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Tags: fusione di buchi neri LIGO onde gravitazionali relatività generale
Scritto da: Vincenzo Zappalà
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LIGO: Un abile pescatore, una lenza e un pesce furbo e gigantesco **
NEWS! Rilevate le onde gravitazionali, la cronaca della prima osservazione e dei successivi sviluppi la trovate QUI
Pescare le onde gravitazionali è come pescare un grosso e furbissimo pesce. Ci vuole molta sensibilità e il luogo adatto. Il nuovo LIGO forse ci riuscirà a fine anno, pescando negli ammassi globulari.
Mettete due specchi sospesi a distanza di quattro chilometri tra loro e collegati da un corridoio. Inviate poi un segnale laser che si lanci lungo il tunnel (non quello dei neutini, mi raccomando!). Data la distanza basta un “niente” per distruggere o modificare il risultato dell’interferenza luminosa: se uno specchio varia la sua posizione di un qualcosa che è molto più piccolo del diametro di un atomo, non c’è speranza che passi inosservato. In realtà, chi subisce lo spostamento è il lunghissimo corridoio e questa infinitesima variazione si ripercuote sugli specchi e sull’informazione data dal laser. Detto in parole molto semplificate, questo è il principio su cui si basa LIGO, anzi l’advanced LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory).
L’ultima versione, che sarà operativa alla fine di quest’anno, dovrebbe riuscire a rilevare uno spostamento tra gli specchi pari a 10-19 metri. Per capire meglio cosa significhi questo valore, ricordiamo che il vecchio LIGO raggiungeva i 10-18 m, pari a un millesimo delle dimensioni di un protone… troppo poco per le esigenze di studio. Ora si è scesi di un fattore dieci: mostruoso, veramente mostruoso! E speriamo che sia anche sufficiente!
Come sempre nell’Universo per “sentire” i fenomeni più sconvolgenti ed energetici è necessario misurare dimensioni infinitesime. Un ulteriore prova che il legame tra macro e microcosmo è sempre strettissimo e andrà capito sempre meglio. Cosa si vuole sentire con questa strumentazione? Facile a dirsi, le celebri e ancora elusive onde gravitazionali. Esse sono previste dalla teoria di Einstein ma finora niente è realmente riuscito a rilevarle. In realtà non è facile, dato che le onde gravitazionali rappresentano una deformazione del tessuto spazio-temporale che si propaga attraverso onde per tutto il Cosmo. Uno stropicciamento molto locale dello spazio-tempo che diventa quasi del tutto invisibile (ma forse è meglio usare il senso del … “tatto” per definirlo) al crescere della distanza.
Dato che non possiamo andare di persona vicini ai processi violentissimi che danno origine a queste deformazioni, dobbiamo aumentare la nostra sensibilità per ricevere quel poco che arriva fino a noi. Pensiamo a un pescatore che tocca il filo della sua lenza per sentire se un pesce particolarmente furbo e (spesso) molto grande sta “succhiando” l’esca. E’ necessario sentire una vibrazione infinitesima per cercare di capire se la preda è a portata di cattura. Così dobbiamo fare sulla terra per sentire se lo spazio-tempo si è deformato a seguito di una fenomeno molto violento che arriva a noi come una vibrazione inferiore alle dimensioni di particelle come il protone.
Molti eventi possono dar luogo alle onde gravitazionali, dato che per ottenere questa deformazione è necessario “soltanto” che vi sia una forte accelerazione di uno o più corpi celesti (pensate a una tovaglia su un tavolo. Se spostate qualcosa su di lei con lentezza e in modo costante, la tovaglia non si muove; ma se trascinate un oggetto con violenza e accelerando, la tovaglia si stropiccia immediatamente). Potrebbe andar bene una supernova, ma sarebbe ancora meglio la fusione di due stelle di neutroni. L’ideale si raggiunge, però, con la fusione di due buchi neri. Essi, inoltre, darebbero un’informazione del tutto nuova, dato che non è assolutamente detto che si riesca a osservare nel visibile questa unione di giganti. Solo se hanno dischi di accrescimento potremmo vedere qualcosa, indirettamente, altrimenti l’epica battaglia si svolgerebbe nel buio più completo. Tuttavia, con LIGO, la lenza sarebbe tenuta sotto controllo e il gigantesco “pesce” sarebbe probabilmente catturato.
