domenica 14 febbraio 2016

Onde invisibili nel cosmo

by Robo

Quando Einstein, dopo la Relatività speciale, scrisse le equazioni della Relatività generale (ossia aggiunse la perturbazione indotta dalla massa nello spazio-tempo) ne scaturì una nuova rappresentazione del cosmo. Lo spazio diventava una tela tridimensionale, impossibile da visualizzare per noi se non togliendo una dimensione e descritto tramite formalismi matematici, in cui i corpi dotati di massa lasciano un'impronta che rappresenta la gravità. Questo incurvamento dello spazio rende bene la spiegazione delle rivoluzioni dei corpi celesti attorno ad altri più massicci, anche se, in realtà, si ha una rotazione comune attorno al centro di massa del sistema stesso ma se uno dei corpi ne contiene il 99%  va da sè che il suo centro coincide praticamente con quello già citato. Ma questo veniva già spiegato efficacemente dalle leggi della gravitazione di Newton.
Però, se è intuitivo, dopo Newton, che due corpi si attraggano, gli avvallamenti dello spazio tempo consentono di spiegare il fatto che anche la luce, che massa non ha, devia serfando su queste ondulazioni, fino a esserne talora collimata, come accade con le lenti gravitazionali:  masse enormi, di solito ammassi di galassie, che fanno convergere, per caso lungo la nostra linea visuale, la luce di oggetti posti dietro di loro, concentrandola, aumentandone l'intensità. Insomma, dei fortuiti telescopi naturali che ci fanno osservare la luce di oggetti debolissimi, anche se la sagoma ne risulta fortemente deformata. 


Poi, a volte, la gravità incurva così tanto lo spazio che si formano dei veri e propri buchi...neri!
La gravità è la forza che rende plastico lo spazio ma anche il tempo, perché da Einstein in poi questi non esistono distinti ma legati dalla velocità della luce che è un rapporto fissato ed inalterabile. Come un viaggiatore, spostandosi ad un percentuale ragguardevole della velocità della luce, ha il proprio spazio che si restringe ed il tempo che, per rispetto dell'inviolabile rapporto fisso *, si dilata, così lo stesso viaggiatore, trovandosì in un profondo avvallamento della gravità trova il proprio tempo rallentato.  All'orizzonte di un buco nero il tempo si ferma. Anche il tempo di un satellite GPS scorre piu rapido di quello del nostro navigatore sulla Terra e deve essere corretto.
La Relatività generale ha superato innumerevoli prove: spiega quella parte della precessione del perielio di Mercurio (lo spostamento, lungo il piano dell'orbita, del punto dell'ellissi orbitale in cui il pianeta é più vicino al sole) cui i calcoli newtoniani non davano conto, la deviazione della luce per effetti gravitazionali sullo spazio é stata verificata ed il relativo ritardo di Shapiro: non é che il sg.Shapiro è un ritardatario antonomasico ma è il nome dato al tempo in più che ci mette un fotone a percorrere una traiettoria presso un oggetto massiccio, dove é costretto a curnare nell'avvallo gravitazionale, rispetto a se seguisse un percorso rettilineo. É stato anche cercato un debolissimo effetto previsto dalla teoria, il c.d. Lense-Thirring; questo attribuisce ad un corpo massiccio rotante la caratteristica di trascinare lo spazio-tempo attorno a sè nella direzione della rotazione aumentando lo spazio da percorrere per i raggi di luce codirezionali e diminuendolo per quelli antidirezionali.


Quindi su 2 orologi identici posti su satelliti in medesime orbite ma uno corotante con la terra e l'altro controrotante, segnerebbero tempi diversi. Sono fenomeni minuscoli, quasi impercettibili detti gravitomagnetici per una analogia con quelli legati alle cariche elettriche. Il LanseTirring é stato misurato e i risultati sono in accordo con i calcoli teorici.
A me sta cosa dello spazio che si comporta come una strana pellicola mi stupisce e mi esalta. Peró mancava ancora una cosa: le onde gravitazionali. Sottili increspature dello spazio-tempo come quelle che si formano sulla superficie di uno specchio d'acqua. Ogni corpo orbitante le emette consumando a poco a poco, lentissimamente, l'energia dell'orbita, in una sorta di attrito esistenziale. Un pianeta finirebbe prima o dopo per cadere nel proprio sole se avesse un tempo lunghissimo a disposizione (prescindendo da interazioni con altri corpi) ma gli effetti mareali, tipo tra terra-luna e sole-mercurio, allungano all'opposto l'orbita, ed in modo evidente e misurabile **.
Dove cercare onde più evidenti? Dove orbitano oggetti molto massicci e soprattutto oggetti nei quali la massa è concentrata in volumi piccoli, come le stelle di neutroni o Pulsar. L'evoluzione dell'orbita di un sistema binario di pulsar ha fornito osservazioni compatibili con l'emissioni delle onde gravitazionali ma non vi erano ancora gli strumenti per captarle direttamente.  Come rilevare questi echi vibrazionali così sommessi? Il problema oltre alla debolezza del sagnale sta nel fatto che un'onda dilata e restringe l'intero spazio, anche il metro che usiamo per misurarlo, quindi ci vuole uno strumento speciale: la luce. La luce ha una velocità costante, nel vuoto, se lo spazio si restringe e si dilata, anche di pochissimo e noi sappiamo cogliere questi scostamenti, pulire i segnali spurii, allora l'onda ci dirà qualcosa di sé.
"Chirp!".

