Blog di Marco Castellani

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In cerca di un modello…

Lo abbiamo visto più volte, lo abbiamo toccato con mano anche nell’evento recente della rilevazione delle onde gravitazionali, di cui si è ampiamente parlato: la gente ha fame di informazione scientifica. in particolare, per l’ambito più prettamente astronomico, ha fame di una informazione che la aiuti a comprendere l’Universo, a capire cioè la natura e la forma dell’ambiente all’interno del quale – in senso più globale – è stata chiamata a vivere.

Se ci pensiamo, è una cosa assolutamente naturale. In ogni tempo e in ogni epoca le persone hanno posseduto un proprio modello di universo, uno schema comprensibile dove poter collocare idealmente il proprio percorso di vita. Poco importa, da questo punto di vista, se il modello a cui si riferivano risulti – alla luce della moderna cosmologia – decisamente inattuale, palesemente falsificabile. Certo, potremmo legittimamente sorridere ripensando al modello a guscio di tartaruga dell‘antica mitologia cinese: del resto, oggi quasi nessuno penserebbe più di poter vivere davvero sul dorso di una tartaruga gigante. O anche, che il Sole derivi, come formazione, dall’occhio destro del gigante Pangu.

Un modello fisico dell'universo ci trasporta dal mito alla scienza. Con che conseguenze?

Un modello fisico dell’universo ci trasporta dall’immagine mitica alla scienza empirica. Con quali conseguenze?

Però il punto non riposa tanto nella moderna facilità nel falsificare il modello stesso. Il punto è che un modello qualsiasi è – per la mente – molto meglio di nessun modello. Un modello di universo è uno schema che rende il cosmo pensabile, prima di tutto. Affrontabile dall’intelletto umano. Il cosmo, filtrato e concretizzato dal modello stesso, esce ipso facto dal novero vaporoso e intangibile delle cose che non si possono dire, diventa pronunciabile. Il modello così si innesta in un percorso ove potrà essere perfezionato, integrato, perfino sostituito con un altro, in una scala che probabilmente – almeno finché esiste la specie umana – non vedrà mai l’ultimo gradino.

Si potrebbe dire, in altri termini, che l’universo è fatto per essere pensato. Per essere pensato è necessario un modello, qualcosa che sia – come dicevamo – lavorabile dalla mente. Del resto, nell’approccio scientifico in senso più vasto, il modello è proprio l’interfaccia necessaria ed insostituibile attraverso la quale possiamo (ri)appropriarci del reale, in senso squisitamente misurabile: possiamo ricondurlo nell’ambito di ciò che comprendiamo. Possiamo pensare un modello come ad una rete di rapporti logici stesa sopra la realtà, che ci guida e ci aiuta nel percorso della sua progressiva comprensione.

Il punto è che – per la prima volta nella storia umana – è come se non avessimo alcun modello di Universo. Per essere più precisi: è chiaro che ce lo abbiamo, in realtà. E’ che non è più patrimonio delle persone comuni, in sostanza. E questo, proprio quando tale modello è così definito ed articolato come non lo è stato mai. Di più, con Einstein il modello cosmologico è entrato a pieno titolo nell’ambito dell’empirismo scientifico, aderendo ai suoi canoni e sposando la sua impostazione ideale, il suo schema di pensiero.

Con questo ha abbandonato definitivamente il territorio del mito, territorio che è stato suo per molti secoli. E’ stato un passaggio certamente necessario, portatore di una grandissima quantità di ricadute pratiche e teoriche. Tuttavia non dobbiamo dimenticare che insieme ai benefici questo ha portato anche alcuni problemi. Problemi che vanno esaminati: non certo per tornare indietro o per discutere sterilmente la linea di sviluppo della scienza, ma per tentare un recupero di alcuni aspetti del sapere che riportino, in prospettiva, verso una scienza meno tecnicistica ma più organica al sistema umano dei saperi.

Il primo e il più grave dei problemi è stato – come si accennava – il progressivo scollamento dal senso comune delle persone. I modelli mitici di Universo erano – ad un primo livello – tutti facilmente comprensibili, erano assimilabili dalla gran parte delle persone. Erano proprio elaborati per essere comprensibili. Ripeto, non si tratta in questa sede di discutere quanto fossero improbabili (agli occhi moderni), non è questo il punto. Si tratta di vedere quanto, con la loro comunicabilità, potessero facilmente entrare in circolo nelle persone, formare una base di ragionamento e di esperienza comune, costituire un framework entro cui, idealmente, la vita delle persone poteva innestarsi, crescere, prosperare.

Ecco, questo forse si è perso, nell’epoca moderna. L’uomo di oggi, che non sia uno scienziato, guarda con sfiducia e sospetto alla possibilità di comprendere ancora la natura intima del cosmo. Di poter dire una parola sull’universo. Perché di fatto, tale natura – sposando necessariamente un formalismo matematico complesso – è diventato un appannaggio esclusivo di alcuni iniziati, ai quali solo sembra ormai riservata la possibilità di sapere davvero come questo Universo realmente sia.

