2 domande difficili sulle onde gravitazionali (con cagnolini!)

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.Continua a leggere

E se il Nobel non lo vincessero le onde gravitazionali?

Le previsioni per il premio Nobel per la fisica puntano ad una delle più grandi notizie dell’anno: le onde gravitazionali. Mi sbilancerò, ma io non sono convinto che abbiano ragione.

Non fraintendetemi: anche io sono un fan sfegatato di LIGO e del loro lavoro (magari si capiva da quanto spesso ne ho parlato). La scoperta delle onde gravitazionali è stata pazzesca, ma lo era anche quella del bosone di Higgs. LIGO è un’incredibile impresa di ingegneria e scienza, ma lo è anche LHC. Ci aspettavamo di trovare le onde gravitazionali quanto, se non più, del bosone. Eppure, il premio per la scoperta andò a Higgs e Englert, autori della teoria, non agli esperimenti del CERN che l’avevano trovato. Nel caso delle onde gravitazionali, il premio dovrebbe quindi andare ad Einstein, che non può riceverlo perché… beh… è morto.

Resto convinto che LIGO vincerà prima o poi: hanno aperto una nuova finestra sull’universo. Appena vedremo qualcosa di nuovo attraverso quella finestra, credo, il loro lavoro salterà in cima alla lista. Solo, non ancora.

Ma chi altri può vincere quindi, se non loro? Thomson Reuters ha un efficace sistema di previsioni basato su quanto vengono citati articoli recenti (trovate l’infografica qui, e vedete che han già cannato quello per la medicina). A parte il team di LIGO, suggeriscono Marvin L. Cohen, che ha studiato i semiconduttori, e Celso Grebogi, Edward Ott e James A. Yorke, che si sono occupati di Teoria del Caos. Se vincono, andremo nei dettagli delle loro scoperte nel post di venerdy.

Personalmente, come avevo detto a inizio anno, punto agli esopianeti.Comunque, sono tutte speculazioni. Dopotutto, chi vince il Nobel fa scienza, chi prova a fare queste previsioni no.

 

Immagine di copertina: CC0 nvodicka, via pixabay.com

LIGO l’ha fatto di nuovo

Quando si fa scienza, la seconda volta può essere importante almeno quanto la prima. Se un esperimento non si può ripetere non vale nulla. Per questo motivo l’osservatorio per le onde gravitazionali LIGO stava aspettando con ansia questo momento.

Dopo aver dato a febbraio la notizia scientifica dell’anno (magari ve la ricordate: ha avuto giusto un po’ di attenzione mediatica, compreso un popolare post di amorefisico), l’osservatorio ha infatti annunciato di aver misurato di nuovo piccole deformazioni del tessuto spazio-temporale.

Anche questa volta sono state causate fusione di due buchi neri, sebbene molto più piccoli della prima volta. E anche questa volta hanno rispettato perfettamente le previsioni della relatività generale.

Buchi neri più piccoli cadono l’uno verso l’altro più lentamente, perciò l’evento registrato da LIGO era molto più lungo questa volta: un intero secondo, quindi c’erano più dati su cui lavorare.

Le onde gravitazionali che hanno prodotto, però, erano anche molto più flebili. Il primo evento, dicono gli scienziati, distaccava nettamente dal “rumore di fondo”, mentre questo è venuto fuori solo analizzando attentamente i dati.

In un certo senso è come se stessimo ascoltando un fuoco crepitare nell’universo profondo. La prima cosa che abbiamo sentito era un forte “POP”, ora abbiamo sentito anche uno scoppiettio più debole.

In un certo senso, sentire altri scoppiettii ci dice anche che stiamo davvero ascoltando quel falò: c’era sempre una possibilità (anche se piccola) che avessimo trovato qualcos’altro che sembrava essere onde gravitazionali. Ora siamo molto sicuri e possiamo iniziare ad ascoltare per davvero.

Come ha commentato per la società americana di fisica Julian Krolik, astrofisico dell’università Johns Hopkins,

La prima osservazione era esaltante perché ha mostrato che questo esperimento straordinariamente difficile poteva davvero funzionare. Ulteriori osservazioni [come questa] spostano i riflettori dall’esperimento stesso a quello che ci può mostrare dell’universo.

Tra le cose che speriamo di poter investigare con le onde gravitazionali—oltre, ovviamente, ai buchi neri—c’è la materia oscura che, siccome non si vede, ci era sfuggita finora.

