Friday, 21 Sep 2018

Onde gravitazionali, cosa sono e possibili applicazioni pratiche

L’annuncio della clamorosa osservazione effettuata, il 17 agosto da LIGO, VIRGO e numerosi osservatori di terra e orbitali, dell’emissione di onde gravitazionali emesse dalla fusione di due stelle di neutroni, evento teorizzato ma mai osservato prima, con la creazione di una kilonova potrebbe avere dei risvolti particolarmente interessanti per la tecnologia futura.

Uno degli aspetti più interessanti è stato quello di constatare che l’emissione di onde gravitazionali si è accompagnata a quella di onde elettromagnetiche e alla creazione di metalli pesanti quali oro, platino ed uranio. Contrariamente a quanto scritto da alcuni media, la fusione delle due stelle di neutroni non ha generato una miniera ma ha letteralmente fabbricato oro, platino, uranio e altri metalli pesanti di cui, finora, non si avevano conferme circa il modo in cui si generano.

Tutto questo è molto interessante per i fisici teorici e per gli astrofisici ma molti lettori continuano a rivolgere la domanda da un milione di dollari: “Si, molto bello ma a cosa servono ‘ste benedette onde gravitazionali? Che ricadute pratiche possono avere?

Abbiamo rivolto questa domanda a google che ci ha restituito un po’ di risposte, tra tutte le più interessanti sono fornite da un articolo di Achille di Tommaso sul magazine Nel Futuro. Vi proponiamo l’articolo che, oltre a spiegare con parole semplici cosa sono le onde gravitazionali, prova ad ipotizzarne alcune ricadute pratiche, forse non immediate ma molto interessanti.

di Achille di Tommaso per NEL FUTURO

“LA FISICA E’ COME IL SESSO: PUO’ AVERE QUALCHE RISULTATO PRATICO, MA NON E’ PER QUESTO CHE LA FACCIAMO” – MA ALLORA, LE ONDE GRAVITAZIONALI SERVONO A QUALCOSA?

Così disse il fisico Feynman; e quando ad Albert Einstein fu chiesto quali potessero essere le applicazioni pratiche della relatività generale, la risposta fu, più o meno: “Non lo so e non m’interessa”. Ma se il fisico tedesco non avesse esposto le sue teorie, oggi, per dirne una, non avremmo il GPS.

Nei giorni scorsi si è detto tanto sulle onde gravitazionali (che chiamerò per brevità OG), ma è forse sfuggita l’importanza che esse hanno e avranno, non solo per la scienza; ma anche per il nostro vivere comune. Basta infatti poco a riflettere, ad esempio, che la nostra civiltà è basata sulle onde elettromagnetiche; che ci danno la possibilità di comunicare come siamo in grado di farlo oggi. Ebbene, le OG sono, probabilmente, molto più importanti delle onde elettromagnetiche.

Vediamo perché.

Innanzitutto è da sottolineare che l’importanza attuale non è data dalla loro scoperta; ma dal fatto che si è provato che esistono. Fu Einstein, infatti, a scoprirle, cento anni fa, e sono sicuro che oggi darebbe un occhio per assistere al loro rilevamento. Secondo Einstein, infatti, non si sarebbero mai potute rilevare.

Ma andiamo con ordine. Tra il 1916 e 1918 Einstein, con una serie di equazioni nuove di zecca dimostrò che la materia in spostamento produce OG; allo stesso modo con cui le cariche elettriche, che percorrono un conduttore, producono quelle onde elettromagnetiche che ci danno la possibilità di avere radio, televisione e molto altro. Ma le OG incurvano lo spazio. Pertanto la prima grossa differenza è che, mentre le onde consuete che si formano sull’acqua, o quelle sonore, oquelle elettromagnetiche viaggiano nello spazio, le OG sono perturbazioni dello spazio. In teoria, quindi, ci si può accorgere del passaggio di una OG misurando in modo continuo la distanza tra vari punti e verificando come essa cambi al passaggio di una OG. Ad esempio, se prendessi un metro da sarto e lo facessi attraversare da una OG, esso potrebbe diventare (esagero), ad un certo punto, 90 cm e poi anche 120 cm.

