SPECIALE ONDE GRAVITAZIONALI - I CENTO ANNI DELLA RELATIVITÀ GENERALE (Parte prima)

Ultima ora: Il Nobel per la Fisica 2017 alla scoperta delle Onde Gravitazionali

Introduzione storica. A seguito dei successi ottenuti con la pubblicazione nel 1905, l'annus mirabilis della fisica, di ben quattro articoli nel volume 17 della prestigiosa rivista tedesca Annalen der Physik, tutti articoli di fondamentale importanza tra i quali la spiegazione in termini quantistici dell'effetto fotoelettrico, del moto browniano come evidenza dell'esistenza delle molecole, della Relatività Speciale e del legame tra inerzia ed energia dei corpi nel quale per la prima volta comparve la nota formula E=mc², Einstein acquisì la fama necessaria per essere nominato nel 1914 direttore dell'istituto di Fisica di Berlino, un incarico di prestigio che mantenne fino al 1933.

Il venti marzo 1916, nonostante la guerra in atto tra l'impero Tedesco del Secondo Reich e gran parte degli stati d'Europa, la teoria della Relatività Generale venne pubblicata per la prima volta sugli Annalen der Physik. Ovviamente, nonostante la grande fama di Einstein, a causa della guerra con difficoltà il suo lavoro riuscì ad avere l'attenzione che avrebbe avuto in tempi di pace. Ad ogni modo, proprio per la presenza in Germania di scienziati russi e inglesi fin da prima dello scoppio della guerra, al loro rientro in patria la teoria della Relatività Generale cominciò ad essere conosciuta ed apprezzata nel resto del mondo. Per supplire alle carenze di informazione, Einstein che nemmeno durante la guerra cessò di lavorare, pubblicò ulteriori note, ma solo il 21 febbraio 1918, a seguito di un articolo pubblicato nel 1916 sul giornale dell'Accademia, Einstein nel tentativo di essere più chiaro nell'esposizione e soprattutto per correggere un errore di calcolo che lo infastidiva, ma sicuramente anche per ribadire i concetti fondamentali della sua teoria ben consapevole della resistenza che quelle idee avrebbero potuto incontrare, pubblicò un articolo di correzione e approfondimento sulla propagazione di onde nel campo gravitazionale, proprio in quel lavoro nominò per la prima volta le onde gravitazionali: Über Gravitationswellen (Sulle onde gravitazionali). Per chi fosse interessato a leggere la traduzione italiana dell'articolo scientifico originale sicuramente di livello professionale lo può trovare, qui c'è la traduzione.

Maggio 1921: A. Einstein fa visita all'osservatorio di Yerkes (Univ. di Chicago) all'epoca
il più grande rifrattore del mondo prima della costruzione del telescopio di Monte Wilson

LE ONDE GRAVITAZIONALI ESISTONO DAVVERO
(Parte prima)

Considerazioni generali

La gioia provocata nella comunità scientifica dall'annuncio della prima osservazione nei rivelatori della collaborazione scientifica LIGO, di un chiaro segnale prodotto da onde gravitazionali, deve essere sicuramente festeggiato ma deve anche farci riflettere. Senza dubbio questa è stata una grande scoperta come grande è anche stata la scoperta del bosone di Higgs avvenuta al CERN nel 2012, ma a differenza di allora, l'emozione prodotta da questa notizia ha evidenziato una reazione del tutto inattesa. C'è stata una sorta di liberazione, come se l'ansia cresciuta in questi ultimi quindici anni fino a raggiungere livelli patologici di colpo fosse svanita per far posto a pura felicità. Perché tanta ansia, perché tanta felicita c'è da chiedersi. In un certo senso la reazione può essere comprensibile, se consideriamo che per trovare il bosone previsto da Peter Higgs nel lontano 1964 si sono dovuti attendere 48 anni solo per poter avere le tecnologie adeguate per osservare in un acceleratore di particelle delle collisioni protone-protone a ben 8 TeV, oltre a poter disporre di computer in grado di effettuare 10.000 miliardi di calcoli al secondo, cosa non da poco, invece per poter osservare le onde gravitazionali e verificare la validità della Teoria della Relatività Generale (TRG) di Einstein c'è voluto un secolo, più del doppio che per il bosone di higgs.

