Le onde gravitazionali
Relatività generale

Contraddizioni tra equazioni di Maxwell e meccanica classica → risolte nel 1905 da Albert Einstein nella teoria della relatività ristretta

Relatività ristretta → in contraddizione con la teoria della gravitazione universale di Newton

Nel 1915 egli nella relatività generale propone un'equazione → equazione di campo di Einstein → descrive la gravità come curvatura dello spazio-tempo

In definitiva, le masse dicono allo spazio-tempo come incurvarsi, lo spazio-tempo dice alle masse come muoversi

What are gravitational waves?

To reconcile the theory of restricted relativity with Newton's gravitation theory, Einstein formulated the theory of general relativity, which presupposes the existence of gravitational waves.

Gravitational waves are “ripples” in the fabric of space-time caused by some of the most violent and energetic processes in the Universe. Albert Einstein predicted the existence of gravitational waves in 1916 in his general theory of relativity. These ripples would travel at the speed of light through the Universe, carrying with them information about their cataclysmic origins.

The strongest gravitational waves are produced by catastrophic events such as colliding black holes, the collapse of stellar cores (supernovae) and the remnants of gravitational radiation created by the birth of the Universe itself.

Cosa sono le onde gravitazionali?

La geometria dello spazio tempo è determinata dalla distribuzione delle masse presenti → una variazione nella distribuzione si propaga a velocità c

La propagazione della variazione della geometria dello spazio-tempo prende il nome di onda gravitazionale

Le onde gravitazionali si producono ogni volta che due oggetti, che ruotano uno attorno all'altro, accelerano la loro rotazione avvicinandosi, fino a scontrarsi

La gravità è una forza molto debole → occorrono oggetti molto massicci, come stelle a neutroni o buchi neri, che ruotino molto velocemente l'uno attorno all'altro, per produrre increspature grandi a sufficienza da essere rilevate

Osservazione delle onde gravitazionali

I ricercatori usando il LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) hanno rilevato la presenza delle onde gravitazionali il il 14 settembre 2015, alle 10:50:45 ora italiana

Alla scoperta hanno collaborato anche i ricercatori francesci e italiani del VIRGO

Le onde gravitazionali rivelate sono state prodotte nell'ultima frazione di secondo del processo di fusione di due buchi neri, di massa equivalente a circa 29 e 36 masse solari, in un unico buco nero ruotante più massiccio di circa 62 masse solari → le 3 masse solari restanti sono state emesse sotto forma di onde gravitazionali

I due buchi neri, prima di fondersi, hanno spiraleggiato, per poi scontrarsi a una velocità di circa 150.000 km/s, la metà della velocità della luce

Risorse
Infografica dell'osservazione delle onde (fonte: Istituto Nazionale di Fisica Nucleare)
Onde gravitazionali generate dalla fusione dei due buchi neri (fonte: NASA)
Schema di funzionamento dell'interferometro lase LIGO e VIRGO
Einstein e la prova razionale dell'esistenza di Dio

Albert Einstein è riconosciuto universalmente come fisico e matematico, ma pochi ne conoscono e riconoscono la natura di filosofo e di creatore di un nuovo modello di conoscenza

Einstein è un fisico teorico → partendo da ipotesi, arriva, attraverso delle equazioni matematiche, ad enunciare delle leggi fisiche non ancora verificate sperimentalmente

Einstein riteneva assolutamente sorprendente il fatto che la mente umana, tramite equazioni matematiche, sia in grado di ipotizzare l’esistenza di fenomeni fisici mai visti → la realtà fisica dell’universo mostri di essere stata “costruita” con perfetta razionalità matematicamiracolo (lettera a Solovine)

Antony Hewish (premio Nobel per la Fisica) → "Dall’osservazione scientifica arriva un messaggio molto chiaro. E il messaggio è questo: l’universo è stato prodotto da un essere intelligente"

Concilio Vaticano I → alla certezza razionale dell’esistenza di Dio si può arrivare con la semplice ragione → c’è arrivata la più alta mente dell’antichità – Aristotele – e la più alta mente della modernità: Einstein

"Voglio sapere come Dio ha costruito questo mondo (…). Voglio conoscere i suoi pensieri" Albert Einstein
"Poca scienza allontana da Dio, ma molta scienza riconduce a Lui" Louis Pasteur
I terremoti

