stati osservati. Né tantomeno un sistema binario di due buchi neri così, ancora più raro. Osservarlo poi proprio nel momento finale della sua vita, è ancora più raro. E questo succede appena hai acceso il tuo rivelatore nuovo di zecca…Ma la fortuna aiuta gli audaci (…). Le onde gravitazionali passano e non tornano più, sono come il gatto che sorride in Alice nel Paese delle Meraviglie. Per una conferma, che nella scienza non guasta mai, bisognerebbe trovare il gatto, o quel che ne resta, che pure deve essere da qualche parte.”.

Una conferma avrebbe potuto esserci se Virgo, il gemello o quasi di LIGO, che si trova a Pisa, fosse stato acceso e/o in grado di funzionare quel famoso 11 settembre 2015, potendo così rivelare la stessa onda, o comunque permettendo di comparare i dati di ricezione nell’uno e nell’altro apparato, ma così non fu. E nella stessa data neppure GEO600, l’interferometro vicino a Hannover era in funzione.

Infine un piccolo gruppo di ricercatori senior del team LIGO aveva testato la capacità del sistema di distinguere una vera onda gravitazionale da un segnale “falso”, con l’iniezione alla cieca di “fake gravitational waves” nella stringa di dati. Però la rilevazione di Settembre avvenne prima che l’iniezione alla cieca fosse fatta.

Per l’intanto Science conclude così il suo articolo sulla scoperta: “E’ di gran lunga la più potente esplosione che gli umani abbiano rivelato se si eccettua il big bang.”

Infine, per chi volesse, Science e Nature hanno pubblicato due articoli abbastanza chiari e semplici – da lì ho preso i numeri che cito – rispettivamente “Gravitational waves, Einstein’s ripples in spacetime, spotted for first time” e “Einstein’s gravitational waves found at last”,  reperibili in rete.

 
Le immagini di questo articolo sono tratte da INFN



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