Il 14 settembre 2015 i due interferometri gemelli del progetto Ligo (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) registrarono un segnale originato dalla fusione di due buchi neri, di approssimativamente 29 e 36 masse solari, a più di un miliardo di anni luce dal nostro pianeta. Lo scorso 11 febbraio, grazie alla collaborazione di Ligo con la sua controparte italiana Virgo guidata dall’Istituto nazionale di fisica nucleare (Infn), è stato pubblicato un articolo dal titolo inequivocabile, ‘Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger’: l’ultimo istante di una coppia di buchi neri, unitisi quando sulla Terra comparivano i primi esseri pluricellulari, ha confermato la teoria di Einstein sulle onde gravitazionali.

IL SEGNALE – E’ possibile rilevare un’onda gravitazionale che arriva sulla terra e tramite essa studiare l’origine dei fenomeni cosmici piu violenti? E’ questa la domanda che si ponevano gli scienziati prima del recente successo, come ammette il dr. Sebastiano Bernuzzi, ricercatore del Dipartimento di fisica dell’Università di Parma supportato dal programma di eccellenza Rita Levi Montalcini, membro di Infm e collaboratore di Ligo. Il suo campo di studi riguarda la relatività numerica, o più praticamente “simulazioni al computer, simulazioni delle equazioni di Einstein, risolvendole per oggetti come buchi neri, stelle di neutroni, supernove.” Nel vasto campo dell’astronomia questi modelli sono fondamentali, considerando che molti fenomeni sono rari o molto distanti, lontani in ogni caso da uno sguardo diretto. “Perché lo faccio? Queste misure, quelle effettuate dal progetto Ligo, sono di assoluta precisione, ma per estrarne informazioni bisogna sapere in anticipo cosa si sta cercando.”  Tombola: il segnale misurato nel 2015 coincideva con quello simulato durante la fusione di due buchi neri.

L’AGO NEL PAGLIAIO – Misurare un’onda gravitazionale ha messo gli scienziati davanti a un problema non indifferente. Mettiamo che si voglia valutare la distanza tra due bandierine, basterà prendere un metro come riferimento e misurare lo spazio tra esse, semplicemente. Purtroppo però le onde gravitazionali non si limitano a modificare la distanza tra due oggetti al loro passaggio, cambiano anche la lunghezza del metro, rendendo inutile ogni tentativo di misurazione. Da qui la necessità di usare la luce, la cui velocità è sempre costante. Se utilizzassimo quindi un raggio laser per valutare lo spazio tra due bandierine, un cambiamento nella loro distanza equivarrebbe ad una variazione del tempo in cui la luce raggiunge gli oggetti. Questo è il principio dietro a Ligo, i cui bracci perpendicolari lunghi 4 chilometri sono attraversati da un laser. Quando l’onda attraversa la struttura la distanza di un braccio si allunga e l’altra si accorcia, con questa tecnica interferometrica il tempo di viaggio della luce viene misurato in pratica utilizzando un’onda elettromagnetica per misurarne una gravitazionale. Lascia di stucco la sensibilità che questo strumento è riuscito a raggiungere: la variazione di una parte su 10²¹ che più o meno equivale a identificare un segnale che ha provocato, su una lunghezza di 4 chilometri, una modifica di un millesimo di un nucleo atomico. Come se ci si accorgesse di aver aggiunto un litro di acqua diluita negli oceani terrestri.

LE ONDE GRAVITAZIONALI – Ma in cosa consiste questo segnale? La famosa analogia tra spazio-tempo e telo è abbastanza evocativa: la materia deforma lo spazio-tempo come una palla appoggiata sulla stoffa tesa. Masse enormi intensamente accelerate perturbano lo spazio-tempo e un po’ di energia viene trasportata via sotto forma di onde gravitazionali, più o meno come un sasso che cade in uno stagno, creando increspature nell’acqua che si propagano lontano. “Ci sarà una differenza di massa tra oggetto finale e gli oggetti iniziali – aggiunge il dr. Bernuzzi -: quando i due buchi neri si sono fusi hanno dato vita ad un mostro da 62 masse solari e un’energia pari a 3 masse solari se n’è andata in onde gravitazionali”. Queste onde si muovono alla velocità della luce, hanno una bassa interazione con la materia ma soprattutto devono essere generate da corpi molto compatti “affinche’ abbiano intensita’ apprezzabile”, ed è per questo che fin’ora sono state così elusive.

CON LA RELATIVITÁ NON SI MANGIA! – Per la prima volta nella storia delle osservazioni spaziali l’uomo ha a disposizione un nuovo senso per esplorare l’universo: fino ad oggi abbiamo acquisito informazioni guardando lo spettro elettromagnetico del cosmo, “adesso iniziamo a sentire, acquisendo informazioni sul movimento delle masse.”
E nella vita di tutti i giorni? “C’e’ sicuramente una ricaduta tecnologica immediata legata allo sviluppo della strumentazione, dei modelli teorici e delle tecniche di analisi dati. Altre implicazioni di questa scoperta non sono del tutto evidenti, ma non  bisogna mai sottovalutare l’importanza della ricerca di base.”
Il Gps ne è la prova, considerando che senza una conoscenza accurata della teoria della relatività ristretta e della teoria della relatività generale i nostri smartphones non funzionerebbero. La prima ci obbliga a prendere atto che i satelliti si muovono rispetto a chi riceve il segnale, quindi il loro orologio andrà più piano; dalla relatività generale invece si è giunti a capire che i campi gravitazionali cambiano sia la velocità degli orologi, sia la propagazione dei segnali via satellite.
Insomma, le teorie fisiche piu incredibili possono nel tempo avere risolvi pratici inimmaginabili. Le onde gravitazionali hanno dimostrato che i buchi neri esistono. E se esistono potremo  forse un giorno, come in Interstellar, sperimentare anche i viaggi nel tempo?

di Matteo Buonanno Seves