Fotografia ariale di LIGO. Clicca per ingrandire.
In passato, gli astronomi potevano vedere il cielo solo in luce visibile, usando i loro occhi come recettori. E se avessi gli occhi gravitazionali? Einstein predisse che gli oggetti e gli eventi più estremi dell'Universo avrebbero dovuto generare onde gravitazionali e distorcere lo spazio circostante. Un nuovo esperimento chiamato Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory (o LIGO) potrebbe effettuare il primo rilevamento di queste onde gravitazionali.
Ascolta l'intervista: Seeing with Gravity Eyes (7.9 MB)
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Fraser Cain: Va bene, quindi cos'è un'onda di gravità?
Dr. Sam Waldman: Quindi un'onda di gravità può essere spiegata se ricordi che la massa distorce lo spazio-tempo. Quindi, se ricordi l'analogia di un lenzuolo tirato con una palla da bowling lanciata al centro del lenzuolo, piegando il lenzuolo; dove la palla da bowling è una massa e il foglio rappresenta lo spaziotempo. Se muovi la palla da bowling avanti e indietro molto rapidamente, creerai increspature nel lenzuolo. La stessa cosa vale per le masse nel nostro universo. Se muovi una stella avanti e indietro molto rapidamente, farai increspature nello spazio-tempo. E quelle increspature nello spazio-tempo sono osservabili. Li chiamiamo onde gravitazionali.
Fraser: Ora se sto camminando per la stanza, questo causerà onde gravitazionali?
Dr. Waldman: Beh, lo farà. Per quanto ne sappiamo, la gravità funziona a tutte le scale e per tutte le masse, ma lo spaziotempo è molto rigido. Quindi qualcosa come il mio 200 chili che si muove da solo nel mio ufficio non causerà onde di gravità. Ciò che serve sono oggetti estremamente massicci che si muovono molto rapidamente. Quindi, quando cerchiamo di rilevare le onde di gravità, stiamo cercando oggetti in scala di massa solare. In particolare, cerchiamo le stelle di neutroni, che sono tra 1,5 e 3 masse solari. Cerchiamo buchi neri, fino a diverse centinaia di masse solari. E cerchiamo che questi oggetti si muovano molto rapidamente. Quindi quando parliamo di una stella di neutroni, stiamo parlando di una stella di neutroni che si muove quasi alla velocità della luce. In effetti, deve vibrare alla velocità della luce, non può semplicemente muoversi, deve tremare avanti e indietro molto rapidamente. Quindi, sono sistemi cataclismici davvero unici e molto grandi che stiamo cercando.
Fraser: Le onde gravitazionali sono puramente teoriche, giusto? Sono stati previsti da Einstein, ma non sono ancora stati visti?
Dr. Waldman: Non sono stati osservati, sono stati inferiti. Esiste un sistema pulsar la cui frequenza sta diminuendo ad una velocità coerente con l'emissione delle onde di gravità. È PSR 1913 + 16. E che l'orbita di questa stella sta cambiando. Questa è un'inferenza, ma ovviamente non è un'osservazione diretta delle onde di gravità. Tuttavia, è abbastanza chiaro che devono esistere. Se esistono le leggi di Einstein, se la Relatività Generale funziona e funziona molto bene su moltissime scale di lunghezza, esistono anche le onde di gravità. Sono molto difficili da vedere.
Fraser: Cosa ci vorrà per poterli rilevare? Sembra che siano eventi molto catastrofici. Grandi buchi neri e stelle di neutroni che si muovono, perché sono così difficili da trovare?
Dr. Waldman: ci sono due componenti. Una cosa è che i buchi neri non si scontrano continuamente, e le stelle di neutroni non si agitano in nessun altro posto. Quindi il numero di eventi che possono causare onde gravitazionali osservabili è in realtà molto piccolo. Ora parliamo, ad esempio, della galassia della Via Lattea con un evento che si verifica ogni 30-50 anni.
Ma l'altra parte di tale equazione è che le onde di gravità stesse sono molto piccole. Quindi introducono quella che chiamiamo tensione; è una modifica della lunghezza per unità di lunghezza. Ad esempio, se ho un metro lungo un metro e un'onda di gravità schiaccia quel metro mentre passa. Ma il livello che schiaccerà il metro è estremamente piccolo. Se ho un metro di metro di 1, indurrà solo un cambiamento di 10e-21 metri. Quindi è un cambiamento molto piccolo. Ovviamente, osservare 10e-21 metri è dove la grande sfida consiste nell'osservare un'onda di gravità.
