Buone vibrazioni: come intrappolare un’onda gravitazionale Understand article

Tradotto da Rocco G. Maltese. Le onde gravitazionali sono i messaggeri più subdoli che ci raggiungono viaggiando attraverso il cosmo. Ma come possono essere evidenziati i loro effetti infinitesimali?

Interpretazione artistica di
due buchi neri che ruotano
uno attorno all’altro, prima di
fondersi, rilasciando onde
gravitazionali.

Immagine cortesemente fornita
da ESA / C Carreau

Nel 2015, dei segnali fantasticamente labili provenienti dalle onde gravitazionali che stavano attraversando il cosmo furono, alla fine, individuate. Previste in teoria più di un secolo fa da Albert Einstein, questo primo avvistamento delle onde gravitazionali segnò il culmine dei risultati dopo decadi di esperimenti e ricerche teoriche – dando altresì inizio ad un’eccitante nuova era della cosmologia.

Cosa sono le onde gravitazionali, e perché individuarle ha rappresentata una sfida così grande? Le onde gravitazionali sono delle pieghe dello spazio-tempo generate dall’accelerazione di una massa. In effetti, sono l’equivalente gravitazionale delle onde elettromagnetiche – e, come esse, viaggiano alla  velocità della luce.

La ragione del perché questi segnali elusivi sono così difficilmente individuabili, è che i loro effetti sono molto, molto lievi: solo una piccolissima distorsione dello spazio tempo, anche quando l’evento che l’ha generata dalla collisione di due (distanti) buchi neri, come nel caso degli avvistamenti effettuati nel 2015. Questa distorsione indica che la distanza tra due punti della Terra sarà allungata o contratta di una frazione estremamente piccola, quando un’onda gravitazionale vi passa attraverso. Per ‘estremamente piccola’ intendiamo una lunghezza di una fattore di 10-21 (un migliaio di miliardi di miliardesimo) – approssimativamente il diametro di un atomo confrontato con la distanza tra la Terra e il Sole: certamente una grande sfida poterle misurare tali distanze!

Sin dai primi anni del 1960, fisici, ingegneri e tecnici provenienti da ogni parte del mondo hanno accettato questa sfida, producendo dei grandi strumenti dedicati all’individuazione delle onde gravitazionali, tra questi il LIGOw1,Virgow2 e GEO600w3. In questo articolo ci concentriamo sugli strumenti del Virgo (collocati in Italia), ma i concetti si possono applicare analogamente ad altre apparecchiature di individuazione – i quali fanno parte di un circuito internazionale che è molto più potente di ogni altro preso individualmente. Infatti, l’analisi dei dati del 2015 che comprendevano le prime individuazioni sono state elaborate congiuntamente dai ricercatori sia del LIGO che di Virgo, lavorando in collaborazione.

Misure con la luce

Il progetto Virgo si basa su un dispositivo chiamato interferometro di Michelson, che di per sè ha un notevole albero genealogico: fu utilizzato per la prima volta nel 1887 dai fisici Albert Michelson e Edward Morley nel famoso esperimento nel quale si cercava una variazione della velocità della luce dovuto all’etere. (figura 1).

Figura 1: Interferometro di Michelson – il progetto alla base del rivelatore Virgo. 1: fonte di luce; 2: separatore del fascio; 3: fasci ad angolo retto; 4: specchi che riflettono indietro i fasci lungo gli stessi percorsi; 5: raggi di ritorno che si ricongiungono nuovamente incontrando il separatore; 6: rivelatore.
Immagine cortesemente concessa da LIGO / T Pyle
 

Qui, la luce proveniente da ogni singola fonte è separata in due raggi che viaggiano lungo due percorsi perpendicolari (o ‘braccia’) e quindi sono riflessi all’indietro dagli specchi così che si possano ricombinare. Se vi è una variazione nella lunghezza del percorso di un raggio (come dovrebbe avvenire al passaggio di un’onda gravitazionale), questo farà variare leggermente il suo tempo di percorrenza, e così determinerà anche una variazione di fase di uno dei raggi in relazione all’altro. Questa variazione di fase condizionerà come i due raggi interagiscono quando si ricombinano al loro ritorno, che determina una variazione della potenza misurata in uscita dal rivelatore.

Ma persino con questo progetto classico in combinazione con una nuova tecnologia, le sfide sperimentali di rivelare le onde gravitazionali sono veramente notevoli.

