Autori: Primo Galletti e Aldo Aluigi

L'esistenza delle Onde Gravitazionali fu postulata da A. Einstein con la Teoria della Relatività Generale nel 1917.
La Teoria della Relatività, poiché rappresenta gli eventi nello spazio quadri-dimensionale, descrive queste onde come increspature nello spazio-tempo ("ripples in space-time").
E' ben noto che le onde in genere (acustiche, elettromagnetiche, marine, etc...) servono a trasportare energia. Le onde gravitazionali non fanno eccezione in questo. Le Onde Gravitazionali vengono emesse a seguito di collassi e/o esplosioni di corpi celesti che posseggono un intenso campo gravitazionale. Durante tali eventi, poiché il loro campo gravitazionale subisce un forte cambiamento, vengono emesse onde gravitazionali che, trasportando energia gravitazionale, servono a ripristinare l'equilibrio. Ad esempio, quando un corpo celeste esplode diminuisce la sua energia gravitazionale, per cui si genera un'onda gravitazionale positiva che disperde nell'ambiente circostante l'energia gravitazionale in eccesso. Viceversa, quando un corpo collassa, la sua energia gravitazionale aumenta, per cui si genera un'onda gravitazionale negativa che preleva energia gravitazionale dall'ambiente circostante.
Sono evidenti, nel caso del collasso, le difficoltà interpretative di quanto detto poc'anzi se si immagina l'ambiente circostante completamente "privo di gravita".

Qui di seguito, cercheremo di descrivere come sono fatte e come si generano, SECONDO NOI, le Onde Gravitazionali. Ovviamente, non si possono comprendere le Onde Gravitazionali (gravità dinamica) senza aver compreso prima come è fatta e come agisce la Gravità (gravità statica). Per cui, inizieremo da questa.

Cosa é la Gravità? Come si trasmette? Con quale meccanismo la Forza di Gravità agisce sui corpi? La gravità, come viene intesa oggi, é un qualcosa di statico che si trova concentrata intorno (e dentro) i corpi, ossia intorno alla materia propriamente detta (protoni, elettroni, neutroni, etc..) la quale esercita una foza attrattiva sui corpi che vi si trovano immersi.
La Fisica di oggi NON AMMETTE l'esistenza di alcun mezzo di trasmissione per le forze (e.g. elettriche e magnetiche), inclusa quella di gravità la quale viene solitamente spiegata ammettendo una quanto mai misteriosa "azione-a-distanza" tra i corpi. La Teoria della Relatività, con la sua spiegazione in termini di "curvatura dello spazio-tempo", non ha contribuito a migliorare questa situazione.

Sappiamo che più un corpo é grande, ossia é costituito da più materia, e più la forza di gravità che é in grado di esercitare risulta elevata. Ma non solo. Oggi sappiamo anche un'altra cosa molto importante. Se lo stesso corpo, ossia con la stessa quantità di materia, viene concentrato in un volume minore (e.g. a seguito di un collasso) la forza di gravità che é in grado di esercitare risulta maggiore. Questa ultima constatazione, oggi, mette in seria crisi la Legge della Gravitazione Universale di Newton in quanto nella ben nota formula che la rappresenta compare soltanto la quantità di materia (massa) e non come questa materia si trova distribuita nello spazio!

Per "salvare" la Legge di Newton i fisici hanno inventato la Materia "oscura"'. Ossia, una sorta di sostanza che non si sa bene cosa sia ma che dal punto di vista gravitazionale si comporterebbe come materia effettiva, mentre sia da un punto di vista meccanico che elettromagnetico equivarrebbe al "nulla" o poco più. Ma la cosa che più sorprende é che per fare funzionare la Legge di Newton per le galassie e le altre strutture celesti di grandi dimensioni, questa Materia "oscura" non si troverebbe verso il centro ma bensì sulla periferia di esse! Ad esempio, per poter spiegare la maggiore velocità di rotazione (rispetto a quella prevista dalla Legge di Newton) delle stelle più esterne di una galassia occorre che questa materia formi una specie di alone intorno alla galassia stessa.

Oggi sappiamo che anche strutture celesti di dimensioni molto più "piccole" di una galassia come il Sistema Solare hanno bisogno della Materia "oscura". Le sonde Pioneer 10 e 11 lanciate negli anni '70 e che oggi si trovano a diverse centinaia di AU di distanza (1 AU=distanza Sole-Terra), nel loro moto di allontanamento subiscono una decelerazione maggiore di quella prevista dalla Legge di Newton. E' come se queste sonde stessero attraversando una zona ricca di Materia "oscura"!
A noi l'idea della Materia "oscura" non piace, così come non ci piace l'azione-a-distanza. Pertanto, ci siamo dati da fare per cercare una spiegazione per la Gravità che fosse più soddisfacente e, soprattutto, più utile, disposti anche a rinunciare ad una legge "esteticamente molto valida" come quella di Newton.

