Relatività Generale

10. Onde gravitazionali

percorso di Giancarlo Cella

Terminiamo con un accenno ad una ulteriore conseguenza della teoria, le cosiddette onde gravitazionali.
Partiamo da uno spazio privo di materia, e quindi piatto. La struttura dei coni luce sarà molto semplice: saranno tutti identici e allineati. Supponiamo adesso che per qualche motivo in un punto dello spazio appaia una massa. La massa indurrà immediatamente una distorsione del cono luce in quel punto. Successivamente i coni luce vicini a questo si adatteranno al cambiamento e modificheranno a loro volta la loro forma e disposizione. E così via. Dato che la propagazione della distorsione non sarà istantanea, avremo una propagazione di un segnale che possiamo ipotizzare si comporti in modo simile ad un'onda elettromagnetica, con la differenza che quello che viene propagato non è un campo elettromagnetico ma una distorsione della struttura dello spaziotempo.
Le masse non possono apparire o scomparire improvvisamente, dobbiamo considerare quindi altri tipi di sorgenti: ad esempio distribuzioni di massa che variano nel tempo le proprie caratteristiche e quindi generano una distorsione dello spaziotempo circostante capace di propagarsi come un'onda.
Per avere segnali di ampiezza apprezzabile, che abbiano qualche speranza di essere misurate da un moderno interferometro come Virgo o LIGO, occorre considerare grandi masse, concentrate in regioni di spazio il più possibile limitate (per avere grandi densità) e in moto molto rapido.

Coalescenze binarie

Una sorgente efficiente di onde gravitazionali è la cosiddetta coalescenza binaria. Si tratta della fase finale dell'evoluzione di due corpi molto compatti e di grande massa, ad esempio una coppia di stelle di neutroni o di buchi neri, in orbita attorno al centro di massa comune. A causa del loro moto emettono onde gravitazionali e perdono energia, avvicinandosi e aumentando la velocità di rotazione. Nella fase finale questa diviene relativistica, e i due oggetti arrivano a fondersi in un unico buco nero finale, con l'emissione di una grande quantità di onde gravitazionali. La soluzione delle equazioni di Einstein che descrive tutto questo non si può ottenere con carta e penna, e per determinare le caratteristiche della radiazione emessa sono necessari calcolatori molto potenti.
A partire dal settembre 2015 la collaborazione LIGO Virgo ha, in una prima campagna di misure, rivelato una decina di coalescenze di buchi neri, e una coalescenza di stelle a neutroni. In una seconda campagna (settembre 2019), una sensibilità migliorata ha permesso di rivelare approssimativamente una trentina di candidati, tra cui coalescenze tra un buco nero ed una stella a neutroni che precedentemente non erano apparsi.
Queste misure hanno permesso per la prima volta, ad un secolo dalla formulazione della Relatività Generale, di mettere alla prova la teoria in un regime di intense interazioni gravitazionali.

Il futuro

Le osservazioni di onde gravitazionali continueranno nei prossimi anni con strumenti sempre più sensibili che permetteranno di rivelare altri tipi di sorgenti e di porre vincoli sempre più stringenti sulla Relatività Generale e sul suo ambito di validità. E' auspicabile che sapranno darci anche indicazioni sui primi istanti dell'Universo, e sulla direzione da prendere per formulare una teoria quantistica della gravitazione, ad oggi non ancora esistente.

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Ultima modifica: 28 maggio 2018

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