Molti fisici considerarono ciò ridicolo e impossibile; e cercarono di dimostrare che le OG derivano da una errata interpretazione matematica della relatività generale. Ma, alla fine, le analisi teoriche puntarono alla conclusione che le OG esistono e lo spazio può davvero contrarsi e dilatarsi. E questa fu una prima vittoria per Einstein.

Il problema, però, è che nessuno è mai riuscito ad osservarle direttamente, perché le deformazioni sono piccole, molto piccole. Per dare un’idea di quanto sono piccole pensiamo che, se una  stella distante 10.000 anni luce esplodesse (supernova), la corrispondente OG che giungesse sulla terra deformerebbe il nostro metro di un milionesimo di miliardesimo di centimetro. Pari ad un centesimo del diametro di un nucleo atomico.

Quindi, a meno che una sconvolgente catastrofe cosmica non si verifichi nelle vicinanze della Terra, la misura dell’effetto di una OG richiede la costruzione di un apparato sperimentale di indicibile precisione.

La sfida venne accolta dagli scienziati che hanno progettato il LIGO (Laser Interferometer Gravitational Wave Observer), un dispositivo messo in opera congiuntamente dal California Institute of Technology e dal MIT, grazie ai fondi della National Science Foundation. La sua costruzione iniziò nel 2002, ed è costata 365 milioni di dollari

Il LIGO è costituito da due tubi vuoti lunghi 4 chilometri e larghi poco più di un metro; disposti a formare una gigantesca “L”. I tubi devono essere lunghi, perché gli effetti della deformazione sono proporzionali alla lunghezza. Per ampliare ulteriormente il percorso ottico di 4 km, la luce laser di misurazione viene fatta rimbalzare, tramite specchi, per più di cento volte all’interno dei tubi, e in tal modo la distanza rilevata diventa di circa 800 km. Con questo ed altri trucchi ingegneristici il LIGO è in grado di effettuare misurazioni pari a un centomilionesimo del diametro di un atomo. Per inciso, i LIGO sono due (anzi tre, ma il terzo è la metà più piccolo), posizionati a distanza di 3000 chilometri; ciò per avere una conferma della misurazione: se entrambi misurano gli stessi effetti di una OG dobbiamo essere vicini al vero.

L’11 febbraio avviene il miracolo ricercato da più di un decennio e anticipato da “rumours”: NATURE annuncia che le OG sono state rilevate il 14 settembre 2015 alle 10:51, e sono state prodotte dalla collisione di due buchi neri distanti 1,3 miliardi di anni luce dalla Terra.

Viene da dire, all’inglese “and so what?” a che servono queste OG, oltre a far felice Einstein (in maniera postuma) ed un centinaio di altri scienziati, per molti dei quali un lavoro ben pagato è solo cominciato?

Cerchiamo di capire perché le OG sono importanti.

Prima di tutto TUTTA LA MATERIA IN SPOSTAMENTO PROVOCA OG.  E’ un fenomeno generale: quando noi camminiamo provochiamo delle OG: deformiamo lo spazio attorno a noi e tutto ciò che contiene. La cosa è molto interessante, perché noi ci siamo abituati a pensare allo spazio come a qualcosa di vuoto, ma molto affollato; percorso ad esempio da corpi celesti, da raggi cosmici, da onde elettromagnetiche. Ebbene, già da tempo sappiamo che lo spazio è molto di più; in un certo senso ha una sua “sostanza”. Sostanza che si deforma, ad esempio al passaggio delle OG. Come un lenzuolo che sbattiamo tenendolo ai due capi.

Non solo, come dice la parola “gravitazionale”, queste onde, alterando lo spazio, ne alterano le informazioni gravitazionali; e tali informazioni possono viaggiare nello spazio e nel tempo, in teoria all’infinito, senza essere modificate. Per dirne una: le OG possono, ad esempio, passare attraverso porzioni di spazio impenetrabili alla luce.

