NEW WAVE: onde gravitazionali

TiConZero

di Costantino Pacilio

 

Di cosa succede quando passa un’onda gravitazionale, e di come il telescopio gravitazionale sia un crocevia di idee.

Per usare un gioco di parole, le onde gravitazionali sono la New Wave dell’astronomia. Lo avevo detto in un intervento precedente [1]: siamo agli albori di una nuova astronomia, perché i Fisici hanno inventato un nuovo tipo di telescopio che misura le onde gravitazionali. Ma com’è fatto questo telescopio? Non lo avevo detto. Anzi, non mi ero neanche arrischiato ad abbozzarne una descrizione, ed è quello che vorrei fare qui.

Premessa. Se qualcuno pensa che la cosa veramente importante della Fisica siano le teorie, mentre gli esperimenti sono solo una formalità, relegabili alla categoria “lavorio di bottega”, si sbaglia. Un esperimento è come la pietra d’angolo di un arco, senza la quale l’intera costruzione cadrebbe. È il luogo dove le teorie e i fatti si incontrano, e quando l’esperimento riesce è come se ci fossimo messi a contatto con qualcosa di più profondo.

I telescopi ci aiutano a guardare e a capire quello che succede lontano, dal momento che la forza di gravità ci costringe a stare con i piedi ancorati per terra e lo sguardo rivolto verso il cielo. Certo, se non ci fosse la gravità – tanto per dire – la birra non starebbe nei boccali, anzi non ve la potremmo neanche versare; i boccali non starebbero sui tavoli; e in definitiva quei momenti trascorsi a bere birra in compagnia ci sarebbero preclusi. È una piccola consolazione, ma tant’è.

La verità è che tutte le cose dell’Universo sono immerse in un’atmosfera fatta di forza di gravità. I Fisici se la rappresentano in maniera matematica, disegnando frecce di diversa lunghezza nello spazio, che rappresentano l’intensità e la direzione della gravità. Questa atmosfera gravitazionale diventa man mano più spessa e densa quando ci avviciniamo alla Terra, o a Giove, al Sole, al centro della Galassia. Cadiamo verso questi ammassi perché siamo attratti dalla loro forza di gravità. Ma se essi non ci fossero non ci sarebbe neppure la gravità. Giusto? Non proprio. C’è un’altra forma di gravità, che non ci fa cadere verso il centro di una sorgente. Una sorta di gravità pura che esiste da sola, senza una sua stella o un suo pianeta. Ed esiste in una forma particolare: quella di un’onda.

Le onde gravitazionali sono come dei fremiti che percorrono l’atmosfera di gravità, la fanno vibrare, comprimere o rarefare, proprio come succede all’aria quando la attraversa un suono. Le frecce – si immaginano i Fisici – oscillano su e giù e invertono periodicamente la direzione. Così al passaggio di un’onda gravitazionale la forza di gravità aumenta, dove più in una direzione, dove più in quella opposta. Un oggetto o una persona che ne fossero investiti si sentirebbero tirati, premuti, stiracchiati, spinti un po’ di qua un po’ di là, deformati da tutte queste forze di gravità oscillanti che l’onda porta con sé. Poi l’onda passa e tutto ritorna come prima. Allora perché non ce ne accorgiamo? Non ce ne accorgiamo perché queste onde sono debolissime. Sono le onde più flebili che si conoscano, e quindi le più difficili da misurare. Per misurarle – è proprio il caso di dirlo – bisogna farci l’orecchio!

Una sorta di gravità pura che esiste da sola, senza una sua stella o un suo pianeta. Ed esiste in una forma particolare: quella di un’onda.

Ecco. È così che si presenta il telescopio gravitazionale: non come un occhio – non ha una cupola e un sistema di lenti, né ha un’antenna con una calotta parabolica – bensì come un orecchio. Il lettore si deve immaginare una grossa spianata di terreno di un ex sito nucleare degli Stati Uniti d’America, su cui si distendono due lunghi tubi perfettamente identici montati a forma di lettera L. Cosa succede in questi tubi? Succede che due raggi laser, partendo dallo spigolo della L, percorrono ciascuno il proprio tubo, e alla fine uno specchio li riflette indietro al punto di partenza.

