Radiazione gravitazionale di fondo

Sappiamo tutti (si spera!) che il nostro universo è permeato da una radiazione cosmica di fondo, scoperta nel 1964 da Arno Penzias (scomparso recentemente, il 22 gennaio 2024) e Robert Wilson. Ora, in una serie di articoli usciti tra l'estate e l'autunno 2023 (trovate i link nel box alla fine del post), abbiamo dei forti indizi dell'esistenza di una specie di radiazione gravitazionale di fondo, o almeno a me così piace chiamarla, o movimento di fondo /background commotion, che sembra richiamare alla latina commozione, ma non lasciatevi fuorviare dalla nostra lingua) come viene raccontata da Keith Cooper su physics world.
In sintesi queste onde gravitazionali, per lo più prodotte dalla collisione e conseguente fusione di due buchi neri (ma non solo), permeano lo spaziotempo lasciando una leggera impronta nei segnali provenienti dalle pulsar. La rilevazione di questi segnali è stato un nuovo successo dell'astronomia multimessaggera, di fatto assurta agli onori della cronaca grazie a GW170817, la kilonova osservata il 17 agosto del 2017 in cui i recercatori dell'INAF ebbe un ruolo fondamentale (a tal proposito l'8 febbraio 2024 si terrà un incontro su questo elettrizzante inizio come evento collaterale alla mostra Macchine del tempo).

La fisica di Einstein a scuola

Negli ultimi mesi dello scorso anno sono usciti un paio di miei articoli su Edu INAF sulla didattica della relatività in cui provo a raccontare un paio di attività didattiche relativistiche per gli studenti delle scuole (tendenzialmente superiori): Simulare lo spaziotempo e Il piccolo universo di un pallone in espansione. Se a questi aggiungiamo anche Misurare ka velocità della luce in classe, ecco un trittico che potrebbe essere interessante approfondire. A tale scopo mi è sembrata una buona idea proporvi (in particolare per gli insegnanti all'ascolto) le versioni openaccess laddove disponibili o i pdf degli articoli scientifico/didattici usciti su Physics Education utilizzati per scrivere quelli pubblicati su Edu INAF.
In particolare partirei da Simulare lo spaziotempo, perché propone il primo di una serie di tre articoli, che vi segnalo tutti insieme con la loro corrispondente versione su arXiv:

Suonare le onde gravitazionali

Domani 17 ottobre per la serie dei Cieli di Brera sarà ospite Marica Branchesi con la conferenza A caccia di suono e luce con onde gravitazionali e fotoni:

Attraverso suoni e luci si racconta l'inizio di un nuovo modo di esplorare l'Universo, ripercorrendo le tappe che hanno segnato la recente nascita dell’astronomia delle onde gravitazionali, dal primo segnale rivelato a settembre 2015 all'astronomia multi-messaggera. Verranno svelati i segreti di buchi neri e stelle di neutroni fino a pochi anni fa invisibili. Verrà sottolineato come le sfide tecnologiche, osservative richiedano oggi per essere superate che comunità scientifiche differenti e ricercatori provenienti da tutto il mondo lavorino insieme.

Come al solito, la conferenza si svolgerà alle 18:00 presso la Sala della Passione della Pinacoteca di Brera, Palazzo Brera, Via Brera 28, Milano, come sempre in collaborazione con la Pinacoteca di Brera e l'Istituto Lombardo. Ingresso libero fino a esaurimento posti (un massimo di 100 persone a sedere).
Potrete comunque seguire l'evento in streaming su youtube.
E visto che quello delle onde gravitazionali è stato uno degli argomenti della Notte dei Ricercatori di quest'anno, colgo l'occasione per (ri)proporvi una breve animazione che avevo realizzato:

Le grandi domande della vita: Laboratori per interrogare l'universo

Questa sera ci saranno un po' in tutta Italia iniziative dedicate alla notte della ricerca. Quest'anno sarò attivamente impegnato in un laboratorio sulle onde gravitazionali, Marte e i pianeti extrasolari presso il Museo della Scienza e della Tecnica Leonardo da Vinci di Milano. Per cui ecco questa edizione speciale de Le grandi domande della vita con il testo che ho preparato per le spiegazioni post-laboratorio e una piccola animazione realizzata all'uopo!