Nel frattempo, LIGO è spento per lavori: gli ingegneri sono al lavoro per aumentarne la sensibilità. Questo autunno ricominceranno le misurazioni, e l’osservatorio VIRGO in Toscana finalmente si unirà al progetto. Poi, nel 2034 dovrebbe essere lanciata la missione europea eLISA, una specie di maxi-LIGO nello spazio. I preparativi e i primi test in orbita, finora stanno andando molto bene.

Ah, se cercate una suoneria da nerd, quelli di LIGO hanno convertito l’oscillazione delle onde gravitazionali in un suono con la stessa frequenza (l’avevano fatto anche l’altra volta, ma questo è venuto meglio).

 

Per saperne di più
  • Arrivo dal futuro per dire che PBS Spacetime ha messo assieme un bel video che riassume la scoperta e il suo significato per il futuro dell’astrofisica

Foto copertina: CC0 rajitha2tPB/pixabay.com

LIGO ha trovato le onde gravitazionali

“Signore e signori, abbiamo misurato le onde gravitazionali. Ce l’abbiamo fatta!” Questo è lo storico annuncio con cui il Prof. David Reitze, direttore esecutivo di LIGO (l’osservatorio a interferometria laser per onde gravitazionali, o Laser Interferometry Gravitational-wave Observatory, con sedi a Harford e Livingston negli Stati Uniti) ha fatto partire la conferenza stampa di giovedì scorso.

Si mormorava della scoperta da mesi, perciò non era del tutto una sorpresa. In più, era stato prevista con una certa sicurezza dalla teoria della relatività generale di Einstein. Secondo questa teoria, quando delle masse accelerano possono creare delle increspature nello spazio-tempo: le onde gravitazionali. Le onde si propagano in tutte le direzioni alla velocità della luce, stirando e comprimendo lo stesso tessuto dello spazio al loro passaggio.

Quelle osservate a LIGO, per esempio, venivano da due buchi neri, ognuno circa 30 volte la massa del Sole, che si sono scontrati a circa metà della velocità della luce 1.2 miliardi di anni luce da noi. Un evento del genere è sbalorditivo: “La potenza emessa era 50 volte quella di tutte le stelle dell’universo messe assieme”, ha detto il Prof. Kip Thorne di Caltech.

Durante il loro inesorabile avvicinamento, i due buchi neri hanno sparato onde gravitazionali che aumentavano in frequenza ed intensità. LIGO le ha raccolte, anche se con qualche difficoltà: nonostante le forze immense che l’hanno scatenato, l’effetto delle onde è piccolo. Così piccolo che solo uno strumento così preciso come LIGO lo poteva misurare. E LIGO è molto preciso: Reitze ha spiegato che, in teoria, l’errore sulla sua misura della distanza tra il Sole e la stella più vicina sarebbe lo spessore di un capello.

Per farlo, LIGO usa dei laser. Dividendo un raggio laser in due rami gemelli e mandando ognuno in un lungo percorso, è possibile ricongiungerli in modo che le onde della loro luce interferiscano cancellandosi esattamente. Se un’onda gravitazionale colpisse l’apparecchio, allungherebbe il percorso di uno dei fasci e accorcerebbe l’altro, periodicamente, disturbando l’interferenza.

Ma da una grande sensibilità derivano grandi disturbi: il rivelatore misura qualunque cosa, dai micro-terremoti al passaggio di auto. Per eliminare tutti questi fattori, i ricercatori usano due osservatori, posti ai due capi degli Stati Uniti. Solo i segnali misurati da entrambi contemporaneamente (o quasi) possono provenire dallo spazio ed essere onde gravitazionali.

E infatti, a settembre 2015, mentre LIGO veniva riacceso dopo l’ultimo aggiornamento, un segnale è apparso in entrambi i posti. Non solo, ma corrispondeva perfettamente con i calcoli teorici! Così, dice la Dott.ssa Gabriela Gonzalez della Louisiana State University, “sappiamo non solo che abbiamo trovato delle onde gravitazionali, ma anche che erano causate dalla fusione di due buchi neri”.

Secondo la Dott.ssa France Cordova, direttore della National Science Foundation, questa scoperta “è molto più di una nuova generazione di osservazione. Significa vedere l’universo con occhi nuovi, in un modo completamente diverso”. Diversi scienziati l’hanno paragonato a poter ascoltare eventi che finora avremmo potuto solo guardare, più quelli che non si possono vedere.