Fraser: Se stessi misurando la lunghezza di un metro con un altro metro, la lunghezza di quell'altro metro cambierebbe. Vedo che è difficile da fare.
Dr. Waldman: Esatto, quindi hai un problema. Il modo in cui risolviamo il problema di metro è che in realtà abbiamo 2 parametri e li formiamo in una L. E il modo in cui li misuriamo è usare un laser. E il modo in cui abbiamo organizzato il nostro metro è in realtà in una "L" lunga 4 km. Ci sono 2 braccia, ognuna lunga 4 km. E alla fine di ogni braccio c'è una massa di prova al quarzo da 4 kg da cui rimbalziamo i laser. E quando un'onda gravitazionale attraversa questo rivelatore a "L", allunga una gamba mentre restringe l'altra gamba. E lo fa a dire 100 hertz, all'interno delle frequenze audio. Quindi se ascolti il movimento di queste masse, senti un ronzio a 100 hertz. E quindi ciò che misuriamo con i nostri laser è la lunghezza del braccio differenziale di questo grande interferometro a "L". Ecco perché è LIGO. È l'Osservatorio sulle onde gravitazionali dell'interferometro laser.
Fraser: Vediamo se lo capisco correttamente. Miliardi di anni fa un buco nero si scontra con un altro e genera un sacco di onde gravitazionali. Queste onde gravitazionali attraversano l'Universo e attraversano la Terra. Mentre passano oltre la Terra, stanno allungando una di queste braccia e stanno restringendo l'altra, e puoi rilevare questo cambiamento da quel laser che rimbalza avanti e indietro.
Dr. Waldman: Esatto. La sfida, ovviamente, è che quel cambio di lunghezza è estremamente piccolo. Nel caso dei nostri interferometri da 4 km, la variazione di lunghezza che misuriamo in questo momento è di 10e-19 metri. E per mettere una scala su questo, il diametro di un nucleo atomico è solo 10e-15 metri. Quindi la nostra sensibilità è subatomica.
Fraser: E quindi quali tipi di eventi dovresti essere in grado di rilevare a questo punto?
Dr. Waldman: Quindi in realtà è un'area affascinante. L'analogia che ci piace usare è come se guardare l'Universo con le onde radio fosse guardare l'Universo con i telescopi. Le cose che vedi sono totalmente diverse. Sei sensibile a un regime dell'Universo totalmente diverso. In particolare, LIGO è sensibile a questi eventi catastrofici. Classifichiamo i nostri eventi in 4 grandi categorie. Il primo che chiamiamo scoppi, ed è qualcosa di simile alla formazione di un buco nero. Quindi si verifica un'esplosione di supernova e così tanta materia si muove così rapidamente da formare buchi neri, ma non sai come siano le onde di gravità. Tutto quello che sai è che ci sono onde di gravità. Quindi queste sono cose che accadono molto rapidamente. Durano al massimo per 100 millisecondi e derivano dalla formazione di buchi neri.
Un altro evento a cui guardiamo è quando due oggetti sono in orbita l'uno con l'altro, per esempio due stelle di neutroni in orbita l'una attorno all'altra. Alla fine il diametro di quell'orbita decade. Le stelle di neutroni si uniranno, cadranno l'una nell'altra e formeranno un buco nero. E per le ultime orbite, quelle stelle di neutroni (tieni presente che sono oggetti che pesano da 1,5 a 3 masse solari), si muovono a grandi frazioni della velocità della luce; diciamo 10%, 20% della velocità della luce. E quel movimento è un generatore molto efficiente di onde gravitazionali. Questo è quello che usiamo come la nostra candela standard. Questo è ciò che pensiamo di sapere che esiste; sappiamo che sono là fuori, ma non siamo sicuri di quanti di loro si spengono in qualsiasi momento. Non siamo sicuri dell'aspetto di una stella di neutroni nella spirale nelle onde radio o nei raggi X nelle radiazioni ottiche. Quindi è un po 'difficile calcolare esattamente la frequenza con cui vedrai una spirale o una supernova.
Fraser: Ora sarai in grado di rilevare la loro direzione?
