Le onde gravitazionali – le increspature invisibili nel tessuto dello spazio previste da Albert Einstein – stanno aprendo una nuova era dell'astronomia che sta permettendo agli scienziati di vedere parti dell'universo un tempo ritenute invisibili, come i buchi neri, materia oscura e particelle subatomiche teoriche chiamate assioni.

Quasi 100 anni dopo che Einstein aveva predetto la loro esistenza come parte della sua teoria della relatività generale, Le onde gravitazionali sono state rilevate per la prima volta nel 2015 dagli scienziati che lavoravano al Laser Interferometer Gravitational Waves Observatory (LIGO), guadagnando loro il premio Nobel per la fisica.

I deboli disturbi rilevati dallo strumento gigante sono stati creati da due buchi neri che si scontrano l'uno con l'altro a 1,3 miliardi di anni luce dalla Terra. Quando questi due oggetti super pesanti si scontrarono, deformarono lo spazio e il tempo.

"La deformazione si propaga come le increspature di un lago, " ha spiegato il professor Paolo Pani, un fisico teorico alla Sapienza Università di Roma, Italia. "Queste sono onde gravitazionali."

Tutti gli oggetti con massa creeranno il proprio leggero tuffo nel tessuto dello spaziotempo, creando ciò che chiamiamo gravità. Ma solo eventi catastrofici che coinvolgono gli oggetti più pesanti, come buchi neri e stelle di neutroni, può creare onde gravitazionali abbastanza grandi da essere rilevate sulla Terra. Si irradiano attraverso l'universo alla velocità della luce, attraversando quasi tutto sul loro cammino.

Ma la capacità di rilevare queste onde ora fornisce anche agli astronomi nuovi modi di guardare l'universo. Il prof. Pani sta guidando il progetto DarkGRA nel tentativo di utilizzare le onde gravitazionali per sondare alcuni dei più grandi misteri dell'universo, tra cui pesanti stelle esotiche, materia oscura e buchi neri stessi.

In precedenza gli astrofisici sono stati costretti a dedurre la presenza di buchi neri osservando il comportamento del materiale che li circonda. Pensato per essere i resti super pesanti di stelle collassate, la gravità che producono è così grande che nemmeno la luce sfugge. Tutto ciò che passa il confine di un buco nero, noto come orizzonte degli eventi, rimane lì.

"Questo è il motivo per cui non possiamo vedere i buchi neri, “ ha detto il prof. Pani. “Invece vediamo un'assenza di luce da loro. I buchi neri sono ancora un grande mistero".

Onde gravitazionali, però, stanno permettendo a scienziati come il Prof. Pani di vederli direttamente. "Sono una sorta di messaggero dello spaziotempo attorno a questi oggetti, senza utilizzare alcun intermediario, " Egli ha detto.

Studiando le caratteristiche di queste onde è possibile ottenere informazioni sulla massa, rotazione, raggio e velocità di questi oggetti precedentemente invisibili. "L'obiettivo del nostro progetto è comprendere le osservazioni delle onde gravitazionali da oggetti molto compatti, così possiamo escludere o confermare altri tipi di oggetti, " ha detto il prof. Pani.

Secondo la relatività generale, la fusione di due oggetti molto compatti – come nane bianche, stelle di neutroni o buchi neri – causeranno il collasso dell'oggetto finale per formare un buco nero. Ma ci sono teorie alternative che prevedono che potrebbero anche formare oggetti di massa e raggio simili ai buchi neri, ma senza un orizzonte degli eventi. Questi misteriosi oggetti compatti avrebbero quindi una superficie che rifletterebbe le onde gravitazionali.

"Se c'è una superficie, dopo una fusione degli oggetti, dovrebbero esserci echi di onde gravitazionali, quindi un segnale che viene riflesso dalla superficie, Ha spiegato il professor Pani. Dovrebbe essere possibile rilevare questi echi nei segnali captati qui sulla Terra.

