Come parte della sua teoria generale della relatività, Einstein predisse che la massa dovesse emettere onde di gravità. Dovrebbe essere in grado di rilevare le onde di gravità più potenti mentre attraversano la Terra. E un osservatorio spaziale previsto per il lancio nel 2015 chiamato LISA dovrebbe essere ancora più forte.
Gli scienziati sono vicini a vedere effettivamente le onde gravitazionali. Credito d'immagine: NASA
La gravità è una forza familiare. È il motivo della paura delle altezze. Tiene la luna sulla Terra, la Terra sul sole. Impedisce alla birra di fluire dai nostri bicchieri.
Ma come? La Terra sta inviando messaggi segreti alla luna?
Bene, sì - una specie di.
Eanna Flanagan, professore associato di fisica e astronomia di Cornell, ha dedicato la sua vita alla comprensione della gravità da quando era uno studente all'University College di Dublino, nella sua nativa Irlanda. Ora, quasi due decenni dopo aver lasciato l'Irlanda per studiare per il suo dottorato sotto il famoso relativista Kip Thorne al California Institute of Technology, il suo lavoro si concentra sulla previsione delle dimensioni e della forma delle onde gravitazionali - un fenomeno sfuggente previsto dalla Teoria della Relatività Generale del 1916 di Einstein ma che non sono mai stati rilevati direttamente.
Nel 1974, gli astronomi della Princeton University Russell Hulse e Joseph H. Taylor Jr. misero indirettamente l'influenza delle onde gravitazionali sulle stelle di neutroni che orbitavano, una scoperta che gli valse il Premio Nobel per la fisica nel 1993. Grazie al recente lavoro di Flanagan e dei suoi colleghi, gli scienziati sono ora sul punto di vedere direttamente le prime onde gravitazionali.
Il suono non può esistere nel vuoto. Richiede un mezzo, come aria o acqua, attraverso il quale trasmettere il suo messaggio. Allo stesso modo, la gravità non può esistere nel nulla. Anche questo ha bisogno di un mezzo attraverso il quale trasmettere il suo messaggio. Einstein teorizzò che quel mezzo è spazio e tempo, o "tessuto dello spaziotempo".
I cambiamenti di pressione - un tonfo su un tamburo, una corda vocale vibrante - producono onde sonore, increspature nell'aria. Secondo la teoria di Einstein, i cambiamenti di massa - la collisione di due stelle, l'atterraggio della polvere su uno scaffale - producono onde di gravità, increspature nello spazio-tempo.
Poiché la maggior parte degli oggetti di uso quotidiano ha massa, le onde di gravità dovrebbero essere intorno a noi. Quindi perché non ne troviamo?
"Le onde di gravità più forti causeranno disturbi misurabili sulla Terra 1.000 volte più piccoli di un nucleo atomico", ha spiegato Flanagan. "Rilevarli è un'enorme sfida tecnica."
La risposta a questa sfida è LIGO, il Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, un esperimento colossale che ha coinvolto una collaborazione di oltre 300 scienziati.
LIGO è costituito da due installazioni distanti circa 2000 miglia di distanza: una a Hanford, nello stato di Washington, e una a Livingston, La. Ogni struttura ha la forma di una gigantesca "L", con due bracci lunghi 2,5 miglia fatti di un diametro di 4 piedi tubi del vuoto incassati nel cemento. I raggi laser ultra-stabili attraversano i tubi, rimbalzando tra gli specchietti all'estremità di ciascun braccio. Gli scienziati si aspettano che un'onda di gravità che passa allunga un braccio e stringe l'altro, facendo percorrere i due laser a distanze leggermente diverse.
La differenza può quindi essere misurata "interferendo" con i laser in cui le braccia si intersecano. È paragonabile a due auto che sfrecciano perpendicolarmente verso un incrocio. Se viaggiano alla stessa velocità e distanza, si schiantano sempre. Ma se le distanze sono diverse, potrebbero mancare. Flanagan e i suoi colleghi sperano in una signorina.
Inoltre, esattamente quanto i laser colpiscono o mancano fornirà informazioni sulle caratteristiche e l'origine dell'onda gravitazionale. Il ruolo di Flanagan è prevedere queste caratteristiche in modo che i suoi colleghi di LIGO sappiano cosa cercare.
A causa dei limiti tecnologici, LIGO è in grado di rilevare solo le onde gravitazionali di determinate frequenze da potenti fonti, comprese le esplosioni di supernova nella Via Lattea e le stelle di neutroni che ruotano o coesistono rapidamente nella Via Lattea o in galassie distanti.
Per espandere potenziali fonti, la NASA e l'Agenzia spaziale europea stanno già pianificando il successore di LIGO, LISA, l'antenna spaziale per interferenze laser. LISA è simile nel concetto a LIGO, tranne per il fatto che i laser rimbalzeranno tra tre satelliti a 3 milioni di miglia di distanza trascinando la Terra in orbita attorno al sole. Di conseguenza, LISA sarà in grado di rilevare onde a frequenze inferiori rispetto a LIGO, come quelle prodotte dalla collisione di una stella di neutroni con un buco nero o dalla collisione di due buchi neri. Il lancio di LISA è previsto per il 2015.
Flanagan e collaboratori del Massachusetts Institute of Technology hanno recentemente decifrato la firma dell'onda gravitazionale che risulta quando un buco nero supermassiccio ingoia una stella di neutroni delle dimensioni di un sole. È una firma che sarà importante riconoscere per LISA.
"Quando la LISA vola dovremmo vedere centinaia di queste cose", ha osservato Flanagan. “Saremo in grado di misurare come lo spazio e il tempo sono deformati e come lo spazio dovrebbe essere attorcigliato da un buco nero. Vediamo radiazioni elettromagnetiche e pensiamo che sia probabilmente un buco nero, ma questo è quanto più lontano abbiamo. Sarà molto eccitante vedere finalmente che la relatività funziona davvero ”.
Ma, ha avvertito, “Potrebbe non funzionare. Gli astronomi osservano che l'espansione dell'universo sta accelerando. Una spiegazione è che la relatività generale deve essere modificata: Einstein aveva principalmente ragione, ma in alcuni regimi le cose potevano funzionare in modo diverso. "
Thomas Oberst è un tirocinante scientifico presso il Cornell News Service.
Fonte originale: Cornell University
