Il giorno ufficiale della scoperta (rilevamento) delle onde gravitazionali è l'11 febbraio 2016. Fu allora, in una conferenza stampa a Washington, che i leader della collaborazione LIGO annunciarono che un team di ricercatori era riuscito a registrare questo fenomeno per la prima volta nella storia dell'umanità.
Profezie del grande Einstein
Anche all'inizio del secolo scorso (1916), Albert Einstein suggerì che le onde gravitazionali esistono nell'ambito della Teoria Generale della Relatività (GR) da lui formulata. Non si può che meravigliarsi delle brillanti capacità del famoso fisico, che, con un minimo di dati reali, è stato in grado di trarre conclusioni di così vasta portata. Tra i tanti altri fenomeni fisici previsti e confermati nel secolo successivo (rallentamento dello scorrere del tempo, variazione della direzione della radiazione elettromagnetica nei campi gravitazionali, ecc.), non è stato praticamente possibile rilevare la presenza di questo tipo di onda interazione dei corpi fino a poco tempo.
La gravità è un'illusione?
In generale, alla luceLa teoria della relatività difficilmente può chiamare la gravità una forza. Questa è una conseguenza della perturbazione o della curvatura del continuum spazio-temporale. Un buon esempio che illustra questo postulato è un pezzo di stoffa teso. Sotto il peso di un oggetto massiccio posto su una tale superficie, si forma una rientranza. Altri oggetti che si muovono vicino a questa anomalia cambieranno la traiettoria del loro movimento, come se fossero "attratti". E maggiore è il peso dell'oggetto (maggiore è il diametro e la profondità della curvatura), maggiore è la "forza di attrazione". Quando si muove attraverso il tessuto, puoi osservare l'aspetto di un'"increspatura" divergente.
Succede qualcosa di simile nello spazio mondiale. Qualsiasi materia massiccia in rapido movimento è fonte di fluttuazioni nella densità dello spazio e del tempo. Un'onda gravitazionale con un'ampiezza significativa, formata da corpi con masse estremamente grandi o in movimento con accelerazioni enormi.
Caratteristiche fisiche
Le fluttuazioni della metrica spazio-temporale si manifestano come cambiamenti nel campo gravitazionale. Questo fenomeno è altrimenti chiamato increspature spazio-temporali. L'onda gravitazionale agisce sui corpi e gli oggetti incontrati, comprimendoli e allungandoli. I valori di deformazione sono molto piccoli - circa 10-21 dalla dimensione originale. L'intera difficoltà di rilevare questo fenomeno è che i ricercatori hanno dovuto imparare a misurare e registrare tali cambiamenti con l'aiuto di apparecchiature appropriate. Anche la potenza della radiazione gravitazionale è estremamente piccola, lo è per l'intero sistema solarepochi kilowatt.
La velocità di propagazione delle onde gravitazionali dipende leggermente dalle proprietà del mezzo conduttore. L'ampiezza dell'oscillazione diminuisce gradualmente con la distanza dalla sorgente, ma non raggiunge mai lo zero. La frequenza è compresa tra diverse decine e centinaia di hertz. La velocità delle onde gravitazionali nel mezzo interstellare si sta avvicinando alla velocità della luce.
Prove circostanziali
Per la prima volta, la conferma teorica dell'esistenza delle onde gravitazionali è stata ottenuta dall'astronomo americano Joseph Taylor e dal suo assistente Russell Hulse nel 1974. Studiando le distese dell'Universo utilizzando il radiotelescopio dell'Osservatorio di Arecibo (Porto Rico), i ricercatori hanno scoperto la pulsar PSR B1913 + 16, che è un sistema binario di stelle di neutroni che ruota attorno a un centro di massa comune con una velocità angolare costante (un caso piuttosto raro). Ogni anno, il periodo di rivoluzione, che originariamente era di 3,75 ore, viene ridotto di 70 ms. Questo valore è abbastanza coerente con le conclusioni delle equazioni GR che prevedono un aumento della velocità di rotazione di tali sistemi a causa del dispendio di energia per la generazione di onde gravitazionali. Successivamente sono state scoperte diverse pulsar doppie e nane bianche con un comportamento simile. I radioastronomi D. Taylor e R. Hulse hanno ricevuto il Premio Nobel per la Fisica nel 1993 per aver scoperto nuove possibilità per lo studio dei campi gravitazionali.
Onda gravitazionale sfuggita
Prima dichiarazione suil rilevamento delle onde gravitazionali è venuto dallo scienziato Joseph Weber (USA) dell'Università del Maryland nel 1969. Per questi scopi, ha utilizzato due antenne gravitazionali di sua progettazione, separate da una distanza di due chilometri. Il rivelatore risonante era un cilindro di alluminio di due metri ben vibrato, dotato di sensori piezoelettrici sensibili. L'ampiezza delle fluttuazioni presumibilmente registrate da Weber si è rivelata più di un milione di volte superiore al valore atteso. I tentativi di altri scienziati che utilizzano tali apparecchiature per ripetere il "successo" del fisico americano non hanno portato risultati positivi. Alcuni anni dopo, il lavoro di Weber in quest'area fu riconosciuto insostenibile, ma diede impulso allo sviluppo di un "boom gravitazionale" che attirò molti specialisti in quest'area di ricerca. A proposito, lo stesso Joseph Weber fu sicuro fino alla fine dei suoi giorni di aver ricevuto onde gravitazionali.