Onde gravitazionali

Qualunque oggetto dotato di massa deforma lo spaziotempo. Inoltre ogni oggetto in movimento trascina dietro di sé lo spazio tempo e può anche generare delle onde gravitazionali. Tali effetti sono piccolissimi, ma diventano più evidenti nel caso di eventi catastrofici come la collisione di due buchi neri o di due stelle di neutroni.
In questo secondo caso la collisione genera una kilonova, un evento che libera energie tali da generare gli elementi più pesanti nella tavola periodica (come ad esempio l'oro): poiché tali collisioni sono particolarmente rare, questo spiega perché gli elementi creati in queste occasioni sono così rari nell'universo.
Torniamo alle stelle di neutroni: nell'istante della collisione vengono generate delle onde gravitazionali insieme con un intenso lampo di luce dovuto alle enormi energie liberate. Parte la corsa tra fotoni e onde gravitazionali (no! per quel che sappiamo adesso i gravitoni non esistono e non hanno nemmeno molte probabilità di esistere: certo, se poi dovessero venire scoperti, potreste spiegarglielo voi che, in realtà, non esistono!): entrambi viaggiano alla velocità della luce, ma poiché durante il percorso i fotoni "fanno cose, vedono gente", le onde gravitazionali arrivano leggermente prima, e questo ha permesso ai ricercatori di LIGO di mandare un'allerta agli astronomi per avvisarli dell'avvenuta collisione e fornire loro delle indicazioni sulla zona del cielo dove puntare telescopi e satelliti. In questo modo siamo riusciti a raccogliere non solo il segnale gravitazionale, ma anche la luce generata dalla kilonova.
LIGO (ma anche VIRGO), come riescono a determinare il passaggio di un'onda gravitazionale?

Giovanni Losurdo: La nascita dell'astronomia gravitazonale

Foto di Laura Barbalini

Praticamente tutte le sedi dell'INAF quest'anno per la settimana della luce, o Light in Astronomy, hanno messo in programma un incontro dedicato alla scoperta delle onde gravitazionali, in particolare all'osservazione delle controparti elettromagnetiche avvenuta il 17 agosto di quest'anno. In particolare l'Osservatorio Astronomico di Brera ha proposto un aperitivo con Paolo D'Avanzo e un caffè pomeridiano con Gabriele Ghisellini, entrambi appartenenti alla sede di Merate dell'Osservatorio e soprattutto un incontro divulgativo serale all'interno del ciclo dei Cieli di Brera con Giovanni Losurdo di VIRGO. In effetti Losurdo aveva tenuto un seminario scientifico anche in Osservatorio, per cui alcune delle cose che ha raccontato nel pomeriggio confluiranno nella sintesi che andrò a scrivere di seguito, come il titolo della prima sezione.

VIRGO: storia di un ritardo tutto italiano

I due esperimenti che negli ultimi tre anni sono stati protagonisti di buona parte delle notizie scientifiche ogni anno, LIGO e VIRGO, sono stati progettati e proposti alle istituzioni sostanzialmente nello stesso periodo (metà anni Ottanta del XX secolo, all'incirca). All'inizio erano da considerarsi esperimenti concorrenti, ma grazie al lavoro di Adalberto Giazotto, ideatore di VIRGO, si è andata a costruire una più stretta collaborazione, tanto da considerare i due LIGO e VIRGO come i pezzi di un unico rilevatore. D'altra parte i due nuovi interferometri (quello in costruzione in Giappone e quello approvato che verrà costruito in India) sono il passo successivo in un progetto che dovrebbe effettivamente rendere la Terra (per ora solo l'emisfero settentrionale) un vero e proprio rilevatore di onde gravitazionali.
Di fatto, però, tra LIGO e VIRGO ci sono, allo stato attuale, un paio di anni di differenza, che a un certo punto erano diventati 5, sostanzialmente dovuti ad alcuni fattori intrinseci all'Europa e all'Italia. VIRGO, infatti, è cofinanziato dalla Francia e all'epoca fu piuttosto complesso convincere le comunità scientifiche francese e italiana a investire nella costruzione dell'interferometro, mentre negli Stati Uniti l'approvazione dei fondi fu molto più celere. Alla fine, dopo due anni di trattative, VIRGO era stato accettato.
I tre anni ulteriori vennero acumulati a causa delle particolarità burocratiche dell'Italia: tra espropri del terreno, interrogazioni parlamentari, denunce e citazioni in aula si arrivò a un ritardo complessivo di cinque anni, che poi venne parzialmente recuperato prima con la costruzione e successivamente con la messa a punto vera e propria dell'esperimento.
Insomma, una tipica storia italiana, ma nonostante ciò, giusto tra giorni prima di quel fatidico 17 agosto, VIRGO aveva rilevato la sua prima onda gravitazionale, all'incirca due anni dopo la prima onda gravitazionale di LIGO.

