Con il vuoto verso il premio Nobel - Enormi tubi a vuoto consentono di dimostrare l'esistenza delle onde gravitazionali

Con il vuoto verso il premio Nobel - Enormi tubi a vuoto consentono di dimostrare l'esistenza delle onde gravitazionali

Oltre un secolo fa, Albert Einstein aveva già previsto l'esistenza delle onde gravitazionali. Ma la loro esistenza è stata dimostrata solo nel 2015. Due tubi a vuoto da un chilometro sono stati utilizzati come rivelatori.

Proprio come una pietra gettata nell'acqua ne increspa la superficie, le onde gravitazionali si estendono e comprimono lo spazio. Questo incresparsi dello spazio-tempo è causato da catastrofi cosmiche come stelle che esplodono o buchi neri in collisione. Le onde gravitazionali si diffondono quindi alla velocità della luce. Almeno questo era ciò che Albert Einstein pronunciò nel 1915 quando introdusse la sua teoria della relatività generale. 

Tuttavia, l'esistenza delle onde misteriose è stata pura teoria fino al 2015, data l'estrema difficoltà nel misurarle. Alterano lo spazio per un battito di ciglia e solo per una frazione del diametro di un atomo. La collisione di due enormi buchi neri ha fornito prove dirette delle onde gravitazionali cento anni dopo la loro previsione. 

Apparecchiature di misurazione chilometriche

Queste onde si sono increspate nello spazio-tempo per due miliardi di anni prima di deformare leggermente la forma dello spazio-tempo sulla Terra il 14 settembre 2015. Due identici rilevatori LIGO (Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory) situati a 3.000 chilometri l'uno dall'altro sono stati in grado di effettuare tale misurazione negli Stati Uniti.

Entrambi consistono in due tubi con un angolo di 90 gradi. Uno è lungo due chilometri, mentre l'altro quattro. Dove i due lati si incontrano, un raggio laser viene emesso e diviso a metà da un divisore di raggio. Quindi metà del raggio viene diretto in ciascuno dei tubi. Gli specchi per il riciclaggio di energia assicurano che la luce acceleri avanti e indietro molte volte prima di ritornare al divisore di raggio dopo una distanza totale di 1.120 chilometri. Se un'onda gravitazionale passa attraverso lo spazio, un braccio dell'interferometro si allunga mentre l'altro si comprime. Ciò porta a un cambiamento rilevabile dell'intensità del raggio laser. 

Vuoto e precisione di misura 

Per assicurare che le apparecchiature di misurazione siano in grado di funzionare completamente senza errori, i tubi presentano una pressione pari a un trilionesimo della pressione atmosferica a livello del mare. Per fare ciò, i tubi vengono inizialmente riscaldati per 30 giorni, successivamente l'aria rimanente viene estratta con pompe per vuoto ad alte prestazioni. Infine, le pompe ioniche vengono utilizzate per estrarre le rimanenti molecole di gas. Nel vuoto ultraelevato che ne deriva, non sono presenti molecole d'aria per deviare il raggio laser o far vibrare gli specchi e neanche polvere che possa diffondere la luce.

Nel febbraio 2016, dopo calcoli dettagliati, gli scienziati partecipanti sono stati in grado di annunciare di essere effettivamente in grado di misurare le onde gravitazionali e hanno confermato la teoria di Einstein. Per il loro lavoro su questo progetto, i pionieri Rainer Weiss, Barry C. Barish e Kip Thorne hanno ricevuto il premio Nobel per la fisica nel 2017.


A partire dalla prima misurazione nel 2015, la ricerca gravitazionale ha registrato ulteriori increspature nello spazio-tempo. L'ultima è stata il 14 agosto 2017. È stata rilevata da Virgo, un rilevatore con una costruzione simile situata vicino a Livorno in Italia, che ha recentemente iniziato a collaborare con LIGO. La fonte era una collisione stellare avvenuta a circa 1,8 miliardi di anni luce di distanza. I ricercatori sperano di avere accesso a nuove informazioni sulla storia e sulla fisica dell'universo precedentemente inaccessibili. Inoltre, i rivelatori potrebbero essere in grado di trovare indicazioni sulla materia oscura, anche se questo in realtà non ha nulla a che fare con le onde gravitazionali.

Finora, l'esistenza della materia oscura è solo un postulato teorico, proprio come lo era l'esistenza delle onde gravitazionali fino a poco tempo fa. Gli astrofisici fanno riferimento ai loro risultati di misurazione e ai calcoli per arrivare alla conclusione che le galassie sarebbero state lacerate dalla forza centrifuga della loro rotazione se la materia oscura non fosse esistita. La sua massa deve essere cinque volte più grande di quella del materiale visibile.

Con i rivelatori LIGO e Virgo, gli astronomi non solo possono localizzare i buchi neri, ma anche "sentire" ciò che hanno da dire sulla nascita delle galassie. Una teoria sulla materia oscura afferma che questa consiste di buchi neri "primordiali" creati dal Big Bang. Anche se questa ipotesi rappresenta un'opinione di minoranza tra i fisici, i rivelatori gravitazionali possono fornire dati che la supportano o la confutano in modo che la scienza possa concentrarsi su altri modelli esplicativi.


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