Onde gravitazionali

Onde gravitazionali, cosa sono ?

una semplice introduzione divulgativa.
 

Il tema è complesso da trattare, anche ad un livello divulgativo, in questo articolo si vuole solo dare una idea e i concetti di base senza nessuna pretesa di esaurire l'argomento; chi successivamente vorrà approfondire, troverà molta altra documentazione in rete.

Citazione: Secondo Newton lo spazio è il sensorium di Dio, l’organo mediante il quale Dio comunica con la natura e le imprime il moto.

Introduzione alla gravità

Tenete in mano un oggetto, ad esempio un sasso, muovetelo verticalmente, potete percepire chiaramente una attrazione verso il basso in direzione verticale. Ovvio e banale direte ... in realtà non é tanto ovvio e nemmeno tanto banale ! 

Il fatto è che siete cosi abituati ad una tale esperienza che nemmeno pensate ad una forza (nel senso fisico del termine) ma piuttosto ad una tendenza naturale dei corpi a tornare  a terra.

E' già meno scontato il fatto che in questo momento siete sottoposti allo stesso tipo di "forza" da parte delle pareti del pavimento e del soffitto della vostra stanza, del PC che vi trovate davanti, ed anche da parte degli altri oggetti che si trovano attorno a voi nella stanza in cui vi trovate ed in ogni altro luogo dell'Universo; tuttavia l'intensità di queste forze è estremamente più piccola rispetto a quella esercitata dalla terra (solo perché ha una grande massa ed è molto vicina a voi). 

Questa è la forza di gravità, la forza che fa si che due qualsiasi corpi si attraggano tra loro (piccoli o grandi, vicini o lontani, di qualsiasi sostanza siano fatti, e qualsiasi cosa sia interposta tra di essi, purché abbiano "massa gravitazionale") qui sulla terra cosi come in una lontana galassia  (almeno è ragionevole crederlo in base a innumerevoli osservazioni e sottili ragionamenti logici fatti dagli scienziati). Il video che segue dovrebbe chiarire il concetto.

Digressione

quantificando gli effetti gravitazionali, probabilmente avrà più influenza sul vostro destino l'effetto gravitazionale degli oggetti presenti nella stanza dove siete nati che non particolari ed ipotetici allineamenti stellari di astri lontani milioni di anni luce ... (per chi crede a queste cose)

Legge di Newton sulla Gravitazione Universale

Meccanica classica

La forza gravitazionale esprime una interazione tra corpi dotati di massa (detto cosi sembra semplice ma in realtà in queste poche e rassicuranti parole si nascondono dei problemi logici ancora irrisolti) secondo il seguente schema: 

Un corpo dotato di massa gravitazionale perturba tutto lo spazio circostante (lo "disturba" come quando ponete un oggetto solido all'interno di una sostanza gelatinosa), in termini tecnici crea un campo gravitazionale che permea tutto lo spazio fino ai confini dell'Universo, proporzionale alla massa ed inversamente proporzionale al quadrato della distanza del punto dello spazio in cui si sonda il campo stesso dal punto in cui é collocata la massa "generatrice". Se adesso poniamo un secondo corpo in un punto dello spazio, in cui ha sede il campo generato dal primo corpo, questo  interagisce con il campo presente in quel punto e subisce delle azioni meccaniche come ad esempio una accelerazione. 

In realtà questa descrizione della natura non risolve tutti i problemi ma almeno ci evita di dover ammettere una interazione a distanza tra due corpi, con tutte le implicazioni logiche  (problematiche) che ne derivano.

Osservazioni:

1) I ruoli di massa generatrice del campo e di massa "esploratrice", sottoposta all'azione meccanica del campo, sono intercambiabili e simmetrici, questo è stato provato sperimentalmente e ci permette di parlare solo di massa gravitazionale senza specificare altro. Le azioni tra le due masse consistono in una interazione, rappresentata in fisica con la grandezza vettoriale "forza". Non bisogna ragionare in termini di causa ed effetto ma di interazioni reciproche.

2) Queste interazioni, ad esempio tra due masse puntiformi, sono uguali e opposte (3° principio della dinamica) ... ma anche questo è un mistero, leggete qualche buon testo di meccanica ... Perché è la mela a cadere a terra e non la terra a "cadere" sulla mela ?

3) la massa gravitazionale, una sorta di "carica" gravitazionale, coincide numericamente con la massa inerziale, una quantità che esprime l'inerzia dei corpi ovvero la loro "resistenza" a cause (forze) che tendono a variarne lo stato di moto ... le cose si complicano !

4) la forza di interazione gravitazionale è inversamente proporzionali al quadrato della distanza tra due corpi (se puntiformi) e questo ha un significato profondo, infatti, solo con 1/r^2 e non ad es. 1/r^1,999 oppure 1/r^2,0001 si può pensare ad un campo di forze la cui intensità è legata alla densità di linee di forza (uscenti in modo isotropo da una sorgente puntiforme) su una superficie sferica.

