Che cosa sono le onde gravitazionali e come si rilevano?

Che cosa sono le onde gravitazionali

Le onde gravitazionali sono perturbazioni della geometria dello spaziotempo che si propagano nell’Universo alla velocità della luce. L’immagine delle increspature prodotte da un sasso in uno stagno è utile per intuire il fenomeno, ma ha un limite: non esiste un mezzo esterno nel quale lo spaziotempo ondeggia. È lo spaziotempo stesso a cambiare localmente.

Nella relatività generale la gravità non è descritta semplicemente come una forza che agisce a distanza. Materia ed energia curvano lo spaziotempo, e quella curvatura determina il moto dei corpi. Se una distribuzione di massa cambia rapidamente e in modo asimmetrico, una parte della variazione può allontanarsi dalla sorgente sotto forma di onda gravitazionale.

Quando l’onda passa, le distanze fra oggetti liberi si allungano in una direzione e si accorciano in quella perpendicolare, alternando poi l’effetto. La deformazione è piccolissima: anche segnali prodotti da catastrofi cosmiche richiedono strumenti capaci di misurare variazioni molto inferiori alle dimensioni di un nucleo atomico.

Perché Einstein le aveva previste

Albert Einstein presenta la teoria della relatività generale nel 1915 e nel 1916 ricava l’esistenza di soluzioni ondulatorie delle sue equazioni. L’idea è una conseguenza della teoria: se la configurazione di masse ed energia cambia, l’informazione sulla curvatura non può propagarsi istantaneamente, ma viaggia alla velocità della luce.

Per molto tempo rimangono dubbi sia sull’interpretazione fisica delle onde sia sulla possibilità pratica di misurarle. L’effetto previsto sulla Terra è infatti estremamente debole. Servono decenni di sviluppo in ottica, controllo degli specchi, isolamento dalle vibrazioni, vuoto, calcolo e analisi statistica prima che un rivelatore raggiunga la sensibilità necessaria.

La scoperta non consiste quindi nell’avere visto un oggetto luminoso. Gli scienziati hanno misurato una variazione relativa di lunghezza, chiamata strain, confrontandola con le forme d’onda previste dalla relatività generale e verificando che lo stesso segnale fosse presente in rivelatori separati.

Quali fenomeni producono onde gravitazionali

In linea di principio qualunque massa accelerata contribuisce a perturbare lo spaziotempo. Una persona che muove un braccio produce un effetto, ma è così debole da essere del tutto irrilevabile. Per ottenere segnali misurabili servono masse enormi, accelerazioni estreme e oggetti molto compatti.

Le sorgenti osservate più spesso sono sistemi binari di buchi neri. Mentre i due oggetti orbitano, emettono energia in onde gravitazionali, si avvicinano e aumentano la frequenza del segnale. Seguono la fusione e il ringdown, la fase in cui il buco nero finale si assesta come una campana che smette di vibrare.

Anche due stelle di neutroni, oppure una stella di neutroni e un buco nero, possono fondersi. Altre sorgenti possibili sono stelle di neutroni rotanti non perfettamente simmetriche, alcune supernove e processi avvenuti nell’Universo primordiale. Non tutti questi segnali sono già stati osservati direttamente.

Perché il Sole o la Terra non generano segnali osservabili

La sola presenza di una massa non basta a produrre un’onda intensa. Un corpo sferico che ruota in modo perfettamente uniforme non cambia la propria distribuzione quadrupolare vista da lontano e non emette radiazione gravitazionale significativa. La simmetria cancella gran parte dell’effetto.

Il Sistema solare contiene masse grandi, ma le velocità e le accelerazioni sono modeste rispetto a quelle di due oggetti compatti prossimi alla fusione. Le onde generate dai pianeti sono immensamente più deboli della sensibilità dei rivelatori attuali.

Una coppia di buchi neri concentra invece molte masse solari in dimensioni ridotte e può orbitare centinaia di volte al secondo negli ultimi istanti. È questa combinazione di massa, compattezza e rapidità del moto a rendere il segnale osservabile anche a distanze cosmologiche.

Come funzionano LIGO e Virgo

LIGO negli Stati Uniti e Virgo vicino a Pisa sono interferometri laser. Ogni strumento ha due bracci perpendicolari: quelli di Virgo sono lunghi tre chilometri, quelli di LIGO quattro. Un separatore divide il fascio laser e invia la luce lungo i due percorsi; specchi sospesi la riflettono più volte prima che i fasci vengano ricombinati.

In condizioni ideali i due percorsi hanno la stessa lunghezza ottica e i fasci si cancellano secondo una configurazione controllata. Il passaggio di un’onda gravitazionale allunga lievemente un braccio e accorcia l’altro. La diversa distanza modifica l’interferenza della luce e produce un segnale misurabile.

Gli specchi non sono normali specchi da laboratorio. Devono essere isolati da terremoti, traffico, vento, rumore acustico e vibrazioni termiche. I tubi sono mantenuti in altissimo vuoto e i sistemi di controllo tengono gli apparati nella condizione operativa corretta.

Quanto è piccola la deformazione misurata

La grandezza fondamentale è lo strain, indicato con h: il rapporto fra la variazione di lunghezza e la lunghezza iniziale. Un valore dell’ordine di 10 alla meno 21 significa che un braccio lungo quattro chilometri cambia di una frazione di distanza estremamente piccola, circa diecimila volte inferiore al diametro di un protone.

Dire che lo strumento misura una distanza così piccola non significa che esista un righello capace di leggerla direttamente. L’interferometria trasforma la variazione di fase della luce in un segnale, mentre molte riflessioni aumentano il cammino ottico effettivo e rendono l’apparato più sensibile.

Il problema non è soltanto amplificare il segnale, ma separarlo dai rumori. Fulmini, microterremoti oceanici, movimenti del terreno, fluttuazioni del laser e persino effetti quantistici possono imitare o coprire una variazione. La rivelazione richiede controlli indipendenti e un’analisi statistica rigorosa.

La prima rivelazione diretta: GW150914

Il 14 settembre 2015 i due rivelatori Advanced LIGO registrarono un breve segnale, denominato GW150914. L’analisi indicò la fusione di due buchi neri con masse di circa 36 e 29 volte quella del Sole, avvenuta a oltre un miliardo di anni luce dalla Terra.

Il buco nero finale aveva una massa di circa 62 masse solari. La differenza, equivalente a circa tre masse solari, era stata convertita soprattutto in energia delle onde gravitazionali in una frazione di secondo. Non significa che della materia sia scomparsa: massa ed energia sono due forme della stessa quantità fisica secondo E=mc².

La scoperta fu annunciata l’11 febbraio 2016, dopo mesi di verifiche. Nel 2017 il Nobel per la Fisica venne assegnato a Rainer Weiss, Barry Barish e Kip Thorne per i contributi decisivi al rivelatore LIGO e all’osservazione delle onde gravitazionali.

Le prove indirette prima del 2015

La prima rivelazione diretta non fu la prima prova osservativa. Nel 1974 Russell Hulse e Joseph Taylor scoprirono la pulsar binaria PSR B1913+16: due stelle di neutroni, una delle quali emette impulsi radio molto regolari, in orbita reciproca.

Misurando per anni gli impulsi, gli astronomi verificarono che il periodo orbitale diminuiva. Il sistema perdeva energia alla velocità prevista dalla relatività generale per l’emissione di onde gravitazionali. Era una prova indiretta: si osservava l’effetto sulla coppia, non l’onda che arrivava a un rivelatore.

Hulse e Taylor ricevettero il Nobel per la Fisica nel 1993. Il loro lavoro mostrò che la radiazione gravitazionale aveva conseguenze reali e misurabili, preparando il terreno scientifico per gli interferometri costruiti nei decenni successivi.

GW170817 e l’astronomia multimessaggera

Il 17 agosto 2017 LIGO e Virgo osservarono GW170817, il primo segnale attribuito alla fusione di due stelle di neutroni. Circa 1,7 secondi dopo, i satelliti Fermi e INTEGRAL registrarono un lampo gamma proveniente dalla stessa area del cielo.

Telescopi di tutto il mondo individuarono poi una sorgente ottica nella galassia NGC 4993 e la seguirono in molte bande elettromagnetiche. Per la prima volta lo stesso evento cosmico veniva ascoltato attraverso le onde gravitazionali e visto attraverso la luce.

Questa combinazione inaugurò l’astronomia multimessaggera gravitazionale. Permise di studiare la collisione, verificare la velocità di propagazione delle onde e raccogliere prove sul modo in cui fusioni di stelle di neutroni producono elementi pesanti attraverso la kilonova.

Che cosa ci racconta la forma del segnale

La forma d’onda contiene informazioni sulla sorgente. Durante l’inspiral aumentano frequenza e ampiezza: è il caratteristico chirp, un suono che sale rapidamente di tono quando i dati vengono convertiti in frequenze udibili. La fase di fusione è breve; il ringdown dipende dal buco nero finale.

Confrontando il segnale con modelli calcolati dalla relatività generale, gli scienziati stimano masse, rotazioni, distanza e orientamento del sistema. Più rivelatori aiutano a localizzare la regione del cielo confrontando tempi di arrivo e risposta alle diverse polarizzazioni.

La localizzazione non è sempre precisa come quella di un telescopio ottico. Un singolo interferometro non indica direttamente un punto nel cielo; una rete globale restringe l’area possibile e permette agli altri osservatori di cercare eventuali controparti luminose.

Le onde gravitazionali sono pericolose?

No: i segnali che raggiungono la Terra deformano le distanze in misura infinitesima e attraversano la materia quasi senza interagire. Non provocano terremoti, maree anomale o effetti percepibili sul corpo umano.

L’evento che le produce può essere violentissimo, ma avviene normalmente a distanze enormi. Una fusione di buchi neri emette una quantità straordinaria di energia gravitazionale; quando l’onda arriva qui, si è distribuita su una superficie vastissima ed è diventata estremamente debole.

La parola “onda” non implica che trasporti materia verso di noi. Trasporta energia e informazione sulla sorgente, in modo analogo ma non identico alle onde elettromagnetiche. La differenza fondamentale è che si tratta di oscillazioni della geometria dello spaziotempo.

Qual è la differenza rispetto alla luce

La luce è un’onda elettromagnetica generata da cariche elettriche e interagisce facilmente con la materia. Può essere assorbita, diffusa o bloccata da gas e polvere. Le onde gravitazionali interagiscono molto debolmente e possono attraversare regioni opache alla radiazione elettromagnetica.

Questa debole interazione rende difficilissimo rivelarle, ma offre un vantaggio: il segnale conserva informazioni dirette sul moto di oggetti invisibili, come due buchi neri che si fondono senza produrre necessariamente molta luce.

Le due osservazioni sono complementari. Quando un evento emette sia onde gravitazionali sia luce, come GW170817, la combinazione racconta dinamica, materia espulsa, ambiente e distanza molto meglio di un solo messaggero.

Frequenza: perché servono strumenti diversi

Come il suono e la luce, anche le onde gravitazionali hanno frequenza. Gli interferometri terrestri sono sensibili soprattutto da alcune decine a migliaia di hertz, la banda nella quale cadono gli ultimi secondi delle fusioni di buchi neri stellari e stelle di neutroni.

A frequenze più basse il rumore sismico e gravitazionale terrestre diventa un ostacolo. Per questo LISA sarà collocata nello spazio: tre sonde formeranno un triangolo con lati di circa 2,5 milioni di chilometri e useranno laser per misurare variazioni di distanza.

Alle frequenze ancora più basse si usano reti di pulsar. Gli astronomi confrontano per anni l’arrivo dei loro impulsi radio; variazioni correlate possono rivelare un fondo gravitazionale prodotto, per esempio, da popolazioni di buchi neri supermassicci.

Virgo e il ruolo dell’Italia

Virgo si trova a Cascina, vicino a Pisa, presso lo European Gravitational Observatory. È nato da una collaborazione franco-italiana fra CNRS e INFN e oggi coinvolge una comunità internazionale. I suoi due bracci perpendicolari sono lunghi tre chilometri.

Al momento di GW150914 Virgo non era ancora in presa dati, ma le collaborazioni LIGO e Virgo lavoravano già insieme. Nel 2017 il rivelatore europeo entrò nella rete e contribuì a migliorare la localizzazione delle sorgenti, inclusa la fusione di stelle di neutroni GW170817.