LIGO - Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory

Mi auguro che qualcuno pensi: "Verificare la validità della Relatività Generale? Ma come ... non era stata già verificata nel 1919?" Certo! C'è da chiedersi allora, come mai i mass media hanno scritto all'unisono che la teoria di Einstein fino ad oggi non era mai stata verificata, come mai invece la TRG è sempre stata considerata una teoria valida, consistente e regolarmente usata in tutte le branche dell'astrofisica moderna, oltre che nella tecnologia dei viaggi spaziali e delle telecomunicazioni? In effetti non è tutto così semplice come potrebbe sembrare, come non è del tutto vero che "... Einstein aveva ragione ..." come a gran voce è stato strillato dai media. So bene che un'affermazione come questa può sollevare un po' di povere, ma bisogna pur dire come stanno effettivamente le cose e avere pazienza di leggere tutto fino in fondo.

La teoria della relatività, come d'altronde Albert Einstein, in questi cento anni hanno sicuramente fatto parlare molto di loro. Se è vero che parte delle verifiche necessarie per accettare incondizionatamente la TRG si sono avute già nel 1915-1916 contestualmente alla pubblicazione degli articoli, come per esempio la verifica della compatibilità della TRG con la gravitazione universale di Newton, come la previsione della già ben nota ma allora ancora inspiegata anomalia nella precessione del perielio di Mercurio, la verifica della curvatura dei raggi di luce in presenza della gravità poté essere eseguita solo alla fine della I guerra mondiale. La verifica ritenuta allora ultima e definitiva, venne fatta tramite la misurazione della posizione delle stelle fisse nascoste dalla corona solare diurna, sfruttando l'eclissi di Sole del 29 Maggio 1919. La misura sperimentale venne organizzata da Sir A.S. Eddington e fornì già allora un'ulteriore inconfutabile prova della validità della teoria di einsteiniana, i raggi di luce provenienti dalle stelle fisse si curvavano veramente per la presenza dei campi gravitazionali solari, facendo apparire l'immagine delle stelle fisse in una posizione diversa, più lontana di quella effettiva misurabile in fase notturna. A quel punto era fatta, verificata la curvatura della luce in un campo gravitazionale, mancava solo l'osservazione diretta delle onde gravitazionali, ma allora la loro esistenza veniva data ovviamente per scontata, perché nessuna tecnologia sarebbe stata adeguata per effettuare misure sperimentali di onde così flebili e poi, dopo tutte quelle incredibili conferme, che bisogno c'era di dover vedere delle onde gravitazionali in un Universo che per le conoscenze di allora non arrivava più in la della nostra galassia?

Quarant'anni dopo, a partire dal 1959, con il progredire delle conoscenze scientifiche e tecniche, tutte le verifiche vennero ripetute nuovamente per poter essere più sicuri e raggiungere una maggiore accuratezza. Prima vennero eseguite misure nel campo gravitazionale terrestre, poi nel 1974 vennero anche effettuati degli studi sul comportamento delle pulsar binarie, studi che permisero nuovamente di verificare tutte le previsioni già verificate, ma questa volta in un universo con confini molto più lontani e in presenza di campi gravitazionali, quelli delle pulsar, molto più intensi di quelli nel Sistema Solare. Le misure trovarono comunque e sempre una perfetta aderenza tra teoria e realtà sperimentale (Hulse, Taylor et al.), quindi con le nuove tecnologie non rimaneva che tentare di rivelare e misurare direttamente anche le onde gravitazionali direttamente previste da Einstein

Il modello bidimensionale di emissione di onde gravitazionali per un sistema stellare binario.