Un recente studio ha individuato lo specchio d’acqua migliore per catturare questi pesci così elusivi e così grandiosi: gli ammassi globulari. Al loro interno è molto più facile che i buchi neri originatisi dall’esplosione di vecchie giganti si trovino a stretto contatto (sembra di essere in un branco di aringhe…). Si è stimato che LIGO, se tutto andrà bene, dovrebbe rilevare almeno cento fusioni di buchi neri all’anno.
Pensiamoci bene… finora, volenti e nolenti, abbiamo studiato il Cosmo solo attraverso l’informazione elettromagnetica, quella che rozzamente chiamiamo “luce”. Con LIGO avremmo un nuova canna da pesca, un nuovo sistema per “sentire” (o toccare indirettamente) gli oggetti dell’Universo, un sistema basato su deformazioni impercettibili dello spazio-tempo. Chiamiamolo sentire o toccare il Cosmo, l’importante è che potremmo avere un nuovo tipo di informazione in grado di spiegare e di descrivere i processi più energetici e misteriosi del nostro immenso e favoloso teatro.
E, tra l’altro, ci sarebbe l’ennesima conferma delle teorie di Einstein: la sua matita e la sua riflessione avevano previsto tutto ciò e non avevano avuto paura di trovare un riscontro osservativo sicuramente molto difficile, ma alla portata della tecnologia di un secolo dopo… Altro che teorie costruite apposta perché non si possa mai provarle… Tornando al pescatore, sarebbe come dire: “Era enorme, un vero squalo! Peccato che mi è scappato perché non era possibile inserire un amo…”.
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19 commenti
Enzo, speriamo sia la volta buona! La gravità che noi sentiamo è data dalla distribuzione delle masse e dell'energia nell'universo che creano il campo gravitazionale? Mentre le onde gravitazionali sono create da variazioni della distribuzione di queste masse ed energie. Più violente sono queste variazioni più possibilità ci sono di rilevarle. Quindi sono variazioni del campo gravitazionale? Se è tutto giusto, la domanda è. Cosa si sa di queste onde? Energia, forma, frequenza...
caro Gaetano,
la gravità è data dalla presenza di masse. Nella RG questo vuol dire deformare lo spaziotempo. Quando le masse accelerano deformano lo spazio tempo locale e questa deformazione si propaga nello spaziotempo. In altre parole, la gravità secondo la RG è una deformazione statica, sempre uguale. Accelerazioni innescano variazioni che diventano proprio le onde gravitazionali, ossia oscillazioni dello spaziotempo. Tutto ciò che sappiamo deriva dalle formule della RG che le prevede matematicamente e fisicamente. Non confondiamole, però, con i gravitoni che sarebbero le ipotetiche particelle che trasmettono la forza di gravità...
Grazie Enzo, è importante quello che dici. Non è come per il fotone che trasmette le onde elettromagnetiche, non ci vorrà una particella che trasmette le onde gravitazionali?
è quello che si vorrebbe dimostrare, ma, per adesso, del gravitone non si ha alcuna conferma... Le onde gravitazionali, invece, sono uno scuotimento di tutto lo spaziotempo, come se sbattessi un lenzuolo in un punto e cercassi di determinarlo a grandissima distanza...
Una curiosità Enzo.
Capisco che migliorare la performance del vecchio interferometro di un ordine di grandezza è cosa tutt'altro che trascurabile, ma perchè mai questo miglioramento dovrebbe consentirci di "toccare" le onde gravitazionali mentre il vecchio interferometro non era in condizioni di farlo? E' stata fatta qualche considerazione analitica?