C’è dunque un urgente bisogno di trasmettere al pubblico più vasto una nozione ragionevole di come pensiamo sia adesso l’universo. C’è bisogno, come primo approccio, di mettere da parte il rigore delle formule matematiche – sempre indispensabile a chiunque voglia incamminarsi verso un serio lavoro di conoscenza e verifica – per sporcarsi le mani con una descrizione in forma di racconto che riprenda il fascino degli antichi miti, rivestendolo di conoscenza moderna.

Descrizione raccontata che sarà sempre e invariabilmente perfettibile, e sanamente incompleta. Da diffondere e raccogliere con grande umiltà e accorta consapevolezza del limite intrinseco di questa processo di traduzione in parole, di declinazione in racconto di ciò che per sua natura si esprime compitamente attraverso il mezzo dell’espressività matematica, chiave di accesso indispensabile per operare pienamente con il modello di riferimento.

Un procedimento sempre sanamente rischioso perché – ad uno sguardo superficiale – assai facilmente assimilabile a tante pulsioni new age che pure tentano di sopperire ad un bisogno reale, quello della comprensibilità del mondo e del nostro ruolo all’interno di esso. Tentazioni che non intendiamo qui demonizzare, ma registrare appunto come evidenza sempre più stringente della necessità di un percorso serio e meditato, da svolgersi con competenza ed accortezza. Un percorso che porti la scienza ad essere ancora raccontabile. 

Perché il racconto, la magica concatenazione di parole che gode di un potere di seduzione antico e potente, è per l’uomo la forma suprema di conoscenza ed insieme di fiducia nella struttura del reale, struttura  che sia ancora comprensibile, ed in fondo, ancora amica.

L’evento delle onde gravitazionali ha messo tutti di fronte al fatto che la gente vuole sapere. Vuole sapere dell’Universo, vuole capire cosa si muove anche nei fenomeni più lontani dalla vita comune, come lo scontro e la fusione di buchi neri giganteschi, che genera queste elusive increspature del tessuto spaziotemporale. Vuole capire e partecipare al destino del cosmo.

E’ dunque una sfida attualissima. Ed è una sfida che noi scienziati non dobbiamo lasciar cadere.

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Ascoltando lo Spazio Tempo

La prova che lo spazio-tempo possa essere curvato stimola la fantasia degli addetti ai lavori, come abbiamo documentato anche in questo sito. Finalmente l’Universo può essere ascoltato attraverso nuovi strumenti aprendo l’orizzonte a spazi di conoscenza inaspettati. Ma quali gli scenari e le implicazioni che derivano dalla registrazione del segnale generato dalla fusione di due buchi neri? Come impiegare le onde gravitazionali? E a quale scopo? Sono domande queste che mi sono sentito rivolgere – e a piena ragione – in questi ultimi giorni, nello scenario elettrizzante e piacevolmente convulso seguito alla tanto agognata rilevazione delle onde medesime, ad un secolo esatto dalla loro predizione teorica.

Se ne parlerà Venerdì 11 marzo, alle ore 17:00, presso il SAPERmercato di Frascati, durante l’evento Ascoltando lo Spazio-Tempo dedicato alle onde gravitazionali e alle loro possibili applicazioni.

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L’incontro, organizzato dall’Associazione Frascati Scienza è parte degli eventi di lancio della Notte Europea dei Ricercatori 2016, progetto promosso dalla Commissione Europea, coordinato e realizzato da Frascati Scienza.

Ospite d’eccezione, Paola Puppo, ricercatrice dell’INFN di Roma, membro della collaborazione internazionale LIGO-Virgo che ha annunciato la scoperta delle onde gravitazionali rivelate dagli interferometri statunitensi LIGO. In particolare, la Dott.ssa Puppo fa parte del team che si occupa delle sofisticate sospensioni degli specchi dell’interferometro Virgo di Cascina (Pisa), che ne attenuano le vibrazioni sismiche e termiche. È questo un punto di forza delle antenne gravitazionali che ha permesso di raggiungere sensibilità tali da captare il flebile segnale dell’onda gravitazionale proveniente dalla ‘danza’ finale di due buchi neri che si uniscono fino a formare un unico buco nero di massa più grande.

Ma oltre la scoperta, che dimostra accora una volta la validità della più bella teoria mai pensata dall’uomo, e alla magnificenza della tecnologia che ha permesso di raggiungere la sensibilità necessaria alla scoperta, cosa ci riservano le onde gravitazionali nel futuro?

L’incontro si svolgerà presso il SAPERmercato, ex mercato coperto di Frascati, una vera e propria installazione urbana della scienza e della conoscenza. Una realtà che è nata durante l’ultima edizione della Notte Europea dei Ricercatori e che rappresenta un sistema innovativo per diffondere contenuti scientifici ai cittadini, il ‘Saper Comune’ in un luogo inconsueto per la scienza.

