Molto tempo fa, nel profondo dello spazio, due enormi buchi neri—i campi gravitazionali ultrastrong lasciati da stelle gigantesche che sono collassate in punti infinitesimali—lentamente si sono uniti. I fantasmi stellari si avvicinarono sempre di più, fino a quando, circa 1,3 miliardi di anni fa, girarono l’uno sull’altro a metà della velocità della luce e infine si fusero., La collisione ha mandato un brivido attraverso l’universo: increspature nel tessuto dello spazio e del tempo chiamate onde gravitazionali. Cinque mesi fa, hanno attraversato la Terra. E, per la prima volta, i fisici hanno rilevato le onde, compiendo una ricerca di 4 decenni e aprendo nuovi occhi sui cieli.,

Ecco la prima persona a posto quelle onde gravitazionali

La scoperta segna un trionfo per il 1000 fisici con il Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO), un paio di giganteschi strumenti a Hanford, Washington, e Livingston, Louisiana. Le voci del rilevamento erano circolate per mesi. Oggi, in una conferenza stampa a Washington, DC, il team LIGO lo ha reso ufficiale. “Ce l’abbiamo fatta!,”dice David Reitze, un fisico e direttore esecutivo LIGO presso il California Institute of Technology (Caltech) a Pasadena. “Tutte le voci che girano intorno là fuori ha ottenuto la maggior parte di esso a destra.”

Albert Einstein predisse l’esistenza delle onde gravitazionali 100 anni fa, ma rilevarle direttamente richiedeva abilità tecnologiche da capogiro e una storia di caccia. (Vedi una cronologia qui sotto della storia della ricerca di onde gravitazionali.,) I ricercatori di LIGO hanno percepito un’onda che allungava lo spazio di una parte nel 1021,rendendo l’intera Terra espandersi e contrarsi di 1/100.000 di un nanometro, circa la larghezza di un nucleo atomico. L’osservazione mette alla prova la teoria della gravità di Einstein, la teoria generale della relatività, con un rigore senza precedenti e fornisce la prova positiva che esistono buchi neri. ” Vincerà un premio Nobel”, afferma Marc Kamionkowski, teorico della Johns Hopkins University di Baltimora, nel Maryland.,

LIGO guarda per un minuscolo allungamento dello spazio con ciò che equivale a righelli ultraprecise: due aggeggi a forma di L chiamati interferometri con braccia lunghe 4 chilometri. Gli specchi alle estremità di ciascun braccio formano una lunga “cavità risonante”, in cui la luce laser di una lunghezza d’onda precisa rimbalza avanti e indietro, risuonando proprio come il suono di uno specifico pitch rings in un tubo d’organo. Dove le braccia si incontrano, le due travi possono sovrapporsi. Se hanno percorso diverse distanze lungo le braccia, le loro onde finiranno fuori passo e interferiranno l’una con l’altra., Ciò farà sì che parte della luce si defluisca attraverso un’uscita chiamata porta oscura in sincronia con le ondulazioni dell’onda.

Dall’interferenza, i ricercatori possono confrontare le lunghezze relative dei due bracci entro 1/10.000 la larghezza di un protone—abbastanza sensibilità per vedere un’onda gravitazionale che passa mentre allunga le braccia di quantità diverse. Per individuare spostamenti così piccoli, tuttavia, gli scienziati devono smorzare vibrazioni come il rombo delle onde sismiche, il trambusto del traffico e lo schianto delle onde su coste lontane.,

il 14 settembre 2015, 9:50:45 tempo universale—4:50 del mattino, nella Louisiana e 2:50 ore a Washington—LIGO sistemi automatizzati rilevato solo un segnale. L’oscillazione è emersa ad una frequenza di 35 cicli al secondo, o Hertz, e ha accelerato fino a 250 Hz prima di scomparire 0,25 secondi dopo. La frequenza crescente, o cinguettio, strambi con due corpi massicci a spirale l’uno nell’altro. Il 0.,007-secondo ritardo tra i segnali in Louisiana e Washington è il momento giusto per un’onda velocità della luce zippare attraverso entrambi i rivelatori.

Il segnale supera lo standard di significatività statistica “five-sigma” che i fisici usano per rivendicare una scoperta, riferiscono i ricercatori LIGO in un documento che dovrebbe essere pubblicato su Physical Review Letters in concomitanza con la conferenza stampa. E ‘ così forte che può essere visto nei dati grezzi, dice Gabriela González, un fisico presso la Louisiana State University, Baton Rouge, e portavoce per la collaborazione scientifica LIGO., “Se si filtrano i dati, il segnale è ovvio per gli occhi”, dice.

Il confronto con le simulazioni al computer rivela che l’onda proveniva da due oggetti 29 e 36 volte più massicci del sole a spirale entro 210 chilometri l’uno dall’altro prima di fondersi. Solo un buco nero-che è fatto di pura energia gravitazionale e ottiene la sua massa attraverso la famosa equazione di Einstein E=mc2—può confezionare così tanta massa in così poco spazio, dice Bruce Allen, un membro LIGO al Max Planck Institute for Gravitational Physics di Hannover, in Germania., L’osservazione fornisce la prima prova per i buchi neri che non dipende dalla visione di gas caldo o stelle turbinano intorno a loro a distanze molto maggiori. ” Prima, potresti discutere in linea di principio se esistono o meno buchi neri”, dice Allen. “Ora non puoi.”

La collisione ha prodotto un’esplosione sorprendente e invisibile. La modellazione mostra che il buco nero finale ammonta a 62 masse solari—3 masse solari inferiori alla somma dei buchi neri iniziali. La massa mancante svanì nella radiazione gravitazionale – una conversione di massa in energia che fa apparire una bomba atomica come una scintilla., ” Per un decimo di secondo brilla più luminoso di tutte le stelle in tutte le galassie”, dice Allen. “Ma solo nelle onde gravitazionali.”

