C’è un suono nello spazio, grazie alle onde gravitazionali
La fusione dei buchi neri è una classe di oggetti che crea onde gravitazionali di certe frequenze… e ampiezze. Grazie a rivelatori come LIGO, possiamo ‘sentire’ questi suoni mentre si verificano.
LIGO, NSF, A. Simonnet (SSU)
Si è detto a lungo che non c’è suono nello spazio, ed è vero, fino a un certo punto. Il suono convenzionale richiede un mezzo attraverso cui viaggiare, e viene creato quando le particelle si comprimono e si frantumano, facendo qualsiasi cosa, da un forte “bang” per un singolo impulso a un tono coerente per modelli ripetuti. Nello spazio, dove ci sono così poche particelle che qualsiasi segnale di questo tipo muore, anche i brillamenti solari, le supernove, le fusioni di buchi neri e altre catastrofi cosmiche tacciono prima di essere ascoltati. Ma c’è un altro tipo di compressione e rarefazione che non richiede altro che il tessuto dello spazio stesso per viaggiare: le onde gravitazionali. Grazie ai primi risultati positivi di LIGO, stiamo ascoltando l’Universo per la prima volta.
Due buchi neri in fusione. L’ispirazione fa sì che i buchi neri si uniscano, mentre… le onde gravitazionali portano via l’energia in eccesso. Lo spaziotempo di fondo viene distorto come risultato.
SXS, il progetto Simulating eXtreme Spacetimes (SXS) (http://www.black-holes.org)
Le onde gravitazionali erano qualcosa che doveva esistere perché la nostra teoria della gravità fosse coerente, secondo la Relatività Generale. A differenza della gravità di Newton, in cui due masse che orbitano l’una intorno all’altra rimarrebbero in quella configurazione per sempre, la teoria di Einstein prevedeva che per tempi abbastanza lunghi, le orbite gravitazionali decadessero. Per qualcosa come la Terra che orbita intorno al Sole, non si vivrebbe mai per sperimentarlo: ci vorrebbero 10^150 anni perché la Terra entri a spirale nel Sole. Ma per sistemi più estremi, come due stelle di neutroni che orbitano l’una attorno all’altra, potremmo effettivamente vedere le orbite decadere nel tempo. Per conservare l’energia, la teoria della gravità di Einstein ha predetto che l’energia deve essere portata via sotto forma di onde gravitazionali.
Quando due stelle di neutroni orbitano l’una intorno all’altra, la teoria della relatività generale di Einstein prevede il decadimento orbitale… e l’emissione di radiazioni gravitazionali. La prima è stata osservata molto precisamente per molti anni, come evidenziato da come i punti e la linea (previsione GR) corrispondono così bene.
NASA (L), Max Planck Institute for Radio Astronomy / Michael Kramer
Queste onde sono pazzescamente deboli, e i loro effetti sugli oggetti nello spaziotempo sono stupendamente piccoli. Ma se sai come ascoltarle – proprio come i componenti di una radio sanno ascoltare quelle onde luminose a lunga frequenza – puoi rilevare questi segnali e sentirli proprio come faresti con qualsiasi altro suono. Con un’ampiezza e una frequenza, non sono diversi da qualsiasi altra onda. La Relatività Generale fa previsioni esplicite su come dovrebbero suonare queste onde, e i segnali che generano le onde più grandi sono quelli più facili da rilevare. L’ampiezza più grande suona tutta? È il “cinguettio” di ispirazione e fusione di due buchi neri che entrano a spirale l’uno nell’altro.
Nel settembre del 2015, pochi giorni dopo che LIGO avanzato ha iniziato a raccogliere dati per la prima volta, è stato individuato un segnale grande e insolito. Ha sorpreso tutti, perché avrebbe trasportato così tanta energia in un breve scoppio di 200 millisecondi, che avrebbe superato tutte le stelle dell’Universo osservabile messe insieme. Eppure quel segnale si è rivelato robusto, e l’energia di quel burst proveniva da due buchi neri – di 36 e 29 masse solari – che si fondevano in uno solo di 62 masse solari. Quelle tre masse solari mancanti? Sono state convertite in pura energia: onde gravitazionali che increspano il tessuto dello spazio. Questo è stato il primo evento mai rilevato da LIGO.
Il segnale di LIGO della prima robusta rilevazione di onde gravitazionali. La forma d’onda non è solo… una visualizzazione; è rappresentativa di ciò che si sentirebbe realmente se si ascoltasse correttamente.
Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger B. P. Abbott et al., (LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration), Physical Review Letters 116, 061102 (2016)
Ora è passato oltre un anno, e LIGO è attualmente al suo secondo funzionamento. Non solo sono state rilevate altre fusioni tra buchi neri e buchi neri, ma il futuro dell’astronomia delle onde gravitazionali è luminoso, poiché nuovi rivelatori apriranno le nostre orecchie a nuovi tipi di suoni. Gli interferometri spaziali, come LISA, avranno linee di base più lunghe e sentiranno suoni a bassa frequenza: suoni come le fusioni di stelle di neutroni, buchi neri supermassicci in festa e fusioni con masse molto disuguali. Gli array di temporizzazione dei pulsar possono misurare anche frequenze più basse, come le orbite che impiegano anni per completarsi, come la coppia di buchi neri supermassicci: OJ 287. E combinazioni di nuove tecniche cercheranno le onde gravitazionali più antiche di tutte, le onde reliquia previste dall’inflazione cosmica, fino all’inizio del nostro universo.
Le onde gravitazionali generate dall’inflazione cosmica sono il segnale più lontano nel tempo che l’umanità può… concepire di rilevare potenzialmente. Collaborazioni come BICEP2 e NANOgrav possono indirettamente farlo nei prossimi decenni.
National Science Foundation (NASA, JPL, Keck Foundation, Moore Foundation, correlati) – Programma BICEP2 finanziato; modifiche di E. Siegel
C’è così tanto da sentire, e abbiamo appena iniziato ad ascoltare per la prima volta. Per fortuna, l’astrofisica Janna Levin – autrice del fantastico libro, Black Hole Blues and Other Songs from Outer Space – è pronta a tenere la conferenza pubblica al Perimeter Institute stasera, 3 maggio, alle 7 PM Eastern / 4 PM Pacific, e sarà trasmessa in live-streaming qui e live-blogged da me in tempo reale! Unitevi a noi per saperne di più su questo incredibile argomento, e non vedo l’ora di sentirla parlare.
Il live blog inizierà pochi minuti prima delle 16:00 del Pacifico; unitevi a noi qui e seguiteci!
La deformazione dello spaziotempo, nel quadro relativistico generale, da parte delle masse gravitazionali.
LIGO/T. Pyle
3:50 PM: Mancano dieci minuti all’inizio dello spettacolo, e per festeggiare, ecco dieci fatti divertenti (o quanti ne possiamo inserire) sulla gravità e sulle onde gravitazionali.
1.) Invece di “azione a distanza”, dove una forza invisibile viene esercitata tra masse, la relatività generale dice che la materia e l’energia deformano il tessuto dello spaziotempo, e che lo spaziotempo deformato è ciò che si manifesta come gravitazione.
2.) Invece di viaggiare a velocità infinita, la gravitazione viaggia solo alla velocità della luce.
3.) Questo è importante, perché significa che se si verificano dei cambiamenti nella posizione, nella configurazione, nel movimento, ecc. di un oggetto massiccio, i cambiamenti gravitazionali che ne derivano si propagano solo alla velocità della luce.
Simulazione al computer di due buchi neri che si fondono producendo onde gravitazionali.
Werner Benger, cc by-sa 4.0
3:54 PM: 4.) Questo significa che le onde gravitazionali, per esempio, possono propagarsi solo alla velocità della luce. Quando “rileviamo” un’onda gravitazionale, stiamo rilevando il segnale di quando quella configurazione di massa è cambiata.
5.) Il primo segnale rilevato da LIGO è avvenuto ad una distanza di circa 1,3 miliardi di anni luce. L’Universo era circa il 10% più giovane di oggi quando è avvenuta quella fusione.
Le onde gravitazionali sono delle increspature nello spaziotempo.
Osservatorio Gravitazionale Europeo, Lionel BRET/EUROLIOS
6.) Se la gravitazione viaggiasse a velocità infinita, le orbite planetarie sarebbero completamente instabili. Il fatto che i pianeti si muovano in ellissi intorno al Sole impone che, se la Relatività Generale è corretta, la velocità della gravità deve essere uguale alla velocità della luce con una precisione dell’1% circa.
3:57 PM: 7.) Ci sono molti, molti più segnali di onde gravitazionali di quelli che LIGO ha visto finora; abbiamo rilevato solo il segnale più facile da rilevare.
8.) Ciò che rende un segnale “facile” da vedere è una combinazione della sua ampiezza, cioè quanto può deformare una lunghezza di percorso, o una distanza nello spazio, così come la sua frequenza.