Qui potete scaricare la locandina dell’evento.

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Tutti nell’onda. Insieme.

Ed eccomi qui, reduce da una interessante mattinata che, qui in Osservatorio, è stata integralmente dedicata alle onde gravitazionali, con una declinazione che ha compreso una parte più strettamente divulgativa, sviluppata con l’intento di poter essere offerta a tutti (anche al personale amministrativo, che è giusto e doveroso venga coinvolto in qualcosa che è strettamente connesso al loro operare quotidiano), e una scansione di alcuni seminari specifici, dedicati a vari aspetti di questo – possiamo ben dire – nuovo filone di ricerca. 

Non è questa la sede per una disamina dettagliata dei vari interventi, e dunque me ne asterrò, evitando anche di menzionare i nomi dei vari – e pur capaci – relatori. Questo perché il mio intento è altro rispetto ad una mera cronaca, ed è segnatamente quello di trasmettere il senso di eccitazione e di coinvolgimento a largo spettro, che ho potuto percepire in questa mattinata. E che, ripensandoci, posso articolare nel modo seguente.

Prima di tutto, un senso di eccitante mistero. Non è vero che la scienza è noiosa perché si conosce già tutto (vabbé, magari voi non lo pensate, ma io da più giovane invece lo pensavo eccome). E’ vero invece il contrario: la scienza è intrigante perché, nel complesso, è un territorio quasi vergine di esplorazione e scoperta. E le cose che non si sanno sono moltissime. 

Anche in questo caso. Anche in questo caso, cioè, siamo di fronte ad una miscela di ingradienti, miscela che sembra quasi calibrata ad arte per rendere l’impasto complessivo veramente saporito. C’è sicuramente la rilevazione di queste onde (non esattamente scoperta, è stato puntualizzato stamattina, perché segnali indiretti dell’esistenza di queste onde ce ne avevamo già). Questo è un fatto assodato che dà, potremmo dire, il gusto forte al nostro piatto.

Un approccio "nuovo" per un campo nuovo...

Un approccio “rinnovato” per un campo di indagine tutto nuovo…

C’è poi però anche quel sapore particolare, quel gusto che non puoi dire bene, perché ti sfugge… Sì, il gusto di qualcosa di non prevedibile, di non classificabile. Qualcosa che ti sorprende, perché non la conosci. Esatto. C’è il gusto delle cose che ancora non sappiamo, e possiamo sperare di conoscere. Che si declina in una serie di considerazioni, apparentemente, elementari. Si parte dalla localizzazione stessa della sorgente che ha emesso queste onde, sicuramente migliorabile quando altri rilevatori entreranno in funzione (per questioni elementari di “triangolazione cosmica”).

Si prosegue (perché l’appetito vien mangiando…) con lo studio del fenomeno in salsa – come si dice oggi tra noi scienziati -squisitamente multimessenger, ovvero dell’analisi delle implicazioni di tale accadimento su un ampio intervallo di fenomeni celesti a varie lunghezze d’onda, investigati a loro volta da diversi satelliti che risultano già a spasso per il cosmo. Questo è un campo veramente eccitante, perché mette insieme – finalmente – una serie di competenze e tecnologie che sono andate un po’ specializzandosi nel tempo, e magari separandosi, per un obiettivo comune e che richiede un forte senso e capacità di integrazione.

Si è visto assai bene stamattina: dalle teorie di evoluzione stellare (perché le stelle esplodono in supernova, generando i famosi buchi neri? Ancora oggi, non abbiamo modelli affidabili…) alle teorie sull’universo a grande scala (quanti eventi di questo tipo attendersi, in quali galassie?), questa ricerca abbraccia tutto e tutti, in modo naturale, non forzato.

Detto in altri termini (e questo mi sembra il messaggio forte che trasporta implicitamente l’onda), la richiesta che ci viene sempre più pressante dallo studio del cielo (… dal cielo stesso, potremmo azzardare a dire), è che per compiere ulteriori progressi bisogna che abbracciamo la iperspecializzazione moderna superandola allo stesso tempo in una nuova sintesi, che appaia sia concettuale che strettamente operativa. Questo stamattina lo si è visto bene, lo si è proprio assaggiato, per un mini-convegno che riuniva in maniera assolutamente naturale teorici ed osservativi, cosmologi ed evoluzionisti stellari, costruttori di teorie e costruttori di satelliti.

Tutti insieme in un compito, quello di dare vita alla nuova astrofisica gravitazionale, che – in pieno accordo con i tempi stessi della sua “apertura” – richiede un ancora inedito approccio relazionale alla disciplina stessa. Un approccio che – sin dalla necessità di una ampia, rapida e trasparente comunicazione degli eventi di questo tipo, perché vengano seguiti dal maggior numero di strumenti – superi le contrapposizioni e le rivalità tra singoli ricercatori e tra gruppi, e si appoggi ad una realistica e possibile collaborazione, che sia transnazionale e anche al di là di troppe e spesso aride iperspecializzazioni, come si sono andate formando nel tempo.

