Il "Respiro dell'Universo " Prof . Ing. Fava

14.10.2017 16:30

Parliamo anche a Jesi delle onde gravitazionali con il fisico Gabriele Fava.

Sabato 14 Ottobre, ore 16,30 , presso la Sala Valeri del Museo Diocesano di Jesi, su invito del Circolo Ferrini, il Fisico Gabriele Fava ci ha spiegato cosa sono le onde gravitazionali la cui esistenza , ipotizzata da Einstein, e dimostrata sperimentalmente ha premiato i tre ricercatori Kip Thorne, Reiner Weiss e Barry Barish con l’ambito premio Nobel per la Fisica per l’anno 2017 .

Non è facile comprendere cosa sia un onda , e per di più un’ onda gravitazionale, senza aver conoscenza non solo della geometria Euclidea e della fisica di Newton, ma bisogna conoscere anche la Geometria di Riemann e le basi della Relatività Generale del 1916 di Einstein.

Gasbriele Fava ci conduce pian piano a comprendere tutto questo illustrando con slides quanto espone.

Prima di tutto viene definito il concetto di onda, cioè di una perturbazione che si propaga nello spazio trasportando energia, senza trasportare materia. Ci sono differenti tipi di onde, le onde meccaniche come l’onda sonnora, l’onda marina o la semplice onda generata da un “ola” allo stadio ( son tutte onde che hanno bisogno di un mezzo di trasporto materiale. L’onda sonora nel vuoto non si propaga! Le onde elettromagnetiche e quelle gravitazionali , essendo pura energia senza una massa, si propagano alla velocità della luce (fotoni e gravitoni).

La teoria dell’elettromagnetismo ci suggerisce che le variazioni del campo elettrico prodotto da una carica in oscillazione generano un campo magnetico a sua volta variabile.

I valori del campo elettrico e magnetico variabili si propagano nello spazio alla velocità della luce, dando origine alle onde elettromagnetiche, che possiamo considerare come l’informazione che ci arriva dallo stato della particella carica che ha generato queste variazioni.

Un campo elettrico statico si propaga anche esso a velocità della luce, ma non vi è informazione variabile nel tempo, quindi non si ha la creazione di un’onda (che per definizione è un fenomeno variabile e periodico).

Considerando questo punto di vista sulle onde elettromagnetiche, si può ipotizzare che esista un’altra famiglia di onde, chiamate onde gravitazionali.

Senza indagare le questioni fisiche riguardanti la gravitazione, possiamo fare un parallelismo tra la forza gravitazionale nella descrizione classica di Newton e quella del campo elettrico.

Ogni oggetto dotato di massa produce una forza di gravità.

Secondo Einstein nessuna informazione può viaggiare più veloce della luce, ergo la stessa informazione sulla forza di gravità di ogni oggetto non può che viaggiare al massimo alla velocità della luce.

Immaginiamo ora (idealmente) di prendere un oggetto molto massiccio, concentrato e totalmente neutro, come una stella di neutroni, e di farlo oscillare attorno ad una posizione di equilibrio, proprio come di soluto si fa con una carica per provare e caratterizzare l’esistenza delle onde elettromagnetiche.

In questo caso il corpo è elettricamente neutro, quindi non si avrà la produzione di onde elettromagnetiche. Tuttavia, se al posto del campo elettrico consideriamo il campo gravitazionale, possiamo notare una forte analogia con il caso della carica. In particolare, l’oscillazione della stella di neutroni produce delle variazioni periodiche nell’intensità del campo gravitazionale in un punto qualsiasi fissato, che cambiano con una frequenza uguale a quella dell’oscillazione.

In un punto fissato dello spazio un osservatore noterà che i valori del campo gravitazionale della sorgente cambiano in modo periodico nel tempo.

Abbiamo effettivamente trovato un modo per generare un’onda gravitazionale.

Siamo arrivati, senza formule ma con un semplice ragionamento, ad uno dei concetti più importanti della fisica e dell’astrofisica contemporanea: la variazione di un campo gravitazionale da vita ad un’onda gravitazionale.

Un tale tipo di onda altri non è che l’informazione sul valore di un campo gravitazionale variabile che si propaga nello spazio-tempo, 

Stiamo parlando di spazio tempo, cioè di un sistema dove la geometria di Euclide, basata sul punto, retta, piano non è più sufficiente a dare risposte valide. Nel 1854 Riemann dà origine ad una nuova geometria basata sul punto e circonferenza massima dove per 2 punti passa una sola circonferenza massima e non ci sono parallele. Per Euclide , con il triangolo equilatero su un piano, la somma degli angoli interni è pari a 180°; con Riemann tale somma è superiore a 180°. Dallla geometria di Riemann si deduce che la geodetica, cioè il percorso più breve che unisce due punti, è diversa se è in un piano o se à su una superficie curva.