Un’illustrazione semplificata del sistema interferometrico laser di LIGO.
Collaborazione LIGO
9.) Poiché i bracci di LIGO sono lunghi solo 4 chilometri e gli specchi riflettono la luce migliaia di volte (ma non di più), ciò significa che LIGO può rilevare solo frequenze di 1 Hz o più veloci.
All’inizio di quest’anno, LIGO ha annunciato il primo rilevamento diretto di onde gravitazionali. Costruendo… un osservatorio di onde gravitazionali nello spazio, potremmo essere in grado di raggiungere le sensibilità necessarie per rilevare un segnale alieno intenzionale.
ESA / NASA e la collaborazione LISA
10.) Per i segnali più lenti, abbiamo bisogno di bracci di leva più lunghi e maggiori sensibilità, e questo significherà andare nello spazio. Questo è il futuro dell’astronomia delle onde gravitazionali!
4:01 PM: Ce l’abbiamo fatta! È ora di iniziare e di presentare Janna Levin! (Pronuncia “JAN-na”, non “YON-na”, se te lo stavi chiedendo.)
L’ispirazione e la fusione della prima coppia di buchi neri mai osservata direttamente.
B. P. Abbott et al. (LIGO Scientific Collaboration e Virgo Collaboration)
4:05 PM: Ecco il grande annuncio/scatto: la prima registrazione diretta della prima onda gravitazionale. Ci sono voluti 100 anni dopo che Einstein ha presentato per la prima volta la relatività generale, e lei sta facendo una registrazione! Assicuratevi di andare ad ascoltare! Cosa significa “sentire” un suono nello spazio, dopo tutto, e perché questo è un suono? Questo è lo scopo, dice, del suo discorso.
Le galassie Maffei 1 e Maffei 2, nel piano della Via Lattea, possono essere rivelate solo vedendo… attraverso la polvere della Via Lattea. Nonostante siano alcune delle grandi galassie più vicine di tutte, non sono state scoperte fino alla metà del XX secolo.
Missione WISE; NASA/JPL-Caltech/UCLA
4:08 PM: Se consideri quello che c’è là fuori nell’Universo, non avevamo modo di sapere nulla di tutto questo ai tempi di Galileo. Pensavamo alle macchie solari, a Saturno, ecc. ed eravamo completamente incapaci di concepire le grandi scale o distanze cosmiche. Dimenticatevi di “concepire altre galassie”, non avevamo concepito nulla di tutto questo!
4:10 PM: Janna sta mostrando uno dei miei video preferiti (che riconosco) dallo Sloan Digital Sky Survey! Hanno fatto un’indagine su 400.000 galassie tra le più vicine e le hanno mappate in tre dimensioni. Questo è l’aspetto del nostro (vicino) Universo, e come potete vedere, è davvero per lo più spazio vuoto!
Il (moderno) sistema di classificazione spettrale Morgan-Keenan, con la gamma di temperatura di ogni stella… classe mostrata sopra, in kelvin.
Wikimedia Commons user LucasVB, additions by E. Siegel
4:12 PM: Fa un punto davvero grande che lei sorvola completamente: solo circa 1 stella su 1000 diventerà mai un buco nero. Ci sono più di 400 stelle entro 30 anni luce da noi, e zero di loro sono stelle O o B, e zero di loro sono diventati buchi neri. Queste stelle più blu, più massicce e con la vita più breve sono le uniche che diventeranno buchi neri.
Il comportamento identico di una palla che cade a terra in un razzo accelerato (a sinistra) e sulla Terra… (a destra) è una dimostrazione del principio di equivalenza di Einstein.
Wikimedia Commons utente Markus Poessel, ritoccato da Pbroks13
4:15 PM: Quando si considera “da dove viene la teoria di Einstein”, Janna fa un grande punto: l’idea del principio di equivalenza. Se hai la gravità, potresti considerare che ti senti “pesante” sulla tua sedia, per esempio. Ma questa reazione che avete è la stessa reazione che avreste se steste accelerando, piuttosto che gravitando. Non è la gravità che senti, sono gli effetti della materia intorno a te!
4:17 PM: La band OKGO ha fatto un video volando nella cometa del vomito. Janna non può mostrare il tutto, con l’audio, per motivi di copyright, e lo consiglia vivamente. Per vostra fortuna, grazie a internet… eccolo qui! Godetevelo a vostro piacimento!
Per percorrere una volta l’orbita della Terra in un percorso intorno al Sole è un viaggio di 940 milioni di chilometri.