Questa onda ci sta sospingendo cioè verso un modo più maturo di essere scienziati. Un modo inevitabilmente più relazionale. Sembra che ci stia dicendo se non abbracciate questo nuovo approccio, non mi comprenderete appieno. 

Buffo, in un certo senso. Perché come la relatività è stata l’ultima grande opera di un uomo solo (che è arrivato fino alla previsione esatta di questi fenomeni, poi riscontrati dopo esattamente un secolo), così per abbracciare compiutamente le conseguenze ultime di tale teoria, per esplorare questa nuova finestra osservativa, dobbiamo essere in tanti, e dobbiamo necessariamente e fattivamente abituarci a collaborare.

Magari direte che esagero, ma a me piace pensarla così: che questa onda, dopo averci suggerito – o appena permesso di pensare – un modello di universo forse più amichevole e certamente più interessante, ci stia anche indicando un modello di approccio sicuramente più evoluto, più umanamente significativo. 

A noi cogliere il messaggio: a noi, dunque, cavalcare l’onda. 

Insieme.

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Un’onda nuova

Siamo abituati così, a lasciar scorrere la scienza così, appena accanto alle cose che ci interessano, di cui ci occupiamo giornalmente. Forse non una presenza scomoda, certo no. Però spesso ininfluente, nella vita quotidiana. Ci sono però momenti nei quali anche l’ambito solitamente ristretto ed impermeabile della ricerca, così usualmente ben confinato, deborda. E accade che improvvisamente i media si accorgano della quantità di persone e di risorse impiegate cercando di comprendere come funziona l’universo, nell’investigarne i meccanismi segreti, le dinamiche più riposte. Un anelito antichissimo, un tempo territorio del mito, oggi campo di indagine squisitamente razionale.

Dopo anni e anni impiegati nella affannosa caccia, nel pomeriggio del giorno 11 febbraio 2016 è stata finalmente annunciata la detezione delle famose onde gravitazionali. C’è un segnale, e sembra concreto.

Evidente che per noi astronomi sia un momento di esaltazione: in casi come questo avverto, lo confesso, il privilegio di sentire in modo palpabile l’eccitazione, percepirne l’onda affascinante ed elettrica, anche nei semplici dialoghi con i colleghi. E la confortante evidenza, a infrangere milioni di freddi universi di nonsenso (che l’anima troppe volte si trova a percorrere): può ancora succedere qualcosa, possiamo ancora stupirci. E’ indubbiamente confortante che il lavoro che faccio arrivi improvvisamente a trovare spazio in ambiti assolutamente inconsueti, come un telegiornale della sera. Ben vengano queste notizie, dunque. Ben vengano, se ci aiutano a pensare ai cieli sopra di noi.

Però forse c’è anche altro. Dietro questa scoperta si muovono anche cose più profonde, diverse e complementari rispetto alla mera registrazione dell’ennesimo progresso della ricerca scientifica, alla frettolosa celebrazione di un successo (anche) tecnologico.

Ma andiamo con ordine. Ovvero, stiamo al dato, così come ci si presenta.

E’ necessario infatti, per cogliere il punto che vorrei illustrare, percepire innanzitutto l’importanza propriamente scientifica di quanto è stato annunciato ieri.

E questa importanza scientifica c’è, c’è davvero tutta. Di cosa si tratta, in poche parole? Perché è importante aver trovato queste onde? Ebbene, si tratta di una corroborante conferma del fatto che il nostro modello interpretativo dell’universo, quello accettato dalla grandissima parte dei cosmologi e percolato ormai profondamente nel senso comune, funziona. Spiega bene la realtà.

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A ricevere conferma sperimentale (non certo la prima, ma una delle più eclatanti) è la stessa teoria della relatività generale di Albert Einstein, formulata esattamente un secolo fa. Difficile sopravvalutare l’importanza di tale formulazione teorica, davvero una cattedrale del pensiero dell’età moderna. L’ultima anche, ad essere stata edificata da un solo uomo: i grandi risultati successivi, come la meccanica quantistica – altra teoria epocale che ancora attende di essere compiutamente recepita – sono marcatamente risultati “di squadra”, impianti teorici elaborati dalla stretta collaborazione di molte persone.

Qui no. Questa cattedrale è stata costruita da un uomo solo. Un uomo, per giunta, completamente umano, non esente da grandi difetti e da limiti anche nell’ambito privato (come molte biografie ci hanno impietosamente indicato).

