Onde gravitazionali: una tassonomia Understand article

Traduzione a cura di Rocco G. Maltese. Le onde gravitazionali sono state preannunciate da Einstein - ma da dove provengono, e di quanti tipi differenti ve ne potrebbero essere nel cosmo?

La scala delle onde gravitazionali è sia piccola che immensa allo stesso tempo. Nonostante che le pieghe che provocano nello spazio tempo siano così piccole quasi invisibili, le loro lunghezze d’onda sono immense: molto più grandi di qualsiasi altra onda elettromagnetica conosciuta – l’intervallo è compreso dalle onde radio ai raggi-X – utilizzate dagli astronomi per esplorare lo spazio.

Allora cosa sono le onde gravitazionali? Queste pieghe dello spazio-tempo si generano ogni volta che una massa accelera. Tuttavia, le onde gravitazionali che hanno origine  da sorgenti sulla Terra, sono difficili da individuare, poiché gli oggetti che hanno base sulla Terra non sono sufficientemente pesanti e non possiedono una accelerazione  sufficientemente grande. Invece, dobbiamo osservare le sorgenti che si trovano nel cosmo, dove le masse e i movimenti hanno dimensioni astronomiche.

Recentemente, avendo individuate onde gravitazionali prodotte da corpi celesti massicci, è divenuto potenzialmente possibile  utilizzarle come uno strumento ulteriore, per osservare eventi ed oggetti nello spazio – una eccitante prospettiva per gli astronomi moderni.

Lo spettro delle onde gravitazionali

Come le onde elettromagnetiche, le onde gravitazionali viaggiano alla velocità della luce. E come le onde elettromagnetiche, lo spettro delle onde gravitazionali è estremamente grande, con le differenti parti classificate per frequenza. In generale, le frequenze delle onde gravitazionali sono molto più basse di quelle comprese nello spettro delle onde elettromagnetiche (da alcune migliaia di hertz al più, confrontate con frequenze da 1016 a 1019 Hz. dei raggi-X). Di conseguenza, esse possiedono lunghezze d’onda molto più grandi – comprese tra centinaia di chilometri a potenzialmente le dimensioni dell’Universo.

L’intervallo di frequenze dei segnali provocati dalle onde gravitazionali fornisce informazioni sulle fonti che le hanno generate: più bassa è la frequenza, più grande sarà la massa coinvolta. Fornisce anche agli scienziati il tipo di strumento da utilizzare per individuare la sorgente, questo strumento dovrebbe avere le dimensioni paragonabili  alla lunghezza d’onda del segnale. La Figura 1 illustra l’intervallo completo delle onde gravitazionali, con le sorgenti che le producono e la strumentazione necessaria a individuarli a frequenze differenti.

Il gigante interferometro terrestre chiamato LIGO (osservatorio interferometrico gravitazionale a raggio laser) e il Virgo (presentato da Arnaud, 2017) sono stati progettati per captare le onde gravitazionali dell’estremo superiore dello spettro di frequenze, da alcune decine di hertz ad alcuni kilohertz. Inoltre, il progetto LISA^w1 (antenna interferometrica spaziale laser) – costituito da un gruppo di interferometri spaziali, è in programma di essere messo in orbita nell’arco di una decina di anni. Utilizzando i principi di un progetto simile agli strumenti terrestri, LISA coprirà le frequenze delle onde gravitazionali nell’intervallo inferiore dello spettro (da 1-10^-5 Hz). Onde gravitazionali di bassa frequenza dovrebbero interferire con la precisa regolarità di intermittenza delle pulsar fornendo così un altro mezzo di identificazione, questa volta nell’intervallo da 10^-6 a 10^-9 Hz. Infine, le onde gravitazionali emesse nell’Universo vicino potrebbero avere lasciato una traccia nella radiazione di fondo nell’intervallo delle microonde. Questo segnale è stato identificato dal satellite Planck, nell’intervallo di frequenza delle onde gravitazionali da 10^-15 – 10^-17 Hz. Le lunghezze d’onda corrispondenti a queste estremamente basse frequenze dovrebbero essere della stessa dimensione dell’Universo stesso

Sorgenti di onde gravitazionali

Tra la varietà di sorgenti di onde gravitazionali, limitiamoci a tre tipi che producono onde con frequenze comprese nell’intervallo accessibile ai ricevitori terrestri.