Larry McNish al RASC Calgary Centre
4:19 PM: C’è un’altra grande rivelazione per la gravità: il modo in cui capiamo come funzionano le cose viene dal guardare come le cose cadono. La Luna sta “cadendo” intorno alla Terra; Newton l’aveva capito. Ma la Terra sta cadendo intorno al Sole; il Sole sta “cadendo” intorno alla galassia; e gli atomi “cadono” qui sulla Terra. Ma la stessa regola vale per tutti, purché siano tutti in caduta libera. Incredibile!
I buchi neri sono qualcosa che l’Universo non è nato, ma che ha acquisito nel tempo. Essi… ora dominano l’entropia dell’Universo.
Ute Kraus, Physics education group Kraus, Universität Hildesheim; Axel Mellinger (background)
4:21 PM: Ecco una rivelazione divertente: smettete di pensare a un buco nero come materia collassata e schiacciata, anche se potrebbe essere così che ha avuto origine. Invece, pensatelo semplicemente come una regione di spazio vuoto con forti proprietà gravitazionali. In effetti, se tutto quello che si fa è assegnare una “massa” a questa regione di spazio, questo definirebbe perfettamente un buco nero di Schwarzschild (non carico, non rotante).
Il buco nero supermassiccio (Sgr A*) al centro della nostra galassia è avvolto da un ambiente polveroso, gassoso… Le osservazioni a raggi X e infrarossi possono parzialmente vedere attraverso di esso, ma le onde radio potrebbero finalmente essere in grado di risolverlo direttamente.
Osservatorio Chandra X-Ray della NASA
4:23 PM: Se si dovesse cadere in un buco nero della massa del Sole, si avrebbe circa un microsecondo, da quando si attraversa l’orizzonte degli eventi (secondo Janna) fino a quando si viene schiacciati a morte nella singolarità. Questo è coerente con quello che ho calcolato una volta, dove, per il buco nero al centro della Via Lattea, avremmo circa 10 secondi. Dal momento che il buco nero della Via Lattea è 4.000.000 volte più massiccio del nostro Sole, i conti tornano!
Joseph Weber con il suo primo rivelatore di onde gravitazionali, noto come una barra Weber.
Collezioni speciali e archivi universitari, biblioteche dell’Università del Maryland
4:26 PM: Come faresti a rilevare un’onda gravitazionale? Onestamente, sarebbe come essere sulla superficie dell’oceano; ti muoveresti su e giù lungo la superficie dello spazio, e c’è stata una grande discussione nella comunità sul fatto che queste onde fossero reali o meno. Fu solo quando Joe Weber arrivò e decise di provare a misurare queste onde gravitazionali, usando un dispositivo fenomenale – una barra di alluminio – che vibrava se un’onda increspata “pizzicava” la barra molto leggermente.
Weber vide molti di questi segnali che identificò con le onde gravitazionali, ma questi, purtroppo, non furono mai riprodotti o verificati. Egli era, per tutta la sua intelligenza, non un sperimentatore molto attento.
4:29 PM: C’è una bella domanda di Jon Groubert su twitter: “Ho una domanda su qualcosa che ha detto – c’è qualcosa dentro un buco nero, vero? Come una stella di neutroni pesante”. Ci dovrebbe essere una singolarità, che è o puntiforme (per una singolarità non rotante) o un anello unidimensionale (per una rotante), ma non materia condensata, collassata, tridimensionale.
Perché no?
Perché per rimanere come struttura, una forza deve propagarsi ed essere trasmessa tra particelle. Ma le particelle possono trasmettere forze solo alla velocità della luce. Ma niente, nemmeno la luce, può muoversi “verso l’esterno” verso l’uscita di un buco nero; tutto si muove verso la singolarità. E così niente può reggersi, e tutto collassa nella singolarità. Triste, ma la fisica lo rende inevitabile.
Da sinistra a destra: i due rivelatori LIGO (a Hanford e Livingston, USA) e il rivelatore Virgo… (Cascina, Italie).
© Laboratorio LIGO (prime due immagini) e Virgo / Nicola Baldocchi 2015
4:32 PM: Dopo i fallimenti (e la caduta di fama) di Weber, l’idea di LIGO è arrivata da Rai Weiss negli anni ’70. Ci sono voluti più di 40 anni perché LIGO si realizzasse (e più di 1.000 persone per realizzarlo), ma la cosa più fantastica era che era sperimentalmente possibile. Facendo due bracci di leva molto lunghi, si poteva vedere l’effetto di un’onda gravitazionale di passaggio.