Ebbene, la teoria della relatività di Einstein prevede che si creino – in determinate circostanze – delle deformazioni del tessuto dello spazio tempo, capaci di propagarsi a grandissime distanze, proprio come onde. E’ una sorta di “radiazione gravitazionale”, che però genera episodi di particolare ampiezza (gli unici, del resto, che possiamo realisticamente sperare di rilevare empiricamente) solo in casi in cui delle ingenti masse modifichino in modo rapido la loro distribuzione. Tipico esempio, è quello della coalescenza di due buchi neri, che poi è proprio l’evento la cui rilevazione è stata annunciata il pomeriggio di giovedì 11 febbraio dal gruppo del rivelatore “Advanced LIGO” (per maggiori particolari vi rimando ad un post molto informativo su GruppoLocale.it).

Qui vorrei però esplorare alcuni aspetti che riguardano la nostra stessa concezione del mondo. Come interpretare allora questa notizia? Abbiamo appena ricevuto una conferma del fatto che non viviamo assolutamente in uno spazio cartesiano, in un universo imperturbabile o in un contenitore asettico, come ci viene sovente da pensare. Non siamo buttati dentro qualcosa che non si “piega” alla nostra mera presenza. Tutt’altro. Gli apparecchi più moderni questo indicano, che la semplice presenza di materia modifica la struttura dello spazio-tempo, lo fa vibrare come un’onda.

In altre parole, abbiamo una ulteriore preziosa conferma del fatto che l’universo, lungi dall’essere un asettico ed inossidabile contenitore di eventi, è invece una entità “viva” che interagisce e si modifica a seconda di quello che ospita, e di cosa avviene al suo interno. No, il cosmo non è affatto imperturbabile, il cosmo è tutt’uno con quanto avviene nel suo grembo. Vibra e si modifica per quanto avviene dentro di lui, ora ne siamo proprio certi. Potremmo vederlo come un universo “simpatetico”, che reagisce con quanto accade in lui, che vibra di quanto succede, nel modo in cui succede. In ultima analisi (così mi piace pensarlo, andando al senso etimologico della parola), che ha com-passione di quello che accade.

Estrapolazioni poetiche, se volete. Speculazioni metafisiche, davanti alle quali forse storcete il naso. No lo so. Quel che è certo è che non possiamo più pensare allo spazio e alle cose che vi accadono dentro, come entità distinte. Lo spazio, il tempo, gli eventi, la presenza stessa dell’uomo… ogni evidenza empirica non fa che sottolineare sempre più come queste entità che – per pigrizia e bassa energia mentale – ancora pensiamo separate, sono invece profondamente e misteriosamente interlacciate tra loro. Collegate, in modo inestricabile. Relazionate, in maniera inestirpabile.

Non se ne abbia a male Cartesio, ma la sua visione cosmologica è ormai sorpassata. Anzi, defunta. Con tutto quanto ne consegue anche sul lato culturale, e perfino spirituale. Aver aperto una nuova “finestra” di indagine sul cosmo, come sta avvenendo con la neonata astrofisica gravitazionale, non è senza conseguenze. Del resto, è sempre stato così: l’universo ci mostra volta per volta solo quello che siamo in grado di capire. La risposta è modulata, da sempre, sulla sapienza delladomanda.

Abbiamo appena aperto lo scrigno di un universo in cui è tutto davvero intimamente collegato, è tutto davvero in relazione. Ci stiamo lasciando alle spalle – grazie al cielo! – una concezione di corpi separati, divisi, ultimamente contrapposti (azione e reazione, forze uguali e contrarie), lascito fecondo ma drammatico della fisica e della cultura classica, nel suo massimo positivistico splendore. Dobbiamo però ancora capire cosa vuol dire entrare davvero in questo universo relazionale, anche in ambito umano. Dobbiamo lavorare per questo, superando resistenze fortissime.

Il vecchio universo (fuori e dentro di noi) infatti resiste accanitamente, ma è ogni giorno più rigido, più teso ed arrabbiato. Perché si sente il fiato sul collo, perché sta esaurendo il suo stesso spaziotempo, perché il suo gioco egoico è sempre più scoperto.

Per legare insieme le cose, per trovare un senso, non serve più la mutua collisione dei corpi, la ben nota dinamica che ne esaspera la distanza ed esprime, definendo (anche formalmente) ogni contatto ultimamente solo come un urto. L’energia che ne viene è energia malata, corrotta. Ci vuole qualcosa, Qualcuno, che leghi tutto insieme, che regali speranza.

Ci vuole un’onda, un’onda nuova.

Intervento pubblicato in data 15/2/2016 sul sito dell’associazione Darsi Pace.

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Osservate per la prima volta le onde gravitazionali con LIGO

A_long_time_agodi Umberto Genovese e Sabrina Masiero

… c’era una coppia di buchi neri, uno di circa 36 volte la massa del Sole mentre l’altro era un po’ più piccolo, di sole 29 masse solari. Questi due pesantissimi oggetti, attratti l’uno dall’altro in una mortale danza a spirale hanno finito per fondersi insieme, come una coppia di ballerini sul ghiaccio che si abbraccia in un vorticoso balletto. Il risultato però è un po’ diverso: qui ne è uscito un oggetto un po’ più piccolo della semplice somma algebrica delle masse: 62 masse solari soltanto.