Nei primi anni del terzo millennio cominciò la realizzazione dei primi rivelatori di onde gravitazionali. Nel 2002 iniziò la costruzione di LIGO che entrerà in funzione nel 2004, nel 2003 la costruzione di VIRGO, nel 2008 quella di CLIO e oggi la rete dei rivelatori di onde gravitazionali continua ad essere in crescita impegnando a livello planetario più di un miliardo di euro di investimenti senza aver ottenuto prima d'ora nemmeno un risultato positivo. Sarà stato per sfortuna o per l'inadeguatezza energetica degli eventi osservati, ad ogni modo per ben 12 lunghi anni non è stato osservato alcun segnale compatibile con la presenza di un'onda gravitazionale. Intanto la fisica andava avanti, venivano fatti investimenti su investimenti per esperimenti e misure in ambito cosmologico e la TRG data per buona fin dal 1919 ha continuato ad impazzare negli articoli accademici di cosmologia, di astrofisica, sui testi universitari, chiunque abbia fatto un corso superiore di fisica sa che l'azione impulsiva di una forza gravitazionale non è istantanea, ma prevede un tempo di propagazione del segnale dato dal rapporto tra la distanza della sorgente e la velocità dell'onda, che neanche a farlo apposta si assume identica a quella della luce perché lo dice la TRG, insomma un'onda gravitazionale per farla semplice, agirebbe su un corpo nello spazio come un'onda in uno stagno su un tappo di sughero, il passaggio dell'onda fa oscillare la posizione del tappo, ma per quanto riguarda la similitudine con le onde gravitazionali se le onde nello stagno sono sempre osservabili, quelle gravitazionali nessuno le ha viste sino ad ora.

La recente scoperta di un sistema stellare doppio nella nube di Orione

La continua assenza sulla scena della fisica sperimentale delle onde gravitazionali ha da una parte prodotto un velato imbarazzo accrescendo l'ansia dei sostenitori della TRG e dall'altra ha acceso un dibattito sulla possibilità di teorie gravitazionali alternative a quella di Einstein, cioè alle cosiddette teorie non standard che si basavano su presupposti differenti da quello della TRG. Alcuni poi hanno interpretato le osservazioni in favore della presenza nell'universo di materia oscura ed energia oscura come un evidente fallimento della TRG per grandi distanze, sostenendo che sono possibili teorie gravitazionali alternative in grado di spiegare il comportamento della gravità su larga scala, o per minime accelerazioni nell'espansione dell'universo, o per piccole curvature dello spazio-tempo. Lo studio dei campi gravitazionali in prossimità dei buchi neri supermassivi che si ipotizza alimentino i nuclei galattici e le QUASAR, appartengono poi ad un campo della fisica nel quale la ricerca attuale sta impegnando numerosi fondi e ingenti risorse umane. Inoltre le osservazioni dei QUASAR sono difficili, come è difficile l'interpretazione delle osservazioni che dipendono dalla scelta dei modelli cosmologici, cioè dall'assunzione dalle teorie gravitazionali alternative che devono comunque essere almeno qualitativamente coerenti con la TRG. Dato il fermento teorico-sperimentale di questi anni e l'impegno economico in termini di spesa in questo settore della ricerca fondamentale, è chiaro come il silenzio delle onde gravitazionali abbia reso tutto molto più complicato e la loro attuale rivelazione sia coincisa con una catarsi che coinciderà con la scomparsa, o meglio con il passaggio alla storia delle teorie alternative e dei teorici che le hanno proposte, in favore di una nuova apertura verso la ricerca di una TRG più attuale, in grado di tener conto in modo coerente delle scoperte effettuate in questi ultimi cento anni, purtroppo non ancora del tutto comprese.