Altro concetto base di chiarimento alle onde gravitazionali è il concetto di gravità. Newton con il suo esperimento della mela che cade dall’albero dimostra che tutti i corpi sono soggetti alla forza di gravità ( Legge della gravitazione universale) dove la costante di gravità G è pari a 9.8 m/s^2.. Sia la Luna che la mela sono soggette alla forza di gravità e la Luna non cade sulla terra , come la Terra e i vari pianeti non cadono sul Sole, grazie alla sua velocità di rotazione e alla distanza dalla Terra. Man mano chr la velocità di rotazione della Luna intorno alla Terra diminuisce , la Luna si avvicina alla Terra, la Terra parimenti al Sole .

Una e mela sono entrambe accelerate verso la Terra ma in modo differente ( 2.6 10^-3 m/s²) per la Luna e 9.8 m/s² per la mela. Per la stessa legge fisica per cui la mela cade sulla Terra e la Luna ruta intorno ad essa , la Terra ruoa intorno al Sole. Tra diverse migliaia di anni la Terra cadrà sul Sole , ma in verità farà prima il Sole a diventare un Stella Gigante che fagociterà tutto il Sistema Solare.

Altra definizione necessaria è quella di spazio tempo che per Newton che considera assoluti e universali. Secondo Newton sia lo spazio , che è uno spazio euclideo a 3 dimensioni sia il tempo, che scorre in modo uniforme, sono due entità distinte e separate.

Secondo Einstein lo spazio e il tempo sono tra di loro interconnessi, formando un entità a 4 dimensionie ed inoltre non sono assoluti, ma sono relativi al sistema di riferimento dell’osservatore. Lo spazio- tempo è come un foglio elastico che in assenza di materia è piatto, e che è curvato alla materia. Nell’Universo la legge di Newton è superata dal nuovo concetto di spazio-tempo e la Terra corre davanti a sé lungo la geodetica e la sua traiettoria viene piegata dalla curvatura dello spazio-tempo causata dalla massa del Sole.

Verifica di quanto detto è stata fatta congiungendo Terra, Venere e Marte in un ipotetico triangolo avente per vertici questi 3 pianeti, e si è trovato che la somma degli angoli interni di questo triangolo è maggiore di 180° come da geometria di Riemann. Sperimentalmente è stato rigorosamente appurato dal fisico Irwin Shapiro nel 1970 con il radiotelescopio di Haystoch (Westford. Massachusetts). Cioè il Sole incurva lo spazio. Nhon è più valida la geometria euclidea valida per il piano.

Altra verifica sperimentale è stata fatta misurando la precessione del perielio di Mercurio. Tenendo conto dell’influenza di tutti i pianeti del sistema solare si determinò il valore di 531” / secolo, contro i 574” / secolo teorici. Mancavano 43” /secolo al calcolo esatto. Einstein stabilì che “ è la curvatura dello spazio che determina la differenza di 43” / secolo “ e lo dimostrò con la formula della Relatività Generale.

La curvatura del tessuto spazio temporale, dovuta alla massa solare, devia anche la luce nella sua propagazione. La verifica sperimentale è stata effettuata nel 2919, il 29 maggio, dall’inglese Arthur Eddington, osservando l’eclisse solare. Questa verifica contribuì alla rapida affermazione della Relatività Generale di Rinstein. Considerando le vfasi principali dell’evoluzione stellare a partire dalla Nebulosa stellare primordiale, notiamo che da una stella tipo Sole si arriva alla Nana bianca, mentre da stelle più grandi del Sole si arriva alla stella di neutroni ed infine al buco nero.

 

Il buco Nero è lo stadio finale di vita di una stella con massa pari ad almeno 4/5 volte masse solari; si genera un campo gravitazionale così intenso che nulla dal suo interno può sfuggire all’esterno, nemmeno la luce.

Il buco nero è quindi un oggetto invisibile. Si può scoprire solo con metodi indiretti, osservando gli effetti che causa su ciò che lo circonda. Ad esempio se un buco nero ha una stella vicina che è ancora attiva, esso risucchia verso di sé parte dei gas emessi dalla compagn stellare. Le particelle di gas, cadendo verso il buco nero, formano una specie di ciambella ad altissima temperatura intorno all’oggetto invisibile e il sistema diventa una potente sorgente di raggi . Tutto questo è stato verificato sperimentalmente osservando la sorgente di raggi detta Cygnus X-1 che si trova nella Costellazione del Cigno. Si tratta della coppia Stella gigante / Buco nero . Le onde gravitazionali sono un’altra previsione della Relatività Generale di Einstein. Esse sono increspature dello spazio tempo che si propagano alla velocità della luce.

Esse interagiscono molto debolmente con la materia che attraversano. Lo scambio di energia tra le onde gravitazionali e la materia attraversata è talmente debole che l’onda attraversa la materia quasi senza essere attenuata.

Il Sole , la Terra e tutta la materia interstellare in grnrtale sono quasi trasparenti alle onde gravitazionali.

Per quasi un secolo tutti i tentativi di provare l’esistenza delle onde gravitazionali sono falliti fino ai giorni nostri.