Le nostre orecchie stanno anche migliorando: LIGO continua a migliorare la sua precisione e più tardi quest’anno si unirà al programma l’osservatorio italiano VIRGO. Nel 2034, poi, è previsto il lancio di eLISA (l’antenna spaziale evoluta ad interferometria laser, o Evolved Laser Interferometry Space Antenna). Sarà composta da tre sonde che orbiteranno la Terra ad un milione di chilometri una dall’altra, conducendo esperimenti molto simili a quelli di LIGO, ma molto più precisi.

Come ha detto Gonzalez, “Ora che sappiamo che le onde gravitazionali sono là fuori, inizieremo ad ascoltare l’universo”.

Intanto, potete “ascoltare” le onde gravitazionali anche voi!

(c) The Munich Eye, all rights reserved.

La teoria non serve

“Bravi, ma cosa me ne faccio?” Questa domanda assedia noi teorici (e magari ve la siete fatta anche voi ogni tanto leggendo qui), ed è rispuntata con le onde gravitazionali. Ma non siamo affatto bravi a rispondere.

La ricerca applicata serve: i transistor fanno funzionare il mio telefonino, con gli antibiotici non muoio di raffreddore, pastorizzando il latte si conserva più a lungo. Ma le onde gravitazionali? Perché spendere miliardi e impiegare migliaia di persone per trovarle?

Per gli idealisti, la ricerca di base amplia innalzando l’intelletto umano. Un nobile proposito che basta a motivare molti scienziati. Che poi pensano debba bastare anche agli altri.

Ma la risposta è che quel lavoro, ora, nella pratica, non serve. Ma poi servirà.

Quando J.J. Thomson ha scoperto l’elettrone a fine Ottocento non avrebbe neanche potuto sognare quello che ci abbiamo fatto (per citare The West Wing). Ma grazie alla sua scoperta abbiamo capito come fare transistor, laptop, cellulari, internet e tutta l’elettronica, aprendo la strada a nuova scienza. Comprese le onde gravitazionali. E medicinali migliori. E lo sbarco sulla Luna. Senza, staremmo ancora qua coi calcolatori meccanici e il loro fascino retro (ma senza internet).

Con la teoria capiamo l’universo. Se non sappiamo cosa abbiamo davanti, non potremo mai sfruttarlo nelle applicazioni. Matt O’Dowd, su PBS Space Time, ha dato una gran risposta ad un commentatore secondo cui le onde gravitazionali sono inutili se non risolvono problemi pratici, tipo il prezzo della benzina:

Apprezzerò l’inutile bellezza di questa scoperta anche dopo che mi avrà permesso di guidare la mia astronave antigravitazionale a inflatoni verso le stelle. A quel punto non mi preoccuperà il prezzo della benzina.

Micdrop.

Aggiornamento: Anche il comitato del Nobel pensa che le scoperte teoriche servono. Il premio per la fisica 2016, infatti, è andato a David Thouless, Duncan Haldane, e Michael Kosterlitz “semplicemente” perché le loro scoperte stanno ispirando moltissime ricerche su nuovi materiali e computer quantistici.

Foto copertina: Blackboard Lie Algebras, CC-BY-NC ☃, via Flickr. Some rights reserved.

4 cose fondamentali sulle onde gravitazionali

Il team dell’osservatorio LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory) ha annunciato di aver misurato direttamente le onde gravitazionali emesse dall’unione di due buchi neri. Ma di che parlano? Ecco le risposte alle 4 domande più comuni (più 2 bonus, se vi sentite preparati).

I due buchi neri che si uniscono, e l’onda gravitazionale che ci arriva. NASA

Cosa sono le onde gravitazionali?

Le onde gravitazionali sono increspature dello spazio-tempo previste dalla Relatività Generale di Einstein. Se avete sentito una sola cosa su questa teoria, probabilmente è che la massa di un oggetto deforma lo spazio-tempo attorno.

Se la massa accelera nel modo giusto, dovrebbe (in teoria) creare onde gravitazionali. Queste si propagano come le onde su uno stagno quando ci lanciamo un sasso.

Al loro passaggio deformano impercettibilmente lo spazio stesso: lo allungano e stringono, poi lo accorciano e allargano, e così via.

Credit: MOBle/English Wikipedia

Credit: MOBle/English Wikipedia

Quanto grande è l’effetto?

