Einstein, stimolato dalle conversazioni con Karl Schwarzschild, che morirà pochi mesi dopo, si mette alla ricerca di soluzioni delle sue equazioni nel caso molto realistico in cui la curvatura dello spazio sia piccola. In fondo se la Terra impiega un anno a girare intorno al Sole, la sua “curva” deve essere molto “dolce”. Immaginate il caso del Sole che impiega ben 250 milioni di anni a girare intorno al centro della nostra Galassia. Praticamente va dritto. Quindi nelle condizioni ordinarie le curvature sono molto piccole. Einstein fa ancora una volta una scoperta straordinaria. Egli trova che le sue equazioni, in questa approssimazione, si riducono a una equazione d’onda, anzi 10. Ovvero lo stesso tipo di equazioni con cui vengono descritte le onde elettromagnetiche (la luce) e le onde sonore solo per citare due esempi.

È una conferma importante per il pensiero di Einstein. Infatti il punto debole delle equazioni di Newton era che prevedevano una azione di attrazione gravitazionale immediata tra il Sole e la Terra o tra la Terra e la Luna. Newton, che era un grande, era consapevole di questo limite, ma le sue equazioni funzionavano molto bene. E funzionano benissimo anche oggi. Tutti i calcoli delle traiettorie delle missioni spaziali interplanetarie si progettano ancora oggi con le equazioni di Newton. La relatività di Einstein è indispensabile quando si studiano fenomeni estremi. Come ad esempio due buchi neri che ruotano vorticosamente tra di loro per fondersi ed emettere un segnale di onde gravitazionali.

Le equazioni di Einstein superavano il limite delle equazioni di Newton. Mentre il Sole si sposta nel suo giro intorno al centro della nostra galassia a circa 800.000 Km all’ora nella curvatura dello spazio generata dalla presenza della Via Lattea, la Terra lo segue perché riceve questa modifica della curvatura generata dal movimento del Sole, in una splendida danza, ma con un ritardo di circa 8 minuti. Lo stesso di quello che impiega la luce del Sole per arrivare sulla Terra.

Ebbene sì. Einstein trova che le sue onde viaggiano alla stessa velocità di quella della luce. Ovvero la luce, nel vuoto, viaggia alla stessa velocità delle onde gravitazionali. Quindi sarebbe più opportuno dire che ambedue i tipi di onde viaggiano nel vuoto alla stessa velocità, che possiamo chiamare velocità massima di propagazione delle interazioni.

Ma cosa vibra? In quale mezzo si propagano queste onde? Sono domande che alcuni amici mi hanno posto quando è stato fatto l’annuncio in febbraio dell’osservazione delle onde gravitazionali. La risposta è semplice e sorprendente, alla Einstein. Vibra lo spazio. È lo spazio-tempo che vibra e trasmette questa informazione. La Terra riceve questo piccolissimo segnale e riesce a seguire il Sole nel suo giro intorno alla nostra galassia. Noi siamo attraversati da onde gravitazionali e non ce ne accorgiamo. Anche la Terra non si accorge. Nella sua “caduta libera intorno al Sole il suo percorso è leggermente alterato, ma lei può e deve andare solo il più dritta che può, nello spazio incurvato leggermente dalla presenza del Sole. Parola di Einstein!

Infatti per poter rilevare le onde gravitazionali i grandi interferometri LIGO e VIRGO hanno bracci di circa quattro chilometri e misurano la variazione di distanza tra due specchi posti a questa distanza. Il singolo specchio non si accorge del passaggio dell’onda. La loro distanza varia ma di molto poco. Infatti i rivelatori di LIGO e Virgo sono in grado di misurare variazioni di distanza molto più piccole delle dimensioni dell’atomo (intorno alle dimensioni del protone).

Tutte le osservazioni che fino ad oggi sono state fatte sull’Universo, usavano la luce o meglio l’intero spettro elettromagnetico: onde radio, microonde, luce visibile, raggi X, raggi gamma. Ora abbiamo un altro tipo di osservazione possibile: le onde gravitazionali, che a differenza della luce non vengono schermate nel loro cammino da niente. Loro attraversano le galassie, le stelle, le fanno sobbalzare un pochino e continuano per la loro strada. A questo punto possiamo costruire un telescopio a onde gravitazionali. L’abbiamo già fatto: il LIGO e VIRGO, di cui abbiamo già accennato sono esempi di telescopio ad onde gravitazionali. In questo momento sono in manutenzione per aumentare la loro sensibilità di almeno 100 volte.

Ma l’Agenzia Spaziale Europea (ESA), ci vuole stupire. Intorno al 2030 verranno messi in orbita intorno al Sole tre satelliti distanti tra loro circa 1 milione di chilometri! Il principio di funzionamento è simile a quello del LIGO-VIRGO di cui abbiamo già accennato. I bracci di questo interferometro saranno di un milione di chilometri. I tre satelliti seguiranno la Terra nella sua orbita intorno al Sole, a distanza di 5 milioni di chilometri.  La sensibilità di questo telescopio per onde gravitazionali sarà molto più grande. Avremo quindi “foto” dell’Universo con l’occhio delle onde gravitazionali.

In questi giorni si è conclusa felicemente una prima parte di questa impresa. Un satellite di ESA ha verificato la fattibilità di questa impresa attraverso una serie di esperimenti propedeutici. Immaginate di dover mirare un puntino a distanza di un milione di chilometri, inviare un raggio di luce laser, farlo riflettere da uno specchio e ricevere indietro lo stesso raggio e poi effettuare misure (interferometriche). Sembra un sogno. Infatti si tratta di una grande impresa scientifica, che ci permetterà di vedere l’Universo con altri occhi.

Nella figura precedente è meglio evidenziata la “danza” che questi tre satelliti faranno insieme alla Terra, nella loro orbita intorno al Sole.

Ci aspettano sorprese e meraviglie.  E l’occasione per sognare e fantasticare sulla grandiosità e complessità del nostro Universo. E sulla potenza del pensiero fisico di Einstein e delle sue equazioni che ancora oggi sono oggetto di studio e ricerca per la Cosmologia e i Buchi Neri solo per citare due esempi.

Grazie Albert!