Onda gravitazionale
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Le onde gravitazionali sono onde dovute alla presenza di un campo gravitazionale. La loro esistenza è prevista a livello teorico dalla relatività generale di Einstein.
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[modifica] Formazione e propagazione
Il meccanismo secondo il quale vengono a formarsi le onde gravitazionali in un punto dello spazio è dovuto a ciò che viene definito ritardo temporale: due masse esercitano tra di loro una forza attrattiva inversamente proporzionale al quadrato della loro distanza: questa forza, come tutto ciò che agisce nello spazio, non può propagarsi con velocità maggiore di quella della luce. L’onda gravitazionale è proprio il meccanismo attraverso cui il campo gravitazionale si propaga nello spazio.
Un campo gravitazionale si propaga nello spazio in senso radiale, mentre le distorsioni che esso provoca localmente sono perpendicolari alla sua direzione di propagazione. A partire dagli inizi del novecento sono state formulate diverse teorie per determinare la meccanica di queste distorsioni. La teoria della gravitazione di Einstein era di tipo tensoriale: essa prevedeva onde a carattere quadrupolare, e richiedeva, per descrivere il campo gravitazionale in un punto dello spazio, un insieme di dieci valori, chiamati potenziali gravitazionali. La teoria scalare, invece, richiedeva un solo valore per ogni punto dello spazio, indipendente dal sistema di riferimento dell’osservatore. Altre teorie prevedevano delle modifiche alla teoria di Einstein, con una mescolanza di forze scalari e tensoriali.
A tutt’oggi il modello teorico più accreditato è quello sviluppato da Einstein, a struttura strettamente tensoriale. In base a questo modello si pensa che la quantità di radiazione gravitazionale emessa da un corpo dipenda dal grado di disomogeneità nella distribuzione della sua massa (in termini di deviazione del corpo dalla simmetria sferica); la grandezza fisica che misura questa disomogeneità è il momento di quadrupolo. Quando il momento di quadrupolo di un corpo di grande massa subisce variazioni molto rapide viene emesso un gran numero di onde gravitazionali, di intensità e quantità proporzionali alla velocità delle variazioni. La cosa più importante è che la sorgente deve muoversi con rapidità in modo tale da accentuare la sua componente non sferica; per esempio, una stella ovale che ruoti intorno all’asse maggiore non produce onde gravitazionali, ma se ruota intorno all’asse minore diventa un’intensa emittente.
[modifica] Sorgenti di onde gravitazionali
Fin dagli anni cinquanta sono stati effettuati vari esperimenti allo scopo di rilevare le onde gravitazionali. In passato i nuovi tipi di radiazione venivano studiati producendoli in laboratorio; tale metodo non è utile nello studio delle onde gravitazionali, in quanto l’emissione di questo tipo di onde, da parte di masse da laboratorio, è estremamente debole e statisticamente improbabile: di conseguenza la strategia migliore è quella di cercare la radiazione emessa da masse grandissime, dell’ordine di quelle delle stelle o delle galassie.
Si conoscono molte possibili sorgenti di onde gravitazionali, tra le quali sistemi binari di stelle, pulsar, esplosioni di supernovae, buchi neri in vibrazione e galassie in formazione; per ognuna di queste fonti il tipo di segnale emesso dovrebbe possedere un “timbro” caratteristico che individui univocamente il tipo di fonte e la causa dell’emissione.
Un sistema stellare binario, formato cioè da due stelle che orbitano intorno ad un comune centro di massa, dovrebbe produrre onde gravitazionali continue; il periodo fondamentale di queste onde sarebbe pari a metà del periodo dell’orbita delle due stelle. L’emissione gravitazionale più intensa dovrebbe avere un’intensità pari ad h = 10 − 20; la larghezza di banda del ricevitore dovrebbe essere di circa 1500 hertz. Quando un sistema binario muore, le stelle che lo compongono cadono rapidamente verso il centro seguendo una traiettoria a spirale, fino a che collidono o si disintegrano, emettendo onde gravitazionali. Nel caso che il sistema sia formato da due stelle di neutroni, entrambi gli eventi (collisione o disintegrazione) dovrebbero produrre un impulso di onde gravitazionali molto più intenso, a causa del maggiore quantitativo di massa presente nel sistema.
Anche la nascita di una stella di neutroni, dall’esplosione di una supernova, dovrebbe essere annunciata dalla trasformazione di circa lo 0,1% della massa iniziale in onde gravitazionali. Il “timbro” di queste onde dovrebbe essere di tipo pulsato. Il rilevamento di onde gravitazionali provenienti da una supernova permetterebbe di confermare la previsione di Einstein riguardo la loro velocità: se le onde gravitazionali e quelle luminose venissero rilevate simultaneamente, avremmo una conferma diretta che le onde gravitazionali si propagano alla velocità della luce. Un ulteriore vantaggio nello studio del collasso stellare proviene dal fatto che la radiazione elettromagnetica durante il collasso viene bloccata dagli strati esterni della stella, che nascondono alla vista le fasi più violente dell’esplosione; le onde gravitazionali, che interagiscono così debolmente con la materia da poter attraversare senza attenuazioni l’atmosfera di una stella, potrebbero invece svelare i dettagli più fini del collasso. Il numero di esplosioni di supernova che ci attendiamo nella nostra galassia è circa una ogni 30 anni, con h = 10 − 18, mentre nell’ammasso della Vergine, che conta circa 1000 galassie, ci attendiamo un’esplosione alla settimana, con h = 10 − 21.
Una stella di neutroni giunta alla maturità può essere anch’essa una sorgente di onde gravitazionali se la sua massa non è disposta simmetricamente rispetto al suo asse di rotazione. In questo caso, come per i sistemi binari, le onde sono continue; il loro periodo fondamentale è uguale al periodo di rotazione della stella. Le informazioni ricevute darebbero informazioni sulla struttura interna di queste sorgenti, ancora non completamente conosciuta. La banda richiesta al ricevitore andrebbe da 1 a circa 1000 hertz.
Un’altra possibile fonte di onde gravitazionali è il big bang: le osservazioni più importanti sull’universo primordiale ci vengono dall’osservazione del fondo cosmico di microonde, il resto della radiazione termica che pervadeva l’universo ai suoi inizi. Il rilevamento di un fondo (rumore) cosmico di onde gravitazionali svelerebbe nuovi aspetti del big bang.
Le onde gravitazionali prodotte nelle situazioni descritte avrebbero comunque un impatto estremamente debole ed effimero quando investono la Terra. Nel migliore dei casi, le masse dei rivelatori verrebbero appena sollecitate, con uno spostamento nelle loro posizioni di appena 10 − 21 metri (un milionesimo del diametro di un protone) per ogni metro di separazione; per questo motivo molti scienziati sono tuttora scettici riguardo la possibilità di rilevare onde gravitazionali nei prossimi decenni.
[modifica] Voci correlate
- LIGO Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory
- Virgo (interferometro)
- LISA Pathfinder
[modifica] Voci correlate
- Sull'esperimento Virgo, destinato alla rivelazione delle onde gravitazionali
- Il rilevatore di onde gravitazionali di OMIRP basato su fotoresistori al solfuro di cadmio, in funzione dal 1994