Piccolo. Meno di piccolo: immani catastrofi (scontri tra enormi buchi neri, supernove che esplodono, cose così insomma), relativamente vicine (cioè nella nostra galassia) cambiano la distanza tra la Terra e la Luna di un millesimo dello spessore di un atomo. Come si può immaginare, è anche molto difficile da misurare.

Come le abbiamo trovate?

ligo.org

LIGO è un interferometro laser. Funziona dividendo un raggio laser in due parti. Una continua il suo percorso in un lungo tubo, l’altra devia di 90 gradi in un altro. Ognuna poi rimbalza avanti e indietro qualche centinaio di volte. Le parti vengono ricongiunte in modo che le onde di luce di cui sono fatte interferiscano, annullandosi perfettamente a vicenda.

Se, però, un’onda gravitazionale attraversa il dispositivo, allunga uno dei bracci e accorcia l’altro, poi viceversa, ciclicamente. Così la corrispondenza tra le onde non è più perfetta. Gli scienziati sono andati a cercare proprio quel tipo di segnali.

Per essere sicuri di eliminare qualunque disturbo, poi, hanno cercato tracce identiche che apparissero contemporaneamente in entrambi i loro osservatori (uno nel nord-ovest degli Stati Uniti, l’altro a sud-est, e quest’anno poi si aggiungerà anche l’osservatorio VIRGO in Toscana).

Se sono così impercettibili perché ci dovrebbero interessare?

Perché ci danno un modo completamente nuovo di studiare l’universo. Come ha detto Catherine Man, dell’Observatoire de la Côte d’Azur:

Ora non stiamo più solo “guardando” l’universo usando luce ultravioletta o visibile, ma stiamo “ascoltando” i rumori prodotti della gravità dei corpi celesti sul tessuto dello spazio-tempo

Tra le cose che possiamo “ascoltare” c’è l’eco della gioventù dell’universo. Fino a 380mila anni dalla sua formazione, infatti, l’universo era opaco alla luce, perciò non possiamo vedere più indietro di così. Ma le onde gravitazionali esistevano già: ascoltandole scopriremo molto di nuovo.

Domande bonus per quelli davvero preparati

Non le avevano già trovate qualche anno fa?

Nì: le onde gravitazionali trasportano energia, nel 1993 Russel Hulse e Joseph Taylor hanno vinto il Nobel per la fisica per aver osservato quell’energia. Ma prima d’ora nessuno aveva osservato direttamente le onde gravitazionali.

L’annuncio dell’anno scorso del progetto BICEP2, invece, era proprio un falso allarme. E ci han fatto una figuraccia.

 

Che succede ora con eLISA?

Probabilmente non molto. eLISA è un osservatorio spaziale per onde gravitazionali dell’ESA (l’Agenzia Spaziale Europea), dovrebbe andare in orbita nel 2034. Anche se le onde gravitazionali non saranno più una novità, eLISA sarà molto più sensibile di LIGO.

In pratica, sarà un orecchio più grande con cui ascoltare, può misurare onde da fonti più deboli o più lontane. Ed essendo nello spazio, ha anche meno fonti di disturbo.

 

 

Foto copertina: CC0 Austin Schmid, via unsplash.

Un po’ d’ordine sulla storia delle onde gravitazionali

Aggiornamento: la scoperta delle onde gravitazionali è stata confermata l’11 Febbraio in una affollatissima conferenza stampa. Per saperne di più: 4 cose fondamentali sulle onde gravitazionali. Questo invece era lo stato delle cose la settimana dell’annuncio:

Da qualche giorno gira di nuovo la voce che siano state osservate le onde gravitazionali. Siccome le notizie sono un po' confuse, cerchiamo di fare ordine: di cosa parliamo? quanto sicuri siamo?

La notizia è molto grossa: l’osservazione delle onde gravitazionali, microscopiche increspature nello spazio-tempo, create dall’accelerazione di oggetti. Al loro passaggio, lo spazio stesso si deforma impercettibilmente.

Non avendole mai osservate, sono l’ultima previsione della relatività generale che non abbiamo verificato. Finora. Forse.

Cosa sappiamo? Una fonte anonima ha diffuso su Twitter una mail in cui un ricercatore dice di aver sentito che l’esperimento LIGO starebbe per pubblicare risultati che confermano di aver trovato le onde gravitazionali. A Science pubblicano la notizia, sembrando piuttosto convinti.