Miglioramento delle apparecchiature di ricezione
Negli anni '70, lo scienziato Bill Fairbank (USA) sviluppò il progetto di un'antenna per onde gravitazionali raffreddata da elio liquido utilizzando SQUID - magnetometri supersensibili. Le tecnologie allora esistenti non permettevano all'inventore di vedere il suo prodotto, realizzato in "metallo".
Il rivelatore gravitazionale Auriga è stato realizzato in questo modo presso il Laboratorio Nazionale Legnard (Padova, Italia). Il progetto si basa su un cilindro in alluminio-magnesio, lungo 3 metri e con un diametro di 0,6 m, un dispositivo ricevente del peso di 2,3 tonnellatesospeso in una camera a vuoto isolata raffreddato quasi allo zero assoluto. Un risonatore ausiliario per chilogrammi e un complesso di misurazione basato su computer vengono utilizzati per fissare e rilevare le vibrazioni. Sensibilità dell'attrezzatura dichiarata 10-20.
Interferometri
Il funzionamento dei rivelatori di interferenza delle onde gravitazionali si basa sugli stessi principi dell'interferometro di Michelson. Il raggio laser emesso dalla sorgente è diviso in due flussi. Dopo molteplici riflessioni e viaggi lungo le spalle del dispositivo, i flussi vengono nuovamente riuniti e l'immagine di interferenza finale viene utilizzata per giudicare se eventuali perturbazioni (ad esempio un'onda gravitazionale) hanno influenzato il corso dei raggi. Apparecchiature simili sono state create in molti paesi:
- GEO 600 (Hannover, Germania). La lunghezza dei tunnel del vuoto è di 600 metri.
- TAMA (Giappone) 300m spalle
- VIRGO (Pisa, Italia) è un progetto congiunto franco-italiano lanciato nel 2007 con gallerie di 3 km.
- LIGO (USA, costa del Pacifico), a caccia di onde gravitazionali dal 2002.
L'ultimo vale la pena considerare in modo più dettagliato.
LIGO Avanzato
Il progetto è stato avviato da scienziati del Massachusetts Institute of Technology e del California Institute of Technology. Comprende due osservatori separati da 3mila km, negli stati della Louisiana e Washington (le città di Livingston e Hanford) con tre interferometri identici. Lunghezza del vuoto perpendicolaretunnel è di 4 mila metri. Queste sono le più grandi strutture di questo tipo attualmente in funzione. Fino al 2011, numerosi tentativi di rilevare le onde gravitazionali non hanno portato alcun risultato. Il significativo ammodernamento effettuato (LIGO avanzato) ha aumentato di oltre cinque volte la sensibilità dell'apparecchiatura nell'intervallo 300-500 Hz e nella regione delle basse frequenze (fino a 60 Hz) di quasi un ordine di grandezza, raggiungendo un valore così ambito di 10-21. Il progetto aggiornato è iniziato a settembre 2015 e gli sforzi di oltre mille collaboratori sono stati premiati con risultati.
Onde gravitazionali rilevate
Il 14 settembre 2015, rivelatori LIGO avanzati con un intervallo di 7 ms hanno registrato onde gravitazionali che hanno raggiunto il nostro pianeta dal più grande fenomeno verificatosi alla periferia dell'Universo osservabile: la fusione di due grandi buchi neri con masse 29 e 36 volte la massa del Sole. Durante il processo, che ha avuto luogo più di 1,3 miliardi di anni fa, circa tre masse solari di materia sono state spese per la radiazione delle onde gravitazionali in una frazione di secondo. La frequenza iniziale delle onde gravitazionali è stata registrata come 35 Hz e il valore di picco massimo ha raggiunto 250 Hz.
I risultati ottenuti sono stati ripetutamente sottoposti a verifica ed elaborazione complete, interpretazioni alternative dei dati ottenuti sono state accuratamente tagliate. Infine, l'11 febbraio dello scorso anno, è stata annunciata alla comunità mondiale la registrazione diretta del fenomeno previsto da Einstein.
Fatto che illustra il lavoro titanico dei ricercatori: l'ampiezza delle fluttuazioni nelle dimensioni dei bracci dell'interferometro era di 10-19m - questo valore è molto più piccolo del diametro di un atomo perché è più piccolo di un'arancia.
Ulteriori prospettive
La scoperta conferma ancora una volta che la Teoria della Relatività Generale non è solo un insieme di formule astratte, ma uno sguardo fondamentalmente nuovo all'essenza delle onde gravitazionali e della gravità in generale.
In ulteriori ricerche, gli scienziati nutrono grandi speranze per il progetto ELSA: la creazione di un gigantesco interferometro orbitale con bracci di circa 5 milioni di km, in grado di rilevare anche piccole perturbazioni dei campi gravitazionali. L'intensificarsi del lavoro in questa direzione può dire molto sulle fasi principali dello sviluppo dell'Universo, su processi difficili o impossibili da osservare nelle fasce tradizionali. Non c'è dubbio che i buchi neri, le cui onde gravitazionali saranno fissate in futuro, diranno molto sulla loro natura.
Per studiare la radiazione gravitazionale reliquia, che può raccontare i primi momenti del nostro mondo dopo il Big Bang, saranno necessari strumenti spaziali più sensibili. Un tale progetto esiste (Big Bang Observer), ma la sua attuazione, secondo gli esperti, è possibile non prima di 30-40 anni.
