Perché mi sono commosso con la scoperta delle onde gravitazionali

All'annuncio della scoperta delle onde gravitazionali mi sono commosso.

Non tanto perché faccio anche io il fisico, e nemmeno perché le onde gravitazionali rappresentano una scoperta importante. L'occhio umido mi è venuto innanzitutto perché questa scoperta prova che gli umani, oltre a compiere quotidianamente una marea di idiozie, sanno fare anche cose fantastiche. E la scoperta delle onde gravitazionali è stata una cosa fantastica, perché è avvenuta nel modo più stupendo che la natura e il caso potevano scegliere. E adesso vi spiego perché.

Su cosa sono le onde gravitazionali rimando tranquillamente alle decine di spiegazioni che in questi giorni popolano la rete. Dico solo che sono delle increspature dello spazio-tempo prodotte da grandi masse in movimento. Queste increspature si propagano alla velocità della luce e quando arrivano sulla terra modificano le distanze (sempre nello spazio-tempo). Questa storia di dire sempre spazio-tempo e non semplicemente spazio non è una smania di fare i fighetti che sanno la fisica e vogliono parlare difficile, ma significa che le deformazioni non hanno effetto semplicemente solo sulle distanze spaziali, ma implicano qualcosa di più complesso non facilmente raffigurabile senza mettere di mezzo la matematica. Le masse che causano le onde gravitazionali devono anche muoversi in modo opportuno, perché non necessariamente una massa in movimento genera onde gravitazionali. L'effetto di questo movimento si propaga ovunque, sembra alla velocità della luce (ma sarà interessante verificarlo in futuro) e dove passa fa rabbrividire per un breve istante lo spazio-tempo stesso. L'esperimento LIGO ha visto per la prima volta uno di questi brividi.

Tutto questo lo trovate spiegato molto meglio negli innumerevoli articoli divulgativi che sono usciti in questi giorni, come ad esempio qui o in questo bel video.

Le onde gravitazionali le aveva previste Einstein 100 anni fa nell'ambito della teoria della Relatività Generale. Nessuno le aveva mai osservate in tutto questo tempo, anche se in tanti ci avevano provato, perché queste increspature dello spazio-tempo sono incredibilmente piccole anche se a causarle sono delle masse gigantesche che si muovono velocissime sottoposte a grandi accelerazioni, e rivelarle è un problema tecnologicamente molto molto complesso. Ma non è nemmeno questo che mi ha fatto venire l'occhio lucido.

Non è stato nemmeno il fatto che "finalmente" sono state scoperte le onde gravitazionali. In fin dei conti nessuno dubitava della loro esistenza. Questo grafico qua accanto, ad esempio, mostra lo spostamento del periastro (il punto di massimo avvicinamento reciproco fra due stelle) del sistema binario di pulsar PSR B1913+16, una coppia di stelle di neutroni (sono stelle la cui materia ha una densità enorme, pari a quella del nucleo atomico) che ruotano una attorno all'altra attorno al loro comune centro di massa. Il tutto misurato in 30 anni di osservazioni. Un sistema di stelle del genere, secondo la teoria di Einstein, perde energia emettendo onde gravitazionali, e come conseguenza il periastro deve spostarsi di anno in anno, anticipando la sua posizione (si chiama precessione, in gergo astronomico). Russel Hulse e Joseph Taylor, gli astronomi che hanno scoperto e studiato questo sistema di stelle (e per questo nel 1993 hanno preso il Nobel), hanno misurato lo spostamento del periastro nel tempo, e lo hanno confrontato con quello che la teoria di Einstein prevedeva in base all'emissione di onde gravitazionali. I punti misurati sono quelli in rosso. In blu c'è la previsione della Relatività Generale sulla grandezza misurata. Non è un fit quindi, non è un'interpolazione dei dati, ma un semplice calcolo teorico. Direi, guardando l'accordo perfetto fra teoria e misure, che nessuno poteva dubitare dell'esistenza delle onde gravitazionali né della correttezza della teoria di Einstein, anche senza l'osservazione diretta delle onde gravitazionali stesse. Non è quindi la loro scoperta, seppure importantissima, che mi ha emozionato.

