Come parte della sua teoria della relatività generale, Einstein predisse che la massa avrebbe dovuto emettere onde gravitazionali. Saranno deboli, però, quindi ci vorrebbero oggetti molto massicci per produrre onde rilevabili qui sulla Terra. Un esperimento che sta lavorando per il loro rilevamento è il Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (o LIGO). Dovrebbe essere in grado di rilevare le onde gravitazionali più potenti mentre attraversano la Terra. E un osservatorio spaziale previsto per il lancio nel 2015 chiamato LISA dovrebbe essere ancora più forte.
Gli scienziati sono vicini a vedere effettivamente le onde gravitazionali. Credito immagine: NASA
La gravità è una forza familiare. È la ragione della paura delle altezze. Tiene la luna alla Terra, la Terra al sole. Impedisce alla birra di galleggiare fuori dai nostri bicchieri.
Ma come? La Terra sta inviando messaggi segreti alla luna?
Ebbene sì, una specie di.
Eanna Flanagan, professore associato di fisica e astronomia alla Cornell, ha dedicato la sua vita alla comprensione della gravità da quando era studente all'University College di Dublino nella sua nativa Irlanda. Ora, quasi due decenni dopo aver lasciato l'Irlanda per studiare per il suo dottorato sotto il famoso relativista Kip Thorne al California Institute of Technology, il suo lavoro si concentra sulla previsione della dimensione e della forma delle onde gravitazionali - un fenomeno sfuggente previsto dalla Teoria della Relatività Generale di Einstein del 1916 ma che non sono mai stati rilevati direttamente.
Nel 1974, gli astronomi della Princeton University Russell Hulse e Joseph H. Taylor Jr. misurarono indirettamente l'influenza delle onde gravitazionali sulle stelle di neutroni co-orbitanti, una scoperta che valse loro il Premio Nobel per la fisica nel 1993. Grazie al recente lavoro di Flanagan e dei suoi colleghi, gli scienziati sono ora sul punto di vedere direttamente le prime onde gravitazionali.
Il suono non può esistere nel vuoto. Richiede un mezzo, come l'aria o l'acqua, attraverso il quale trasmettere il suo messaggio. Allo stesso modo, la gravità non può esistere nel nulla. Anch'essa ha bisogno di un mezzo attraverso il quale trasmettere il suo messaggio. Einstein ha teorizzato che quel mezzo è lo spazio e il tempo, o il 'tessuto dello spaziotempo'.
I cambiamenti di pressione - un colpo su un tamburo, una corda vocale vibrante - producono onde sonore, increspature nell'aria. Secondo la teoria di Einstein, i cambiamenti di massa - la collisione di due stelle, l'atterraggio di polvere su uno scaffale - producono onde gravitazionali, increspature nello spaziotempo.
Poiché la maggior parte degli oggetti di uso quotidiano ha una massa, le onde gravitazionali dovrebbero essere tutt'intorno a noi. Allora perché non ne troviamo nessuno?
'Le onde gravitazionali più forti causeranno disturbi misurabili sulla Terra 1.000 volte più piccoli di un nucleo atomico', ha spiegato Flanagan. 'Rilevarli è un'enorme sfida tecnica.'
La risposta a questa sfida è LIGO, il Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, un esperimento colossale che coinvolge una collaborazione di oltre 300 scienziati.
LIGO è costituito da due installazioni a quasi 2.000 miglia di distanza: una a Hanford, nello stato di Washington, e una a Livingston, in Los Angeles. Ogni struttura ha la forma di una 'L' gigante, con due bracci lunghi 2,5 miglia fatti di 4 piedi di diametro tubi del vuoto incassati nel calcestruzzo. Raggi laser ultra stabili attraversano i tubi, rimbalzando tra gli specchi all'estremità di ciascun braccio. Gli scienziati si aspettano che un'onda gravitazionale che passa allunghi un braccio e schiacci l'altro, facendo sì che i due laser percorrano distanze leggermente diverse.
La differenza può quindi essere misurata “interferendo” i laser nel punto in cui i bracci si intersecano. È paragonabile a due auto che sfrecciano perpendicolarmente verso un incrocio. Se percorrono la stessa velocità e distanza, si schianteranno sempre. Ma se le distanze sono diverse, potrebbero mancare. Flanagan e i suoi colleghi sperano in una miss.
Inoltre, esattamente quanto i laser colpiranno o mancheranno forniranno informazioni sulle caratteristiche e sull'origine dell'onda gravitazionale. Il ruolo di Flanagan è prevedere queste caratteristiche in modo che i suoi colleghi di LIGO sappiano cosa cercare.
A causa dei limiti tecnologici, LIGO è in grado di rilevare solo onde gravitazionali di determinate frequenze da sorgenti potenti, comprese esplosioni di supernovae nella Via Lattea e stelle di neutroni in rapida rotazione o co-orbitanti nella Via Lattea o in galassie lontane.
Per espandere le potenziali fonti, la NASA e l'Agenzia spaziale europea stanno già pianificando il successore di LIGO, LISA, l'antenna spaziale interferometrica laser. LISA è simile nel concetto a LIGO, tranne per il fatto che i laser rimbalzeranno tra tre satelliti a 3 milioni di miglia di distanza l'uno dall'altro che seguono la Terra in orbita attorno al sole. Di conseguenza, LISA sarà in grado di rilevare onde a frequenze inferiori rispetto a LIGO, come quelle prodotte dalla collisione di una stella di neutroni con un buco nero o dalla collisione di due buchi neri. LISA è previsto per il lancio nel 2015.
Flanagan e i suoi collaboratori del Massachusetts Institute of Technology hanno recentemente decifrato la firma dell'onda gravitazionale che si verifica quando un buco nero supermassiccio inghiotte una stella di neutroni delle dimensioni del sole. È una firma che sarà importante per LISA riconoscere.
'Quando LISA vola dovremmo vedere centinaia di queste cose', ha osservato Flanagan. “Saremo in grado di misurare come lo spazio e il tempo sono deformati e come lo spazio dovrebbe essere attorcigliato da un buco nero. Vediamo la radiazione elettromagnetica e pensiamo che sia probabilmente un buco nero, ma questo è tutto quello che abbiamo. Sarà molto emozionante vedere finalmente che la relatività funziona davvero'.
Ma, ha avvertito, “potrebbe non funzionare. Gli astronomi osservano che l'espansione dell'universo sta accelerando. Una spiegazione è che la relatività generale deve essere modificata: Einstein aveva per lo più ragione, ma in alcuni regimi le cose potrebbero funzionare diversamente».
Thomas Oberst è uno stagista scrittore di scienze presso il Cornell News Service.
Fonte originale: Università Cornell