Un attimo. Pausa. Nei film di fantascienza ci sono sempre i raggi laser: Superman spara raggi laser dalle pupille; i cavalieri Jedi di Star Wars sono equipaggiati con “spade laser” (qualunque cosa questo significhi). Un laser – per dirla alla spicciola – è un fascio di fotoni, cioè è composto dalle stesse particelle di cui sono fatte la luce e le altre onde elettromagnetiche. Quindi viaggia alla stessa velocità della luce. Ed ecco un altro luogo ricorrente delle storie di fantascienza: astronavi che volano quasi alla velocità della luce; Superman che spinge la Terra più veloce della luce lungo la sua orbita per farla tornare indietro nel tempo (anche qui, qualunque cosa questo significhi). Ma che cos’ha di speciale la velocità della luce? Innanzitutto che niente può andare più veloce della luce, e questa è una Legge della Natura. Non solo: non si può neanche raggiungere la velocità della luce. Potete accelerare quanto volete, ma non raggiungerete mai la velocità della luce; forse vi avvicinerete moltissimo – se accelerate per abbastanza tempo – ma non ci arriverete mai esattamente. Quindi un fotone non è accelerato fino alla velocità della luce, viene creato già alla velocità della luce. Infine è impossibile rallentare la luce. Tutto questo suona come una condanna: se qualcosa si sta muovendo alla velocità della luce, vuol dire che lo ha sempre fatto e continuerà a farlo per sempre.

Così i due laser viaggiano alla stessa velocità in due tubi che hanno la stessa lunghezza. Perciò impiegano lo stesso tempo, e ritornano al punto di partenza contemporaneamente. Questa scena monotona si ripete continuamente, e ci verrebbe la tentazione di dire che più che un telescopio hanno costruito un orologio. Quand’ecco che passa un’onda gravitazionale: i tubi vengono un po’ tirati un po’ spinti, e si accorciano un po’ da un lato e si allungano un po’ di più da quell’altro, e insomma tutta la perfezione simmetrica di quelle uguali proporzioni e di quel monotono sincronismo viene scompaginata dal succedersi dei fronti dell’onda. I fotoni, condannati dalle leggi della Natura ad avere sempre la stessa velocità, viaggiano per questo frangente di tempo in due tubi deformati che non hanno più la stessa lunghezza. Perciò non ritornano allo stesso momento. È il segnale: che qualcosa è successo, che l’attesa di quell’andirivieni di fotoni è stata finalmente ripagata. Un’onda è passata. Una scoperta è stata compiuta.

Mi chiedo se la mia scrittura non si sarebbe dovuta adeguare al suo oggetto, con un linguaggio più accurato e puntuale, che rispecchiasse la precisione dei particolari – si direbbe la cesellatura – con cui il telescopio gravitazionale è stato costruito. Allora avrei dovuto dire che il suo nome esatto è interferometro gravitazionale, perché i fotoni quando arrivano sfasati formano una figura di interferenza. Che all’interno dei suoi bracci d’acciaio, lunghi ben 4 Km, è stato fatto il vuoto più spinto possibile per non ostacolare il percorso dei fotoni. Avrei anche dovuto dire che attraverso un sistema di pendoli i suoi specchi sono isolati dalle vibrazioni esterne. E mi sarei tenuto per ultima la più impressionante cesellatura: che quando passa un’onda gravitazionale i bracci si allungano o si accorciano solo di un miliardesimo di milionesimo di millimetro, cioè di una lunghezza mille volte più piccola dello spessore di un atomo! Ed è per questo, alla fine di tutta la storia, che abbiamo dovuto aspettare la costruzione di uno strumento così grande e così preciso per misurarne una.

Se ricostruiamo la storia di questa onda, da qualche parte dell’Universo duemila milioni di anni fa, lontano nello spazio e nel tempo, una catastrofe astrofisica è stata come il rullo di un tamburo che ha fatto vibrare la forza di gravità. La vibrazione è arrivata fino a noi ed è passata oltre. A ben guardare in questa storia c’è anche un altro viaggio. È il viaggio della nostra immaginazione, che è iniziato quando abbiamo deciso di mettere il Sole al centro e di spostare la Terra più in periferia. Quando quella che chiamavamo gravità era solo la forza che fa cadere le cose sul pavimento – e che fa reggere i boccali di birra – e non ci era ancora venuto in mente che la stessa forza muove i pianeti e le stelle. Forse oggi, che siamo chiamati a reimmaginarcela in maniera dinamica, come un’atmosfera percorsa da onde, facciamo nuovamente un po’ di fatica, seduti come siamo nella nostra zona di Universo relativamente tranquilla. Eppure va così. Vedremo di farci l’abitudine.

 

[1] In Le porte della percezione, su L’Opinabile di Aprile [LINK: http://www.lopinabile.it/wp-content/uploads/2017/04/lopinabile_04_2017.pdf ]

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