Noi siamo convinti che la Gravità e le Onde Gravitazionali, così come molte altre questioni della Fisica, possano essere ben comprese se si ammette che lo spazio che circonda la materia non sia "vuoto" ma abbia caratteristiche fisiche ben precise che dipendono dalla sua densità, e che in questo spazio "fisico" possa trovare luogo l'energia gravitazionale. La cosa più semplice é di immaginarlo come una specie di super-fluido in cui tutta la materia vi si troverebbe immersa.
L'energia gravitazionale verrebbe rappresentata attraverso lo stato di compressione/espansione di questo spazio "fisico"'. In questo modo, l'energia gravitazionale contenuta in un metro cubo risulterebbe direttamente proporzionale alla quantità di spazio "fisico" in esso contenuta, per cui, una zona dove lo spazio "fisico" risulta più denso questa possiede una maggiore energia gravitazionale.
Ora, noi diciamo che la materia, per sua natura, produce un addensamento di spazio "fisico" intorno a sé. E più materia é presente in una determinata regione tanto maggiore risulta questo effetto di addensamento, ed una stessa quantità di materia concentrata in un volume più piccolo produce un addensamento di spazio maggiore.

Il Campo Gravitazionale sarebbe, dunque, rappresentato con la densità dello spazio "fisico". Più precisamente, la Gravità (statica) verrebbe rappresentata con il suo gradiente di densità. Ma possiamo fare di più. Possiamo pensare a un super-fluido comprimibile e associare ad esso anche una pressione (gravitazionale!) in modo del tutto analogo a come si usa fare nella Meccanica dei Fluidi. Ossia: Delta p = c^2 *Delta d, dove, c é la velocità di propagazione delle onde (in questo caso delle onde gravitazionali, la quale é uguale a quella della luce).
In questo modo, abbiamo associato al gradiente di densità anche un gradiente di pressione, per cui si potrebbe rappresentare la Forza di Gravità come una sorta di spinta di Archimede esercitata dallo spazio "fisico" sui corpi che si trovano in esso immersi e affermare molto semplicemente che:
un corpo immerso nello spazio "fisico" in cui é presente un gradiente di densità (e, quindi, di pressione) riceve una spinta nella direzione e verso del gradiente stesso (ossia verso densità/pressioni crescenti) in modo direttamente proporzionale all'entità di detto gradiente.
La spinta di Archimede é anche direttamente proporzionale al volume del corpo che viene immerso, pertanto la forza di gravità viene a dipendere, in questo modo, anche dalla quantità di materia che costituisce quest'ultimo.

Un oggetto celeste collassato produce intorno a sé un addensamento di spazio maggiore e, quindi, un gradiente di densità più elevato dello stesso oggetto non collassato. Pertanto, non sono più necessari oggetti massicci per avere campi gravitazionali intensi. Ad esempio, un quasar che si trova al centro di una galassia ellittica gigante può benissimo avere una massa (intesa come materia vera!) che é una frazione, anche piccola, di quella della galassia che lo ospita, purché questo occupi un volume molto piccolo. Ossia, il quasar sia costituito da Materia collassata ossia, da materia priva o quasi di energia elettromagnetica.
Non c'é, quindi, più bisogno di molta Materia "oscura" ma di poca Materia collassata per giustificare gli enormi campi gravitazionali che si ritrovano intorno in talune strutture celesti. Potremmo dire, in termini imprecisi, che la Materia "oscura" altro non sarebbe che spazio addensato prodotto dalla materia collassata.

Detto questo sulla Gravità, possiamo ritornare alle Onde Gravitazionali.

Quando un corpo collassa trascina con sé anche lo spazio "fisico" addensato che aveva intorno e che ne rappresentava il suo campo gravitazionale. Questo spazio andrà ad occupare un volume minore per cui si troverà ad avere, dopo il collasso, una densità maggiore. Altro spazio "fisico" preso dall'ambiente circostante verrà richiamato verso il centro, risucchiato dalla depressione (gravitazionale) che si viene a generare con il collasso. In termini più precisi, diciamo che viene prodotta un'onda gravitazionale negativa (onda di depressione) per ristabilire le condizioni di equilibrio nello spazio "fisico" intorno al corpo.
Cosa accadrebbe al Sistema Solare se, per un qualunque motivo, il Sole dovesse collassare? Ossia se, improvvisamente, il suo raggio si dovesse ridurre dai 695,000 km a 695 km? La densità dello spazio "fisico" dentro e intorno al Sole aumenterebbe di 1,000^3=10^9 volte, per cui si genererebbe un'onda gravitazionale (sferica) che investirebbe tutti i pianeti e gli altri corpi celesti presenti. E poiché questi corpi si trovano immersi nello stesso spazio "fisico", verrebbero anch'essi trascinati verso il Sole, andandosi a posizionare in orbite molto più piccole, congruenti con l'aumento del campo gravitazionale (il quale diventerebbe 1,000^2=10^6 volte più intenso e il raggio delle orbite risulterebbe 1,000 volte più piccolo).

