Onda su onda…

In condizioni normali, l’occhio percepisce l’immagine di un oggetto perché questo riflette una parte della luce che lo colpisce. La luce riflessa giunge all’occhio in modo da formare sulla retina un’immagine corrispondente punto per punto all’oggetto.

La nebbia è una sospensione di finissime goccioline d’acqua che diffondono la luce, cioè la deviano in tutte le direzioni. Se le goccioline sono poche, come nel caso di foschia, si perde poca visibilità perché la deviazione della luce è minima. Con nebbia densa, invece, un raggio luminoso subisce molte deviazioni e l’occhio non riesce a ricostruire efficacemente l’immagine.

Ecco perché non vediamo nella nebbia. Ma perché dico questo? “Non starai facendo un pezzo sulla nebbia?”, penserà qualcuno.

Tranquilli, non parlerò di nebbia, ma l’esempio che ho usato mi serve a far comprendere, in parole semplici, perché sia così difficile rilevare le onde gravitazionali. È più o meno come cercare di vedere nella nebbia.

Ogni tanto però, nella scienza ci sono avvenimenti che segnano una svolta e servono anche a comprendere meglio i fenomeni e le loro implicazioni.

Nei giorni scorsi ci sono stati due eventi che hanno avuto ampia risonanza nel mondo scientifico: il Premio Nobel per la fisica e una nuova scoperta, ancora più importante delle precedenti, della coppia Virgo-LIGO.

Il VIRGO è un grande interferometro con bracci lunghi 3 km, situato nel comune di Cascina, in provincia di Pisa, e fa coppia con il LIGO (Laser Interferometer Gravitational wave Observer, cioè osservatorio interferometro laser delle onde gravitazionali), costituito da due tubi lunghi 4 chilometri e larghi poco più di un metro disposti a formare una gigantesca “L”, situato in due locations, la prima presso Hanford, nello stato di Washington, la seconda a Livingston, in Louisiana.

I due fatti sono collegati, poiché l’assegnazione del Nobel a Rainer Weiss, Barry C. Barish e Kip S. Thorne, per i “loro contribuiti decisivi legati all’osservatorio LIGO e alle onde gravitazionali”, ha riconosciuto il lavoro di quasi 40 anni per rendere possibile la prima osservazione delle onde gravitazionali, avvenuta il 14 settembre del 2015 e annunciata nel febbraio dell’anno seguente.

Il 26 febbraio 2016, trovandomi a Milano per lavoro, ho assistito alla conferenza di Marco Giammarchi, ricercatore dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare e visiting professor all’Università di Berna, al planetario “Ulrico Hoepli” di Milano. Ancora non avevo ben capito le implicazioni che una scoperta del genere avrebbe potuto avere, ma quella conferenza fu straordinaria nel farle capire.

Ma se la prima scoperta del settembre di due anni fa aveva aperto la strada a un nuovo strumento di osservazione astronomica, l’annuncio di metà ottobre di quest’anno è ancora più entusiasmante.

Non solo perché ha “rilevato” la fusione di due stelle di neutroni, e questo ci permette di studiare questi oggetti che hanno una densità tale che un cucchiaino di una stella di neutroni ha la densità di una montagna terrestre (o del casatiello napoletano), ma anche perché si è trattato di uno degli eventi astronomici più documentati di sempre: è stata studiata la sua “onda d’urto” sotto forma di onde gravitazionali; individuati i suoi lampi gamma, appena due secondi dopo lo scontro; e nelle ore successive, è stato osservato nella luce visibile, all’infrarosso, negli ultravioletti, ai raggi X, fino a captarne le onde radio. All’appello mancano solo i neutrini (e questo è un risultato su cui si dovrà indagare).

Nel frattempo, Hubble ha misurato il moto e la composizione chimica del materiale del nuovo oggetto celeste, una kilonova: nelle nubi di detriti espulsi dalle stelle di neutroni in collisione sono state forgiate grandi quantità di alcuni degli elementi più pesanti dell’Universo, in pratica centinaia di masse terrestri di oro e platino (non una buona notizia per gli speculatori, perché se avessimo a portata di mano un pianeta fatto d’oro, il valore dello stesso scenderebbe a zero).

Per fare un paragone cinematografico, per la ricerca è come se fossimo passati da un film muto e in bianco e nero a un colossal in hd con tanto di colonna sonora d’autore.

Ma per la vita di tutti i giorni?

È forse sfuggita l’importanza che esse hanno e avranno, non solo per la scienza, ma anche per il nostro vivere comune. Basta infatti poco a riflettere, ad esempio, che la nostra civiltà è basata sulle onde elettromagnetiche; che ci danno la possibilità di comunicare come siamo in grado di farlo oggi. Ebbene, le onde gravitazionali sono, probabilmente, molto più importanti delle onde elettromagnetiche.