Ma quanto sicuri siamo? Stando alla mail, a LIGO sono molto sicuri del risultato (tipo 99.99…% sicuri), e l’autore della mail è un credibile astrofisico di un importante istituto, quindi credibile. Ma dell’utente Twitter non sappiamo nulla.

Nella mail si dice che i risultati saranno pubblicati giovedì su Science, la stessa (importantissima) rivista che ha scritto di questa storia. Mi sorprenderebbe se non avessero controllato.

Bufala o epocale successo che sia, sarà una settimana interessante.

Aggiornamento: LIGO ha annunciato una conferenza stampa per Giovedì pomeriggio. La conferma sembra sempre più probabile.

Per saperne di più

 

Foto copertina: Newpapers B&W (3), CC-BY Jon S, via Flickr. Some rights reserved.

5 cose da tener d’occhio nel 2016

Il 2015 è stato un altro bellissimo anno di fisica. Anche il 2016 promette di regalarci novità esaltanti. Dai principi fondamentali della fisica all’origine dell’universo, passando per nuovi sviluppi di recenti temi caldi, ecco alcune cose che secondo me varrà la pena di seguire. In ordine sparso, in un altro post vacanziero (quindi un po’ più lungo).

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Interferenza costruttiva

Di solito pensiamo alle interferenze come a fastidiosi disturbi. Ma sono molto di più, e aiutano la missione eLISA a svelare uno degli ultimi misteri della relatività.

Semplificando, se lanciamo due sassi in uno stagno e guardiamo come interferiscono tra loro le increspature che creano, possiamo calcolare (con l’interferometria) quanto sono lontani tra loro.

La misura è tanto più precisa quanto meglio conosciamo le onde. La luce laser è ottima per questo perché è un’onda estremamente regolare, e si può impostare molto precisamente.

La missione eLISA dell’Agenzia Spaziale Europea, prevista per il 2034 è fatta di tre sonde, che orbitano attorno al Sole, non troppo lontane dalla Terra, a circa 1 milione di chilometri l’una dall’altra. Usando l’interferometria laser e strumentazioni accuratissime, eLISA misurerà questa distanza al miliardesimo di millimetro.

elisa_orbit

Dentro ogni sonda c’è un cubo d’oro. La distanza tra questi cubi è quella che davvero ci interessa. Perciò ognuno è schermato da qualunque cosa lo possa muovere dal percorso stabilito: è in orbita (quindi in caduta libera come gli astronauti), e la sonda che lo contiene si sposta per assorbire ogni altra forza, perfino la spinta del vento solare.

La tecnica con cui la sonda sta intorno al cubo e assorbe le forze non si può testare sulla Terra, perciò la scorsa settimana è partita la missione LISA Pathfinder.

Le misure di eLISA saranno così precise e i cubi così isolati che si dovrebbe poter rilevare i microscopici spostamenti tra loro causati dalle onde gravitazionali.

E se non le trovassimo? Sarebbe comunque un gran risultato. Sarebbe la prima volta che la teoria relatività si sbaglia. Vorrebbe dire che abbiamo qualcosa di nuovo da imparare sull’universo.

Immagini: ripples, CC-BY-NC-ND Geoanne Millares, via Flickr. Some rights reserved, Artist’s impression of eLISA formation, AEI/MM/exozet

Un sentiero per Lisa

Con il lancio della sonda LISA Pathfinder, l’Agenzia Spaziale Europea (ESA) ha iniziato a tracciare la strada per l’ambiziosa missione LISA.

LISA (Laser Interferometry Space Antenna) cercherà di misurare direttamente le onde gravitazionali: increspature dello spazio-tempo create dal movimento di oggetti con massa. Quando passano, cambiano di pochissimo la distanza tra due punti nello spazio.

“Pochissimo” non rende l’idea. Secondo l’ESA, le onde emesse da buchi neri allungherebbero una barra lunga un milione di chilometri di appena la dimensione di un atomo!

LISA sarà composta da tre sonde, distanti alcuni milioni di chilometri tra loro, che orbiteranno sincronizzate attorno al Sole. Usando il laser, le sonde saranno in grado di misurare precisamente distorsioni nello spazio tra loro.

Le sue apparecchiature dovranno essere estremamente precise, nonché perfettamente isolate da qualunque influenza esterna. L’unico posto per testarle, quindi, è lo spazio.

Questo è il compito di Pathfinder: letteralmente tracciare la strada per la missione, che partirà nel 2034.

Foto: CC0 Tirza van Dijk, via unsplash