Mi viene in mente la dispersione dell'energia elettromagnetica emessa da un oggetto celeste: consideriamo l'energia irradiata in una porzione della superficie sferica centrata sull'oggetto ed estesa 10°*10°, ed immaginiamo di allontanarci costantemente dal punto dell'emissione. L'energia contenuta in quella stessa porzione varia continuamente in ragione inversa al quadrato della distanza dall'oggetto.
La dispersione dell'effetto onda gravitazionale segue la stessa legge, cioè l'inverso del quadrato della distanza? Se fosse così se ne deduce che il nuovo interferometro conserverebbe la stessa separazione angolare del vecchio per una distanza dell'evento circa 3 volte maggiore! Non è un pò poco ?!?!
Caro Alvy,
L'interferometro serve per segnalare le minime variazioni nella distanza tra gli specchi. Ne segue che maggiore è la sensibilità dello strumento, minore è la differenza che si riesce a riscontrare. L'onda grav. fa oscillare lo spaziotempo influendo sulla distanza tra due oggetti.
Sono i laser, che viaggiano all’interno dei tubi che permettono di misurare con una precisione elevatissima la distanza tra i due specchi su cui si riflettono questi raggi.
Le migliorie tecniche penso che riguardino sia l'ottica in sé, sia l'insieme dei tubi ortogonali tra loro. Maggiore è la distanza è meglio è, ovviamente. E la distanza deve essere misurata con precisione elevatissima. Non cambia di certo l'increspatura dello spaziotempo, ma varia la capacità di rendersi conto di quest piccola oscillazione.
In altre parole, non abbiamo a che fare con una radiazione, ma con un cambiamento oscillante della metrica dello spaziotempo.
Pensa al buco nero di Kerr che è in grado di trascinare in rotazione lo spaziotempo e come questo influisca sulla collocazione del disco di accrescimento. Bene, in questo caso l'accelerazione crea un disturbo che si propaga sul lenzuolo fino a grandi distanze.
Come sai non sono un tecnico, ma puoi trovare informazioni direttamente qui:
https://www.advancedligo.mit.edu/
Si Enzo, l'idea che mi sono fatto è di assimilare le onde gravitazionali a quelle ... di uno specchio d'acqua. In questo caso, maggiore è la distanza dal punto in cui un sasso cade nell'acqua e minore è l'altezza dell'onda, cioè l'increspatura, a causa della dispersione dell'energia su di un fronte sempre più ampio. Escludo qui fenomeni di dispersione e/o assorbimenti di energia da parte di ostacoli, ecc.
Penso che anche nel caso delle onde gravitazionali si abbia un analogo fenomeno di attenuazione per le stesse ragioni.
Il problema, puramente teorico, è stabilire la curva di attenuazione del "segnale" con la distanza.
Nel caso delle onde elettromagnetiche sappiamo che l'energia specifica (J/mq) varia con l'inverso del quadrato della distanza.
Nel caso delle onde d'acqua non aumenta la superficie sferica di dispersione ma la circonferenza, considerando che la propagazione avviene in due anzichè tre dimensioni (semplificando un pò...); dunque l'ampiezza dell'onda dovrebbe variare con l'inverso della distanza.
E per le onde gravitazionali? Tornando in tre dimensioni (caso delle onde sferiche) mi è sembrato ragionevole riprendere il caso delle onde elettromagnetiche. La similitudine che ho proposto riguarda solo le modalità di attenuazione, non certo la natura dei due tipi di onde.
Dov'è l'errore?
Non capisco il problema Alvy. dato che le onde sono quelle che sono, bisogna costruire qualcosa capace di misurare la loro ampiezza e questo deve essere abbastanza sensibile per poterlo fare. Noi, però, non misuriamo l'ampiezza delle onde direttamente, ma quanto queste influiscono su una certa lunghezza spaziale. Bisogna quindi riuscire a misurare una distanza a livello della variazione dovuta all'onda...
OK Enzo, diciamo allora che ciò che vado cercando è l'algoritmo di trasformazione ampiezza d'onda-disallineamento specchi.
Vedrò di trovare qualche risposta sul sito che mi hai segnalato e che sembra piuttosto promettente.