La cosa veramente spettacolare non è stato il punto di arrivo segnato da questa scoperta, cioè la conferma della Teoria di Einstein, di cui personalmente non dubitavo affatto, ma il punto di partenza. Quello che verrà.  Sì perché questa scoperta apre la possibilità di un incredibile insieme di misure sull'astrofisica e sull'universo impossibili finora e in gran parte impreviste. E' come se uno all'improvviso avesse acquisito un nuovo senso, oltre ai soliti 5, e con quello potesse percepire il mondo in un modo che gli era stato negato finora.

E poi soprattutto quello che è stato osservato, e come è stato osservato! Due buchi neri che si fondono fra loro. Mica due stelle normali, due buchi neri! Una cosa che non era mai stata osservata prima (ovviamente) e che si riteneva comunque rarissima. E invece dopo neanche due settimane di funzionamento dell'esperimento zac!, ecco a voi due buchi neri che si fondono assieme, giusto come assaggino di cosa si può vedere con le onde gravitazionali. Altro che partenza in sordina!

E la cosa fantastica è che questa cosa è stata osservata in diretta (con una leggera differita di un miliardo e 300mila anni, vabè...) con una semplicità incredibile! Quello che è avvenuto a questi due buchi neri non è frutto dell'interpretazione di complessi quanto incomprensibili grafici, o il risultato di astruse elaborazioni dei dati, che uno li guarda e non ci capisce niente, e deve fidarsi. No, il grafico che contiene la manifestazione di questo fenomeno astrofisico incredibile è lì, comprensibile nella sostanza a chiunque, e per questo è di una semplicità e di una bellezza sconvolgenti.

Per capirci prendiamo un sismogramma, l'andamento di una scossa sismica nel tempo. Uno lo guarda e anche senza capire niente di sismologia e di terremoti intuisce comunque cosa sta succedendo. D'accordo, non saprà valutarlo come lo farebbe un esperto, ma comunque vede quando inizia la scossa, come varia nel tempo, come cresce, quando arriva il massimo, e poi quando si smorza e smette. E da quei picchi, da quelle righe che vanno su e giù, cerca di figurarsi cosa stava accadendo nel luogo dove è avvenuta la scossa, i palazzi che oscillano, le case che crollano, il dramma della gente, il sollievo che sia finita.

Qui è uguale. Le onde gravitazionali ci appaiono come una "scossa" in cui, anche senza essere Einstein, chiunque vede che questi due oggetti si avvicinano sempre di più e si mettono a ruotare uno attorno all'altro sempre più velocemente. Lo si capisce perché la frequenza delle oscillazioni aumenta nel tempo, le righe diventano sempre più fitte, e l'ampiezza dello oscillazioni pure aumenta, perché l'energia emessa diventa man mano maggiore. Si vede che c'è qualcosa che evolve nel tempo: sono i due buchi neri che si avvicinano sempre di più, e contemporaneamente cominciano a ruotare sempre più vorticosamente uno attorno all'altro, come in una danza frenetica. E poi, a un certo punto le righe diventano fittissime, tutto si amplifica, il grafico impazzisce proprio nel momento in cui i due buchi neri si fondono assieme, e un attimo dopo non c'è più nulla, e tutto ritorna tranquillo. Solo una breve ulteriore oscillazione, un'onda lunga, il sussulto finale dello spazio-tempo, un ultimo aggiustarsi gli abiti dopo aver creato un mostro. Io trovo tutto questo di una bellezza che lascia stupefatti. Commossi, appunto.

I segnali del passaggio dell'onda gravitazionale visti in coincidenza dai due apparati sperimentali dell'esperimento LIGO, negli Stati Uniti, posti a 3000 Km l'uno dall'altro.

Solo che, al contrario del sismogramma, qui è veramente difficile immaginare cosa stesse realmente succedendo nel luogo dove stava avvenendo tutto questo, un miliardo e 300 mila anni luce da noi.

Intanto per il tempo in cui tutto è avvenuto: 20 millesimi di secondo. Appena 2 centesimi di secondo. Il tempo che impiega Bolt a percorrere 2 metri nella finale dei cento, per far ruotare vorticosamente due buchi neri uno attorno all'altro a metà della velocità della luce e far sì che si inghiottano a vicenda. Uno degli eventi più sconvolgenti dell'universo tutto racchiuso in una semplice bisciolina su un grafico, della durata di un battito di ciglia.

