La missione spaziale LISA potrebbe cambiare ciò che sappiamo su stelle e buchi neri

– Se vediamo che la luce e l'onda gravitazionale hanno due velocità diverse, allora la teoria della gravità di Einstein è sbagliata, afferma il professor David Motta del Dipartimento di Astrofisica Teorica.

Nel settembre 2015, i ricercatori dell’Osservatorio LIGO negli Stati Uniti sono riusciti per la prima volta a registrare un’onda gravitazionale mentre passava sulla Terra. L’onda ha avuto origine da due buchi neri che si sono scontrati nello spazio 1,4 miliardi di anni fa.

Ora tutto è pronto per costruire un nuovo osservatorio. LISA (Laser Interferometer Space Antenna) catturerà le onde gravitazionali nello spazio mentre orbita attorno al Sole, a 50 milioni di chilometri dalla superficie terrestre.

Lisa sarà in grado di testare la teoria della relatività generale di Einstein in condizioni nuove ed estreme, dice Motta.

Con l'universo come laboratorio

Le onde gravitazionali sono onde nello spazio risultanti dalla collisione di oggetti grandi e pesanti come i buchi neri e le stelle di neutroni. Motta lo spiega così:

– Secondo Einstein lo spazio non ha una forma fissa. Immagina una stanza con un pavimento di cinque metri. Si potrebbe pensare che il pavimento sarà sempre di cinque metri, oggi e domani. Einstein dice che non è così. Un giorno potresti entrare nella stanza e scoprire che la sua area è di 5,1 metri quadrati. Questo è il caso dello spazio. Motta dice che la distanza nello spazio si espande e si contrae a causa delle onde gravitazionali.

Motta indirizza il paragone ad una piscina. Lancia una palla in una piscina e sulla superficie appaiono delle increspature. L'acqua fuoriesce dal bordo della piscina. La superficie diventa più lunga.

Anche noi creiamo tali onde intorno a noi quando ci muoviamo. Ma sono così piccoli che è impossibile catturarli con gli strumenti di misura. Se vogliamo raggiungere questo obiettivo, dobbiamo utilizzare oggetti massicci e massicci come quelli che scopriamo nell'universo. Come i buchi neri o le stelle di neutroni. Creano enormi onde di energia, che possiamo misurare.

Finalmente qualcuno ha riprodotto il suono

Quindi è la grande stanza vuota stessa che cambia. Gli astrofisici lo chiamano spazio-tempo, dove non abbiamo solo le tre dimensioni di lunghezza, larghezza e altezza, ma anche il tempo. Le quattro dimensioni formano la geometria, una relazione tra loro, influenzata dagli oggetti nello spazio e dalla velocità con cui si muovono.

Questa è la geometria che gli scienziati possono ora studiare con l'aiuto delle onde gravitazionali. Motta lo paragona al provare una sensazione in più. Come guardare un film senza audio. Quando qualcuno attiva l'audio, improvvisamente ottieni un'esperienza completamente diversa del film.

– È lo stesso con l'universo. Ora possiamo sentire le esplosioni di supernova e il collasso dei buchi neri, dice Motta.

La luce viene utilizzata per misurare questo “allungamento” transitorio dello spaziotempo causato dalle onde gravitazionali. Invii la luce verso lo specchio e misuri la luce quando ritorna. Più precisamente: si divide il raggio luminoso in due parti, lo si invia in due direzioni e si misura se ritorna contemporaneamente. Se lo fanno, la distanza è la stessa. Se non ritornano contemporaneamente, la distanza tra la sorgente luminosa e gli specchi è cambiata.

Piccola vibrazione

Negli osservatori qui sulla Terra, LIGO negli Stati Uniti e VIRGO in Italia, la luce viene inviata attraverso dei tubi. È lungo pochi chilometri. LISA, che sarà composta da tre antenne laser posizionate in un triangolo nello spazio, invierà la luce a 2,5 milioni di chilometri di distanza per captare minuscoli cambiamenti causati dalle onde gravitazionali.