Vediamo perché.

Intanto diciamo che le onde gravitazionali sono difficilissime da osservare: se una stella distante 10.000 anni luce esplodesse la corrispondente onda gravitazionale deformerebbe il nostro metro di un milionesimo di miliardesimo di centimetro. Pari ad un centesimo del diametro di un nucleo atomico.

Come avevo già detto in passato, la forza gravitazionale, a differenza di quella elettromagnetica, che si presenta con un’attrazione e una repulsione, e delle forze nucleari, che hanno un raggio d’azione limitatissimo, è debolissima, ma si presenta come un’attrazione costante e continua da parte dell’oggetto con massa maggiore nei confronti di quello di massa minore.

In realtà, ciò accade perché l’oggetto di massa maggiore deforma lo spazio in modo proporzionale e quindi possiamo affermare che tutta la materia in spostamento provoca onde gravitazionali. Anche noi, camminando, le provochiamo, deformando lo spazio intorno a noi.

Questo necessita un cambiamento nel modo di pensare lo spazio, non come un posto vuoto, ma con una certa “consistenza”. Consistenza che cambia, ad esempio, al passaggio di onde gravitazionali.

L’ultima scoperta, la fusione delle due stelle di neutroni, ci ha portato alla consapevolezza di un paio di cose sulle onde gravitazionali che prima non immaginavamo neanche: intanto, le informazioni trasportate dalle onde viaggiano in teoria, all’infinito, senza essere modificate. Quindi possono, sempre in teoria, penetrare un buco nero.

Altra cosa interessante: a quanto pare si muovono alla velocità della luce, perché non ci sono masse associate e perché, nel vuoto, luce e gravità viaggiano alla stessa velocità. E le informazioni trascinate dalle onde gravitazionali sono, sempre in teoria, molto più affidabili di quelle delle onde elettromagnetiche, perché tutto è soggetto alla gravità, mentre, ad esempio, l’elettromagnetismo agisce solo su corpi dotati di carica.

A me queste cose fanno venire in mente tre esempi.

Comunicazioni: anche se deformano, di poco però, lo spazio intorno a loro, come dicevo, sono più affidabili delle onde elettromagnetiche.

Energia a basso costo: ricordate, quando spiegavo la fisica di Star Trek, di come sarebbe utile avere una fonte di energia quasi inesauribile? Con le onde gravitazionali potremmo andare in quella direzione.

Viaggi interstellari: le teorie che prevedono dimensioni nascoste nelle pieghe dell’Universo potrebbero finalmente essere confermate (o confutate) e ciò ci darebbe la possibilità di deformare lo spazio con le onde gravitazionali, così da viaggiare a velocità superiori a quella della luce.

Inoltre, la scoperta delle onde gravitazionali potrebbe dare, anche prima di quel che pensiamo, la risposta alla domanda che negli ultimi anni ha quasi bloccato la ricerca astronomica, cioè il mistero della massa mancante.

Infatti i nostri modelli ci dicono anche che là fuori dovrebbe esserci, nascosta da qualche parte, il doppio circa di materia ordinaria rispetto a quella osservata.

In conclusione: già ora le onde gravitazionali sono utili per vedere meglio tutto quello che l’Universo nasconde, spingendoci meglio verso distanze prima inimmaginabili.

Le altre utilità descritte, come telecomunicazioni, energia propulsiva cosmica, studio delle dimensioni nascoste dell’Universo, viaggi interstellari attraverso pieghe e curvature dello Spazio, sono oggi fantasie.

Ma erano fantasie anche quelle di Arthur C. Clarke, che nel 1951 nel romanzo “La sentinella”, che poi ispirò “2001, Odissea nello spazio”, predisse l’utilizzo di satelliti geostazionari per le comunicazioni, come erano fantasie quelle di H. G. Wells, di Isaac Asimov e di altri fantasiosi autori di romanzi. Fantasie che si sono realizzate, quindi chissà che le onde gravitazionali non ci portino delle sorprese!

Anche se in realtà l’unica invenzione di cui davvero avremmo bisogno è la piscina che fa ringiovanire, come quella di Cocoon…

 

 

7 Replies to “Onda su onda…”

  1. E’ incredibile come l’umanità faccia incredibili passi in avanti con scoperte come questa ma anche con la ricerca medica o con la tecnologia, ma d’altra parte non si riconosca la necessità di ridurre in modo drastico l’emissione di sostanze inquinanti, e non si investa sulle energie alternative. Io per esempio renderei obbligatorie la auto elettriche entro 10 anni, pur consapevole che anche questo tipo di energia ha un costo ecologico.

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