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Onde gravitazionali primordiali - seconda parte

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Onde gravitazionali primordiali - seconda parte
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Reperire prove dell’esistenza delle onde gravitazionali cosmologiche rappresenterebbe un’ulteriore conferma della teoria dell’inflazione cosmica


Fausto Bersani Greggio - 01/04/2018

Oggi, reperire prove dell’esistenza delle onde gravitazionali cosmologiche rappresenterebbe un’ulteriore conferma della teoria dell’inflazione cosmica. Dopo questo periodo di espansione accelerata l’Universo sta continuando a espandersi. Nel loro viaggio, le onde gravitazionali primordiali hanno compresso ed espanso lo spaziotempo: un segno del loro passaggio potrebbe raccontarci qualcosa sulla nascita dell’Universo come nemmeno la luce può fare in quanto i fotoni, all’epoca, non erano ancora nati. Inoltre, dal momento che l’inflazione è un fenomeno quantistico e le onde gravitazionali sono una parte della fisica classica, saremmo di fronte alla prima prova che la gravità ha una natura quantistica, esattamente come le altre interazioni fondamentali [4].

Un possibile nuovo filone di ricerca

Tuttavia, per i motivi che ho indicato, dobbiamo cercare prove indirette, nessuna strumentazione specificatamente progettata per le onde gravitazionali risulta, allo stato attuale, idonea a rilevarne il fondo cosmologico residuo.

Un’idea alternativa potrebbe essere quella di cercare possibili effetti di conversione di onde gravitazionali in onde elettromagnetiche: parte dell’energia associata alle oscillazioni dello spaziotempo potrebbe essere assorbita da particelle cariche presenti nell’Universo fin da epoche immediatamente successive all’inflazione e trasformata in energia vibrazionale secondo schemi analoghi a quanto riportato in fig.4 in una sorta di effetto a catena (ripple effect – v. fig.5):

 

fig.5

 

Queste cariche elettriche, una volta accelerate, diventerebbero tante micro-antenne dipolari in grado di emettere onde elettromagnetiche secondo quanto è noto dalle leggi di Maxwell [9].

A questo punto possiamo tentare una stima dell’energia emessa dalla materia barionica visibile, libera nello spazio interstellare ed elettricamente carica.

Se supponiamo che l’energia disponibile nel momento dell’inflazione possa trasformarsi in onde elettromagnetiche, svolgendo alcuni calcoli [9] ne deriva un estremo superiore, per la loro energia, mediamente variabile tra 0,5 e 2 GeV (1 GeV = un miliardo di elettronvolt = 1,6*10^(-10) Joule) a seconda che il modello venga applicato, rispettivamente, ad elettroni o protoni liberi. Ciò implicherebbe la presenza di un fondo di onde elettromagnetiche nella banda dei raggi gamma.

I Gamma-Ray Bursts (GRB o lampi gamma) rappresentano il fenomeno più energetico osservato nell’universo dopo il Big – Bang; possono durare da pochi millisecondi ad alcune decine di minuti e sono isotropicamente distribuiti nello spazio con un rate di circa uno al giorno.

Un team di ricercatori del centro Gravitation and Astroparticle Physics dell’Università di Amsterdam ha analizzato l’archivio di 81 mesi di dati, raccolti con il telescopio Fermi, ottenendo le misurazioni più precise di sempre del fondo a raggi gamma nell’intervallo di energie comprese tra 0,5 e 500 GeV. I risultati del loro studio sono stati pubblicati sulla rivista Physical Review D [5].

Sappiamo che i raggi gamma vengono prodotti dagli oggetti astrofisici più estremi, come ad esempio i buchi neri supermassicci, le esplosioni stellari e le pulsar, stelle estremamente compatte in rapida rotazione su loro stesse.