Virgo: supera le sfide

Nel rivelatore Virgo, il progetto base dell’interferometro di Michelson è stato molto più complesso – e più grande – a causa della necessità di una estrema stabilità e precisione.

Lunghe braccia

Ogni braccio del rivelatore Virgo è lungo circa 3 km. Queste grandi dimensioni sono necessarie a causa dell’estremamente piccola variazione nel tempo di percorrenza del raggio, causato dall’onda gravitazionale, che aumenta con l’aumentare della lunghezza del braccio. Lunghezze oltre i 3 km non sono realmente affidabili; la ragione è che la curvatura della Terra diventa un fattore determinante per la perfetta linearità delle braccia.    

Per prevenire l’interazione tra i fotoni dei raggi e le molecole del gas, l’interno delle braccia è posto sottovuoto circa un millesimo di un miliardesimo (10-12) di una atmosfera, simile a quella che si trova nello spazio ad una quota pari a quella della Stazione Spaziale Internazionale. Questa procedura fa dei tubi di Virgo i volumi a più alto valore di vuoto d’Europa (vedi figura 2). All’estremo di ogni braccio, la parete del tubo è raffreddata ad una temperatura criogenica mediante azoto liquido per intrappolare eventuali molecole residue (ad es. Acqua).

Figura 2: Interno di un braccio del tunnel  di Virgo, che mostra il tubo a vuoto.
Immagine cortesemente concessa da Cyril Fresillon / Virgo / CNRS Fototeca

Specchi, specchi

Gli specchi di Virgo sono i componenti chiave del rivelatore. Sono stati costruiti con i metodi più all’avanguardia: le superfici sono state lucidate e rese perfettamente piatte (con la precisione del nanometro), e con un rivestimento che ottimizza il modo in cui trasmettono e riflettono la luce, mantenendo le perdite nei raggi a un minimo (circa ad alcune parti su un milione). La disposizione degli specchi è molto più complicata di quella di un semplice interferometro di Michelson, con specchi utilizzati per formare una ulteriore ‘cavità ottica’ attraverso la quale il raggio viaggia, o per ‘pulire’ il raggio laser (vedi figura 3).

Gli specchi di Virgo producono un effetto di allungamento del percorso del raggio rispetto alla distanza reale: un dispositivo chiamata cavità ottica di Fabry-Perot installata in ciascun braccio incrementando la lunghezza del percorso di un fattore su 300, aumentando anche il tempo di percorrenza del raggio – e così la sensibilità dell’intero rivelatore – di un ugual fattore.

Figure 3: Schema ottico del rivelatore  Virgo (una versione più complessa dell’interferometro di Michelson), che mostra i componenti principali e i percorsi seguiti dai raggi. 1: sorgente di luce; 2: specchio per il riciclaggio della potenza; 3: separatore del raggio; 4: Cavità ottiche di Fabry-Perot all’interno dei tubi a vuoto; 5: ingresso nord dello specchio; 6: estremo nord dello specchio; 7: ingresso ovest dello specchio; 8: estremo ovest dello specchio; 9: rivelatore.
Immagine cortesemente concesso della Collaborazione Virgo     

Isolamento dalle vibrazioni

Virgo deve essere sensibile alle piccole variazioni nella lunghezza dei percorsi del raggio indotte dall’onda gravitazionale, così è necessario che sia isolato il più possibile da altri disturbi dell’ambiente esterno – come attività umane, vento, temporali, e così via. Mentre il progetto del rivelatore ha cercato di proteggerlo da questi disturbi, uno dei più grossi problemi è rappresentato dagli specchi (che riflettono i raggi laser) che sono piantati nel terreno, che si muove in modo continuo – troppo lentamente perché lo si senta, ma abbastanza rispetto a quanto possano causare le onde gravitazionali.

Questo significa che gli specchi devono essere isolati rispetto al terreno – un aspetto raggiunto per il Virgo, sospendendo ciascuno specchio all’estremità di una catena di pendoli chiamata ‘super attenuatori’, che hanno lo scopo di rendere immobili gli specchi sospesi sul pianeta (vedi figura 4). Ma come si può rendere un oggetto sospeso isolato dalle vibrazioni?