Ed è successo. In due osservatori appositamente costruiti: Ligo e Virgo il segnale è giunto.


Parrebbe ormai non sia spurio ma reale, legato allo spiraleggiare l'uno attorno all'altro di due massicci buchi neri (la macchina ideale per produrre onde gravitazionali). L'energia persa nelle rispettive orbite si é trasformata in una salva di onde fino alla fusione dei due oggetti in uno solo che ha perso tre(3!) masse solari nel processo. Questi soli virtuali sono divenuti il segnale rilevato.
Anche i mostri neri e voraci dimagriscono... 
 http://www.ilsole24ore.com/pdf2010/Editrice/ILSOLE24ORE/ILSOLE24ORE/Online/_Oggetti_Correlati/Documenti/Notizie/2016/02/SCOPERTA.pdf
 Bello eh? Si ma uno potrebbe dire: "a che ci serve?". A parte che Einstein gongola nella sua tomba, visto che non c'é modo di fargli fare la fine di Newton, di onde gravitazionali ce ne dovrebbero essere tante la fuori e se riuscissimo a rilevarle, anche le più deboli, avremmo un altro strumento di studio dell'universo, una sorta di sonar passivo fondamentale. Inoltre a noi ci interessa tanto il Big Bang, non negate perchè è così. Io non capisco nulla di fisica e cosmologia ma il momento iniziale mi affascina e così accade per molti, scienziati e non.

Faccio una piccola digressione. La radiazione cosmica di fondo é un segnale radio che permea tutto lo spazio. È il risultato del cosiddetto disaccoppiamento, cioé il momento in cui, diminuendo la temperatura media dell'universo per via della sua espansione, i fotoni hanno potuto liberarsi dalle continue interazioni con protoni ed elettroni, sono divenuti fotoni liberi. 
L'universo si è illuminato, anche se non c'erano retine a guardarlo. Bene, stirata dall'espansione dell'universo, quella radiazione fotonica caldissima é ora un segnale nella banda delle microoonde e noi lo abbiamo studiato in profondità. Questo segnale ci ha detto tante cose su un momento preciso dell'universo (circa 400.000 anni dopo il Big Bang). Ad esempio ci ha detto che l'universo era sostanzialmente omogeneo ma con disomogenità compatibili con la successiva formazione delle strutture galattiche; ci ha detto che diversi parametri (per me incomprensibili)  sono a sostegno della teoria inflattiva ed escludono la presenza di stringhe cosmiche (peccato, mi piacciono le stringhe cosmiche, le trovo cool); ci ha detto anche su cose successe in seguito, ponendo la reionizzazione degli atomi di idrogeno come molto precoce, il che vuol dire che molto presto nella vita del cosmo si sono formate fonti di tale reionizzazione come tipi di stelle giganti (le mitiche stelle di popolazione III). Insomma da quel debole segnale il nostro ingegno ha derivato tante info. Ma non prima di 400.000 anni dall'inizio.
Come spingere i nostri detector passivi più in profondità? Cambiando bersaglio. Un esempio sono i neutrini, le particelle più strane ed interessanti della famiglia dei fermioni (protoni, neutroni, elettroni, etc). Dopo pochi attimi dal Big Bang ci deve essere stata una gran produzione di neutrini cosmici che hanno lasciato una debolissima e per ora irrilevabile radiazione di fondo a neutrini che potrebbe darci informazioni molto precoci sulla struttura dell'universo, ma, in realtà faremo fatica a rilevarli perchè il neutrino è estremamente timido e non da confidenza alle altre particelle (ed é anche schizofrenico con frequenti cambi di identità).
Riguardo i neutrini vi consiglio questo post:
 http://www.chefuturo.it/2015/11/neutrini-da-nobel-per-la-pace-e-la-comunicazione/
Oppure potremo ascoltare con orecchie apposite le onde gravitazionali.
Queste sono prodotte negli eventi cosmici violenti e potrebbero descriverci cosa accade dietro coltri di nubi che i fotoni non possono superare. Ma se riusciamo ad origliare in profondità segnali sempre più antichi e deboli, potremmo, un giorno, sentire il "chirp" primordiale. Il primo gong. La parola di Dio.

*qualcuno ha supposto che i fotoni di energie più elevate vengano rallentati più degli altri, per via della minor lunghezza d'onda, dalla schiuma dello spazio-tempo alla scala di Planck. Osservando fotoni di energie diverse provenienti dal medesimo evento energetico lontano non si é rilevata differenza temporale, ponendo così limiti stringenti alla schiumosità ed al suo effetto, se esiste, sui fotoni.  

**la luna esercitando attrazione sui mari terrestri crea una globosità, la Terra in realtà fa lo stesso ma il tutto é molto meno evidente poichè la crosta lunare é solida. I due rigonfiamenti si attraggono reciprocamente un po' di più del resto perché più vicini. Lo stesso fanno Mercurio ed il Sole. Questo meccanismo fa si che, col tempo, il più piccolo dei due corpi finisca per rivolgere sempre la stessa faccia all'altra, facendo praticamente coincidere rotazione e rivoluzione (con piccoli anticipi e ritardi rispetto alla media al variare della velocità orbitale causata dalla forma ellittica). Inoltre l'attrazione reciproca dei rigonfiamenti tende ad accellerare l'orbita dell'oggetto più piccolo che così si allontana. Pare succeda anche, più in piccolo, tra Terra e Sole, e il nostro pianeta lentamente si allontana dalla stella.

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