Articoli didattici sulle onde gravitazionali: dove scaricarli

Ieri è stata una giornata storica per l'astronomia italiana in particolare. Come sapete da ormai un paio di anni circa siamo riusciti ad ottenere l'osservazione diretta delle onde gravitazionali, fenomeno fisico previsto dalla teoria della relatività generale di Albert Einstein e generato dalla collisione di due oggetti cosmici dalla grande massa, come possono essere due buchi neri. In totale sono stati osservati cinque grossi eventi cosmici che hanno prodotto onde gravitazionali, ma solo nell'ultimo erano coinvolte ben due stelle di neutroni. La loro presenza ha permesso di generare non solo le onde gravitazionali previste, ma anche una gran quantità di fotoni, che sono giunti sulla Terra sia sotto forma di radiazione invisibile, sia soto forma di luce visibile. Ieri presso il MIUR INAF, INFN e ASI, i tre enti principali coinvolti nella storica osservazione, hanno annunciato il risultato.
Di tutto questo ne ho scritto su Edu INAF, sia in un articolo divulgativo, sia in un articolo prettamente dedicato alla didattica. A supporto di quest'ultimo, ho pensato di raccogliere qui i paper citati di là con link per scaricarli:

• Pendrill, A. M. (2017). Free fall and the equivalence principle revisited. doi:10.1088/1361-6552/aa5e38 - sci-hib
• Cunha, R. F., & Tort, A. C. (2017). Plausibility arguments and universal gravitation. Physics Education, 52(3), 035001. doi:10.1088/1361-6552/aa5f8c - sci-hub

La fisica einsteiniana

Oltre al primo articolo dedicato alla relatività e citato esplicitamente su Edu INAF, aggiungo qui anche gli altri due articoli della serie:

• Kaur, T., Blair, D., Moschilla, J., Stannard, W., & Zadnik, M. (2017). Teaching Einsteinian physics at schools: part 1, models and analogies for relativity. 10.1088/1361-6552/aa83e4 - arXiv:1704.02058
• Kaur, T., Blair, D., Moschilla, J., & Zadnik, M. (2017). Teaching Einsteinian physics at schools: part 2, models and analogies for quantum physics. doi:10.1088/1361-6552/aa83e4 - arXiv:1707.03728
• Kaur, T., Blair, D., Moschilla, J., Stannard, W., & Zadnik, M. (2017). Teaching Einsteinian physics at schools: part 3, review of research outcomes. doi:10.1088/1361-6552/aa83dd - arXiv:1707.03729

(non) carnevale della fisica #13

con @quantizzando @ele_ferroni @mediainaf @OggiScienza @drpbrock @Scientificast @amedeo_balbi @TuttiDentro @AstronomicaMens @nereide @thephysicsmill @92sciencemusic @PHDcomics

Vi è mancato il (non) carnevale della fisica? A me un po' sì, ma per molti motivi non soo riuscito a tenerlo in piedi negli ultimi mesi. L'occasione della scoperta delle onde gravitazionali mi sembrava, però, piuttosto ghiotta, in considerazione del fatto che è l'ultima osservazione sperimentale tra quelle previste dalla relatività generale di Albert Einstein. E visto che i 100 anni della relatività non li avevo degnamente festeggiati con apposito (non) carnevale, allora questa scoperta mi sembra un'ottima occasione per recuperare almeno in parte a quella mancanza.
Inizierei allora, in rigoroso ordine sparso, con Sandro Ciarlariello e le onde gravitazionali in parole povere:

L'annuncio dell'osservazione diretta delle onde gravitazionali da parte della collaborazione LIGO (che vuol dire Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory) è stato fatto e questa è una di quelle cose che rimarranno nei libri di storia oltre che nella mente di tutte le persone appassionate di scienza e curiose fino al midollo. In pratica, LIGO ci ha detto che il segnale delle onde gravitazionali è stato osservato il 14 Settembre 2015 alle 10:51 di mattina (ore italiane), ma ne riparliamo tra poco.