Altre esplosioni stellari chiamate lampi di raggi gamma possono anche eclissare brevemente le stelle, ma la fusione esplosiva di buchi neri stabilisce un record sconvolgente, dice Kip Thorne, un teorico gravitazionale al Caltech che ha svolto un ruolo di primo piano nello sviluppo di LIGO. ” È di gran lunga l’esplosione più potente che gli esseri umani abbiano mai rilevato tranne che per il big bang”, dice.

Per 5 mesi, i fisici di LIGO hanno lottato per mantenere un coperchio sulla loro scoperta pupante., Normalmente, la maggior parte dei membri del team non avrebbe saputo se il segnale era reale. LIGO sale regolarmente le sue letture di dati con falsi segnali segreti chiamati “iniezioni cieche” per testare l’apparecchiatura e mantenere i ricercatori sulle loro punte. Ma il 14 settembre 2015, quel sistema di iniezione cieco non era in esecuzione. I fisici avevano solo di recente completato un 5-anno, upgrade 205 milioni di aggiornamento delle macchine, e diversi sistemi—tra cui il sistema di iniezione—erano ancora offline come il team liquidata una preliminare “corsa di ingegneria.” Di conseguenza, l’intera collaborazione sapeva che l’osservazione era probabilmente reale., ” Quel giorno ero convinto”, dice González.

Tuttavia, i fisici di LIGO hanno dovuto escludere ogni alternativa, inclusa la possibilità che la lettura fosse una bufala malevola. ” Abbiamo trascorso circa un mese a guardare i modi in cui qualcuno poteva falsificare un segnale”, dice Reitze, prima di decidere che era impossibile. Per González, fare i controlli “era una responsabilità pesante”, dice. “Questo è stato il primo rilevamento di onde gravitazionali, quindi non c’era spazio per un errore.,”

Dimostrare che le onde gravitazionali esistono potrebbe non essere l’eredità più importante di LIGO, poiché ci sono state prove indirette convincenti per loro. Nel 1974, gli astronomi statunitensi Russell Hulse e Joseph Taylor scoprirono una coppia di stelle di neutroni a emissione radio chiamate pulsar orbitanti l’una intorno all’altra. Cronometrando le pulsar, Taylor e il collega Joel Weisberg hanno dimostrato che stanno lentamente a spirale l’una verso l’altra—come dovrebbero se stanno irradiando onde gravitazionali.

È di gran lunga l’esplosione più potente che gli esseri umani abbiano mai rilevato tranne che per il big bang.,

È la prospettiva della scienza che potrebbe essere fatta con le onde gravitazionali che eccita davvero i fisici. Ad esempio, dice Kamionkowski, il teorico della Johns Hopkins, il primo risultato LIGO mostra il potere di tale radiazione di rivelare oggetti astrofisici invisibili come i due buchi neri sfortunati. ” Questo apre una nuova finestra su questa vasta popolazione di resti stellari che sappiamo essere là fuori, ma di cui abbiamo visto solo una piccola frazione”, dice.

L’osservazione apre anche la strada per testare la relatività generale come mai prima, dice Kamionkowski., Fino ad ora, i fisici hanno studiato la gravità solo in condizioni in cui la forza è relativamente debole. Studiando le onde gravitazionali, ora possono esplorare condizioni estreme in cui l’energia nel campo gravitazionale di un oggetto rappresenta la maggior parte o tutta la sua massa—il regno di forte gravità finora esplorato dai soli teorici.

Con la fusione del buco nero, la relatività generale ha superato il primo test di questo tipo, dice Rainer Weiss, un fisico del Massachusetts Institute of Technology (MIT) di Cambridge, che ha avuto l’idea originale per LIGO. ” Le cose che calcoli dalla teoria di Einstein sembrano esattamente come il segnale”, dice. “Per me, questo è un miracolo.”

Il rilevamento delle onde gravitazionali segna il culmine di una ricerca decennale iniziata nel 1972, quando Weiss scrisse un documento che delinea il progetto di base di LIGO., Nel 1979, la National Science Foundation ha finanziato lavori di ricerca e sviluppo sia al MIT che al Caltech, e la costruzione di LIGO è iniziata nel 1994. I instruments 272 milioni di strumenti hanno iniziato a prendere i dati nel 2001, anche se non è stato fino a quando l’aggiornamento che i fisici si aspettavano un segnale.

Se la scoperta di LIGO merita un premio Nobel, chi dovrebbe riceverlo? Gli scienziati dicono che Weiss è uno shoo-in, ma lui demurs. ” Non mi piace pensarlo”, dice. “Se vince un premio Nobel, non dovrebbe essere per il rilevamento delle onde gravitazionali. Hulse e Taylor l’hanno fatto.,”Molti ricercatori dicono che altri degni destinatari includerebbero Ronald Drever, il primo direttore del progetto al Caltech che ha dato contributi chiave al design di LIGO, e Thorne, il teorico del Caltech che ha sostenuto il progetto. Thorne obietta anche. ” Le persone che meritano davvero il merito sono gli sperimentatori che hanno tirato fuori questo, a partire da Rai e Ron”, dice.

Nel frattempo, altri rilevamenti potrebbero arrivare rapidamente. I ricercatori LIGO stanno ancora analizzando i dati dalla loro prima esecuzione osservando con i loro rivelatori aggiornati, che si è conclusa 12 gennaio, e hanno in programma di iniziare a prendere di nuovo i dati nel mese di luglio., Una squadra in Italia spera di accendere il suo rivelatore VIRGO ricostruito-un interferometro con bracci di 3 chilometri—entro la fine dell’anno. I fisici attendono con impazienza la prossima ondata.

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