Il resto è energia dispersa, non molta per la verità date le masse in gioco, pressappoco come quanta energia potrebbe emettere il Sole nell’arco di tutta la sua esistenza. Solo che questa è stata rilasciata in un singolo istante come “onde gravitazionali“.

Ma cos’è un’onda gravitazionale?

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La visione dello spazio che da sempre conosciamo è composta da tre uniche dimensioni, larghezza, altezza e profondità; x, y e z, se preferite. Il tempo, un fenomeno comunque misterioso, fino agli inizi del XX secolo era considerato a sé. Una visione – poi confermata dagli esperimenti di ogni tipo – fornitaci dalla Relatività Generale è che il tempo è in realtà una  dimensione anch’essa del tessuto dello spazio; una quarta dimensione. insieme alle altre tre [1].

Fino alla Relatività Generale di Einstein si era convinti che una medesima forza, la gravità, fosse responsabile sia della caduta della celebre mela apocrifa di Newton, che quella di costringere la Luna nella sua orbita attorno alla Terra e i pianeti nelle loro orbite attorno al Sole. Nella nuova interpretazione relativistica questa forza è invece vista come una manifestazione della deformazione di  uno spazio a quattro dimensioni, lo spazio-tempo, causata dalla massa degli oggetti. Così quando la mela cade, nella Meccanica Classica (essa è comunque ancora valida, cambia solo l’interpretazione dei fenomeni) la gravità esercitata dalla Terra attrae la mela verso di essa mentre allo stesso modo – e praticamente impercettibile – la Terra si muove verso la mela, nella Meccanica Relativistica è la mela che cade verso il centro di massa del pianeta esattamente come una bilia che rotola lungo un pendio e la Terra cade verso il centro di massa della mela nella stessa misura prevista dai calcoli newtoniani.

La conseguenza più diretta di questa nuova visione dello spazio-tempo unificato, è che esso è, per usare una metafora comune alla nostra esperienza, elastico; ossia si può deformare, stirare e comprimere. E un qualsiasi oggetto dotato di massa, se accelerato, può increspare lo spazio-tempo. Una piccola difficoltà: queste increspature dello spazio-tempo, o onde gravitazionali, sono molto piccole e deboli – la gravità è di gran lunga la più debole tra le forze fondamentali della natura –  tant’è che finora la sensibilità strumentale era troppo bassa per rivelarle.

Se volessimo cercare un’analogia con l’esperienza comune, potremmo immaginare lo spazio quadrimensionale come la superficie di un laghetto a due dimensioni, mentre la quarta dimensione, il tempo, è dato dall’altezza in cui si muovono le increspature dell’acqua. Qualora buttassimo un sassolino l’altezza della increspatura sarebbe piccola, ma man mano se scagliassimo pietre con maggior forza e sempre più grosse, le creste sarebbero sempre più alte. Però vedremmo anche che a distanze sempre più crescenti dall’impatto, queste onde scemerebbero di altezza e di energia, disperse dall’inerzia delle molecole d’acqua [2]; alcune potrebbero perdersi nel giro di pochi centimetri dall’evento che le ha  provocate, altre qualche metro e così via. Alcune, poche,  potrebbero giungere alla riva ed essere viste come una variazione di ampiezza nell’altezza del livello dell’acqua del laghetto e sarebbero quelle generate dagli eventi più potenti che avevamo prodotto in precedenza. Queste nello spazio quadrimensionale sono le onde gravitazionali e esse, siccome non coinvolgono mezzi dotati di una massa propria per trasmettersi come ad esempio il suono che è solo un movimento meccanico di onde trasmesse attraverso un mezzo materiale,  possono muoversi alla velocità più alta consentita dalla fisica relativistica c, detta anche velocità della luce nel vuoto.

Il grande protagonista: LIGO

E’ stato LIGO-Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (in italiano, Osservatorio Interferometro laser per onde gravitazionali) il protagonista di questa straordinaria scoperta: uno strumento formato da due strumenti gemelli, uno a Livingston (Louisiana) e l’altro a Hanford (Washington), a 3000 chilometri di distanza dal primo.

Sono due gli interferometri, perché i dati possono venir confrontati e confermati: se entrambi gli strumenti rilevano lo stesso disturbo, allora è improbabile che sia legato ad un terremoto oppure a dei rumori di attività umana. Il primo segnale che conferma l’esistenza delle onde gravitazionali è stato rilevato dallo strumento americano Ligo il 14 settembre 2015 alle 10, 50 minuti 45 secondi (ora italiana), all’interno di una finestra di appena 10 millisecondi.