Il telescopio satellitare Fermi è stato lanciato dalla NASA nel 2008, con l’obiettivo di mappare l’Universo in questa particolare banda elettromagnetica. Il Large Area Telescope a bordo del satellite da allora sta raccogliendo dati in maniera continua, scansionando tutto il cielo ogni tre ore, e lo fa con una precisione mai raggiunta prima.

La maggior parte dei raggi gamma osservati vengono prodotti da sorgenti all’interno della nostra Galassia, ma dal 2008 Fermi è riuscito a rilevare oltre 3000 sorgenti extragalattiche. Tuttavia, questa mole di sorgenti non è in grado di spiegare la quantità di luce gamma proveniente da fonti esterne alla Via Lattea: circa il 75% non ha una chiara provenienza.

In particolare risulta interessante come proprio per quanto riguarda le fluttuazioni a energie più basse, inferiori a 2 GeV, sembra difficile individuarne una fonte, poiché nessun emettitore gamma noto ha un comportamento coerente con i dati. L’insieme di questi risultati ed il modello da me elaborato [9], sembrano fornire interessanti spunti di indagine sulla possibilità di rilevare onde gravitazionali cosmologiche attraverso indiretti effetti elettromagnetici.

Ad ulteriore conforto di tale ipotesi, il 17 agosto 2017 è stata rilevata anche la prima emissione di onde gravitazionali prodotta dalla fusione di due stelle di neutroni da parte degli osservatori gemelli LIGO e VIRGO.

L’onda gravitazionale, indicata con la sigla GW170817, oltre a essere la prima rilevata come prodotto dalla fusione di una coppia di stelle di neutroni, è anche la prima ad essere stata accompagnata dall'emissione di un lampo di raggi gamma, osservato dai satelliti Fermi della NASA e Integral dell'ESA nella galassia NGC 4993, in direzione della costellazione dell'Idra.

Questa osservazione rappresenta uno sforzo scientifico globale che ha visto uniti i ricercatori Eso, Ligo e Virgo, ma anche i team di alcuni osservatori spaziali, fra cui il Fermi Gamma-ray Space Telescope della Nasa ed Integral dell’Esa: circa due secondi dopo il rilevamento dell’onda gravitazionale da parte degli interferometri Ligo e Virgo, questi osservatori hanno avvistato un lampo di raggi gamma con un limite ad alta energia di almeno 80 MeV (1 MeV = un milione di eV) proveniente dalla stessa area del cielo (v. fig.6).

Ovviamente in questo caso l’origine dei raggi gamma è diversa da quella di cui abbiamo fino ad ora discusso, ma la cosa interessante è la presenza quasi contemporanea della controparte elettromagnetica di un’onda gravitazionale.

In particolare il ritardo di poco meno di due secondi e l’accertamento della stessa regione di provenienza suggeriscono un nesso causale tra le due perturbazioni: dal momento che entrambe le radiazioni viaggiano alla velocità della luce ne segue che la perturbazione gravitazionale può essere considerata la causa dei raggi gamma registrati dagli osservatori spaziali.

 

fig.6

 

 

Conclusioni

Tra le quattro forze fondamentali della natura, solo per la gravità non è ancora stata individuata la corrispondente unità di base, ossia quello che viene definito quanto. I fisici si aspettano che la forza gravitazionale sia veicolata da una particella elementare, chiamata gravitone, così come la forza elettromagnetica, ad esempio, è trasportata dal fotone. Sebbene esistano ragioni teoriche convincenti sul fatto che i gravitoni debbano esistere, la loro rilevazione appare ancora assai lontana, almeno per quanto concerne esperimenti condotti sulla Terra. Forse indizi migliori provengono dal più grande laboratorio a disposizione: l’intero Universo.