Terremoti → vibrazioni naturali del suolo, rapide e violente, provocate dalla liberazione di energia meccanica all’interno della litosfera

Nella litosfera esistono fenomeni che deformano, comprimono e stirano le rocce → accumulazione di una grande quantità di energia → sprigionata nella frattura in calore e onde sismiche

Ipocentro → luogo in profondità in cui viene liberata l’energia e dal quale partono le vibrazioni elastiche che si propagano in tutte le direzioni dello spazio

Epicentro → punto della superficie terrestre, situato verticalmente sopra l’ipocentro, che viene raggiunto per primo dalle vibrazioni

Scosse → durano da pochi secondi a qualche minuti e possono ripetersi per ore e giorni a intervalli irregolari

L'energia sprigionata varia da caso a caso → da scosse deboli e impercettibili a scosse violente e distruttive

Le onde sismiche

L'energia liberata da un sisma provoca due effetti:

  • DEFORMAZIONI STATICHE e permanenti, che accompagnano la formazione o il movimento lungo la faglia
  • DEFORMAZIONI DINAMICHE, cioè onde elastiche, che si propagano dall’ipocentro in tutte le direzioni dello spazio

Onde elastiche (onde sismiche) → provocano una deformazione dinamica dei materiali che attraversano perchè, dopo il loro passaggio, ogni singolo volume di roccia riacquista la sua conformazione originaria → vibrazione delle particelle

Il comportamento elastico delle rocce non è perfetto → parte dell'energia dissipata in calore per vincere l'attrito → l'onda si smorza

Esistono tre tipi di onde sismiche:

  • Onde P (primarie) → sono onde di volume longitudinali, sono le più veloci (4-8 km/s), si propagano in solidi, fluidi e gas, subendo forti modifiche incontrando una superficie di discontinuità
  • Onde S (secondarie) → sono onde di volume trasversali (o di distorsione), hanno una velocità tra 2,3 e 4,6 km/s, si propagano solo nei solidi
  • Onde L → sono onde superficiali, generate quando le onde P ed S raggiungono la superficie terrestre, hanno una velocità costante di circa 3,5 km/s e provocano i danni maggiori. Sono di due tipi:
    • Onde di Rayleigh → vibrazioni del terreno con oscillazioni di forma ellittica
    • Onde di Love → movimento trasversale, ma sul piano orizzontale rispetto alla direzione di propagazione
Il rilevamento delle onde sismiche

La registrazione delle onde sismiche viene effettuata con strumenti detti sismografi

Per analizzare in modo completo l’andamento delle onde sismiche → un sismografo registra la componente del movimento secondo la verticale, due le componenti del movimento sul piano orizzontale, tra loro perpendicolari

Il tracciato che registra le onde sismiche rilevate con un sismografo è detto sismogramma → le onde sismiche corrispondono a oscillazioni di ampiezza e frequenza più o meno elevate → si vedono tre gruppi di oscillazioni (onde P, S, L)

Onde P → sono le prime ad essere registrate, rappresentate da oscillazioni regolari di piccola ampiezza e breve periodo

Onde S → sono le seconde ad essere registrate, rappresentate da oscillazioni meno regolari, di maggiore ampiezza e con un periodo più lungo

Onde L → sono le ultime ad essere registrate, rappresentate da oscillazioni irregolari, di ampiezza ancora maggiore e con un periodo ancora più lungo

La lettura e l'interpretazione dei sismogrammi sono molto complesse ` una lettura corretta dei sismogrammi permette di stabilire la posizione dell’epicentro, la profondità dell’ipocentro e la potenza del terremoto

Risorse
Schema di funzionamento del sismografo
Esempio di un sismogramma
Bibliografia, sitografia e informazioni
Mappa concettuale
Fisica: la relatività generale
Fisica: what are gravitational waves?
Fisica: cosa sono le onde gravitazionali?
Fisica: osservazione delle onde gravitazionali
Filosofia: Einstein e la prova razionale dell'esistenza di Dio
Scienze della terra: i terremoti
Scienze della terra: le onde sismiche
Scienze della terra: il rilevamento delle onde sismiche
Bibliografia, sitografia e informazioni