Dr. Waldman: Abbiamo due interferometri. In effetti abbiamo due siti e tre interferometri. Un interferometro è a Livingston, in Louisiana, a nord di New Orleans. E l'altro nostro interferometro è nello stato di Washington orientale. Poiché abbiamo due interferometri, possiamo fare la triangolazione nel cielo. Ma c'è ancora qualche incertezza su dove si trovi esattamente la fonte. Esistono altre collaborazioni al mondo con cui collaboriamo da vicino in Germania, Italia e Giappone, e hanno anche dei rilevatori. Quindi, se più rilevatori in più siti vedono un'onda di gravità, allora possiamo fare un ottimo lavoro nella localizzazione. La speranza è che vediamo un'onda di gravità e sappiamo da dove viene. Quindi diciamo ai nostri colleghi radioastronomi e ai nostri colleghi astronomi a raggi X, e ai nostri colleghi astronomi ottici di andare a guardare quella porzione di cielo.
Fraser: all'orizzonte ci sono alcuni nuovi grandi telescopi; incredibilmente grande e giganticamente grande, e Magellano ... i grandi telescopi che scendono dal tubo con budget abbastanza grandi da spendere. Diciamo che puoi trovare in modo affidabile le onde di gravità, è quasi come se aggiungesse un nuovo spettro alla nostra rilevazione. Se grandi budget venissero messi in alcuni di questi rivelatori di onde gravitazionali, cosa pensi che potrebbero essere usati?
Dr. Waldman: Beh, come ho detto prima, è come la rivoluzione in astronomia quando i radiotelescopi sono arrivati online per la prima volta. Stiamo osservando una classe di fenomeni sostanzialmente diversa. Devo dire che il laboratorio LIGO è un laboratorio abbastanza grande. Siamo oltre 150 scienziati che lavorano, quindi è una grande collaborazione. E speriamo di collaborare con tutti gli astronomi ottici e radio mentre andiamo avanti. Ma è un po 'difficile prevedere quale percorso prenderà la scienza. Penso che se parli con molti relativisti generali, la caratteristica più eccitante delle onde di gravità è che stiamo facendo qualcosa chiamato Relatività generale del campo forte. Questa è tutta la relatività generale che puoi misurare osservando le stelle e le galassie è molto debole. Non c'è molta massa coinvolta, non si muove molto velocemente. È a distanze molto grandi. Considerando che quando parliamo della collisione di un buco nero e di una stella di neutroni, quell'ultima parte, quando la stella di neutroni cade nel buco nero, è estremamente violenta e indaga un regno di relatività generale che non è proprio accessibile con normali telescopi, con radio, con radiografia. Quindi la speranza è che ci sia della fisica fondamentalmente nuova ed eccitante lì. Penso che ciò che ci motiva principalmente sia, si potrebbe chiamare, divertente con la relatività generale.
Fraser: E quando speri di avere il tuo primo rilevamento.
Dr. Waldman: Quindi gli interferometri LIGO - tutti e tre gli interferometri - che LIGO opera funzionano tutti con sensibilità progettuali, e attualmente siamo nel mezzo della nostra corsa S5; la nostra quinta corsa scientifica, che dura da un anno. Tutto ciò che facciamo per un anno è cercare le onde di gravità. Come per molte cose in astronomia, la maggior parte è aspettare e vedere. Se una supernova non esplode, ovviamente non la vedremo. E quindi dobbiamo essere online il più a lungo possibile. Si ritiene che la probabilità di osservare un evento, come un evento di supernova, sia nella regione di - alla nostra attuale sensibilità - si pensa che ne vedremo uno ogni 10-20 anni. C'è una vasta gamma. In letteratura, ci sono persone che affermano che vedremo multipli all'anno, e poi ci sono persone che affermano che non vedremo mai la nostra sensibilità. E la via di mezzo conservatrice è una volta ogni 10 anni. D'altro canto, aggiorneremo i nostri rilevatori non appena questa corsa sarà terminata. E stiamo migliorando la sensibilità di un fattore 2, il che aumenterebbe il nostro tasso di rilevamento di un fattore 2 al cubo. Perché la sensibilità è un raggio e stiamo sondando un volume nello spazio. Con quel fattore di 8-10 nel tasso di rilevamento, dovremmo vedere un evento una volta all'anno. E poi, stiamo passando a quello che viene chiamato Advanced LIGO, che è un fattore di miglioramento della sensibilità 10. Nel qual caso vedremo quasi sicuramente le onde di gravità una volta al giorno o giù di lì; ogni 2-3 giorni. Quello strumento è progettato per essere uno strumento molto reale. Vogliamo fare l'astronomia per gravità; per vedere eventi ogni pochi giorni. Sarà come lanciare il satellite Swift. Non appena Swift è salito, abbiamo iniziato a vedere esplosioni di raggi gamma in ogni momento e Advanced LIGO sarà simile.