Grazie
esisteranno sicuramente algoritmi matematici più o meno raffinati, ma l'importante è rilevare uno spostamento oscillante della lunghezza... che può essere spiegata solo dalle onde gravitazionali.
Ho dato un'occhiata un pò meno rapida, ma pur sempre fuggente, al sito di LIGO.
Consiglio a tutti di visitarlo. Si possono leggere alcuni capitoli molto interessanti che mettono al corrente di varie questioni, teoriche e pratiche.
Credo che questi capitoletti siano stati preparati proprio per chi vuole saperne di più, non essendo un addetto ai lavori. Mi sembra ben impostato.
Il testo è in inglese ma, come sempre, l'inglese tecnico non è troppo complicato.
Caro Enzo torno oggi dopo due settimane di vacanze ed un viaggio di ritorno un pò burrascoso (son rimasto bloccato a Firenze per ore).
Volevo solo porre una piccola domanda qual'è la velocità di propagazione di tali onde?
Provo a spiegarmi meglio: la velocità della luce rappresenta il limite invalicabile con cui l'informazione si propaga nello spaziotempo, ma in questo caso è lo spaziotempo che si increspa.....
Paolo
ciao Paolo!
bentornato anche se con problemi vari stradali e con il fatto che dalle ferie non si torna mai troppo contenti...
Alla tua domanda posso rispondere che ti sei risposto da solo: la velocità dovrebbe proprio essere quella della luce, dato che nessuna informazione può viaggiare più velocemente secondo la relatività. In questo caso l'increspatura è dovuta a un evento ben preciso e le onde gravitazionali trasmettono l'informazione per cui non possono superarla. In questo senso sono simili ai gravitoni...
Lo spaziotempo porta a velocità maggiori di c, ma va tenuto conto che questa è solo una velocità che deriva dall'espansione della metrica. In poche parole, è come se io avessi un fattore ct che cresce e imputassi il tutto solo a c. Una galassia ha inviato la luce verso di noi tredici miliardi di anni fa, ma a causa dell'espansione essa ha percorso uno spazio ben maggiore di tredici miliardi di anni luce. Tuttavia, la luce ha continuato a viaggiare a velocità c. Pensa poi anche al fatto che non è lo spazio che si espande veramente a una certa velocità, ma è nuovo spazio che nasce tra due oggetti. Il concetto è decisamente diverso...
Paolo ti posto questa cosa: http://www.vialattea.net/esperti/php/risposta.php?num=6378
Enzo permettendo. In realtà questo della velocità del segnale gravitazionale è un dubbio che è venuto anche a me ed ogni tanto riaffiora. Interessante soprattutto il rimando all'articolo in inglese che ci riporta con i piedi per terra. Con quest'articolo di Enzo ho risolto un'altro dubbio, come capita spesso devo dire: il gravitone, qualunque cosa sia, è un segnale del campo gravitazionale e non delle onde! Quindi, la gravità, come la massa (inerziale, gravitazionale) manifesta un doppio effetto. Sarà per questo che è così difficile farla rientrare nei ranghi "quantistici".
Un esperimento simile, ma di portata molto più grande, sarà il LISA.
Le misure saranno effettuate da tre satelliti artificiali che gireranno intorno al Sole.
La data di lancio è prevista nel 2017.
Per saperne di più:
https://it.wikipedia.org/wiki/LISA
E ancora per chi fosse interessato:
http://www.treccani.it/enciclopedia/misure-ad-altissima-precisione_(Enciclopedia_della_Scienza_e_della_Tecnica)/
LISA mi sembra molto promettente, potendo rilevare le onde al di fuori del "rumore" e dei movimenti terrestri.
Tra il 2017 ed il 2018 (lancio di WEBB) ne vedremo delle belle, salvo ritardi causati da qualche guerra o catastrofe finanziaria, che purtroppo sono sempre in agguato...
Davvero SMA affiniamo gli strumenti per cercare di carpire queste sfuggenti deformazioni
ed incrociamo le dita perché il progetto abbia a compiersi.