Il 14 settembre 2015 due rivelatori negli Stati Uniti registrarono un segnale durato appena due decimi di secondo. Trasformato in suono, somigliava a un breve cinguettio, una nota che sale rapidamente di tono. Era il rumore di due buchi neri che, a 1,3 miliardi di anni luce da noi, si erano fusi in uno solo. Per la prima volta l'umanità aveva "ascoltato" le onde gravitazionali, previste da Einstein un secolo prima.
Increspature dello spazio-tempo
Secondo la relatività generale, la massa deforma lo spazio-tempo, come raccontato nell'articolo sull'eclissi del 1919. Quando masse enormi si muovono in modo accelerato, per esempio due buchi neri che orbitano uno attorno all'altro, producono increspature che si propagano alla velocità della luce, come le onde su uno stagno. Sono le onde gravitazionali.
Al loro passaggio, lo spazio si allunga in una direzione e si accorcia in quella perpendicolare, in modo ritmico. L'effetto è piccolissimo: le onde di GW150914, il primo evento, hanno cambiato la distanza tra gli specchi dei rivelatori, lunghi 4 chilometri, di meno di un millesimo del diametro di un protone. Einstein stesso pensava che non sarebbe mai stato possibile misurarle.
Come si ascoltano
I rivelatori di onde gravitazionali sono interferometri: un fascio laser viene diviso in due e inviato lungo due bracci perpendicolari, lunghi alcuni chilometri, dove si riflette su specchi sospesi e torna indietro. I due fasci vengono poi ricombinati. Se un'onda gravitazionale allunga un braccio e accorcia l'altro, i fasci non tornano più perfettamente sincronizzati, e il rivelatore registra la differenza.
Gli Stati Uniti hanno due rivelatori LIGO, a Hanford, nello stato di Washington, e a Livingston, in Louisiana. In Italia, a Cascina, vicino a Pisa, si trova Virgo, con bracci di 3 chilometri, costruito da una collaborazione italo-francese e oggi europea. In Giappone c'è KAGRA, sotterraneo. Usare più rivelatori lontani tra loro permette di confermare i segnali e di individuare la direzione da cui arrivano.
Perché "cinguettano"
Due buchi neri in orbita reciproca perdono energia emettendo onde gravitazionali, e così si avvicinano a spirale, girando sempre più velocemente. La frequenza delle onde aumenta, e aumenta anche la loro ampiezza, fino al momento della fusione. Trasformato in suono, questo segnale diventa una nota che sale rapidamente di tono e di volume, e poi si spegne: il chirp, il cinguettio. Dalla forma precisa del segnale si ricavano le masse dei due oggetti, la loro rotazione e la distanza.
Nel caso di GW150914 i due buchi neri avevano circa 36 e 29 masse solari. Il buco nero finale ne aveva 62: le tre masse solari mancanti erano state convertite in energia sotto forma di onde gravitazionali, in una frazione di secondo. Per un istante, l'evento ha emesso più potenza di tutte le stelle dell'universo osservabile messe insieme.
Un Nobel e un catalogo
La scoperta fu annunciata nel febbraio 2016 e nel 2017 valse il premio Nobel per la fisica a Rainer Weiss, Barry Barish e Kip Thorne, tra i fondatori di LIGO. Nello stesso anno fu osservata la prima fusione di due stelle di neutroni, accompagnata da un lampo di luce, come racconta l'articolo sulle kilonove.
Da allora gli eventi si sono moltiplicati. Nel 2020 la collaborazione LIGO-Virgo pubblicò un catalogo con 39 nuovi eventi raccolti in sei mesi, tra cui alcuni sorprendenti: GW190814, la fusione tra un buco nero e un oggetto di 2,6 masse solari, troppo pesante per essere una stella di neutroni e troppo leggero per essere un buco nero conosciuto; e GW190521, che ha prodotto il primo buco nero di massa intermedia osservato con le onde gravitazionali, come racconta l'articolo sui buchi neri di taglia media. Oggi gli eventi registrati sono diverse centinaia.
Buchi neri "giovani"
Molti dei buchi neri osservati con le onde gravitazionali sono di massa stellare, relativamente piccoli e "giovani" rispetto ai giganti che abitano il centro delle galassie. Studiarli permette di capire come muoiono le stelle massicce, come si formano le coppie di buchi neri e quanto spesso si scontrano. Alcuni ricercatori ipotizzano che una parte possa essere di origine primordiale, formata subito dopo il Big Bang.
Il futuro: Einstein Telescope e LISA
La prossima generazione di rivelatori sarà molto più sensibile. In Europa è in preparazione l'Einstein Telescope, un rivelatore sotterraneo a forma di triangolo con bracci di 10 chilometri. Tra i siti candidati c'è l'area della miniera dismessa di Sos Enattos, in Sardegna, una delle zone più silenziose d'Europa dal punto di vista sismico. L'ESA prepara invece LISA, tre satelliti distanti milioni di chilometri, che ascolteranno le onde prodotte dai buchi neri supermassicci.
Per approfondire si può consultare la voce Gravitational wave su Wikipedia in inglese. Altri articoli si trovano nella sezione Astronomia.
