Nuovi orizzonti di una scienza in divenire/ Fantastici quei giorni (Speciale n° 32)

Una lezione sull’evento epocale che ha dato inizio alla astronomia gravitazionale è stata tenuta durante il Simposio “Nuovi orizzonti di una scienza in divenire” presso il GSSI

29.01.2019, agg. il 30.01.2019 alle 19:32 - Stefano Covino

La storia della scienza è costellata da eventi importanti, scoperte, esperimenti chiave. Momenti in cui la conoscenza di qualche fenomeno compie passi avanti importanti. E può accadere nella vita di uno scienziato di essere testimone diretto e protagonista, di una combinazione di eventi che hanno portato all’ingresso nel mondo della scienza di qualcosa che possiamo chiamare astronomia multi-messaggio.

Una serie di scoperte rese possibili dalla sinergia fra astronomia gravitazionale e astronomia elettromagnetica nell’osservazione di un evento di onde gravitazionali, denominato GW170817, e della sua controparte ottica, denominata AT2017gfo.

La combinazione di informazioni permessa dallo studio di questo evento celeste davvero epocale sono state in grado di ampliare in maniera spettacolare i confini della nostra conoscenza.

Ma è solo l’inizio di quella che possiamo tranquillamente definire un’epoca d’oro per l’astrofisica.

La storia degli eventi che andiamo a raccontare comincia in realtà circa un secolo fa, quando nel 1915 Albert Einstein (1) pubblica uno degli articoli più influenti della storia della scienza introducendo quella che è oggi nota come Teoria della Relatività Generale. Il successo nel mondo scientifico dell’idea di Einstein fu immediato è già pochi anni dopo la pubblicazione si ebbero alcune conferme sperimentali (2) con una serie continua di esperimenti con accuratezza sempre crescente che continuano anche oggi.

Inerzia e gravità

L’aspetto più affascinante e innovativo della teoria è che la gravità veniva descritta non più come un’interazione di natura non precisata fra due corpi dotati di massa, ma come una modifica della geometria dello spazio-tempo. Essenzialmente un oggetto nello spazio tridimensionale a noi familiare si muove, in assenza di perturbazioni, in linea retta a velocità costante. Nello spazio tempo quadrimensionale utilizzato da Einstein le linee rette sono dette «geodesiche», e rappresentano in generale le traiettorie più brevi per congiungere due punti nello spazio (3).

L’intuizione einsteiniana fu quella di ipotizzare che ciò che noi chiamiamo gravità in realtà corrisponda all’introduzione di una curvatura, generata dalla massa ed energia degli oggetti nello spazio, in vicinanza degli oggetti stessi.

Tecnicamente si parla di modifica della metrica, e a tutti gli effetti gli oggetti nello spazio curvo quadrimensionale continuano a muoversi seguendo le geodesiche date dalla metrica dello spazio. Ma a un osservatore che interpreta il tutto nel familiare spazio tridimensionale il moto lungo le geodesiche corrisponde alle trattorie orbitali osservate in vicinanza di oggetti massicci. Dalla palla di cannone ai pianeti. E oggi anche alla struttura ed evoluzione dell’Universo nel suo insieme.

Uno degli aspetti di questa teoria che fu già identificato da Einstein, sebbene con vari ripensamenti, e da altri fisici contemporanei come Max Abraham (4) e Willem de Sitter (5) è quello che in presenza di masse sottoposte a violente accelerazioni e di asimmetrie nella loro distribuzione le perturbazioni dello spazio-tempo potevano propagarsi sotto forma di onde viaggianti anch’esse alla velocità della luce, le cosiddette onde gravitazionali. L’effetto delle onde gravitazionali è quello di modificare la metrica dello spazio tempo inducendo delle vere e proprie distorsioni che, in linea di principio, possono essere misurate.

Fu però già immediatamente chiaro ai contemporanei che l’effetto era realmente di piccola entità, tale da apparire senz’altro immisurabile con le tecnologie disponibili all’epoca.

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Stefano Covino
(Istituto Nazionale di Astrofisica – INAF, Osservatorio Astronomico di Brera – Milano)

Note

(1) Albert Einstein nasce il 14 marzo 1879, a Ulma, da una famiglia benestante di cultura ebraica e muore negli Stati Uniti, a Princeton, il 18 aprile 1955. Nei suoi anni giovanili visse anche in Italia, a Milano, al seguito della famiglia. I continui spostamenti resero difficile al giovane Einstein ottenere i certificati scolastici necessari per l’accesso all’istruzione universitaria sebbene eccellesse in matematica e fisica. L’opinione diffusa di una sua poca brillantezza come studente è infatti sostanzialmente errata. Nel 1921 fu insignito del premio Nobel per i suoi contributi alla fisica teorica.

(2) Una delle predizioni della teoria della relatività generale è che la luce, oltre che i corpi materiali, subisca l’effetto della gravità. La prima verifica di questa predizione si ebbe durante una spedizione organizzata dal famoso fisico britannico Sir Arthur Eddington (1822-1944) per osservare un’eclisse di Sole il 29 maggio 1919. Durante l’eclisse risultò possibile confrontare la posizione di stelle osservate a ridotta distanza angolare dal Sole con immagini dello stesso campo stellare riprese in precedenza, confermando in maniera brillante e quantitativamente corretta le predizioni della teoria.

(3) La matematica necessaria per descrivere lo spazio come una superficie curva in quattro dimensioni, in sostanza il calcolo tensoriale alla base delle descrizioni della relatività generale, fu suggerita a Einstein dal matematico italiano Tullio Levi-Civita (1873-1941), al quale lo scienziato tedesco si disse sempre grato in numerose corrispondenze.

(4) Max Abraham è un fisico tedesco nato il 26 marzo 1875 e morto ancor giovane il 16 novembre del 1922. Fu uno dei primi a interessarsi di relatività generale e, fatto poco noto in Italia, su invito di Levi-Civita, fu docente di meccanica razionale al Politecnico di Milano fino alla vigilia della Prima guerra mondiale.

(5) Willem de Sitter, olandese, nasce il 6 maggio 1872 e muore il 20 novembre 1934. Fra la fine degli anni Venti e i primi anni Trenta del Novecento de Sitter fu tra i più prolifici studiosi della relatività generale, in particolare a riguardo di problematiche cosmologiche.

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