Le onde gravitazionali. Un mistero ancora lontano dalla soluzione. Esistono? E se sì a che velocità si propagano?

Innanzitutto diciamo che la presenza di onde di questo tipo viene predetta dalla Teoria della Relatività generale di Einstein ma mai nessuno fino a questo momento è riuscito ad osservarle.
Il meccanismo secondo il quale vengono a formarsi le onde gravitazionali in un punto dello spazio è dovuto a ciò che viene definito ritardo temporale: due masse esercitano tra di loro una forza attrattiva inversamente proporzionale al quadrato della loro distanza: questa forza, come tutto ciò che agisce nello spazio, non può propagarsi con velocità maggiore di quella della luce. L’onda gravitazionale è proprio il meccanismo attraverso cui il campo gravitazionale si propaga nello spazio. Un campo gravitazionale si propaga nello spazio in senso radiale, mentre le distorsioni che esso provoca localmente sono perpendicolari alla sua direzione di propagazione. Quindi in questo senso sono simili alle onde elettromagnetiche. In base al modello di Einstein, tuttora il più accreditato, si pensa che la quantità di radiazione gravitazionale emessa da un corpo dipenda dal grado di disomogeneità nella distribuzione della sua massa (in termini di deviazione del corpo dalla simmetria sferica). La cosa più importante è che la sorgente deve muoversi con rapidità in modo tale da accentuare la sua componente non sferica; per esempio, una stella ovale che ruoti intorno all’asse maggiore non produce onde gravitazionali, ma se ruota intorno all’asse minore diventa un’intensa emittente. Si conoscono molte possibili sorgenti di onde gravitazionali, tra le quali sistemi binari di stelle, pulsar, esplosioni di supernovae, buchi neri in vibrazione e galassie in formazione; per ognuna di queste fonti il tipo di segnale emesso dovrebbe possedere un “timbro” caratteristico che individui univocamente il tipo di fonte e la causa dell’emissione. Anche la nascita di una stella di neutroni, dall’esplosione di una supernova, dovrebbe essere annunciata dalla trasformazione di circa lo 0,1% della massa iniziale in onde gravitazionali. Il “timbro” di queste onde dovrebbe essere di tipo pulsato. Il rilevamento di onde gravitazionali provenienti da una supernova permetterebbe di confermare la previsione di Einstein riguardo la loro velocità: se le onde gravitazionali e quelle luminose venissero rilevate simultaneamente, avremmo una conferma diretta che le onde gravitazionali si propagano alla velocità della luce.
Un’altra possibile fonte di onde gravitazionali è il big bang: le osservazioni più importanti sull’universo primordiale ci vengono dall’osservazione del fondo cosmico di microonde, il resto della radiazione termica che pervadeva l’universo ai suoi inizi. Il rilevamento di un fondo (rumore) cosmico di onde gravitazionali svelerebbe nuovi aspetti del big bang.
Come si può fare per rilevare queste onde? Come facciamo per tutte le altre onde cioè creando un sistema che entri in risonanza con l'onda stessa. Per esempio la membrana del nostro orecchio con le onde elastiche, oppure un circuito elettrico oscillante per le onde radio. Per far questo sono stati costruiti dei blocchi di massa che nel momento in cui fossero attraversati da tali onde si metterebbero a vibrare. Le onde gravitazionali prodotte nelle situazioni descritte avrebbero comunque un impatto estremamente debole ed effimero quando investono la Terra. Nel migliore dei casi, le masse dei rivelatori verrebbero appena sollecitate, con uno spostamento nelle loro posizioni di appena 10^(− 21) metri (un milionesimo del diametro di un protone) per ogni metro di separazione; per questo motivo molti scienziati sono tuttora scettici riguardo la possibilità di rilevare onde gravitazionali nei prossimi decenni.
E' apparsa recentemente sulla rivista Nature un articolo sull'argomento che ho potuto "captare" attraverso i feed di notizie di fisica che ho sottoscritto. Sono stati approntati dei rilevatori di onde basati su interferometri laser di eccezionale sensibilità che forse in futuro potrebbero rivelarsi decisivi per dipanare il mistero.
I fisici legano giustamente le maree alle onde gravitazionali, del resto questi fenomeni naturali altro non sono che la riprova della forza di gravità della luna e del sole. Ogni qualvolta infatti che il sole o la luna, o tutte e due i corpi celesti, passano sul meridiano di una località si produce una marea. Le maree più evidenti avvengono quando il Sole e la Luna sono allineati alla terra; in questo caso le onde gravitazionali dei due astri si sommano e l'acqua si alza notevolmente (Sizigie). Il sole partecipa alle maree meno della luna pur avendo una massa notevolmente maggiore, ma in questo caso è la distanza che determina alla Luna più del doppio di efficacia. La luce impiega circa 8 minuti per giungere fino a noi dal Sole, mentre dalla Luna solo un secondo. Ebbene osservando le maree è stato visto che le onde gravitazionali viaggiano esattamente alla stessa velocità della luce o perlomeno esistono studiosi che sostengono di averlo dimostrato.
In ogni caso la gravità è un tipo di forza particolare che sembra essere diversa da tutte le altre. Nel Modello Standard il gravitone che dovrebbe essere la particella legata alla forza di gravità non viene neppure preso in esame. Chiaramente il gravitone sarebbe per la gravità quello che è il fotone per la forza elettromagnetica. Se volete saperne di più sui gravitoni cliccate qui.
All'inizio del post ho messo la foto di quel nuovo tipo di rilevatore di onde gravitazionali basato su interferometri di grande sensibilità.