David Reitze del progetto LIGO ha annunciato al mondo la scoperta delle onde gravitazionali: “We have detected gravitational waves. We did it!”. Crediti: LIGO

Ed eccole qui, in questo diagramma: l’onda azzurra, captata da LIGO di Livingston e l’onda arancio, captata da LIGO di Hanford. Sono sovrapponibili, il che ci dice che sono la stessa onda captata dai due strumenti gemelli. E’ la firma della fusione dei due buchi neri supermassicci con la conseguente produzione di onde gravitazionali. In altre parole, questa è la firma del nuovo buco nero che si è formato dai due precedenti e, come è accennato anche più sopra, le tre masse solari che mancano dalla somma delle due masse che si sono fuse assieme dando vita al nuovo buco nero di 62 masse solari si sono convertite in onde gravitazionali.

Volete udire il suono di un’onda gravitazionale? Sì, certo che è possibile…. E’ straordinario pensare che queste onde rappresentano la fusione di due buchi neri in uno nuovo e proviene da distanze incredibilmente grandi, in un’epoca altrettanto remota: un miliardo e mezzo di anni  fa.

Le prove indirette

Il decadimento orbitale delle due stelle di neutroni PSR J0737-3039 (qui evidenziato dalle croci rosse) corrisponde esattamente con la previsione matematica sulla produzione di onde gravitazionali.

Il decadimento orbitale delle due stelle di neutroni PSR J0737-3039 (qui evidenziato dalle croci rosse) corrisponde esattamente con la previsione matematica sulla produzione di onde gravitazionali.

La prima prova indiretta dell’esistenza delle onde gravitazionali si ebbe però nel 1974. In quell’estate, usando il radio telescopio di Arecibo, Portorico, Russel Hulse e Joseph Taylor scoprirono una pulsar che generava un segnale periodico di 59 ms, denominata PSR 1913+16. In realtà, la periodicità non era stabile e il sistema manifestava cambiamenti [3] dell’ordine di 80 microsecondi al giorno, a volte dell’ordine di 8 microsecondi in 5 minuti.

Questi cambiamenti furono interpretati come dovuti al moto orbitale della pulsar [4] attorno ad una stella compagna, come previsto dalla Teoria della Relatività Generale. Di conseguenza, due pulsar, in rotazione reciproca una attorno all’altra, emettono onde gravitazionali, in perfetta linea con la Relatività Generale. Per questi calcoli e considerazioni, Hulse e Taylor ricevettero nel 1993 il Premio Nobel per la fisica.

La presenza di una qualsivoglia stella compagna introduce delle variazioni periodiche facilmente rivelabili nel segnale pulsato della stella che i radioastronomi sono in grado di misurare con precisione inferiore ai 100 microsecondi. Giusto per farsi un’idea, immaginiamo di prendere il Sole e di farlo diventare una pulsar. Dal suo segnale pulsato, gli astronomi sarebbero in grado di rilevare la presenza di tutti i pianeti che orbitano attorno a questo Sole-pulsar, grazie al fatto che ogni pianeta causa uno spostamento del centro di massa del Sole di un certo valore espresso in microsecondi. La Terra per esempio, che si muove lungo la sua orbita ellittica, produce uno spostamento del centro di massa del Sole di ben 1500 microsecondi! [5]


Per saperne di più:

La prima pulsar doppia” articolo di Andrea Possenti dell’INAF-Osservatorio Astronomico di Cagliari, pubblicato sul numero di Le Stelle, marzo 2004.

La notizia, pubblicata sul Physical Review Letters, porta i nomi di B. P. Abbott e della collaborazione scientifica di LIGO e VIRGO

Note 

[1]  In realtà le cose sono un attimino più complicate, la quarta dimensione si può percorrere solo in una sola direzione (freccia del tempo) rispetto alle altre tre. Mentre nella Meccanica Quantistica è perfettamente lecito che una particella possa muoversi a ritroso nel tempo (Principio di Invarianza t.

[2] Anche qui occorre sottolineare che la posizione reciproca delle molecole non cambia al passaggio di un’onda, esse si muovono tutte assieme; per provare basta immergere due galleggianti e vedere come essi si comportano al passaggio di un’onda.

[3] [1. In un 1 microsecondo (µs) la luce percorre esattamente 299,792458 metri nel vuoto (questo numero è usato per la definizione del metro).

[4] Una pulsar è una stella dotata di campo magnetico estremamente elevato, circa 2 x 1011 volte il campo magnetico della Terra, una stella formata di neutroni con un raggio di 10-20 chilometri e una massa dell’ordine delle 1,4 masse solari (un po’ come pensare di prendere il nostro Sole e comprimerlo fino a farlo diventare di 20 chilometri di diametro). Il suo asse di rotazione non coincide con l’asse del campo magnetico, e le particelle relativistiche cariche presenti nella magnetosfera emettono radiazione elettromagnetica di sincrotrone focalizzata in uno stretto cono lungo i poli magnetici. Questo segnale elettromagnetico, proveniente da grande distanza e modulato dalla radiazione della stella, viene ricevuto a Terra sotto forma di impulsi elettromagnetici che hanno una ben precisa periodicità. Il sistema si comporta come un gigantesco e compatto volano. Alcune pulsar emettono con una regolarità ben definita da essere utilizzate come orologio di riferimento.