Cosa percepiremmo, di tutto questo, noi che ci troviamo sulla Terra? Ebbene, molto poco o niente. Perché?

Anche la Terra subirebbe una contrazione delle sue dimensioni del tutto analoga a quella del Sole. Il suo raggio si ridurrebbe da 6,300 km a 6.3 km e, nello stesso tempo anche noi subiremmo una riduzione delle nostre dimensioni della stessa entità. Ma poiché anche il nostro metro campione subirà un accorciamento analogo non ci accorgeremmo di essere diventati 1,000 volte più piccoli!
Come si comporteranno i nostri orologi? Ebbene, gli orologi continueranno a marciare come prima! Ossia, gli orologi non vengono influenzati dal campo gravitazionale. Tanto é che non verrà da noi percepita alcuna variazione del periodo orbitale dei pianeti e continueremmo a misurare le stesse velocità sia orbitali che di rotazione! Anche il conta-chilometri a bordo delle nostre automobili continuerà a fornire le stesse indicazioni di prima in quanto sia le ruote dell'auto sia i percorsi che si effettuano si saranno ridotti di 1,000 volte.
Anche gli altri strumenti di misura a nostra disposizione subirebbero un analogo cambiamento. Ad esempio, nei circuiti elettrici le tensioni e le correnti circolanti subirebbero una riduzione di 1,000 volte, ma poiché anche i voltmetri e gli amperometri avranno subito una contrazione analoga, noi continueremmo a misurare le stesse quantità di corrente e di tensione. I nostri computer e le centrali elettriche continuerebbero a funzionare come prima e la frequenza effettiva con la rete elettrica sarà ancora di 50 Hz!

Cosa accadrebbe se, subito dopo il collasso, il Sole dovesse "sparire" all'improvviso? Il suo campo gravitazionale (ossia, lo spazio addensato intorno al Sole) non potrà mai "sparire" con esso e, venendo a mancare la materia del Sole che lo tratteneva, subirebbe una violenta espansione per portarsi in equilibrio con lo spazio intorno al Sistema Solare. In altre parole, anche in questo caso verrà generata un'onda gravitazionale di compressione che provvederà a disperdere nell'ambiente circostante il campo gravitazionale "rilasciato" dal Sole. A causa di questa violenta espansione i pianeti verranno allontanati l'uno dall'altro e dal punto dove si trovava il Sole. Una volta che l'onda gravitazionale si é estinta e, tutt'intorno, lo spazio é ritornato a riposo (ossia, non é presente alcun gradiente di densità), i pianeti non saranno più soggetti alla forza di gravità del Sole e il loro moto subirà un profondo cambiamento, disponendosi su nuove orbite che dipenderanno dai campi gravitazionali residui prodotti da essi stessi. Questi pianeti inizieranno a ruotare l'uno intorno all'altro come fanno le stelle di un ammasso globulare, con Giove e Saturno che, per la loro maggiore massa, tenderanno a posizionarsi prevalentemente al centro di questo mini-ammasso. E rimarranno in attesa di essere catturati da qualche altra stella o corpo celeste di più grandi dimensioni.
L'onda gravitazionale di espansione produrrà, dunque, una mini-espansione, ossia una sorta di mini-allargamento (locale) dell'Universo.

Ora, provate a immaginare quanto spazio addensato possa esseci intorno a un quasar che vive al centro di una galassia ellittica gigante, oppure all'interno di un ammasso di galassie. Se, improvvisamente, uno di questi oggetti dovesse collassare e "sparire", la quantità di spazio "fisico" che verrebbe rilasciato nell'ambiente produrrebbe una espansione locale molto più grande. Se, poi, a collassare e a "sparire" fossero qualche centinaio di questi oggetti all'anno, sparsi quà e là nell'Universo, allora questo effetto di espansione sarebbe di grandi proporzioni e noi vedremmo gli oggetti celesti intorno a noi allontanarsi in modo direttamente proporzionale con la distanza, come oggi viene rappresentato mediante la ben nota Legge di Hubble.
Con lo spazio "fisico" non ci sarebbe più bisogno, quindi, neanche dell'Energia "oscura" per spiegare l'espansione dell'Universo che avverrebbe, tutta, a spese della (enorme) energia gravitazionale che questi oggetti celesti supermassicci accumulano durante la loro esistenza.

Vogliamo concludere con la cosa, forse, più importante: al variare della densità dello spazio anche la velocità della luce, al pari delle altre velocità, varia in proporzione diretta con le dimensioni dei corpi. E poiché anche gli interferometri variano la loro lunghezza quando sono immersi in un campo gravitazionale, non si noterebbe alcun cambiamento nelle frange di interferenza all'arrivo di un'onda gravitazionale. Adesso sapete anche perché, nonostante gli enormi sforzi economici sostenuti per costruire interferometri sempre più grandi e precisi, questi strumenti non sono in grado di "vedere" le Onde Gravitazionali.

Roma, 23 Novembre 2005