Le Supernova

Quando una gigante rossa ha esaurito tutto il suo carburante nucleare, l’equilibrio tra le reazioni nucleari interne (che fanno esplodere la materia all’esterno) e la gravità (che tiene la materia unita) si distrugge. La stella collassa fino a raggiungere una densità del nucleo (pari a circa 10¹⁷ kg/m³), che genera un’onda di shock espellendo lo strato esterno della stella. Questo fenomeno è conosciuto come supernova di tipo II, che produce un forte flusso di neutrini oltre ad emissione di luce che perdura per giorni. Viene altresì emesso un fascio di onde gravitazionali, ma queste verranno rilevate solo se l’evento che ha coinvolto la  supernova si trova nella nostra galassia o in prossimità di essa. Tali eventi sono molto rari (alcuni per secolo) ma comunque accadono: la supernova 1987A fu osservata 30 anni fa.

SIstemi binari compatti

Gli oggetti compatti sono stelle che concentrano la loro massa in un inusuale piccolo volume. Gli oggetti più compatti sono i buchi neri: uno di essi che avesse la massa del Sole dovrebbe possedere un diametro di soli 3 Km. Le stelle di neutroni appartengono ad un’altra specie di oggetti compatti: la gravità è così forte che i protoni e gli elettroni si fondono gli uni negli altri, generando neutroni.

Quando due oggetti compatti orbitano uno attorno all’altro, la relatività generale predice che il sistema rallenta perdendo energia ed emettendo onde gravitazionali. Conseguentemente, il loro moto accelera e le stelle si avvicinano maggiormente l’una all’altra. Sebbene questa fase di movimento a spirale può durare centinaia di milioni di anni, si è notato un grande picco di emissione di onde gravitazionali in prossimità della fusione dei due corpi compatti. Le onde gravitazionali di tale evento sono state identificate con successo, per la prima volta nel 2015.

Le Pulsar

Le pulsar sono stelle rotanti di neutroni magnetizzati. Come dei fari cosmici, esse emettono un raggio di onde elettromagnetiche avente una frequenza doppia rispetto al periodo di rotazione (spin) della pulsar, che può essere rilevato dai radiotelescopi se la Terra si trova nella spazzolata di questo raggio. In teoria, le pulsar potrebbero emettere anche onde gravitazionali in modo continuativo, ma la potenza di queste onde dipende dalla forma della stella e da quanto sferica sia la sua superficie – poiché gli oggetti che sono perfettamente simmetrici rispetto al proprio asse di rotazione (come lo sono le sfere) non irradiano nessuna onda gravitazionale. Come altre stelle, anche le pulsar è probabile che siano quasi delle sfere perfette, e il fatto che non siano state rilevate onde gravitazionali provenienti da una qualsiasi pulsar suggerisce che le eventuali irregolarità sulla superficie di tali stelle sono di piccole dimensioni.

Rilevamento delle onde gravitazionali

Individuare e rilevare le onde gravitazionali è un’impresa ardua: ciò significa che la più piccola vibrazione può segnalare che un’onda gravitazionale sta passando in quel momento, immersa completamente nel “rumore” di fondo – generato da tutte le altre sorgenti. Sulla Terra, il network di rilevatori del tipo interferometrico, attualmente è costituito da quattro strumenti: due rilevatori LIGO negli Stati Uniti, Virgo in Italia e GEO-600 in Germania. Un quinto rilevatore (KAGRA, in Giappone) verrà messo in linea alla fine di questa decade, vi sono altri progetti nella prossima decade per costruire un terzo rilevatore LIGO in India

Nessun rilevatore singolo può affermare di aver rilevato da solo un’onda gravitazionale: essa deve essere rilevata almeno da due rivelatori, altrimenti la frequenza dei falsi allarmi – rilevamenti dovuti al rumore – aumenta notevolmente. Per questa ragione, tutti i dati registrati dal network sono analizzati congiuntamente per identificare i segnali che coincidono nei tempi e che appaiono simili per ciascuno strumento.

Gli avvistamenti delle onde gravitazionali nel 2015(vedi Kwon, 2017) ) e nel 2017^w2, generate dalla fusione di due buchi neri (vedi figura 2), hanno aperto una nuova finestra sull’Universo – una nuova era in astronomia. I segnali dell’onda gravitazionale diventano un complemento alle sonde che gli scienziati già utilizzano per osservare il cosmo, compresi i telescopi che esplorano i cieli sfruttando varie parti dello spettro delle onde elettromagnetiche. Le informazioni si scambiano in entrambe i sensi: quando un segnale di una potenziale onda gravitazionale è individuata, si emana un allerta ai telescopi che possono rapidamente osservare la regione nella quale si pensa vi possa essere la sorgente del segnale – per stabilire se è una cosa reale. I telescopi a loro volta possono chiedere alle sonde di onde gravitazionali di cercare la controparte dell’evento che essi pensano di aver individuato.

Adesso è possibile la identificazione di onde elettromagnetiche, particelle e onde gravitazionali dalla stessa sorgente. Più dati della sorgente si avranno a disposizione, e più profonda sarà la comprensione che si ottenerrà

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