Sembra ieri, ma è già passato un anno da quando gli scienziati di LIGO hanno annunciato di aver trovato le sfuggenti onde gravitazionali, che stirano e comprimono lo spazio (anche se di poco) al loro passaggio.

Ma cosa vuol dire “stirano e comprimono lo spazio”? e come si misura una roba del genere? Per rispondere a queste importantissime, difficilissime domande, mi serve un po’ di pucciosità.

Che vuol dire stirare e comprimere lo spazio?

Ho avuto problemi anche io con questa domanda. Farò il possibile, e se sbaglio mi corrigerete.

Prendiamo un universo adorabile, in cui tutto lo spazio è la foto di questo cagnolino:

credit: Torsten Dettlaff/pexels.com

Che caruccio. Se comprimiamo lo spazio in una direzione, accorciamo tutte le distanze in quella direzione, schiacciamo letteralmente tutti i punti uno contro l’altro. Così:

Qui è importante notare che abbiamo compresso le distanze, ma non abbiamo tagliato via nulla. Il cagnolino è ancora tutto lì, solo che le sue orecchie sono un po’ più vicine. Tutto l’universo con cui eravamo partiti è ancora lì.

Le onde gravitazionali comprimono pezzetti di spazio e ne stirano altri. Un po’ come fare così¹:

In pratica, stirare una porzione di spazio significa allontanare tutto in quello spazio da tutto il resto, proporzionalmente.

Inutile a dirsi, lo spazio-tempo è più complesso dei cagnolini, ma l’idea è più o meno quella.

Come si misura una modifica dello spazio stesso?

Se tutte le lunghezze cambiano allo stesso modo, non si può usare un righello per misurare un cambio dello spazio, perché cambia anche lui allo stesso modo. Per spiegare come si fa mi potrebbe servire un pochino di matematica. Prometto che non farà male e ci saranno i cagnolini.

Diciamo di avere due cagnolini perfettamente identici², Brian e Stella.

credit: Chiemsee2016/pixabay

Lanciamo a ciascuno una pallina da riportare, che atterra a 50m da noi. Questi cuccioli corrono costantemente a 10 metri al secondo (cagnolini veloci…), perciò ognuno ci mette 10 secondi a riportare la propria pallina: 5 per raggiungerla, altri 5 per tornare indietro.

Come respirano Stella e Brian mentre corrono per riportare la pallina. Siccome fanno percorsi lunghi uguali e partono uguali, tornano perfettamente sincronizzati.

Questi sono cagnolini speciali, che respirano molto regolarmente una volta ogni due secondi (un secondo di aria in dentro, un secondo in fuori). Perciò, se entrambi partono mentre stanno inspirando, nel tempo che ci mettono a riportare la pallina, ognuno avrà respirato esattamente 5 volte (una ogni due secondi), ed entrambi arrivano che stanno espirando.

Bravi cani!

Ok, ora lanciamo di nuovo una pallina. Però arriva un’onda gravitazionale incredibilmente intensa, che stira il percorso di Brian a 100m e comprime quello di Stella a 25m. Se partono di nuovo esattamente nello stesso istante, inspirando e correndo alla stessa velocità, non torneranno più assieme. Stella torna per prima, dopo 5 secondi (metà del tempo di prima, perché ha metà del percorso), ed arriva inspirando, mentre Brian torna dopo 20 secondi e sta espirando.

Come cambiano le cose se un’onda gravitazionale stira il percorso di Brian e accorcia quello di Stella. Lei ha meno distanza da percorrere e respira meno volte, perciò tornano indietro sfasati.

Ed è così che capiamo che lo spazio è cambiato. Dal fatto che i due cagnolini identici tornano indietro diversamente capiamo che i percorsi sono cambiati.

I veri cani, ovviamente, non respirano così regolarmente e non cambiano velocità istantaneamente. Neanche quelli super-addestrati. Ma sapete cosa si comporta esattamente così? La luce. La luce viaggia sempre esattamente alla stessa velocità, ed ogni “colore” ha una frequenza costante (“respira” regolarmente nel tempo).

LIGO funziona mandando serie di “cagnolini laser” perfettamente identici avanti e indietro lungo due percorsi perfettamente identici, e misurando qualsiasi microscopica differenza nel loro respiro (la fase delle onde luminose) al loro ritorno.

Bonus (senza cagnolini): il laser di LIGO non dovrebbe subire un redshift o blueshift?

Sì, dovrebbe proprio. Come lo stiramento dello spazio tra noi e galassie sposta la luce che ci arriva da loro verso il rosso, così il passaggio delle onde gravitazionali dovrebbe cambiare la lunghezza d’onda del laser di LIGO.

Però, nonostante gli sforzi degli scienziati, i laser di LIGO hanno lunghezze d’onda entro un certo intervallo. È un intervallo strettissimo—tipo tra 1063.99999999999999999nm e 1064.00000000000000001nm—ma comunque le onde gravitazionali le cambiano di 10 volte meno, quindi è impossibile vedere l’effetto.

In più, l’effetto che hanno sul tempo che serve alla luce per attraversare il percorso è mooooolto più grande e “facile” da misurare.

Un enorme grazie alla mia amica Leila che mi ha pazientemente e gentilmente spiegato tutta questa roba cosicché io potessi spiegarla a voi.

Per saperne di più
  • Wow, a qualcuno piacciono davvero tanto le onde gravitazionali! Ho ancora qualche post a riguardo
  • Intanto Virgo—l’osservatorio italiano fratello di LIGO—ha aperto
  • … e Veritasium questo bel video su quanto dannatamente difficile fosse misurare le onde gravitazionali

 

Note:

¹Le onde gravitazionali funzionano in modo un po’ diverso. Quello è solo un esempio semplificato, non prendetelo troppo letteralmente.

²Questi non sono veri cagnolini, sono un esempio. Per l’amor del cielo, vi prego non prendete questa cosa letteralmente.

Foto copertina: CC0 Chiemsee2016/pixabay

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