Di recente è stata annunciata una delle scoperte più importanti nel campo della fisica: la dimostrazione dell’esistenza delle onde gravitazionali, finora soltanto teorizzata. Ma cosa sono e perché si tratta di un fenomeno così importante? Vediamo insieme 3 cose da sapere sulle onde gravitazionali per superare il test di ammissione.
1. Cosa sono le onde gravitazionali?
Uno dei teoremi più importanti della fisica moderna è quello della relatività generale, formulato da Einstein agli inizi del ‘900: secondo questa teoria, il tessuto dello spazio e del tempo subisce una deformazione dovuta alla massa di un oggetto che lo attraversa. Se la massa subisce un’accelerazione, affermava la teoria della relatività, è possibile provocare un’increspatura del tessuto spazio-temporale, la cui propagazione avviene secondo delle onde gravitazionali. Queste non sono altro che la scia del passaggio del corpo dotato di massa, che permettono all’osservatore di poter risalire alla sorgente del fenomeno, constatando la contrazione e/o l’allungamento dello spazio-tempo dovuto al suo passaggio. Tuttavia, il fenomeno è rimasto finora praticamente inosservato, a causa della difficoltà di esaminare le onde provenienti da oggetti molto distanti, inevitabilmente deformate dalla massa dei corpi celesti presenti nel mezzo.
2. Le prove dirette e indirette dell’esistenza delle onde gravitazionali
Ciò nonostante, sono state molte le prove raccolte nel corso degli anni sull’esistenza delle onde gravitazionali. Una delle più importanti è derivata dallo studio dei corpi celesti binari (come ad esempio due stelle di neutroni che ruotano l’una intorno all’altra intorno ad un centro di massa comune). Applicando la teoria della relatività si è potuto confermare l’assunto secondo cui, grazie alle onde gravitazionali, l’evoluzione dei parametri orbitali dei due corpi celesti, tendenti alla fusione, sia influenzata dalla presenza delle onde gravitazionali: introducendo questa variabile all’interno dei calcoli, è stato possibile constatare con precisione pari al 99,8% la validità della teoria della relatività generale e quindi, almeno indirettamente, l’esistenza delle onde gravitazionali.
L’esperimento risolutore, tuttavia, è quello avvenuto nel 2017 con l’osservatore LIGO (acronimo di interferometro laser per la ricerca di onde gravitazionali), grazie al quale è stato possibile osservare l’emissione diretta di alcune onde gravitazionali provenienti da due buchi neri che si sono fusi tra loro: il cumulo delle due masse dei corpi celesti, infatti, ha residuato una porzione liberata nel cosmo sotto forma di radiazione gravitazionale.
3. Come calcolare l’impatto delle onde gravitazionali in fisica?
Uno degli aspetti più problematici è quello che attiene alla quantificazione della massa intrinseca delle onde gravitazionali, in rapporto alla massa dei corpi che le produce. Per semplificare questo calcolo è possibile prendere ad esempio il rapporto di gravità esistente tra la Terra e il Sole. Ecco i dati importanti: la Terra possiede un raggio di 6.400 km e una massa di 6.000 miliardi di miliardi di tonnellate, mentre il sole ha un raggio di circa 700.000 km e una massa di 300.000 volte maggiore. Il sistema prevede la presenza di due corpi che ruotano intorno ad un centro di massa comune, con un moto di rotazione della terra di circa 30 km/s: a questo moto corrisponde l’emissione di onde gravitazionali la cui potenza è quantificabile il 200 Watt.
Ovviamente, questo risultato è abbastanza infimo se paragonato a quello che si ricava quando entrano in gioco ammassi molto più grandi del pianeta Terra: è quello che è avvenuto, appunto, con i due buchi neri esaminati dal LIGO, che in circa 100 secondi hanno rilasciato circa 1031 kg di onde gravitazionali: moltiplicando questa massa per il quadrato della velocità della luce (secondo la nota equazione E=mc2), si ottiene un rilascio di energia pari a 1048 Joule, pari a circa 100 milioni di miliardi di miliardi di miliardi di miliardi di miliardi l’emissione di energia proveniente dal sistema Terra/Sole.