Il 14 settembre 2015 arrivava sulla Terra una vibrazione quasi impercettibile, un debolissimo segnale poi descritto come simile al cinguettio di un uccello. Si trattava di un’increspatura dello spazio tempo, che non era mai stata rilevata direttamente prima di allora. Un’onda gravitazionale.

L’annuncio di questa scoperta straordinaria, che ha comportato un enorme balzo in avanti nella ricerca astrofisica, è stato dato l’11 febbraio 2016, otto anni fa. Il risultato ha dimostrato definitivamente l’esistenza delle onde gravitazionali, ipotizzate un secolo prima da Albert Einstein nella teoria della Relatività Generale.

A increspare lo spaziotempo, in quel primo segnale catturato sulla Terra, era stata la danza vorticosa di due buchi neri che si erano avvicinati fino a fondersi. Le onde gravitazionali prodotte da quell’evento avevano viaggiato per 1.4 miliardi di anni prima di raggiungere gli interferometri LIGO, negli Stati Uniti, e Virgo, a Cascina (vicino a Pisa).

Perché è così difficile rilevare le onde gravitazionali?

Le onde gravitazionali sono onde generate dall’accelerazione di masse, che deformano lo spaziotempo circostante con la loro gravità. Queste onde si propagano verso l’esterno increspando il tessuto spaziotemporale, e trasportano energia sottoforma di radiazione gravitazionale.

Furono proposte per la prima volta da Oliver Heaviside nel 1893 e successivamente da Henri Poincaré nel 1905. Solo nel 1916, Albert Einstein dimostrò che le onde gravitazionali risultano dalla sua teoria della Relatività Generale come increspature nello spaziotempo. Tuttavia, la natura delle approssimazioni di Einstein portò molti, incluso lo stesso Einstein, a dubitare del risultato.

Il rilevamento delle onde gravitazionali da Terra è un’impresa complessa, che richiede strumenti altamente sofisticati e una meticolosa analisi dei dati. Tra i principali metodi utilizzati vi è l’interferometria laser. Essa sfrutta la sensibile interferenza delle onde luminose per rilevare variazioni infinitesimali nella lunghezza degli strumenti.

Questi interferometri laser, come LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) e Virgo, sono costituiti da lunghe braccia disposte a forma di L, lunghe diverse chilometri, nelle quali viene fatto viaggiare un fascio laser. Quando un’onda gravitazionale attraversa la Terra, provoca deformazioni dello spaziotempo che si ripercuotono sul percorso della luce. Misurando le differenze di fase tra i raggi laser che percorrono le braccia, è possibile rilevare queste variazioni di lunghezza con estrema precisione.

La difficoltà nella rilevazione delle onde gravitazionali risiede principalmente nella sfida tecnologica di isolare le interferenze ambientali. Piccoli movimenti sismici, vibrazioni causate dal traffico o addirittura il rumore termico delle molecole nell’aria possono mascherare i segnali delle onde gravitazionali.

Inoltre, le onde gravitazionali sono estremamente deboli. Quando arrivano sulla Terra da eventi cosmici come la fusione di buchi neri o stelle di neutroni distanti, la loro influenza sulle lunghezze di misura è minuscola, dell’ordine di una frazione di dimensione atomiche. Questo richiede una strumentazione estremamente sensibile. E una grande capacità analitica per distinguere i segnali reali dal rumore di fondo e dagli artefatti strumentali.

Una prova indiretta

La prova dell’esistenza della onde gravitazionali fu dedotta per la prima volta nel 1974, attraverso il movimento del sistema binario di stelle di neutroni PSR B1913+16. In esso una delle stelle è una pulsar, che emette impulsi elettromagnetici a radiofrequenze a intervalli precisi e regolari mentre ruota.

Russell Hulse e Joseph Taylor dimostrarono che, nel tempo, la frequenza degli impulsi si accorciava. E che le stelle si muovevano gradualmente a spirale l’una verso l’altra con una perdita di energia che concordava strettamente con l’energia prevista che sarebbe stata irradiata come energia gravitazionale, sottoforma di onde.

Per questo lavoro, a Hulse e Taylor venne assegnato il Premio Nobel per la fisica nel 1993. Anche ulteriori osservazioni di questa pulsar e di altre in sistemi multipli, come il sistema a doppia pulsar PSR J0737-3039, concordarono poi con la Relatività Generale. Tuttavia, si trattava di prove indirette, non di rilevamenti veri e propri del fenomeno.

La prima osservazione diretta di onde gravitazionali

Alle 9:50:45 UTC del 14 settembre 2015, un segnale inaspettato ha raggiunto i rilevatori dell’interferometro LIGO a Hanford, nello stato di Washington, e a Livingston, in Louisiana. I rilevatori LIGO funzionavano a pieno regime, ma non avevano ancora iniziato la fase di ricerca; sarebbe dovuta iniziare il 18 settembre. Quindi inizialmente ci si chiedeva se i segnali fossero rilevazioni reali o dati simulati per dei test.