Secondo i modelli cosmologici più accreditati, nelle prime frazioni di secondo dopo il Big Bang l'Universo ha subito un’espansione accelerata, una fase definita inflazione. Se i gravitoni effettivamente esistono, allora dovrebbero essere stati generati come fluttuazioni quantistiche durante la fase di inflazione cosmologica. Fluttuazioni che si sarebbero poi evolute, con l’espandersi dell’universo, in onde gravitazionali le quali deformano lo spazio-tempo nel loro propagarsi fornendoci importanti informazioni sulla storia dell’Universo primordiale.

Per la prima volta, l’anno scorso, è stato registrato un lampo gamma a seguito di un’onda gravitazionale proveniente da sorgenti discrete. Un dato del genere ritengo che possa essere uno stimolante punto di partenza per estendere tali ricerche anche alle onde gravitazionali cosmologiche.

In particolare, sulla base di modelli di calcolo da me sviluppati [9] e dei dati emersi dal Fermi Gamma-ray Space Telescope, ritengo che il fondo stocastico gamma, con direzioni e tempi di arrivo casuali, ed energie inferiori a 2 GeV, possa essere interpretato, almeno in parte, come la trasformazione elettromagnetica di onde gravitazionali originate durante l’inflazione ed agenti sulla materia barionica visibile, elettricamente carica, libera nel mezzo interstellare.

Peraltro è possibile che l’Universo in ogni tempo ed in una qualsiasi regione spaziale subisca fasi inflazionarie locali (inflazione stocastica) [2], un continuo processo di “sezionamento” in cui nuovi mini-universi si espandono in modo accelerato (modello Multi-verso). Quindi potremmo aspettarci anche effetti analoghi, di onde gravitazionali che generano onde elettromagnetiche, provenienti da tali zone.

Il nostro stato attuale è simile a quello di spettatori che assistono ad un concerto in TV con il volume totalmente azzerato. Rivelare onde gravitazionali equivarrebbe ad alzare il volume per ascoltare qualcosa di mai sentito prima [7].

(Si ringrazia la collega Prof.ssa Bernardini Lidia per gli utili scambi di opinione in merito all’articolo)


Bibliografia 

  1. L’enigma della Gravitazione, Peter. G. Bergmann – Ed. Scientifiche e Tecniche Mondadori (1974)
  2. L’Universo Primordiale, Alberto Franceschini, http://www.astro.unipd.it/franceschini/CorsoMagistrale/AstroMundus/7a-Universo_Primordiale.pdf
  3. The path integral approach to quantum gravity, in General Relativity: An Einstein Centenary Survey, Hawking S. W. – Cambridge University Press (1979)
  4. Lo strano caso delle onde gravitazionali, Stefano Pisani, http://www.arpa.umbria.it/resources/docs/micron%2031/MICRON-31-28.pdf
  5. The angular power spectrum of the diffuse gamma-ray emission as measured by the Fermi Large Area Telescope and constraints on its Dark Matter interpretation, M. Fornasa et alt. http://arxiv.org/abs/1608.07289v1 (2016)
  6. Onde gravitazionali cosmologiche – Matteo Lambriola,

tesi.cab.unipd.it/47224/1/Lambriola_Matteo.pdf, A.A. 2014/15

  1. http://www.ego-gw.it/virgodescription/italiano/pag_2.html
  2. L’Universo frattale –  Bersani G. F., Scienza e Conoscenza (06/11/2013)
  3. Onde gravitazionali cosmologiche – Bersani G. F. https://sites.google.com/site/unasvoltainfisica/attualita (01/02/2018)

 


Fausto Bersani Greggio
Laureato in Fisica presso l’Università degli Studi di Bologna con una tesi sulla quantizzazione del campo gravitazionale.Associato all'I.N.F.N.... Leggi la biografia
Laureato in Fisica presso l’Università degli Studi di Bologna con una tesi sulla quantizzazione del campo gravitazionale.Associato all'I.N.F.N. (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare) dal 1995 al 2007 per collaborazioni ai progetti di ricerca degli esperimenti L.V.D. (Large Volume Detector) e O.P.E.R.A. (Oscillation Project with... Leggi la biografia

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