Cosa sono le onde gravitazionali e come le abbiamo scoperte

Per secoli la gravità è stata un fenomeno invisibile ma evidente: ci tiene con i piedi per terra, fa orbitare i pianeti, plasma l’universo.
Eppure, fino a pochi anni fa, una delle sue manifestazioni più straordinarie — le onde gravitazionali — era solo un’ipotesi, una predizione matematica di Albert Einstein.
Oggi, invece, sono una realtà osservata, misurata e studiata. Una conquista scientifica che ha aperto una nuova finestra sul cosmo.

Capire cosa sono le onde gravitazionali significa entrare in uno dei capitoli più affascinanti della fisica moderna.

Cosa sono le onde gravitazionali: increspature nello spazio-tempo

Per spiegare le onde gravitazionali, dobbiamo partire dalla relatività generale, la teoria che Einstein propose nel 1915.
Secondo questa teoria, lo spazio e il tempo non sono elementi separati, ma un’unica struttura elastica: lo spazio-tempo.

Quando un oggetto dotato di massa — come un pianeta o una stella — si trova in questo tessuto cosmico, lo deforma.
Più grande è la massa, più profonda è la deformazione.

Le onde gravitazionali sono increspature

Quando due oggetti enormi si muovono rapidamente o collidono, generano onde che si propagano nello spazio-tempo:
onde gravitazionali, simili ai cerchi nell’acqua quando lanciamo un sasso in un lago.

Queste onde:

portano informazioni sull’evento che le ha generate
viaggiano alla velocità della luce
attraversano tutto l’universo indisturbate

Sono segnali puri, che portano la “firma” degli eventi più estremi del cosmo.

Perché sono così difficili da rilevare?

Il problema è la loro debolezza.
Quando un’onda gravitazionale raggiunge la Terra, l’effetto che produce è minuscolo:
allunga e accorcia lo spazio di una frazione estremamente piccola.

Per fare un paragone:
è come misurare una variazione delle dimensioni di un atomo su una distanza di migliaia di chilometri.

Per questo, per decenni, la loro esistenza è rimasta solo teoria.

Gli eventi che generano onde gravitazionali

Solo fenomeni cosmici catastrofici sono in grado di produrle in modo significativo:

collisioni di buchi neri
fusioni di stelle di neutroni
esplosioni di supernovae
rapida rotazione di stelle “deformate”
l’eco del Big Bang (non ancora osservato, ma ipotizzato)

Le onde prodotte da questi eventi viaggiano per miliardi di anni prima di raggiungere i nostri strumenti.

Il progetto LIGO: la grande caccia iniziata negli anni ’90

Per intercettare queste increspature dello spazio-tempo, la comunità scientifica ha costruito uno degli strumenti più sensibili mai realizzati:
LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory), negli Stati Uniti.

LIGO funziona come un gigantesco righello cosmico:

Due bracci larghi 4 km formano una L
Un laser viene diviso e inviato lungo entrambi i bracci
Se lo spazio si deforma anche di pochissimo, il laser rivela la differenza

Per decenni LIGO ha cercato segnali, affinando continuamente la sensibilità.

La scoperta storica del 2015

Il 14 settembre 2015, per la prima volta nella storia, LIGO ha registrato un’onda gravitazionale autentica.
L’annuncio è arrivato nel 2016.

Il segnale era chiarissimo: due buchi neri, uno di 29 e uno di 36 masse solari, si erano fusi 1,3 miliardi di anni fa.
L’evento aveva prodotto un’onda che aveva attraversato l’universo per tutto questo tempo.

Il segnale è stato così potente da essere descritto dagli scienziati come un “chirp”: un piccolo cinguettio cosmico, rilevato come un rapido aumento di frequenza nel detector.

Questa scoperta ha valso a tre fisici — Rainer Weiss, Kip Thorne e Barry Barish — il Premio Nobel per la Fisica 2017.

L’arrivo di Virgo: l’Europa entra in gioco

Accanto a LIGO è entrato in funzione anche Virgo, l’interferometro italiano situato a Cascina, vicino Pisa.
La collaborazione LIGO–Virgo ha permesso:

una maggiore precisione
la triangolazione dell’origine delle onde
l’identificazione più rapida degli eventi

Grazie a Virgo, nel 2017 è stato possibile osservare il primo evento di collisione tra due stelle di neutroni, accompagnato da onde gravitazionali e luce.
È nata così un’intera nuova disciplina: l’astronomia multimessaggero.

Cosa ci rivelano le onde gravitazionali

Le onde gravitazionali sono informazioni pure, impossibili da ottenere con telescopi tradizionali.
Ci parlano del “lato oscuro” dell’universo:

buchi neri che non emettono luce
fenomeni avvenuti agli albori del cosmo
materia densa e collassi cosmici
proprietà estreme della gravità

È come se avessimo ottenuto finalmente l’udito, dopo millenni di osservazione solo “visiva” dell’universo.

Perché questa scoperta è così rivoluzionaria?

Perché cambia tutto.
Cambia il modo in cui studiamo il cosmo, cambia la quantità di fenomeni che possiamo rilevare, cambia la nostra comprensione della gravità.

Le onde gravitazionali aprono:

un nuovo tipo di telescopio
un nuovo modo di misurare l’universo
la possibilità di verificare (o smentire) teorie ancora non confermate
la possibilità di osservare ciò che prima era invisibile

È come passare da un film muto a un film con il suono.

Cosa ci attende nel futuro

La ricerca è appena iniziata.
Nei prossimi decenni entreranno in funzione osservatori ancora più sensibili:

LISA, l’interferometro spaziale europeo, previsto intorno al 2035
nuovi interferometri terrestri di terza generazione, come Einstein Telescope
reti globali di rivelatori sincronizzati

Potremo forse captare:

il rumore di fondo del Big Bang
la fusione di buchi neri supermassicci
segnali da epoche primordiali dell’universo

La scienza delle onde gravitazionali ci porterà a rispondere a domande che oggi neppure sappiamo formulare.

Una nuova forma di ascolto del cosmo

Le onde gravitazionali ci ricordano che l’universo non è silenzioso.
È pieno di eventi colossali che fanno vibrare il tessuto stesso dello spazio-tempo.
E per la prima volta nella storia abbiamo imparato ad “ascoltarli”.

Forse, la vera rivoluzione non è solo quella scientifica, ma quella filosofica:
stiamo scoprendo che la realtà è molto più dinamica e viva di quanto avessimo mai immaginato.

Fonti e approfondimenti: