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0488. Effetto Doppler e onde gravitazionali

illustrazione Onde gravitazionaliEssendo le onde gravitazionali effettivamente delle onde hanno un "effetto doppler" come per le onde elettromagnetiche? Se si, potremmo in qualche modo misurare una variazione nella perturbazione dello spazio-tempo (come la variazione di frequenza per le onde elettromagnetiche) dovuto a quest'effetto? Inoltre potremmo avere in un futuro delle misurazioni più precise sulla velocità d'espansione dell'Universo? (Salvatore C.)

Si, le onde gravitazionali subiscono l'effetto Doppler in maniera del tutto analoga al caso delle onde elettromagnetiche. L'effetto è particolarmente importante nel caso si vogliano rivelare onde gravitazionali (quasi-)periodiche, come quelle che ci si attende siano emesse da stelle di neutroni rotanti (pulsar) e non perfettamente simmetriche rispetto all'asse di rotazione (come ad esempio in presenza di una 'montagna' sulla loro superficie), cioè prive di simmetria assiale. Un tale sistema fisico emette onde gravitazionali al doppio della frequenza di rotazione e quindi a una frequenza ben determinata: infatti le pulsar possono avere una frequenza di rotazione molto precisa, tanto che spesso ci si riferisce a esse come 'orologi cosmici'. Sulla Terra invece il segnale è atteso con una frequenza meno precisa, più variabile, proprio a causa dell'effetto Doppler dovuto sia ai moti di rotazione e rivoluzione della Terra, sia al moto proprio della sorgente se, ad esempio, la pulsar è parte di un sistema binario. Di questo effetto è necessario tenere conto nello sviluppo degli algoritmi per la ricerca di simili segnali.

L'effetto Doppler è importante anche nel caso del futuro rivelatore di onde gravitazionali spaziale LISA: in questo caso però si tratta, oltre che del succitato effetto sulle onde gravitazionali (che se correttamente interpretato aiuta a localizzare la direzione della sorgente in relazione al moto del rivelatore), anche di effetto Doppler sulle onde elettromagnetiche. A causa dell'effetto Doppler, il moto relativo delle navicelle spaziali modula la frequenza dei fasci laser che le collegano: questo effetto va compensato o comunque tenuto in considerazione sia in fase di misura del segnale interferometrico che in fase di ricostruzione del segnale gravitazionale.

Il redshift cosmologico è un effetto diverso dal semplice Doppler e dipende dall'espansione dell'Universo. Anche le onde gravitazionali lo subiscono e quindi sono deformate durante il loro viaggio nel cosmo: la frequenza osservata sulla Terra è spostata verso il basso rispetto alla frequenza emessa e di conseguenza il sistema sorgente appare sulla Terra più massiccio della realtà. Poiché non conosciamo a priori la sorgente, però, questo effetto non può essere usato per misurare l'espansione dell'Universo. Piuttosto se ne tiene conto nella analisi dei dati, quando si devono estrarre i parametri della sorgente che ha emesso uno specifico segnale gravitazionale. Infine, a seguito della scoperta di GW170817 (il segnale gravitazionale emesso dalla fusione di due stelle di neutroni, seguito da emissione di onde elettromagnetiche - per maggiori informazioni si rimanda a http://public.virgo-gw.eu/gw170817_it/) è stato per la prima volta applicato un nuovo metodo per la misura del tasso di espansione dell'Uxniverso (la costante di Hubble) coniugando le informazioni indipendenti della distanza della sorgente ottenuta dal segnale gravitazionale e la sua velocità di allontanamento (ottenuta dall'effetto Doppler subito dal segnale elettromagnetico emesso dalla galassia ospite). La tecnica è molto promettente e può portare a misure indipendenti della costante di Hubble rispetto a quelle basate solamente sul segnale luminoso. Ricerche sono in corso per affinare la tecnica, raccogliere più dati e arrivare a misurazioni più precise. Addirittura, con un gran numero di rivelazioni piuttosto precise, si può pensare di misurare la costante di Hubble applicando una variante di questa tecnica che, piuttosto che richiedere l'individuazione della galassia ospite (difficile se non impossibile per le binarie di buchi neri che non si pensa emettano segnali elettromagnetici), sfrutta analisi statistiche su tutte le galassie contenute nel volume cosmico nel quale si è localizzata la sorgente in base al solo segnale gravitazionale.

Livia Conti, fisico 

ultimo aggiornamento settembre 2019
 
 
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