Come mai c'è voluto tanto tempo a scoprire le onde gravitazionali? La loro osservazione avrebbe potuto essere a portata di mano, in fondo ogni massa nel suo moto attraverso lo spazio-tempo produce onde e noi le avremmo potute osservare nei rivelatori già da molti anni. Ci sono molte spiegazioni possibili per questo ritardo di osservazione e nessuna esclude completamente l'altra. Prima di tutto dobbiamo chiarire il perché di un'emissione gravitazionale. In un sistema stellare o planetario stabile non c'è emissione di onde gravitazionali, se queste vengono occasionalmente emesse è a seguito di un evento transitorio che destabilizza momentaneamente il sistema. In questi casi l'intensità dell'emissione è comunque molto bassa. Anche in un collasso gravitazionale di una stella dove l'energia generata è tanta, per quanta energia debba essere emessa per stabilizzare il sistema, esistono fenomeni concorrenti all'emissione di onde gravitazionali altrettanto efficienti nel sottrarre energia. Tra i vari modi che un sistema in interazione o in collasso gravitazionale ha per perdere energia c'è l'emissione di luce su tutto lo spettro visibile e invisibile, ma ancor meglio nel caso di collasso gravitazionale si ha l'emissione di antineutrini prodotti nella fase di neutronizzazione della materia stellare. In questa fase gli elettroni e i protoni compressi dall'enorme pressione dei bounce stellari che precedono il collasso gravitazionale vero e proprio della stella, sono trasformati in neutroni con l'emissione di antineutrini. L'enorme quantità di antineutrini emessi è sicuramente un modo altamente efficiente per emettere l'energia in eccesso della stella. L'efficienza è determinata dalla bassa probabilità, quasi zero, di interazione con la materia attraversata, ciò consente ai neutrini di fuggire dalla massa in collasso alla velocità della luce. Questi modi concorrenziali di emettere energia rendono ovviamente l'emissione di onde gravitazionale solo un ulteriore modalità di bassa intensità, inoltre la produzione di onde gravitazionali ha a che fare con l'asimmetria della distribuzione di massa in un sistema in rotazione accelerata, solo in questo caso che comporta una crescita della variazione nel tempo del momento d'inerzia del sistema si ha emissione di energia sotto forma di onde gravitazionali, diversamente il sistema rimane stabile. Senza variazione crescente del momento d'inerzia niente onde gravitazionali, quindi niente osservazione. Eventi catastrofici passati come scontri di galassie supernove, QUASAR e formazione di black-hole, eventi che avrebbero potuto produrre segnali gravitazionali osservabili, sono però fenomeni che emettono anche negli spettri gamma, X, visibile, radio e limitatamente ai collassi gravitazionali anche di antineutrini, riducendo così l'intensità delle emissioni di onde gravitazionali che diventano un impercettibile e confuso rumore nel fondo cosmico.

Possiamo quindi concludere che Einstein aveva ragione? No, a questo punto non lo possiamo ancora fare. Infatti, non siamo più nel 1921, la scienza è progredita in conoscenza e mezzi di indagine, e non di poco, ora sappiamo da misure accurate della radiazione di fondo cosmico che l'inizio dell'universo è stato inflazionario caotico, che esiste una forma di materia "oscura" che fa sentire la sua azione tenendo insieme galassie e curvando lo spazio-tempo, ma non sappiamo però quale sia la sua origine; abbiamo potuto misurare variazione nel red-shift cosmologico che ci indicano che presumibilmente l'universo in epoche recenti ha accelerato la sua espansione come se una misteriosa energia "oscura" lo spingesse a farlo, quindi se queste ultime osservazioni sono corrette e per il momento non c'è nessun motivo per non crederlo, il quadro della Teoria della Relatività Generale delineato dal genio di Albert Einstein è solo un abbozzo della realtà in cui viviamo. Ora usando le nostre attuali conoscenze e senza la presunzione di sapere già tutto, dobbiamo lavorare per riuscire a comprendere quel che oggi ancora non siamo riusciti a comprendere, ma di questo e di altri argomenti parleremo nei prossimi articoli.

Anelli di Einstein la prova inconfutabile della curvatura della luce intorno
 ad una regione dello spazio in cui sono presenti intensi campi gravitazionali.

Speciale onde gravitazionali i cento anni della Relatività Generale:

I - LE ONDE GRAVITAZIONALI ESISTONO DAVVERO (questo articolo)
II- RELATIVITÀ E MECCANICA QUANTISTICA: UNA CONVIVENZA  DIFFICILE
-    Capitolo (I)
-    Capitolo (II)

Seguiranno:

III - RELATIVITÀ GENERALE: COSA CI ASPETTIAMO PER IL FUTURO DELL'UNIVERSO?