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Le forze di marea portano la firma matematica delle onde gravitazionali
onde gravitazionali Getty
Nel febbraio 2016, un team internazionale di fisici ha annunciato la prima osservazione diretta delle onde gravitazionali. Le onde erano state prodotte dalla gigantesca collisione di una coppia di buchi neri, ciascuno circa 30 volte la massa del sole, un colpo così catastrofico da inviare increspature attraverso il tessuto dello spaziotempo.
La scoperta è stata un trionfo per la comunità dei fisici. Sapevano da tempo che la teoria della relatività generale di Einstein suggeriva che erano possibili increspature nello spaziotempo. Queste onde comprimono e allungano lo spazio di distanze inferiori alla larghezza di un protone. Per individuarli, i fisici hanno costruito una rete di rivelatori estremamente sensibili che costano ben oltre un miliardo di dollari. Quindi la scoperta delle prime ondate nel 2016 è stata sia un sollievo che un notevole successo.
Ora due fisici affermano che le onde gravitazionali si sono sempre nascoste in bella vista. Rituparno Goswami dell'Università di KwaZulu-Natal e George Ellis dell'Università di Cape Town, entrambi in Sud Africa, oggi usano alcune magie matematiche per dimostrare che le forze di marea sono onde gravitazionali. Queste sono le stesse forze che causano l'innalzamento e l'abbassamento del livello del mare mentre la luna si muove intorno alla Terra. Le forze di marea sono in realtà una forma nascosta di onde gravitazionali, dicono.
Prima un po' di background. La teoria della gravità di Newton si basa sull'idea che tutte le masse generano una forza gravitazionale attrattiva che spiega un'ampia varietà di fenomeni: la traiettoria di una mela che cade, il movimento dei pianeti attorno al sole e così via.
La teoria di Newton spiega anche le maree. Questi sono il risultato del modo in cui le forze gravitazionali variano con la distanza: il lato della Terra rivolto verso la luna subisce un'attrazione gravitazionale leggermente più forte rispetto al lato opposto. Il risultato è una sorta di allungamento che trascina gli oceani avanti e indietro mentre la Terra ruota.
Goswami ed Ellis iniziano sottolineando che la teoria di Newton non spiega un'importante legge della fisica: nulla può viaggiare più veloce della velocità della luce, nemmeno le forze gravitazionali. Quindi ci vuole tempo prima che le forze gravitazionali della luna raggiungano la Terra. Nessuna influenza può viaggiare più veloce della velocità della luce: l'influenza delle maree non può essere istantanea, affermano i fisici.
Einstein formulò per la prima volta questo limite di velocità cosmica nella sua teoria della relatività speciale e successivamente lo incorporò nella sua teoria generale, che descrive notoriamente la gravità come una sorta di distorsione nel tessuto dello spaziotempo. Ciò ha portato immediatamente all'idea che questo tessuto potesse supportare increspature simili a onde.
Goswami ed Ellis affermano che le forze di marea sono una forma di radiazione gravitazionale. Ma per essere onde, devono variare nel tempo in un modo speciale dettato dalla teoria della relatività generale. I fisici continuano a mostrare matematicamente che le forze di marea hanno esattamente queste proprietà, anche se su scala molto più piccola rispetto alle onde generate dalle collisioni dei buchi neri. Il risultato è una sorta di tecnicismo, ma comunque interessante.
In sostanza, Goswami ed Ellis affermano che le forze di marea sono onde gravitazionali a bassa frequenza. Questa teoria fa alcune previsioni che sono diverse dal tipo di gravità di Newton. Ad esempio, Goswami ed Ellis sottolineano che dovrebbero volerci 1,3 secondi perché le forze di marea viaggino dalla luna alla Terra. E se l'oceano fosse uniformemente profondo ovunque senza continenti, le maree ritarderebbero la posizione della Luna nel cielo di 0,66 secondi d'arco, dicono. Si tratta della larghezza di un centesimo vista da due chilometri di distanza.
Un tale effetto può essere misurabile, sebbene Goswami ed Ellis non estendano la loro analisi per suggerire come. Ma significa che gli effetti delle onde gravitazionali sono molto più facili da individuare di quanto chiunque immaginasse. Una giornata al mare, chiunque?
Rif: arxiv.org/abs/1912.00591 : Le forze di marea sono onde gravitazionali