La giostra delle onde gravitazionali

Simulazione delle onde gravitazionali prodotte durante la fusione di due buchi neri. Crediti: Henze, NASA

Così come le cariche elettriche accelerate emettono radiazione sotto forme di onde elettromagnetiche (la “luce”), le masse accelerate dovrebbero emettere onde gravitazionali, che vengono descritte dagli scienziati come increspature dello spaziotempo. Rilevare le onde gravitazionali è straordinariamente difficile: sembrava esserci riuscito BICEP2 per quelle prodotte dal Big Bang all’alba dei tempi, ma i risultati dell’esperimento sono stati successivamente fortemente ridimensionati. Ci sono poi una serie di rilevatori, come gli statunitensi LIGO e l’italo-francese VIRGO, che, mediante l’interferenza di raggi laser che rimbalzano su specchi iperprecisi in lunghi tunnel, vogliono captare le onde gravitazionali prodotte in epoche molto più recenti nelle nostre relative vicinanze. Gli scienziati prevedono infatti che quando due buchi neri, o stelle di neutroni, ruotano l’uno attorno all’altro così vicini da fondersi, raggiungono delle velocità relative tali da emettere onde gravitazionali che sono potenzialmente osservabili da Terra, anche se prodotte a centinaia di milioni di anni luce da noi.

Tuttavia questa cataclismatica trottola cosmica non si innesca molto frequentemente: in media, una volta ogni 10.000 anni per una galassia come la Via Lattea. Sia LIGO che VIRGO, dopo una prima generazione di strumenti che non hanno rilevato onde gravitazionali, sono attualmente in fase di potenziamento per potere “ascoltare” una zona molto più ampia del nostro circondario cosmico. Ma i nuovi “microfoni” che tipo di “musica” si troveranno eventualmente a registrare dal vivo? Ovvero: che forma dovrebbero avere le onde gravitazionali prodotte durante la fusione (merging) di due buchi neri o stelle di neutroni?

Un nuovo studio teorico di istituzioni scientifiche anglo-ispaniche, pubblicato recentemente su Physical Review Letters, si propone come una playlist di guida al riconoscimento delle giuste forme d’onda per i ricercatori che già dall’anno prossimo lavoreranno con il rinnovato LIGO per scovare ogni possibile sussulto nella trama dello spazio tempo, sconquassata da fenomeni violenti come la fusione di buchi neri.

“La rapida rotazione dei buchi neri rende traballanti le loro orbite, proprio come una trottola che vacilla prima di smettere di girare e cadere” ha spiegato Mark Hannam dell’Università di Cardiff, primo autore dello studio. “Queste oscillazioni possono rendere assai tortuoso il percorso tracciato dai buchi neri mentre ruotano l’uno attorno all’altro, generando di conseguenza segnali di onde gravitazionali estremamente complicati. Il nostro modello si propone di prevedere questo comportamento per aiutare gli scienziati a trovare i segnali nei dati del rivelatore.”

Per descrivere il complesso giro di giostra dei buchi neri, è come se i ricercatori ci fossero saliti sopra piuttosto che vedere la giostra dall’esterno. “A volte le orbite di questi buchi neri sembrano completamente aggrovigliate, come una palla di spago. Ma se si immagina di roteare in giro assieme ai buchi neri, allora tutto appare molto più chiaro, e possiamo scrivere delle equazioni per descrivere ciò che sta accadendo”, ha spiegato Hannam.

Il nuovo modello è stato programmato nei codici di calcolo che gli scienziati si preparano a utilizzare quando i nuovi rivelatori di LIGO verranno accesi, il prossimo anno. Ma c’è ancora molto lavoro da fare. Oltre a questi effetti di precessione che si verificano mentre i buchi neri spiraleggiano l’uno attorno all’altro, occorre stabilire esattamente cosa succede quando poi i buchi neri entrano in collisione, in particolare come si trasforma la rotazione. Il che richiederà un’enorme quantità di calcolo su supercalcolatori, ma Hannam rimane ottimista che il lavoro verrà finito prima che inizino le nuove osservazioni. “Per anni non abbiamo saputo come districare il movimento del buco nero. Ora che abbiamo risolto questo, sappiamo come andare avanti”, ha concluso il ricercatore, mostrandosi fiducioso che non trascorrerà molto tempo dall’accensione di LIGO prima di riuscire finalmente a percepire il primo borbottio di un’onda gravitazionale.

Fonte: Media INAF | Scritto da Stefano Parisini