Per chiarire qualche aspetto, possono essere utili i video seguenti:

Meccanica relativistica (cenni)

Nell'ambito della fisica classica vi sono dei problemi per una completa comprensione di un fenomeno fisico con cui abbiamo a che fare tutti i giorni. 

Spesso i "fenomeni naturali" apparentemente più intuitivi ed evidenti (solo perché rientrano in quel mondo percettivo fatto di esperienze quotidiane "primitive") sono i più misteriosi !

Per una migliore comprensione dobbiamo approdare alla relatività generale elaborata da Albert Einstein nel 1916, la quale reinterpreta la gravità in termini di proprietà geometriche dello spazio. Le masse deformano la geometria dello spazio e la geometria deformata dello spazio ha delle conseguenze sul moto di altri corpi presenti nelle vicinanze ... Forse questa descrizione della relatività generale è troppo riduttiva, per maggiori chiarimenti, visitate il link: Gravitazione (Arrigo Amadori). La storia non finisce qui, è ancora più complessa, i fisici teorici cercano da anni di inglobare nel modello standard (ossia in un modello matematico che si prefigge di descrivere tutta la materia e le interazioni dell'Universo conosciuto) in modo coerente e unitario anche la gravità, tramite una particella "mancante" che ad oggi non è stata ancora trovata ... poi si dovrebbe armonizzare la relatività generale con il modello standard ... bisogna attendere (Forse gli esperimenti sul collisore di adroni LHC porteranno qualche risposta).

Se un corpo dotato di massa modifica la sua posizione nello spazio, il campo gravitazionale attorno ad esso muta di conseguenza, e gli altri corpi immersi in questo campo devono "sentire" questa variazione, devono accorgersi che qualcosa è cambiato. 

Istantaneamente ? La meccanica classica dice di si (nella legge di gravitazione universale di Newton non compare il tempo!) ma la relatività generale prevede, a livello teorico, una propagazione della perturbazione gravitazionale per onde che si propagano nello spazio anche vuoto con velocità c pari a quella della luce e quindi anche se molto alta, di valore finito. Queste sono le onde gravitazionali !

Onde Gravitazionali

Le onde gravitazionali sono dunque (secondo questo modello o metafora della natura) delle onde di metrica dello spazio tempo dovute al movimento di masse sotto opportune condizioni (ad esempio una massa rotante perfettamente simmetrica non dovrebbe generare onde gravitazionali, andrebbe invece bene una grossa massa ellissoidale ruotante attorno ad un asse minore).

Secondo la teoria una massa accelerata emette onde gravitazionali così come una carica accelerata emette onde elettromagnetiche che si propagano nello spazio tempo. Vi sono tuttavia notevoli differenze tra i due fenomeni vista la diversa natura dei due campi. Ad esempio una caratteristica peculiare della forza di gravità, consiste nell’essere puramente attrattiva, invece la forza elettromagnetica può essere sia attrattiva che repulsiva. Una conseguenza di ciò, è che la forza gravitazionale non può essere schermata.

Possiamo pensare ad un’onda gravitazionale come ad una modificazione dello spazio tempo, un’increspatura dello spazio tempo che propagandosi ci fornisce informazioni sulla variazione del campo gravitazionale.

In pratica, poi, le onde gravitazionali sono debolissime e questo implica che è estremamente difficile rivelarle e studiarle, esse interagiscono molto debolmente con la materia e quindi la loro rivelazione è molto difficoltosa.

La potenza di queste onde è infatti inversamente proporzionale alla quinta potenza della velocità della luce, pertanto non si può produrle in laboratorio con masse piccole, ma bisogna rivolgere l'attenzione  ad oggetti cosmici, con strumenti di elevatissima precisione. Ad oggi si hanno solo delle conferme indirette dell’esistenza di tali onde gravitazionali da osservazioni astronomiche (ad esempio la lentissima diminuzione del periodo orbitale delle pulsar binarie, fornisce risultati in perfetto accordo quantitativo con le perdite previste per irraggiamento di onde gravitazionali da parte di tali sistemi).

Gli esperimenti

Un’onda gravitazionale può essere rivelata misurando le piccolissime deformazioni indotte in un sistema materiale posto in un laboratorio terrestre o nello spazio. Negli esperimenti terrestri, come l’italo-francese Virgo (operativo a Cascina, Pisa), la misurazione viene effettuata mediante un sofisticatissimo sistema interferometrico, per distanze tra le masse. 

Potendo attraversare indisturbate grandi strati di materia, queste onde possono offrire informazioni importanti, inaccessibili alle osservazioni elettromagnetiche, sulle sorgenti che le hanno generate. La rivelazione di onde gravitazionali aprirebbe una nuova e rivoluzionaria finestra astronomica e a tale scopo sono dedicati progetti e grandiose realizzazioni in tutto il mondo.

Antenna Gravitazionale Virgo (4 Video):