Materia oscura

C'è un'altra spiegazione, però, che porterebbe a buchi neri che producono inaspettatamente echi o altre caratteristiche delle onde gravitazionali inspiegabili:potrebbero essere seduti in un bagno di materia oscura, un'ipotetica forma di materia che deve ancora essere vista ma si pensa che rappresenti l'85% di tutta la materia nell'universo. Anche questo potrebbe produrre un'onda gravitazionale rivelatrice distintiva.

"La materia oscura interagisce molto poco con qualsiasi altra cosa, quindi è molto difficile da testare in laboratorio, " ha affermato il prof. Pani. Ma cercando segnali distinti nelle onde gravitazionali potrebbe consentire agli scienziati di 'vederlo' per la prima volta.

Alcune osservazioni gravitazionali possono essere spiegate solo dalla presenza di materia oscura, che non possiamo vedere, o cambiando le nostre leggi di gravità. Professor Ulrich Sperhake, un fisico teorico presso l'Università di Cambridge, UK, e scienziato capo del progetto StrongGrHEP, descrisse le onde gravitazionali come una "nuova finestra sull'universo" che potrebbe aiutarci a svelare questi misteri.

Se c'è tutta questa materia oscura attorno a due buchi neri mentre si fondono, allora questo assorbirebbe energia.

Significherebbe che in una collisione di buchi neri come quella rilevata da LIGO, le onde gravitazionali sarebbero un po' diverse da come sarebbero senza materia oscura.

Un enigma osservativo su cui potrebbero far luce è il motivo per cui le galassie ruotano più velocemente di quanto le loro dimensioni suggeriscano. "La velocità di rotazione è correlata alla massa che è all'interno, " ha detto il Prof. Sperhake. Quindi, se una galassia ruota più velocemente della massa che possiamo vedere, ci sono due possibili spiegazioni:o dobbiamo modificare le nostre teorie fondamentali su come funziona la gravità o c'è materia oscura nelle galassie che non possiamo vedere.

Un'idea che il Prof. Sperhake sta studiando è quella di estendere la relatività generale di Einstein con una nuova teoria, gravità tensoriale scalare soprannominata. Ciò suggerisce che l'universo è pieno di un campo extra, simile a un campo magnetico o elettrico, che deve ancora essere rilevato.

Significherebbe che l'esplosione di una supernova di una stella morente non sarebbe solo visibile come uno scoppio di onde gravitazionali, ma ci sarebbe un bagliore di onde gravitazionali che potremmo rilevare. Potremmo indirizzare LIGO nelle regioni del cielo in cui le stelle sono esplose, note come supernova, per cercare di rilevare un tale bagliore residuo dal campo scalare che potrebbe persistere secoli dopo l'effettiva esplosione.

Separatamente, Il prof. Sperhake sta studiando se la materia oscura possa essere spiegata da particelle subatomiche teoriche chiamate assioni. Sta cercando di modellare come potrebbero apparire gli echi delle onde gravitazionali dei buchi neri se queste particelle fossero presenti.

"Direi che le assioni sono uno dei migliori candidati per la materia oscura, " ha detto. Il passo successivo è applicare i suoi modelli ai dati che LIGO raccoglie per vedere se teoria e osservazione coincidono.

Bella teoria

Il Dr. Richard Brito è entrato a far parte del gruppo del Prof. Pani in Italia all'inizio di quest'anno come parte del suo progetto, FunGraW per utilizzare le onde gravitazionali per testare l'esistenza di particelle di assioni. Ma li utilizzerà anche per testare la stessa teoria di Einstein e se potrebbe essere errata su vasta scala.

"Se vediamo oggetti compatti quasi quanto buchi neri ma senza un orizzonte degli eventi, ciò significa che la relatività generale è sbagliata su queste scale, " Egli ha detto.

Potrebbe avere importanti implicazioni quotidiane. La teoria della relatività generale è cruciale per il funzionamento quotidiano del GPS, ad esempio. Ma scoprire che la teoria di Einstein fallisce su larga scala non significa che debba essere scartata. Piuttosto, potrebbe essere necessario un addendum.

"You'd have a hard time matching the mathematical clarity of Einstein's theory, " said Prof. Sperhake. "It is not only amazing because of all the fantastic predictions it does. It has the appeal of being a beautiful theory. And physicists interestingly regard beauty as an important ingredient in a theory."