 |
|
Lo spettro delle onde gravitazionali (Immagine ripresa da Castelvecchi, Nature, 2018) |
Astronomia multimessaggero
Cari ragazzi è questo il periodo giusto per diventare astrofisici. Dal 2015 è iniziata una nuova era per lo studio dell'Universo, quella
dell'astronomia multimessaggero (leggi anche
17 agosto 2017: onda su onda...). È qualcosa di rivoluzionario, da comprendere in tutta la sua portata, perché le risposte
che verranno da questa avventura scientifica sono fondamentali e il "divertimento è assicurato", come sostengono i protagonisti.
Ogni evento cosmico invia nello spazio intergalattico radiazioni di varia natura (cioè di frequenza e energia diverse) che possono dirci molto
su ciò che è avvenuto dal Big Bang in poi. Ora siamo capaci di intercettare e studiare molti "messaggeri" di diversa natura.
Partiamo dai neutrini, particelle di materia, molto leggere, che non interagiscono facilmente. I fisici hanno progettato esperimenti anche
sotto il ghiaccio antartico per osservarli (per esempio l'esperimento:
IceCube Neutrino Observatory) e il 22 settembre 2017 è stato rilevato
un neutrino di oltre 100 "teraelettronvolt" di energia,
dieci volte l'energia raggiungibile nei più potenti acceleratori costruiti sulla Terra. Questo neutrino proveniva dall'esterno del sistema solare e
lo staff di IceCube ha inviato un messaggio a tutti i telescopi funzionanti perché "guardassero" nella direzione di "cielo" da cui
proveniva il segnale. Così lo stesso evento è stato osservato dal telescopio spaziale per raggi X
Swift, dal telescopio orbitante
Fermi Gamma-ray Space Telescope, e, infine, dal programma
ASAS-SN che rivela onde radio.
L'oggetto cosmico da cui i segnali erano partiti era un blazar, un buco
nero supermassiccio al centro di una galassia, che emetteva getti diretti verso la Terra dopo aver inghiottito materia. L'osservazione di uno stesso evento
mediante le sue emissioni di neutrini, raggi X, raggi gamma, onde luminose e onde radio permette agli scienziati di capire questi fenomeni in maniera
molto più precisa e dettagliata.
L'aggiunta del messaggio portato dalle onde gravitazionali, a partire dal settembre 2015, ha aperto ancora nuove frontiere. Quello che fino a quel
momento era teoria è stato confermato in un segnale di qualche frazione di secondo.
|
|
Lo spettro delle onde gravitazionali (Immagine ripresa da Castelvecchi, Nature, 2018) |
È previsto dalla teoria della Relatività Generale di Einstein che lo spazio-tempo sia "incurvato" dalla presenza di una massa.
Più grande è la massa e maggiore sarà la curvatura. Se una massa aumenta la curvatura, come un sassolino buttato in acqua, le
onde gravitazionali increspano la superficie dello spazio-tempo, che si contrae e si dilata. Per osservare queste contrazioni e dilatazioni sono stati
costruiti gli interferometri, come LIGO e Virgo (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory).
Questi interferometri sono osservatori dotati di due tubi lunghi 3-4 km disposti ad angolo retto tra loro. Un raggio laser emesso ad un'estremità
attraversa il tubo colpendo uno specchio posto all'estremità opposta e ritorna al punto di partenza. Se un'onda gravitazionale colpisce lo strumento,
i due bracci vengono compressi e dilatati, facendo variare il tempo necessario perché il laser compia l'intero tragitto. Questi interferometri hanno una
sensibilità tale da registrare una variazione del tempo di percorrenza del raggio laser di
1 su 1021, in termini di lunghezza questa sensibilità corrisponde a 1/10000 del diametro di un protone!
Dal settembre 2015 cinque segnali gravitazionali provenienti da collisioni di buchi neri hanno fornito per la prima volta la prova diretta dell'esistenza di
questi oggetti cosmici e del fatto che possano ruotare uno intorno all'altro. Le loro caratteristiche previste dalla Relatività Generale sono state
confermate, fornendo quindi anche una prova sperimentale diretta della teoria gravitazionale di Einstein.
L'evento che, però, ha definitivamente aperto l'era dell'astronomia multimessaggero si chiama GW170817, la collisione di due stelle a neutroni
catturata il 17 agosto 2017. Le stelle a neutroni sono nuclei collassati di stelle morenti, che non hanno una massa tale da formare buchi neri. L'evento di
collisione è stato visto con le onde gravitazionali, quelle visibili (onde luminose), con i raggi X e le onde radio. Non sono arrivati neutrini da questo
evento, perciò il getto non era diretto verso la Terra. I neutrini, infatti, non interagiscono se non raramente
con altra materia o radiazione e arrivano in genere dalla direzione di
emissione, mentre le onde dello spettro elettromagnetico vengono deviate, riflesse e rifratte e possono arrivare anche da altre direzioni rispetto a quella di
emissione.
Il giorno 16 ottobre del 2017 l'evento è stato annunciato al mondo.
 |
|
Interferometri esistenti e in fase di realizzazione (Immagine ripresa da Castelvecchi, Nature, 2018) |
Questo evento astronomico è chiamato chilonova, per indicare che la sua luminosità è
compresa tra quella di una nova classica e quella di una
supernova. In pochi mesi di analisi dei dati ottenuti, imponenti sono stati i risultati raggiunti:
1) si è dimostrato che
i lampi di raggi gamma, prima misteriosi, provengono dalla fusione di stelle a neutroni; 2) si è capito che
alcuni elementi pesanti, come il platino, l'oro
e l'uranio, si formano proprio dalla coalescenza di stelle a neutroni, chiarendo un vero enigma della nucleosintesi; 3) i dettagli delle onde
gravitazionali hanno messo in dubbio alcune alternative alla relatività generale proposte per spiegare l'esistenza della materia oscura,
fornendo dati sperimentali importanti per un dibattito che è stato solo di tipo teorico, fino ad ora;
4) si è ottenuta una nuova stima della costante di Hubble,
cioè dell'attuale tasso di espansione del nostro Universo.Tutto questo con un solo evento multimessaggero!
I fisici non hanno perso tempo e si stanno preparando ad altre osservazioni storiche. La costruzione di altri quattro interferometri è in programma,
negli USA, in Europa, in India e in Giappone. Inoltre, è partito il primo progetto per un interferometro spaziale
(LISA, Laser Interferometer Space Antenna).
Come sempre saranno grandi progetti internazionali, che metteranno insieme centinaia di scienziati per perseguire uno degli
obiettivi più ambiziosi della scienza, dare "un'occhiata" a quello che è successo 13,8 miliardi di anni fa.
Referenze
Ann Finkbeiner (2018) Messaggeri dal cielo. Le Scienze, 600: 28-35.
Davide Castelvecchi (2018) Arrivano le onde. Le Scienze, 600: 36-41.
Davide Castelvecchi, Nature magazine on April 23, 2018: Here Come the Waves
Manuela Casasoli (manuela_casasoli@yahoo.it)