Il segnale è durato più di 0.2 secondi ed è aumentato in frequenza e ampiezza da 35 Hz a 250 Hz durante quel periodo. Entro 3 minuti dall’acquisizione, è partito l’avviso automatico che indicava un possibile rilevamento.

Dopo l’avviso, una sequenza di e-mail interne ha confermato che non erano state effettuati test su dati simulati e che i dati sembravano puliti. Si trattava del primo rilevamento diretto di un segnale di onda gravitazionale.

La conferma

Un’analisi statistica più dettagliata del segnale e di 16 giorni di dati circostanti, tra il 12 settembre e il 20 ottobre 2015, ha confermato questo evento, denominato GW150914, come un evento reale. La significatività stimata era di almeno 5.1 sigma, corrispondente a un livello di confidenza del 99.99994%.

Un segnale simile era giunto a Livingston 7 millisecondi prima dell’arrivo a Hanford. Le onde gravitazionali si propagano alla velocità della luce, e la disparità nell’arrivo era coerente con il tempo di viaggio della luce tra i due siti.

Al momento dell’evento, il rilevatore di onde gravitazionali Virgo in Italia era offline e in fase di aggiornamento. Se fosse stato online, sarebbe stato probabilmente abbastanza sensibile da rilevare anche il segnale. L’interferometro GEO600 vicino ad Hannover, in Germania, non era invece abbastanza sensibile per rilevare il segnale.

La provenienza astrofisica

Gli scienziati hanno stimato che l’evento cosmico che ha generato il segnale GW150914 è avvenuto a una distanza di circa 1.4 miliardi di anni luce. L’analisi del segnale, insieme al dedotto spostamento verso il rosso (redshift) dovuto alla distanza dell’evento, suggerirono che fosse stato prodotto dalla fusione di due buchi neri con masse di circa 30 e 35 masse solari, risultando in un buco nero finale di 62 masse solari.

Quelle 3 masse solari mancanti erano stati irradiate sottoforma di onde gravitazionali, e si stima che durante gli ultimi 20 millisecondi della fusione, la potenza delle onde irradiate fu 50 volte maggiore della potenza combinata di tutta la luce irradiata da tutte le stelle nell’Universo osservabile.

Nel corso della durata di 0.2 secondi del segnale rilevabile, la velocità tangenziale orbitante relativa dei buchi neri è aumentata dal 30% al 60% della velocità della luce. La frequenza orbitale di 75 Hz, invece, indica che gli oggetti orbitavano l’uno attorno all’altro a una distanza di soli 350 km nel momento in cui si sono fusi.

Da ulteriori analisi, gli scienziati hanno ricostruito anche la storia di quei buchi neri, le cui stelle d’origine dovevano essersi formate circa 2 miliardi di anni dopo il Big Bang e aver avuto masse comprese tra 40 e 100 volte la massa del Sole.

Le successive osservazioni e scoperte

Da quel 14 settembre 2015, LIGO e Virgo hanno riportato più osservazioni di onde gravitazionali derivanti dalla fusione di sistemi binari di buchi neri. Il 16 ottobre 2017, le collaborazioni LIGO e Virgo hanno annunciato il primo rilevamento in assoluto di onde gravitazionali originate dalla coalescenza di un sistema binario di stelle di neutroni, aventi masse tra 0.86 e 2.26 masse solari.

A differenza del caso delle fusioni binarie di buchi neri, ci si aspettava che le fusioni binarie di stelle di neutroni producessero una controparte elettromagnetica, cioè un segnale luminoso associato all’evento. Un lampo di raggi gamma, GRB 170817A, è stato infatti rilevato dal telescopio spaziale a raggi gamma Fermi della NASA. Si era verificato 1.7 secondi dopo il segnale transitorio che rappresentava l’onda gravitazionale.

Nel 2021 arrivò invece l’annuncio del primo rilevamento di onde gravitazionali da un sistema binario stella di neutroni-buco nero da parte dei rilevatori LIGO e VIRGO. Ciò consentì di stabilire per primi i limiti sulla quantità di tali sistemi.

Nel giugno 2023, NANOGrav pubblicò invece i dati di 15 anni che contenevano la prima prova di un fondo stocastico di onde gravitazionali. Si tratta di un vero e proprio mormorio di fondo dell’Universo. Si manifesta come un segnale continuo a causa della continua sovrapposizione e combinazione delle onde gravitazionali che lo compogono. Fino ad allora, era sempre stato irrilevabile.