Avere rivelatori lontani e orientati in modo diverso è fondamentale. Un disturbo locale non compare nello stesso modo in tutti gli strumenti, mentre una vera onda raggiunge i siti con ritardi compatibili con la propagazione alla velocità della luce.

Il futuro: LISA ed Einstein Telescope

LISA è la missione spaziale dell’ESA dedicata alle onde gravitazionali. Il lancio è pianificato per il 2035. La grande distanza fra le tre sonde permetterà di osservare frequenze inaccessibili da terra e sorgenti come fusioni di buchi neri supermassicci, binarie di nane bianche e oggetti compatti in orbita attorno a enormi buchi neri.

In Europa è in progettazione anche Einstein Telescope, un osservatorio terrestre di terza generazione. L’obiettivo è migliorare sensibilità e continuità di osservazione rispetto agli strumenti attuali, raggiungendo sorgenti più lontane e seguendo più a lungo i segnali.

Il futuro non consiste in un solo rivelatore più grande. Una rete di strumenti terrestri, missioni spaziali, radiotelescopi e osservatori elettromagnetici coprirà bande differenti e permetterà di confrontare messaggeri diversi dello stesso Universo.

Domande frequenti

Le onde gravitazionali sono state davvero osservate? Sì. La prima rivelazione diretta fu GW150914, registrata il 14 settembre 2015 e annunciata nel febbraio 2016.

Si possono sentire? Non direttamente con l’orecchio. I dati possono essere trasposti nella banda udibile, producendo un chirp che rappresenta l’aumento di frequenza della sorgente.

Viaggiano più veloci della luce? No. Le osservazioni sono coerenti con una propagazione alla velocità della luce, come previsto dalla relatività generale.

Passano attraverso la Terra? Sì. Interagiscono così debolmente con la materia da attraversare pianeti e stelle quasi indisturbate.

Un’onda gravitazionale modifica il tempo? Spazio e tempo fanno parte della stessa geometria relativistica. Il segnale è una perturbazione dello spaziotempo, ma l’effetto locale misurato sulla Terra è minuscolo.

Perché si usano più rivelatori? Per confermare che il segnale non sia un disturbo locale, stimarne la direzione e ricostruirne meglio polarizzazione e parametri.

Che cosa significa GW nel nome di un evento? È l’abbreviazione di gravitational wave; le cifre successive indicano normalmente la data di osservazione, come GW150914.

In sintesi

Le onde gravitazionali sono increspature dello spaziotempo prodotte soprattutto dai movimenti estremi di oggetti compatti. Si propagano alla velocità della luce e modificano impercettibilmente le distanze mentre attraversano lo spazio.

Einstein le predisse nel 1916; la pulsar di Hulse e Taylor ne fornì una prova indiretta, mentre LIGO ottenne la prima misura diretta nel 2015. LIGO, Virgo e KAGRA usano l’interferenza laser per riconoscere deformazioni dell’ordine di una parte su 10 alla 21.

Questi segnali permettono di studiare buchi neri, stelle di neutroni e fenomeni invisibili ai telescopi tradizionali. Con LISA e gli osservatori di nuova generazione, l’astronomia gravitazionale esplorerà porzioni sempre più ampie dello spettro e della storia cosmica.

Casi particolari

• →Non ogni massa in movimento produce un segnale osservabile: servono accelerazioni estreme e variazioni asimmetriche della distribuzione di massa.
• →Le onde non sono vibrazioni dentro un mezzo materiale; sono perturbazioni dello spaziotempo.
• →La prima prova indiretta e la prima rivelazione diretta sono risultati diversi, ottenuti rispettivamente attraverso una pulsar binaria e LIGO.
• →Le masse attribuite a GW150914 sono stime con incertezze, qui arrotondate ai valori divulgativi pubblicati da LIGO.
• →La conversione dei dati in suono è una rappresentazione: nello spazio non si propaga un rumore udibile.
• →Le osservazioni dirette riguardano finora soprattutto fusioni di oggetti compatti; altre sorgenti restano obiettivi di ricerca.
• →Le onde che raggiungono la Terra non sono pericolose.
• →LISA non è ancora operativa: il lancio è pianificato dall’ESA per il 2035.