Ogni singolo pendolo ha una propria frequenza di ‘risonanza’ – la frequenza alla quale il pendolo oscilla da solo ad un piccolo impulso. Se noi muoviamo la sommità del pendolo ad una frequenza più bassa della frequenza di risonanza, l’estremità del pendolo si muoverà. Ma se il moto in ingresso ha una frequenza più alta di quella di risonanza, l’estremità in basso rimarrà quasi ferma. Nel Virgo i pendoli che supportano gli specchi hanno una frequenza di risonanza che è la più bassa possibile (alcuni hertz). Questo significa che essi rimangono praticamente indisturbati rispetto a dei movimenti a più alte frequenze, permettendo alle frequenze delle onde gravitazionali, che hanno una frequenza di poche decine di hertz, di essere individuate.

Figura 4: Un ‘super – attenuatore’ della Virgo: pendoli a cascata per stabilizzare uno specchio. 1: cavo del pendolo; 2: pendolo
a catena; 3: specchio
 
Immagine cortesemente concessa da The Virgo Collaboration

Mantenere la precisione

Per essere sensibili alle onde gravitazionali ogni volta ne arriva una, Virgo deve essere posto costantemente sotto un preciso controllo di stato. Per esempio, il raggio laser (un laser ad infrarossi della lunghezza d’onda di 1064 nm) deve essere tenuto in modo ultrastabile affinché il suo livello di potenza sia costante all’uscita del rivelatore. La frequenza del laser deve essere stabilizzata in modo che vari di una parte su 1014.  

I sensori collocati lungo gli apparati Virgo controllano in modo continuo il suo stato e permette alla lunghezza della cavità ottica di essere controllata sino a un ordine del femtometro (10-15 m), mentre il disallineamento angolare dello specchio deve essere tenuto a meno di alcuni nano radianti (minore di un milionesimo di grado). Inoltre, migliaia di sensori tengono sotto controllo l’ambiente di Virgo e del suo stato, fornendo i dati necessari al controllo nel caso in cui si osservi l’arrivo di un onda gravitazionale.

Ulteriori ricerche

Ci sarebbe molto di più da spiegare sull’esperimento Virgo – per esempio, come devono essere analizzati i dati per vedere se un’onda gravitazionale è stata realmente osservata? Se vi interessa saperne di più, si può consultare il nostro sito webw2 o leggere il recente articolo su Science in School che descrive come siano state individuate per la prima volta (Kwon, 2017) ) – e le scoperte che questa che questa nuova possibilità all’astrofisica.  

Riconoscimenti

L’autore ringrazia Dan Hoak (Osservatorio Gravitazionale Europeo) per l’aiuto fornito nella preparazione di questo articolo.

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References

  • Per un articolo precedente riguardante le onde gravitazionali pubblicato su Science in School, consultare

Web References

Resources

Author(s)

Nicolas Arnaud è un fisico dello staff del Centro Nazionale delle Ricerca Scientifica Francese (Centre National de la Recherche Scientifique, CNRS), in Francia. Dopo aver completato il suo PhD sull’esperimento Virgo durante la fase della sua costruzione, ha lavorato nel campo della fisica delle particelle per una decade prima di unirsi al progetto Virgo nuovamente nel 2014. Sin dal Settembre del 2016 ha lavorato all’Osservatorio Gravitazionale Europeo in Italia, nel sito del rivelatore Virgo. E’ stato coinvolto nella diffusione delle attività educative a partire dal 2003 ed è co-coordinatore di alcune di queste attività a livello nazionale. 


Review

Questo articolo descrive come funziona un rivelatore di onde gravitazionali –  una dispositivo molto grande ma molto sensibile che gli studenti possono trovare molto interessante. I dettagli di come lavorano queste macchine, e le problematiche che bisogna risolvere affinché si raggiunga la sua alta sensibilità, sono descritte un modo molto comprensibile dall’autore, che è uno scienziato delle onde gravitazionali.

Un quiz di comprensione potrebbe comprendere le seguenti domande:

  • Cosa sono le onde gravitazionali?
  • Perché è così difficile osservare le onde gravitazionali?
  • Come funzionano i rivelatori di onde gravitazionali?
  • I rivelatori di onde gravitazionali sono degli strumenti estremamente sensibili. Perché queste macchine sono così grandi?
  • Costruire un rivelatore di onde gravitazionali rappresenta una grande sfida. Descriverne le principali difficoltà e come possono essere risolte.

 


Gerd Vogt, Scuola Secondaria Superiore per l’Ambiente e l’Economia, Austria




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