Ma non è pazzesca questa cosa? Ma guardatelo, questo grafico, ma non è uno spettacolo? Un grafico visto contemporaneamente esattamente allo stesso modo da entrambi gli strumenti dell'esperimento LIGO, posti 3000 Km l'uno dall'altro. La cosa che trovo bellissima e spaventosa è come la semplicità di quella svirgolata di linee, che in un attimo dal nulla aumentano di intensità e poi subito dopo scompaiono, strida con quello che realmente è avvenuto mentre la natura le disegnava, in quel sussulto che sembra disegnato da Cavandoli. In quel veloce brivido dello strumento ci sono due oggetti pesanti ognuno una trentina di volte il sole che ruotano uno attorno all'altro a metà della velocità della luce, che si risucchiano l'un latro e poi scompaiono in un ulteriore buco nero, uno degli oggetti più incomprensibili dell'universo. E la natura ce lo regala, e ce lo fa vedere con una semplicità incredibile. Una catastrofe inimmaginabile in un piccolo fremito su un grafico.

In alto l'evoluzione temporale (schematizzata, non si tratta del vero segnale) del segnale delle onde gravitazionali, con raffigurate le varie fasi dell'evento. In basso (in verde) l'evoluzione temporale della velocità relativa dei due buchi neri stimata dal vero segnale, espressa in frazione della velocià della luce e (in nero) la distanza relativa fra i due buchi neri, espressa in unità del raggio del buco di nero (Raggio  di Schwarzschild). Buchi neri di questa massa hanno dimensioni (Raggio di Schwarschild) di circa 100 Km.

E nel tempo in cui è avvenuto tutto questo, una ventina di millisecondi, un miliardo e 300 mila anni fa quell'oggetto ha emesso sotto forma di onde gravitazionali l'equivalente in energia di 3 masse solari, e nel momento di massima emissione di energia, quando i due buchi neri si sono fusi assieme, la potenza emessa è stata di 3 x 10 alla 49 Watt (l'equivalente di 200 masse solari convertite in energia in un secondo), che corrisponde a una potenza maggiore di quella normalmente emessa dalla somma di tutte le stelle dell'universo visibile. Tutto emesso in una radiazione praticamente invisibile, cioè le onde gravitazionali. Per 20 millisecondi quell'oggetto è diventato più luminoso di tutto l'universo, anche se luminoso di una luce invisibile.

E la distanza di questi due buchi neri un attimo prima di risucchiarsi? Vogliamo parlarne? Uno quando pensa a questi fenomeni immagina sempre distanze gigantesche, immani, inconcepibili. Invece questi due oggetti celesti, ognuno pesante circa 30 volte il sole, erano distanti fra loro appena 400 Km! Quattrocento chilometri, come la distanza fra Bologna e Roma! La cosa stupenda di questa scoperta è che ci regala un'immagine incredibilmente nitida e temporalmente precisa di uno dei fenomeni naturali più estremi e pazzeschi che possano esistere, e che nonostante esso sia avvenuto un miliardo e 300 mila anni luce da noi, è accaduto nel giro di 400Km, una distanza casalinga! E' come una telecamera che ti trasmette dall'altra parte dell'universo direttamente sul televisore di casa un fenomeno di quelli che superano qualunque immaginazione, e te lo mostra con la moviola, in tutti i dettagli. Mai prima d'ora avevamo potuto osservare l'universo in questo modo così da vicino. Altro che "Real TV"!

E se questo è l'inizio, se questo è successo solo dopo qualche mese di presa dati, quello che potrà arrivare si preannuncia meraviglioso. Mi tocca tenere pronto il fazzoletto.



Referenze scientifiche:

1)  La pagina web dell'esperimento LIGO: link
2)  L'articolo scientifico con la scoperta delle onde gravitazionali: link
3) Ulteriori dettagli sulle proprietà dell'oggetto astrofisico che ha causato l'emissione di onde gravitazionali: link