Le onde gravitazionali hanno alcune proprietà simili alla luce. Si muovono alla stessa velocità nel vuoto e con una certa frequenza e ampiezza. Ciò che differiscono dalla luce è che non sono dispersi o assorbiti dalla materia, nel modo in cui lo è la luce.
Pertanto, è probabile che le onde gravitazionali primordiali, che si ipotizza siano state prodotte dal Big Bang, siano ancora là fuori in attesa di essere rilevate e analizzate.
Le onde gravitazionali sono state rilevate indirettamente tramite osservazioni di pulsar PSR 1913+16 , un membro di un sistema binario, la cui orbita decade alla velocità di circa tre millimetri per orbita. L'inspirazione del binario (cioè il decadimento della sua orbita) può essere spiegata solo da una perdita invisibile di energia, che presumiamo essere il risultato di onde gravitazionali che trasportano energia lontano dal sistema.
L'osservazione diretta delle onde gravitazionali attualmente ci sfugge, ma sembra almeno fattibile monitorando l'allineamento di masse di prova ampiamente separate. Tali sistemi di monitoraggio sono attualmente in atto sulla Terra, tra cui LIGO , che ha masse di prova separate fino a quattro chilometri: quella distanza di separazione viene monitorata da laser progettati per rilevare piccoli cambiamenti in quella distanza, che potrebbero derivare dal passaggio di un'onda gravitazionale iniziata da un punto lontano nell'universo.
Il passaggio di un'onda gravitazionale dovrebbe allungare e contrarre la Terra. Questo non è perché colpisce la Terra e le impartisce energia cinetica, come un'onda oceanica che colpisce la terra. Invece, la Terra – che si trova nello spazio-tempo – ha la sua geometria alterata, in modo che continui ad adattarsi allo spazio-tempo momentaneamente allungato e poi contratto all'interno del quale si trova, mentre passa un'onda gravitazionale.
L'installazione dell'osservatorio di onde gravitazionali dell'interferometro laser (LIGO) a Hanford. Quando parli di astronomia delle onde gravitazionali, grande è buono. Credito: Caltech.
Si pensa che le onde gravitazionali non siano influenzate dall'interazione con la materia e si muovano alla velocità della luce nel vuoto, indipendentemente dal fatto che esse stesse si trovino o meno nel vuoto. Perdono ampiezza (altezza d'onda) sulla distanza, ma solo attraverso l'attenuazione. Questo è simile al modo in cui un'onda d'acqua, emanata dal punto di impatto di un sassolino caduto in uno stagno, perde ampiezza proporzionalmente al quadrato del raggio del cerchio crescente che forma.
Le onde di gravità possono anche diminuire di frequenza (cioè aumentare la lunghezza d'onda) su distanze molto grandi, a causa dell'espansione dell'universo, più o meno allo stesso modo in cui la lunghezza d'onda della luce viene spostata verso il rosso dall'espansione dell'universo.
Considerato tutto ciò, gli effetti estremamente piccoli che ci si aspetta dalle onde gravitazionali che possono passare abitualmente dalla Terra creano una sfida sostanziale per il rilevamento e la misurazione, poiché queste minuscole fluttuazioni spazio-temporali devono essere distinte da qualsiasi rumore di fondo.
Il rumore di fondo per LIGO include rumore sismico (ovvero movimenti intrinseci della Terra), rumore strumentale (ovvero variazioni di temperatura che influenzano l'allineamento delle apparecchiature di rilevamento) e un rumore di livello quantistico, noto anche come Rumore Johnson-Nyquist – che nasce dal indeterminazione quantistica delle posizioni dei fotoni.
Kip Thorne , uno dei grandi nomi della teoria e della ricerca sulle onde gravitazionali, ha apparentemente appianato quest'ultimo e forse il più fastidioso effetto attraverso l'applicazione di la quantità di non demolizione principi – che consentono di misurare qualcosa senza distruggerlo o senza far crollare la sua funzione d'onda.
Tuttavia, la necessità di invocare principi quantistici di non demolizione è un'indicazione della natura estremamente debole delle onde gravitazionali - che hanno una potenza del segnale generalmente debole (cioè piccola ampiezza) e bassa frequenza (cioè lunga, infattimolto lungo, lunghezza d'onda).
Laddove la luce visibile può essere di 390 nanometri e la luce radio può avere una lunghezza d'onda di 3 metri, le onde gravitazionali sono più nell'ordine di 300 chilometri per un'esplosione di supernova media, fino a 300.000 chilometri per un binario di buchi neri ispiratori e forse fino a 3 miliardi di luce anni per gli echi primordiali del Big Bang.
Quindi, c'è un modo equo di procedere con tutto questo a livello tecnologico - anche se i sostenitori (come vogliono i sostenitori) dicono che siamo sull'orlo della nostra prima osservazione confermata di un'onda gravitazionale - o altrimenti ritengono che abbiamo già raccolto i dati, ma non so ancora come interpretarli.
Questa è l'attuale ricerca degli utenti della scienza dei cittadini di [email protetta] – il terzo più popolare BOINC progetto di calcolo distribuito dopo [email protetta] (individuare un alieno) e [email protetta] (piegare una proteina).
Questo articolo fa seguito a una conferenza pubblica tenuta da Kip Thorne all'Australian National University nel luglio 2011 in cui ha discusso i piani per LIGO Australia e anche le simulazioni animate delle collisioni di buchi neri descritte nel documento seguente, che possono fornire modelli per interpretare le forme d'onda che verranno rilevate in futuro dagli osservatori di onde gravitazionali.
Ulteriori letture:Owen e altri (tra cui Thorne, K.) Vortici di trascinamento del fotogramma e tendenze di marea collegati ai buchi neri in collisione: visualizzazione della curvatura dello spaziotempo .