Le onde del futuro
	di Mario Sandri (Associazione Astrofili Trentini)

La possibilità che esistano onde gravitazionali fu prevista da Albert Einstein in una nota presentata alla Königlich Preussichen Akademie der Wissenschaften, in occasione dell'adunanza della sua classe fisico-matematica, tenuta a Berlino il 22 giugno 1916. In questa nota, intitolata Näherungsweise Integration der Feld-gleichungen der Gravitation ("integrazione approssimata delle equazioni del campo gravitazionale"), egli mostra che le equazioni del campo gravitazionale, da lui proposte, possono essere risolte in prima approssimazione:

     e     

dove g_mn è il tensore metrico e h_mn è il tensore metrico di Minkowski. All'inizio della sua nota Einstein afferma che in questa approssimazione le quantità h_mn "possono essere calcolate con metodi simili a quelli usati per i potenziali ritardati dell'elettrodinamica. Ne segue quindi che il campo gravitazionale si propaga con la velocità della luce". Einstein deriva, tra l'altro, l'espressione della potenza irradiata su tutto l'angolo solido 4p. Tale formula a tutt'oggi viene scritta così:

dove G è la costante gravitazionale, c la velocità della luce e

(i,k = 1,2,3; r = densità) è il tensore di quadrupolo della sorgente. Einstein fa notare che l'energia irradiata "in allen nur denkbaren Fällen einen praktisch verschwindenden Wert haben must" (in tutti i casi immaginabili deve avere un valore praticamente nullo).

In un secondo articolo presentato in occasione dell'adunanza del 31 gennaio 1918 e intitolato Über Gravitationswellen ("sulle onde gravitazionali"), Einstein arriva a scrivere l'espressione della potenza ceduta dall'onda incidente al sistema, potenza che risulta estremamente piccola. Viene raggiunto così l'ultimo tassello per la trattazione delle onde gravitazionali: il loro assorbimento da parte di un sistema meccanico (rivelatore) dopo la loro emissione da parte della sorgente (vedi equazione precedente) e la loro propagazione attraverso lo spazio. Viene inoltre riconosciuta e sottolineata sia la loro natura trasversale che l'esistenza di due stati di polarizzazione. Il valore, certamente non alto, dell'energia irradiata ma soprattutto il loro bassissimo assorbimento da parte della materia sta alla base del fatto che anche oggi l'osservazione delle onde gravitazionali è ancora un problema in discussione.

Il problema dell'emissione delle onde gravitazionali fu ripreso solo nel 1922 da Eddington, il cui interesse era rivolto principalmente alla loro velocità di propagazione. Egli dimostrò che questa velocità è sempre uguale a quella della luce sia nel caso di onde piane che nel caso di onde uscenti da una sorgente di piccole dimensioni. Calcolò inoltre l'energia irradiata da un'asta che ruota alla massima velocità angolare compatibile con il limite di rottura dei materiali solidi e trovò che l'ordine di grandezza di questa energia è pari a quello calcolato per l'atomo di idrogeno trattato classicamente. Questo valore è così piccolo da escludere la possibilità di osservare nel prossimo futuro l'emissione di onde gravitazionali da parte di un qualsiasi apparato meccanico costruito dall'uomo sulla terra. Eddington calcolò anche l'energia irradiata da una stella doppia e trovò che questa energia, sebbene molto più grande di quella trovata nei casi precedenti, è ancora al di sotto di ogni ragionevole limite di osservabilità.

Pochi anni più tardi Bondi e Weber considerarono un oscillatore armonico composto di due masse connesse da una molla come un possibile rivelatore di onde gravitazionali. Da allora Weber si dedicò con straordinaria energia al problema di portare le onde gravitazionali nel dominio dei fenomeni fisici osservabili. Dopo nove anni di lavoro competente e impegnativo, Weber pubblicò nel 1969 di aver osservato alcune coincidenze tra due rivelatori, uno posto all'Università del Maryland e l'altro al Laboratorio Nazionale di Argonne, a un migliaio di chilometri dal primo. La notizia di questo risultato, produsse ovunque una grande impressione e un certo numero di nuovi esperimenti, molto simili a quelli di Weber, vennero iniziati nell'ex URSS, in Europa, USA e Giappone.

Tutti gli esperimenti, tuttavia, non confermarono il lavoro di Weber. Nonostante questi risultati negativi, il problema della ricerca delle onde gravitazionali non è stato certo abbandonato. A partire dal 1970 alcuni gruppi in diverse parti del mondo cominciarono a sviluppare nuovi rivelatori più sensibili di quelli usati precedentemente che chiamerò rivelatori della "seconda generazione". La motivazione di questo nuovo sforzo ha le sue radici nello stesso fascino del problema e anche nell'ingegnosità dei metodi ideati e sviluppati da Weber e da altri, metodi che possono essere ulteriormente raffinati e spinti a livelli molto più avanzati.

Un'ulteriore motivazione è dovuta ai risultati contenuti in alcune predizioni teoriche fatte da vari astrofisici. È molto difficile per gli astrofisici interpretare l'energia e la ricorrenza statistica delle coincidenze osservate da Weber nell'ambito degli eventi che, secondo le nostre conoscenze attuali, si verificano nelle galassie. Tuttavia gli astrofisici stimano che in alcuni tipi di eventi certamente non molto frequenti, si dovrebbe avere un'emissione di onde gravitazionali di intensità molto bassa, ma che può rientrare nella nostra capacità di osservazione, purché si riesca a spingere alcune tecniche fino ai loro limiti estremi. Una maggior enfasi è data, comunque, ai rivelatori risonanti che, allo stato attuale, hanno raggiunto lo stadio più avanzato di sviluppo.