Da tenere presente che un’increspatura propagandosi determina ritmicamente una contrazione ed una dilatazione dello spazio, ma poiché facciamo parte del medesimo spazio, ci è impossibile notarla direttamente, dato che noi stessi siamo coinvolti nel fenomeno. Per aggirare la difficoltà si fa ricorso ad una grandezza costante , la velocità della luce (300.000 Km/sec).

Essendo questa invariante nello stesso mezzo, è possibile calcolare quanto tempo impiega un raggio luminoso a spostarsi da un punto all’altro ; se questo tempo varia vuol dire , per ciò, che è variata la distanza tra i due estremi della traiettoria. Per rilevare le onde gravitazionali i due osservatori, LIGO, ( interferometro^-19Laser per le Onde Gravitazionali ) situati ad oltre 3000 Km di distanza l’uno dall’altro negli Stati Uniti, e VIRGO Rivelatore Interferometrico di Onde Gravitazionali) posto a Cascina nei pressi di Pisa, usano fasci Laser che riflessi da specchi percorrono avanti e indietro coppie di bracci disposti ad angolo retto parallelamente alla superficie terrestre.

Le onde gravitazionali che sono originate a centinaia di mioni di anni luce dalla Terra modificano i 4 Km di spazio tra gli specchi di circa 10^{-19 m}, meno della grandezza di un atomo di idrogeno che è pari a circa 10^-10 m. Nel corso di una conferenza stampa , l’11 febbraio 2016, in contemporanea ai due lati dell’Atlantico, le collaborazioni internazionali LIGO e VIRGO hanno annunciato la prima rilevazione diretta delle onde gravitazionali , osservata contemporaneamente dai due interferometri LIGO il 14 Settembre 2015. P§urtroppo VIRGO , il rilevatore italiano, non ha potuto captare il segnasle perché era in fase di ricalibrazione.

Eè stato osservato nil primo evento in assoluto nel quale una collisione interstellare , avvenuta un miliardo e 300 milioni di anni fa, non produce dato osservabili se non attraverso le onde gravitazionali generate dall’evento. Tutto è durato solo 20 ms, ma l’energia emessa è stata enorme, pari a 3 masse solari, dovuta alla presenza di due buchi neri che formavano una coppia, ossia un sistema binario nel quale l’uno ruotava intorno all’altro. Avevano una massa rispettivamente di 36 e 29 volte superiore a quella del Sole e si sono avvicimati ad una velocità di 150000 Km / s. , metà di quella della luce. Più si avvicinavano più il segnale diventava ampio e frequente, come un sibilo acuto, fino a collidere con un gigantesco scontro dal quale si è formato un unico buco nero di 62 volte più massivo del Sole. La sua massa è la somma di quelle dei due buchi neri, ad eccezione della quantità liberata sotto forma di onde gravitazionali. La potenza emessa è stata di 3.10⁴⁹ Watt, l’equivalente di 200 masse solari convertite in energia in un secondo.

Anche VIRGO il 14 Agosto 2017 alle ore 10,30 UTC capta (osservazione GW170814) le onde gravitazionali emesse durante i momenti finali della fusione dei due buchi neri, con masse rispettivamente di circa 31 e 25 volte la massa del Sole e distanti circa 1,8 miliardi di anni luce. Il buco nero così prodotto ha una massa di cica 53 volte quella del nostro Sole. Ciò significa che durante la coalescenza circa 3 masse solari sono state convertite in energia sotto forma di onde gravitazionali. Anche la Terra nel suo moto di rivoluzione genera onde gravitazionali. Per questo motivo perde costantemente porzioni della propria energia e quindi tende ad avvicinarsi al Sole. Ogni giorno la Terra riduce il raggio della propria orbita di 10^-15 m, ma possiamo stare tranquilli, non cadremo sul Sole. Pe3rchè questo avvenga occorre un tempo pari a 10²⁴ anni. Ben prima di allora tra 4 – 5miliardi di anni il nostro pianeta , come tutto il sistema soplklare, sarà inghiottito dal Sole , diventato, espandendosi, una fagocitante Gigante Rossa.

Ringraziam il fisico Gabriele Fava per la conferenza dove ha illustrato in modo semplice i chiaro degli argomenti sciewntifici di non facile apprendimento, e concludiamo con quanto dice Roberto Battiston, presidente dell’Agenzia Spaziale Italiana (ASI):

 “È una giornata storica per la scienza e si apre una nuova era per la ricerca spaziale. Da anni attendevamo la nascita dell’astronomia multi-messaggero che sfrutta i vari tipi di radiazione che raggiungono la terra dagli angoli più remoti dell’universo. I risultati presentati oggi da osservatori terrestri e spaziali, gravitazionali ed elettromagnetici aprono una nuova era nello studio dell’Universo. È stata confermata, ancora una volta, la validità della teoria della relatività di Einstein che prevede che anche le onde gravitazionali viaggino alla velocità della luce. La ricerca italiana ha avuto una parte importantissima dimostrando di saper coordinare i diversi ambiti e diversi tipi di strumentazione, a terra e nello spazio facendo parte a pieno titolo dei più importanti network di ricerca mondiali.”