[5] Una lettura interessante su questa prima scoperta la potete trovare sul sito dell’INAF-IAFS di Milano.

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Trovate!

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Onde gravitazionali, il giorno della verità

Manca ormai circa un’oretta alla attesissima conferenza stampa nella quale si avranno delucidazioni su questa importante scoperta riguardante le onde gravitazionali, predette da molto tempo ma così elusive che finora sono riuscite a sfuggire ad ogni umano sforzo di detezione. 

Formalmente, la conferenza stampa richiama i giornalisti per un aggiornamento sullo stato della ricerca per le onde gravitazionali, così si può tradurre dalla pagina della collaborazione VIRGO che menziona l’appuntamento odierno.

Tutto comunque fa pensare che siamo ormai alle porte di un annuncio assolutamente clamoroso. Per dirla tutta, la fuga di notizie autorizza a ritenere con ottima probabilità che si sia proprio alla soglia dell’annuncio ufficiale di avvenute detezioni.

Così, se vi va, vi invitiamo a collegarvi per seguire in tempo reale questo annuncio che possiamo, senza troppa enfasi, definire storico. Tra i siti che rendono possibile essere lì, sia pur in maniera virtuale, ricordiamo il servizio offerto da MEDIA INAF, raggiungibile attraverso il suo canale streaming.

Per chi poi non passasse le sue serate chino sui testi di gravitazione e teoria dei campi (legittimo, legittimo…) e dunque non è esattamente cultore della materia, è sufficiente dire che tali impercettibili onde sono state predette da Einstein proprio un secolo fa, nell’ambito della teoria della relatività generale. E dunque riscontrarne adesso la presenza effettiva nello spazio, è una conferma importante, decisiva.


Perché poi, tutta questa importanza?

Complimenti. Bella domanda, anzi… ottima domanda.

Perché vuol dire che siamo un po’ più sicuri del fatto che il nostro modello di universo, la teoria che spiega una quantità innumerevole di fenomeni astronomici (anzi, di fenomeni fisici), è sostanzialmente corretta. Che dunque, per facile ma inevitabile estensione, il mondo fisico è veramente comprensibile, si fa comprendere, si lascia comprendere. Possiamo esplorarlo, capirlo, un poco alla volta.

albert-einstein-1167031_640E quello che sta per succedere oggi è anche qualcosa di più. Se ragioniamo sul fatto che – a detta di molti – la teoria della relatività generale è l’ultima grande teoria fisica elaborata sostanzialmente da un uomo solo (la meccanica quantistica, come sappiamo, è stato uno sforzo decisamente più collegiale), questo ha un ulteriore – corroborante – significato.

Ha il significato che un uomo, da solo (un uomo con tanti limiti umani, peraltro, come diverse biografie lucidamente ci hanno ricordato) può incidere profondamente nella scienza. O perfino nella storia. Un uomo da solo ha comunque un valore e una potenzialità enormi. Ognuno di noi.

Quello che sta per accadere oggi, in fondo, è importante anche per questo.

Per questa conferma, questa rassicurazione.

Anzi, è importante sopratutto per questo.

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Onde gravitazionali, gio 11 conferenza in streaming

Sono ormai appena una manciata di ore che ci separano dall’attesissimo annuncio di “importanti risultati” che riguardano la lunga epopea della ricerca delle onde gravitazionali. La tensione è montata così inesorabile, che ormai è più che lecito attendersi qualcosa che farà davvero clamore (peraltro le indiscrezioni ormai non solo non si fermano ma nemmeno si riescono più a contare… tanto che più che chiedersi cosa sarà annunciato, è quasi più interessante sapere come verrà fatto).

light-567760_640Stando comunque ai fatti concreti, ovvero al materiale che abbiamo adesso (e ai vari misteriosi ammiccamenti dei colleghi), ci sentiamo di consigliare vivamente gli interessati di non perdere la diretta della conferenza che si terrà domani, dalle 16.00, dal laboratorio VIRGO a Cascina, che sarà possibile seguire in streaming, durante la quale, come dice l’annuncio stesso, “saranno presentati importanti risultati relativi alla ricerca delle onde gravitazionali recentemente ottenuti dalla collaborazione LIGO-Virgo”

Se poi aveste ancora qualche dubbio, un salto su Twitter può sempre aiutare…

Nell’attesa, se avete appena un paio di minuti, vi consiglio questo bel video di MEDIA INAF, che su questo settore della ricerca, riesce a fare il punto in maniera precisa e accattivante, ed anche – e non è poco – apprezzabilmente concisa.

E domani si dovrebbe aprire un nuovo capitolo. Di una storia, peraltro, sempre più affascinante.

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