Un percorso didattico sulle onde gravitazionali

Aggiornato il 8 Febbraio 2021

Dopo l’assegnazione del Nobel per la fisica 2017 ai fondatori dell’esperimento LIGO, arriva l’annuncio della prima osservazione congiunta degli equivalenti elettromegnetici e ottici delle onde gravitazionali. Tale risultato è stato possibile grazie alla fonte di tali onde: la collisione tra due stelle di neutroni. Come già  in occasione del Premio Nobel, anche in questo caso proviamo a fornire qualche consiglio didattico, partendo dalla lettura di un breve articolo, in inglese, dedicato ai più giovani apparso su Space Scoop (versione in italiano), che è a sua volta basato sul comunicato stampa dell’ESO (leggi anche in italiano).
Scopo principale del presente articolo, però, non è semplicemente fornire possibili strumenti didattici, ma porsi una domanda più complessa e provare a fornire una risposta a: come si può ideare e introdurre un percorso didattico che ha come obiettivo quello di una maggiore comprensione delle onde gravitazionali?
Per provare a rispondere alla domanda, partiamo innanzitutto dai due obiettivi fondamentali che un tale percorso dovrebbe avere:

• permettere agli studenti di avvicinarsi alle onde gravitazionali;
• permettere agli studenti di comprendere come funziona la scienza e come si svolge il lavoro di un ricercatore in campo astronomico.

In particolare il primo punto implica che nel corso dell’attività  gli studenti dovranno avvicinarsi ad alcuni concetti fondamentali per una buona comprensione del problema:

• la teoria della relatività  di Albert Einstein,
• gli oggetti esotici detti buchi neri,
• le stelle estremamente compatte e dense note come stelle di neutroni,
• le onde gravitazionali.

Vediamo come si può costruire il percorso didattico ispirandosi o utilizzando alcune attività  centrate sui vari argomenti.

Dalla relatività  al ciclo di vita stellare

La relatività  di Einstein, essendo una teoria sulla gravitazione, implica il dover affrontare il problema della caduta degli oggetti verso la superficie della Terra e la sua generalizzazione legata al moto dei pianeti all’interno del Sistema Solare. La necessità  dell’affrontare tale tematica e soprattutto il modo con cui introdurla è, evidentemente, legato al livello scolastico degli studenti: una buona strada può essere iniziare con piccoli esperimenti sulla caduta dei corpi. Si potrebbe anche passare a un approccio un po’ più avanzato introducendo anche il principio di equivalenza ⁽¹⁾Pendrill, A. M. (2017). Free fall and the equivalence principle revisited. doi:10.1088/1361-6552/aa5e38.
Sempre restando nell’argomento della gravità , è particolarmente interessante la simulazione Gravity and Orbits (anche in italiano), dove si trovano anche alcune attività  didattiche che possono essere adattate o utilizzate come ispirazione per quelle da portare nelle classi italiane ⁽²⁾Può essere interessante anche dare una lettura all’articolo
Cunha, R. F., & Tort, A. C. (2017). Plausibility arguments and universal gravitation. Physics Education, 52(3), 035001. doi:10.1088/1361-6552/aa5f8c.
Per quel che riguarda la relatività , particolarmente interessante è il primo ⁽³⁾Kaur, T., Blair, D., Moschilla, J., Stannard, W., & Zadnik, M. (2017). Teaching Einsteinian physics at schools: part 1, models and analogies for relativity. 10.1088/1361-6552/aa83e4. arXiv:1704.02058 di una serie di tre articoli sulla fisica einsteiniana che propone alcuni esperimenti legati alla curvatura. Il set-up sperimentale è abbastanza classico: un telo teso su cui porre oggetti di varia massa per mostrare la curvatura generata dall’oggetto su uno spazio bidimensionale. Delle variazioni proposte, risulta interessante quella in cui, utilizzando un dinamometro, si misura la forza con cui una macchinina giocattolo viene attirata dalla massa che genera la curvatura in funzione della distanza.

In aggiunta a quanto scritto sopra, eccovi un paio di video su questa particolare visualizzazione della relatività :

Una bella attività  che, invece, mette insieme gravità  e magnetismo è invece Levitating astronaut su astroEDU, che prevede anche una certa manualità . La struttura, una volta costruita, può comunque essere utilizzata per spiegare (o far spiegare agli studenti) i medesimi concetti ai bambini delle classi inferiori.
Il passo successivo sarà  addentrarsi tra gli oggetti cosmici, in particolare stelle di neutroni e buchi neri. Un ottimo punto di partenza è allora Star in a box, una delle migliori attività  su astroEDU: progettata per gli studenti delle scuole superiori, permette di avvicinarsi al ciclo di vita delle stelle. A questa si può far seguire Monster of the Milky Way, utile per avvicinarsi alle variazioni in volume, massa e densità  che portano alla creazione di buchi neri e stelle di neutroni.
Ovviamente non può mancare all’appello Costruisci un modello di buco nero sull’astroEDU in lingua italiana.

Le onde gravitazionali: di cosa tenere conto

La parte iniziale del percorso, legata alla costruzione e consolidamento dei concetti necessari per arrivare alle onde gravitazionali e al risultato annunciato ieri è stata abbastanza semplice: assemblando idee ed esperienze precedenti si riesce a introdurre agevolmente i vari concetti fisici. Nel momento in cui si affrontano le stelle di neutroni, bisogna però avere in mente quali sono i concetti essenziali sull’argomento. Proviamo a fornire un elenco:

• le stelle di neutroni sono costituite essenzialmente da neutroni, quindi è necessario fornire anche solo una loro definizione;
• le stelle di neutroni sono tenute insieme dalla forza di gravità : i neutroni, in quanto particelle neutre, non hanno molta voglia di legarsi una all’altra;
• quando due stelle di neutroni collidono, emettono energia sotto forma di varie radiazioni elettromagnetiche, sia nel visibile sia in frequenze invisibili all’occhio: può essere interessante utilizzare le stelle di neutroni per introdurre le varie forme di radiazione e gli strumenti di ricerca utilizzati per rilevarle con i loro corrispettivi nella vita comune;
• quando due stelle di neutroni collidono, producono anche onde gravitazionali: si potrebbe allora utilizzare la simulazione con il telone di cui si discuteva in precedenza utilizzando due palline particolarmente massicce, o mettere un liquido in forte rotazione e vedere come questa cambia quando due palline finiscono contemporaneamente al centro del vortice creato;
• le onde visualizzate nell’interazione simulata tra stelle di neutroni sono un’utile analogia per discutere alla fine sulle onde gravitazionali stesse.

Intorno a questi punti (ma se ne possono aggiungere anche altri, in funzione di quali aspetti si vuole approfondire) si può iniziare a progettare un’attività  centrata sulle onde gravitazionali, che può agevolmente diventare multidisciplinare introducendo il concetto degli spettri degli elementi della tavola periodica.
Speriamo di aver fornito materiale e ispirazione sufficienti per portare un argomento così complesso ma comunque interessante nelle vostre classi.