– Un'onda gravitazionale in realtà è costituita da una serie di onde che si formano continuamente quando due buchi neri orbitano l'uno attorno all'altro e alla fine si fondono. Mentre queste onde si muovono attraverso il laser LISA causeranno un'oscillazione: la distanza tra loro aumenterà e diminuirà. Tutto richiede solo pochi secondi, dice Motta.

Ma non basta “sentire” l'onda gravitazionale che passa di qui. Bisogna anche sapere da dove viene. Per poter misurare la sorgente dell'onda, le antenne sono disposte a forma di triangolo.

Con tre satelliti puoi triangolare. Non conosci solo la distanza dalla fonte. Si può anche localizzarlo. Inoltre, è necessario un telescopio puntato sulla stessa sorgente, per vedere l'esplosione di luce emessa.

Il telescopio vede la luce e misura la distanza percorsa. Lisa guarda nello stesso punto e “vede” quanta distanza ha percorso l'onda gravitazionale e se ha la stessa velocità della luce. Se le onde e la luce hanno velocità diverse, o se la forma delle onde gravitazionali non è quella prevista, allora la teoria della gravità di Einstein è sbagliata. Motta afferma che ciò avrebbe gravi conseguenze per ciò che sappiamo sullo spazio.

Allora stiamo parlando di una rivoluzione nella scienza. Diventerà estremamente importante per la nostra comprensione dell’universo.

Davide Motta

Verranno sperimentate teorie alternative

La possibilità che Einstein avesse torto non è una novità nella ricerca spaziale. Tra l'altro è noto che la teoria della relatività non può essere combinata con le leggi della fisica quantistica. Ma forse ancora più importante è il problema di ciò che gli scienziati chiamano materia oscura ed energia oscura. Perché l'universo si espande sempre più velocemente?

Secondo Einstein tutti gli oggetti nello spazio devono avere una forza gravitazionale. Ciò significa che tutti i movimenti alla fine dovrebbero rallentare. Allora l'universo collasserà di nuovo. Ma non è quello che succede. C'è qualcosa di sconosciuto là fuori, che fa sì che l'universo si espanda sempre più velocemente.

L’ignoto si chiama energia oscura.

“Semplicemente non sappiamo di cosa si tratta”, dice Motta.

Così i ricercatori lavorano da molti anni su teorie alternative della gravità, che dovrebbero essere in grado di spiegare fenomeni come l’energia oscura. Questa è una delle cose che LISA aiuterà a scoprire. Ma i ricercatori devono prima sapere quali dati aspettarsi, a seconda del modello di gravità che utilizzano. Le onde gravitazionali si comporteranno secondo la teoria della relatività di Einstein o obbediranno ad altre leggi?

Forme geometriche diverse producono onde diverse

È qui che entrano in gioco Mota e i suoi colleghi dell’Università di Oslo. Usando simulazioni numeriche, potranno prevedere la forma delle onde gravitazionali, a seconda del modello di gravità e di energia oscura che vogliono testare.

– Questo è qualcosa che dobbiamo costruire e imparare lungo il percorso. Simuleremo l'evoluzione della collisione di buchi neri e stelle di neutroni, all'interno di diverse teorie. Secondo Einstein i buchi neri avrebbero attorno a sé una geometria spaziale specifica. Per altre teorie, questa geometria sarà diversa. Allora anche l'onda gravitazionale sarà diversa.

Se si scoprisse che le onde gravitazionali non viaggiano alla velocità della luce, anche la nostra percezione dell’età dell’universo dovrà essere rivalutata. Oltre a molte altre cose, come il modo in cui si formano le stelle e le galassie. Tutta questa conoscenza deriverà dai ricercatori da un leggero disturbo nella distanza tra tre astronavi separate da 2,5 milioni di chilometri.

– Stiamo parlando di una variazione piccola quanto 1/10.000 della larghezza di un protone. È sorprendente come sono riuscito a misurare queste piccole differenze, dice Motta.

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