Altra cosa interessante: a quanto pare le OG trovate da LIGO si muovono alla velocità della luce, perché non ci sono masse associate e perché, nel vuoto, luce e gravità viaggiano alla stessa velocità. Ma le informazioni trascinate dalle OG sono, sempre in teoria, molto più affidabili di quelle delle onde elettromagnetiche, perché tutto è soggetto alla gravità, mentre, ad esempio, l’elettromagnetismo agisce solo su corpi dotati di carica. Quindi (è un esempio inventato, ma abbastanza calzante) se dovessimo usare le OG invece delle onde elettromagnetiche per fare telecomunicazioni, potremmo non avere più il problema della “mancanza di copertura” per il nostro telefono cellulare quando siamo in casa, perché le OG non vengono arrestate da niente, anche se alterano temporaneamente, ma di pochissimo, la forma della materia che attraversano. E viaggiano alla stessa velocità di quella delle elettromagnetiche.

Un altro regalino, inoltre, fattoci dalla rilevazione delle OG, è che ora sappiamo che i buchi neri esistono, e lo sappiamo perché li abbiamo visti distorcere lo spazio-tempo e produrre OG, cioè ci hanno inviato una cartolina da casa loro. E questo è forse uno dei risultati importanti immediati della rilevazione.

Vogliamo guardare allora al futuro e fantasticare sulle possibili applicazioni delle OG?

Innanzitutto nelle telecomunicazioni: ne ho parlato prima, e non voglio dilungarmi in dettagli, perché sarebbe solo fantasia (Ma neanche tanto).

Inoltre, e questo è vero, le OG ci forniscono un nuovo strumento per lo studio dell’Universo avendo a disposizione non solo un nuovo modo per vederlo, ma anche per ascoltarlo. “Ascoltarlo” in maniera quasi letterale, in quanto alcune OG hanno frequenze di poche migliaia di cicli, come quelle sonore. Quindi, in teoria, possiamo transcodificarle e “sentirle”. Non so quanto sia utile ciò, ma sarebbe affascinante ascoltare, ad esempio all’Arena di Verona, in una serata di luglio, un “Concerto delle Stelle”.

Applicazioni energetiche: le OG provocano contrazioni e rilassamenti della materia. E’ vero che sono alterazioni piccole, ma abbiamo visto come in LIGO possano essere amplificate. Estrapolazione fantascientifica: Questa energia potrebbe fornire “carburante” alle astronavi interstellari che si alimenterebbero dalle fonti inesauribili generate da collassi cosmici.

Caccia di “dimensioni nascoste” nell’Universo. La caccia a queste dimensioni ha sempre affascinato i fisici, che ne hanno previsto l’esistenza in numerosi modelli teorici. Il problema di queste dimensioni aggiuntive è dato dalla loro grandezza, che è, al momento teorizzata essere di 17 ordini di grandezza più piccola rispetto a quanto misurabile dalle più avanzate tecnologie. Le OG potrebbero aiutarci nello studio di queste dimensioni, diventando loro stesse uno strumento di misurazione. Uno dei motivi è che alcune di queste dimensioni potrebbero essere accessibili solo alla forza di gravità, e quindi alle OG.

Le OG confermano la possibilità per lo spazio di incurvarsi, contrarsi, rilasciarsi. Come se fosse fatto, esso stesso, di materia.

In conclusione: già ora le OG ci sono utili per vedere (e magari ascoltare) meglio tutto quello che l’Universo nasconde, spingendoci meglio verso distanze prima inimmaginabili.

Le altre utilità descritte, come telecomunicazioni, energia propulsiva cosmica, studio delle dimensioni nascoste dell’Universo, viaggi interstellari attraverso pieghe e curvature dello Spazio, sono oggi fantasie. Devo però ricordarmi che 25 anni fa, “in 2001 Odissea nello Spazio”, ritenevo fantascientifico il poter dare istruzioni vocali per la guida di un’astronave; mentre oggi tutti i nostri PC e molte autovetture dispongono di attuatori vocali.

Chissà …!

Articolo originale

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