4:34 PM: Questo è il mio video preferito che illustra cosa fa un’onda gravitazionale. Muove lo spazio stesso (e ogni cosa in esso) avanti e indietro di una piccola quantità. Se hai un interferometro laser impostato (come LIGO), può rilevare queste vibrazioni. Ma se tu fossi abbastanza vicino e le tue orecchie fossero abbastanza sensibili, potresti sentire questo movimento nel tuo timpano!
4:35 PM: Ho delle ottime cuffie, Perimetro, ma purtroppo non riesco a sentire i diversi segnali del modello di onde gravitazionali che Janna sta riproducendo!
L’osservatorio LIGO Hanford per il rilevamento delle onde gravitazionali nello stato di Washington, USA.
Caltech/MIT/LIGO Laboratory
4:38 PM: È divertente pensare che questo è il vuoto più avanzato del mondo, all’interno dei rivelatori LIGO. Eppure uccelli, ratti, topi, ecc. sono tutti lì sotto, e si fanno strada a morsi fin quasi alla camera a vuoto che la luce attraversa. Ma se il vuoto fosse stato rotto (è costante dal 1998), l’esperimento sarebbe finito. In Louisiana, i cacciatori hanno sparato alle gallerie del LIGO. È terrificante quanto sensibile e costosa sia questa attrezzatura, ma anche quanto sia fragile il tutto.
4:41 PM: Janna sta facendo davvero un ottimo lavoro nel raccontare questa storia in modo suspense ma molto umano. Abbiamo visto solo le ultime orbite di due buchi neri orbitanti, drasticamente rallentate nel filmato di cui sopra. Erano distanti solo poche centinaia di chilometri, quelle quattro orbite finali hanno richiesto 200 millisecondi, ed è la totalità del segnale che LIGO ha visto.
4:43 PM: Se hai problemi ad ascoltare/sentire gli eventi nel discorso, ascolta questo video (sopra), sia in tono naturale che in tono aumentato. I buchi neri più piccoli (all’incirca 8 e 13 masse solari) del 26 dicembre 2015 sono sia più silenziosi che più alti di quelli più grandi (29 e 36 masse solari) del 14 settembre dello stesso anno.
4:46 PM: Solo una piccola correzione: Janna dice che questo è stato l’evento più potente mai rilevato dal Big Bang. E questo è vero solo tecnicamente, a causa dei limiti della nostra rilevazione.
Quando abbiamo delle fusioni di buchi neri, circa il 10% della massa del buco nero meno massiccio in una coppia di fusione viene convertito in energia pura attraverso la E = mc2 di Einstein. 29 masse solari sono tante, ma ci saranno buchi neri di centinaia di milioni o addirittura miliardi di masse solari che si sono fusi insieme. E ne abbiamo la prova.
Il segnale del buco nero binario più massiccio mai visto: OJ 287.
S. Zola & NASA/JPL
4:49 PM: Questo è OJ 287, dove un buco nero di 150 milioni di massa solare orbita intorno a un buco nero di ~18 miliardi di massa solare. Ci vogliono 11 anni per un’orbita completa, e la Relatività Generale prevede una precessione di 270 gradi per orbita qui, rispetto ai 43 secondi d’arco per secolo per Mercurio.
4:51 PM: Janna ha fatto un lavoro incredibile finendo in tempo; non ho mai visto un discorso di un’ora finire dopo 50 minuti in una conferenza pubblica del Perimetro. Wow!
La Terra vista da un composto di immagini satellitari della NASA dallo spazio nei primi anni 2000.
NASA / Blue Marble Project
4:52 PM: Cosa accadrebbe se la Terra venisse risucchiata in un buco nero? (D& Una domanda di Max.) Anche se Janna sta dando un’ottima risposta, vorrei far notare che, dal punto di vista delle onde gravitazionali, la Terra verrebbe fatta a pezzi, e otterremmo un segnale d’onda “spalmato”, che sarebbe un segnale molto più rumoroso e statico. Una volta che la Terra venisse inghiottita, l’orizzonte degli eventi crescerebbe solo un po’, poiché un extra di tre milionesimi di massa solare aumenterebbe il raggio del buco nero solo di quella piccola quantità corrispondente.
4:55 PM: Che discorso divertente, una grande e scattante sessione di Q&A, e una grande esperienza nel complesso. Godetevela ancora e ancora, perché il video del discorso è ora incorporato come permalink. E grazie per esservi sintonizzati!