Come è ovvio, il sito Media-Inaf si è impegnato con una serie di articoli dedicati alle onde gravitazionali. Di tutta l'ottima serie ho deciso di selezionare quello di Eleonora Ferroni che spiega LIGO, essenzialmente per la descrizione del rilevatore che ha permesso la scoperta:

LIGO sfrutta raggi laser – appunto – per individuare il transito di onde gravitazionali. Pensate che solo la fase di costruzione (terminata nel 1999) è costata 365 milioni di dollari ed è ancora il più grande e più ambizioso progetto mai finanziato dalla NSF. Dal 2002 al 2010 LIGO non ha rilevato alcuna onda gravitazionale, per questo gli strumenti sono stati “spenti” per 5 anni durante i quali i rivelatori sono stati sostituiti e migliorati. L’operazione di revisione (costata in tutto 200 milioni di dollari) ha portato ad Advanced LIGO, cioè un osservatorio che sarà fino a dieci volte più sensibile a questi segnali. Il 18 settembre 2015, Advanced Ligo ha iniziato le sue prime osservazioni scientifiche a circa quattro volte la sensibilità iniziale degli interferometri LIGO e la sensibilità sarà ulteriormente rafforzata fino a raggiungere il massimo intorno al 2021.

Anche in questa edizione è presente Oggi Scienza con un articolo di Veronica Nicosia:

L'esperimento Ligo ha osservato il segnale prodotto nell’ultima frazione di secondo del processo di fusione di due buchi neri che orbitavano uno intorno all'altro, costituendo così un sistema binario, con masse pari a 29 e 36 masse solari. I due buchi neri si sono fusi fino ad originare un unico buco nero di 62 masse solari e proprio le 3 masse solari mancanti dalla somma equivalgono all'energia che è stata emessa sotto forma di onde gravitazionali, queste vibrazioni che secondo la teoria della relatività generale di Einstein si originano proprio da un evento cosmico violento, come la collisione di due buchi neri, l'esplosione di una supernova o il Big Bang da cui ha avuto inizio l'universo.

Osservatorio di Brera: A caccia di onde gravitazionali

Di onde gravitazionali se ne parla da quasi un secolo. Sono, infatti, una conseguenza della relatività generale di Einstein del 1916 ed erano note allo stesso buon Albert. Al momento non sono state ancora osservate direttamente⁽¹⁾, però ci sono in giro un paio di esperimenti che sono concentrati proprio sulla ricerca di questo tipo di onde. Uno è LIGO⁽²⁾, un esperimento che si basa sull'interferenza tra raggi laser che viaggiano per chilometri nei deserti della Louisiana, e poi c'è il suo analogo, l'interferometro italiano VIRGO⁽³⁾. E' a quest'ultimo esperimento che Giovanni Losurdo dell'INFN di Firenze sta collaborando, ed è proprio di onde gravitazionali che verrà a parlare a Palazzo Brera il 16 novembre alle 18 presso la Sala Delle Adunanze dell’Istituto Lombardo (capienza: 100 posti) in via Brera 28, a Milano, con una conferenza dal titolo: I segreti dell’universo oscuro: a caccia di onde gravitazionali:

E’ passato quasi un secolo da quando Einstein ha previsto l’esistenza delle onde gravitazionali, minuscole increspature dello spazio-tempo, che si propagano alla velocità della luce. Da decenni si sta cercando di rivelarle, usando tecnologie diverse e sempre più avanzate. Ma questo non è ancora avvenuto. Tuttavia, oggi siamo convinti che la scoperta sia a un passo, grazie ai rivelatori interferometrici di seconda generazione (Advanced Virgo, in Italia e Advanced LIGO). Oltre a dare una conferma clamorosa della teoria di Einstein la rivelazione diretta delle onde gravitazionali avrebbe una portata enorme per l’osservazione del cosmo. Consentirebbe infatti di aprire una finestra su quell’universo oscuro che non si lascia osservare in altro modo. Potremo cioè comprendere buchi neri e stelle super-dense, guardare indietro nel tempo, fino ai primi istanti della vita dell’universo. E le sorprese non mancheranno.

Losurdo, quello stesso pomeriggio, sarà anche ospite dell'Osservatorio, dove invece terrà una conferenza dal titolo The search for gravitational waves: Opening a new window on the Universe: