27 settembre 2021

Esteri

Il primo rilevamento diretto delle onde gravitazionali segna il suo sesto anniversario

Il 14 settembre 2015 ha segnato uno dei più grandi successi scientifici dell'umanità; l'osservazione diretta delle onde gravitazionali 100 anni dopo la previsione di Einstein

| Richard Brewer |

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| Richard Brewer |

onde gravitazionali di due buchi neri

Immagine: onde gravitazionali di due buchi neri in collisione convertite in onde sonore — credit LIGO

USA - 14 settembre 2021 - 6 anni fa oggi, il 14 settembre 2015 alle 01:50:45 Pacific Standard Time (09:50:45 UTC), la collaborazione scientifica LIGO ha osservato per la prima volta le onde gravitazionali dai buchi neri in collisione. La loro scoperta ha scosso il mondo ed è una delle più grandi conquiste scientifiche dell'umanità. Data l'importanza della scoperta, il team di LIGO ha passato mesi a convalidare le proprie analisi prima che l'annuncio fosse fatto l'11 febbraio 2016 confermando la teoria della Relatività Generale di Einstein e fornendo la prima prova diretta delle onde gravitazionali e della fusione di buchi neri un secolo dopo le previsioni fondamentali di Einstein.

L'annuncio di LIGO cade tra due centenari molto importanti: l'introduzione della Relatività Generale da parte di Einstein (novembre 1915) e la sua previsione dell'esistenza delle onde gravitazionali (giugno 1916). Einstein capì che le ampiezze delle onde gravitazionali sarebbero state notevolmente piccole; e c'era un dibattito significativo sulla loro realtà fisica. Einstein dubitava che saremmo mai stati in grado di osservarli perché il segnale sarebbe stato così debole. La tecnologia moderna lo ha cambiato

Tre fisici statunitensi hanno vinto il Premio Nobel per la Fisica 2017 per il loro lavoro di osservazione delle onde gravitazionali. Rainer Weiss del MIT e Kip Thorne e Barry Barish del CalTech.

Le prime onde gravitazionali osservate direttamente al mondo sono state create in una violenta collisione tra due buchi neri, a 1,3 miliardi di anni luce di distanza. Quando queste onde hanno superato la Terra si erano notevolmente indebolite: il disturbo nello spaziotempo misurato dall'Osservatorio Gravitazionale Interferometrico Laser (LIGO) era migliaia di volte più piccolo di un nucleo atomico.

1,3 miliardi di anni fa la violenta fusione dei due buchi neri ha rilasciato un impulso di onde gravitazionali con 50 volte la potenza di tutte le stelle dell'universo visibile messe insieme. Quando i buchi neri hanno sperimentato il loro ultimo tuffo insieme, si stavano girando intorno a circa la metà della velocità della luce. Nel frattempo sulla Terra i primi eucarioti, cellule con un nucleo, si sono evoluti, si sono diversificati e sono diventati più complessi.

Le onde, increspature dello spaziotempo analoghe alle increspature sulla superficie di uno stagno, si sono mosse senza impedimenti attraverso lo spazio raggiungendo il nostro super ammasso di galassie locale mentre i dinosauri vagavano per la Terra. Sono passati vicino alla galassia di Andromeda (distante 2,5 milioni di anni luce) quando è iniziata la nostra era glaciale.

Continuarono senza sosta, passando innumerevoli galassie, mentre sulla Terra le scimmie come gli antenati ominidi dell'Homo Sapiens uscivano dagli alberi, si alzavano in piedi e imparavano a usare gli strumenti e controllare il fuoco.

Quando stavamo dipingendo immagini nelle grotte di Lascaux, le onde sono passate attraverso l'alone di gas caldo che circonda la nostra galassia della Via Lattea. Iniziò l'era industriale: fu inventata la macchina a vapore e nel giugno 1916 Einstein teorizzò le onde gravitazionali.

Durante l'ultima frazione del viaggio di miliardi di anni dell'onda, gli scienziati hanno costruito LIGO, il dispositivo di misurazione più sensibile mai realizzato. L'onda si è avvicinata al pianeta Nettuno il 14 settembre 2015 a poche ore di distanza. Mentre passava il Sole, avevamo otto minuti di attesa.

Il 14 settembre 2015 alle 1:50:45 Pacific Standard Time (09:50:45 UTC), l'onda ha raggiunto la Terra. Arrivando prima a Livingston, Louisiana e 7 millisecondi dopo a Hanford, Washington, i bracci di LIGO hanno iniziato a oscillare, allungarsi e comprimersi mentre i computer registravano l'evento.

La frequenza dell'onda è iniziata lentamente, rivelando la spirale dei due buchi neri mentre si giravano l'un l'altro circa 17 volte al secondo. Quindi è aumentato rapidamente fino a 250 volte al secondo, emettendo un "cinguettio" quando i due si sono finalmente uniti e il segnale è caduto indicando la fine dell'evento. Gli scienziati hanno determinato che una coppia di 36 e 29 buchi neri di massa solare era diventata una bestia di 62 massa solare. La massa dei tre soli mancanti era stata trasformata in energia (Einstein's E=mc2) e portata via sotto forma di onde gravitazionali. La potenza prodotta durante quella conversione massa-energia ha superato quella di tutte le stelle nell'universo visibile messe insieme. Il segnale osservato corrispondeva quasi perfettamente a quello che i fisici si aspettavano da una fusione di buchi neri.

Ogni rivelatore ha la forma di una gigantesca L, con gambe lunghe circa 2,5 miglia (4 chilometri). Le gambe di ciascun rilevatore sono normalmente della stessa lunghezza, quindi i raggi laser impiegano la stessa quantità di tempo per viaggiare verso il basso ciascuno. Tuttavia, se le onde gravitazionali passano attraverso la Terra, facendo espandere e contrarre le gambe del rivelatore, gli orologi atomici possono rilevare le differenze di frazioni di secondo nel tempo necessario ai raggi laser per sfrecciare su una gamba del rivelatore rispetto all'altra ed è in grado di misurare un variazione di lunghezza 1/10.000 del diametro di un protone.

Le onde gravitazionali hanno allungato e schiacciato i 4 km di lunghezza dei due bracci di LIGO e la più piccola misurazione mai effettuata ha rivelato che le variazioni di lunghezza erano 4/1.000 del diametro di un protone.

L'astronomia delle onde gravitazionali era iniziata, aprendo una nuova strada per esplorare l'universo. Il campo dell'astronomia delle onde gravitazionali è stato aperto dalle osservazioni delle onde gravitazionali effettuate con rivelatori interferometrici attualmente utilizzati da LIGO negli Stati Uniti e dall'Osservatorio VIRGO di Cascina, in Italia, nonché dall'Osservatorio KAGRA recentemente completato in Giappone. Quella che una volta era solo la collaborazione scientifica LIGO è ora la collaborazione LIGO-Virgo-Kagra (LVK). Un altro balzo in avanti nell'astronomia delle onde gravitazionali.

Nei prossimi 20 anni la fisica delle onde gravitazionali sarà in grado di dare un contributo decisivo per rispondere ad alcune delle sfide più emozionanti e importanti della fisica, dell'astrofisica e della cosmologia odierne, come la natura della materia oscura e dell'energia oscura che pervadono il cosmo e forniscono nuove indizi su ciò che l'"impronta gravitazionale" dell'Universo primordiale potrebbe offrirci.

************** IN ENGLISH ***********

First Ever direct detection of Gravity Waves marks its 6th anniversary 14 September 2015 marked one of humanity’s greatest scientific achievements; the direct observation of Gravity Waves 100 years after Einstein’s prediction

USA - 14 September 2021 - 6 years ago today, on 14 September 2015 at 1:50:45 AM Pacific Standard Time (09:50:45 UTC), the LIGO Scientific Collaboration first observed gravitational waves from colliding black holes. Their discovery shook the world and is one of humanity’s greatest scientific achievements. Given the importance of the discovery, the LIGO team spent months validating their analyses before the announcement was made on 11 February 2016 confirming Einstein’s theory of General Relativity and providing the first direct evidence of gravitational waves and a black hole merger a century after the fundamental predictions of Einstein.

LIGO’s announcement fell between two very relevant centennials: Einstein’s introduction of General Relativity (November 1915) and his prediction of the existence of gravitational waves (June 1916). Einstein understood that gravitational-wave amplitudes would be remarkably small; and there was significant debate about their physical reality. Einstein doubted we would ever be able to observe them because the signal would be so weak. Modern Technology changed that.

Three U.S. physicists won the 2017 Nobel Prize in Physics for their work to observe gravitational waves. Rainer Weiss of MIT and Kip Thorne and Barry Barish of CalTech.

The world's first directly observed gravitational waves were created in a violent collision between two black holes, 1.3 billion light years away. When these waves passed the Earth they had weakened considerably: the disturbance in spacetime that the Laser Interferometric Gravitational Observatory (LIGO) measured was thousands of times smaller than an atomic nucleus.

1.3 billion years ago the violent merger of the two black holes released a pulse of gravitational waves with 50 times the power of all the stars in the visible universe combined. By the time the black holes experienced their final plunge together, they were circling each other at about half the speed of light. Meanwhile on Earth the first eucaryotes, cells with a nucleus, evolved, diversified and became more complex.

The waves, spacetime ripples analogous to ripples on the surface of a pond, moved unimpeded through space reaching our local super cluster of galaxies as dinosaurs roamed Earth. They passed near Andromeda galaxy (2.5 million light years distant) when our ice-age began.

They continued unabated, passing countless galaxies, while on Earth the ape like Hominid ancestors of Homo Sapiens exited the trees, stood upright and learned to use tools and control fire.

When we were painting pictures in the Lascaux caves, the waves passed through the halo of hot gas surrounding our Milky way galaxy. The industrial age began — the steam engine was invented, and in June 1916 Einstein theorized about gravitational waves.

During the final fraction of the wave’s billion year journey, scientists built LIGO, the most sensitive measuring device ever made. The wave neared planet Neptune 14 September 2015 only a few hours away. As it passed the Sun we had eight minutes to wait.

On 14 September 2015 at 1:50:45 AM Pacific Standard Time (09:50:45 UTC), the wave reached Earth. First arriving at Livingston, Louisiana and 7 milliseconds later at Hanford, Washington, the LIGO arms began to oscillate, stretching and compressing while computers recorded the event.

The frequency of the wave started slowly, revealing the spiraling in of the two black holes as they circled each other about 17 times a second. It then increased rapidly to 250 times a second, emitting a “chirp” as the two finally merged and the signal dropped off indicating the end of the event. Scientists determined that a pair of 36 and 29 solar-mass black holes had become one 62-solar-mass beast. The missing three suns’ worth of mass had been transformed into energy (Einstein’s E=mc2) and carried away in the form of gravity waves. The power output during that mass-energy conversion exceeded that of all the stars in the visible universe combined. The observed signal matched what physicists expected from a black hole merger almost perfectly.

Each detector is shaped like a gigantic L, with legs about 2.5 miles (4 kilometers) long. The legs of each detector are normally the same length, so laser beams take the same amount of time to travel down each. However, if gravitational waves pass through Earth — making the detector legs expand and contract —atomic clocks can detect the split-second differences in time it takes for laser beams to zip down one leg of the detector versus the other and is capable of measuring a length change 1/10,000 the diameter of a proton.

The gravitational waves stretched and squeezed the 4 km lengths of the two arms of LIGO and the tiniest measurement ever made revealed the length changes were 4/1,000 the diameter of a proton.

Gravitational wave astronomy had begun, opening a new avenue for exploring the universe. The field of gravitational-wave astronomy has been opened up by gravitational wave observations made with interferometric detectors currently used by LIGO in the United States and the VIRGO Observatory in Cascina, Italy as well as the recently completed KAGRA Observatory in Japan. What was once just the LIGO Scientific Collaboration is now the LIGO-Virgo-Kagra (LVK) collaboration. Another giant leap forward in gravitational wave astronomy.

Over the next 20 years gravitational wave physics will be able to make decisive contributions to answering some of the most exciting and important challenges in physics, astrophysics and cosmology today such as the nature of the dark matter and dark energy that pervade the cosmos and providing new clues as to what the 'gravitational fingerprint' of the early Universe might offer us.

 



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Richard Brewer

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