Sulla cresta delle onde gravitazionali – Parte 2

13 Dicembre 2017

Se non avete ancora letto la Parte I, fatelo ora!

II. PROVE DI NOBEL

Nessuno – ripeto – nessuno vi darà un centesimo per costruire un esperimento che non abbia uno straccio di possibilità di avere esito positivo. Quindi immaginate quanto sia difficile chiedere agli enti scientifici dei fondi per costruire un rivelatore che sia in grado di misurare una contrazione spaziale di una parte su 1021, cioè della tipica ampiezza di un’onda gravitazionale prodotta dallo scontro di due buchi neri o di due stelle di neutroni (vedi Parte I). Ammesso e non concesso che le onde gravitazionali stesse esistano, considerando che decenni dopo la loro predizione nessuno era ancora stato in grado di misurarle. Che Einstein abbia preso una cantonata? Dei ex machina, nel ’73 Russell Hulse e Joseph Taylor scoprono una peculiare binaria di stelle di neutroni. La particolare orientazione delle due stelle è ottimale per misurare facilmente i loro parametri orbitali, tra cui il periodo di rivoluzione. I due scienziati continuano a tenerle d’occhio e scoprono che pian piano il periodo diminuisce: in altre parole le due stelle stanno accelerando, avvicinandosi l’una all’altra. Di quanto? Esattamente di quanto dovrebbero, se stessero emettendo onde gravitazionali. La prima prova indiretta dell’esistenza delle onde gravitazionali vale a Hulse e Taylor il Premio Nobel per la Fisica nel 1993.

E allora misuriamole, ‘ste onde! Prendiamo un’asta molto lunga, e quando passa un’onda misuriamo la sua variazione di lunghezza con un righello abbastanza preciso e… alt, alt, alt! E come la mettiamo con il fatto che quando passa un’onda gravitazionale il righello stesso si allunga e si accorcia come l’asta, rendendo inutili i nostri sforzi?

Schema-base di un interferometro (quelli veri sono molto più complicati!) (fonte).

L’interferometria laser calza a pennello: la luce è l’unico “righello” che non risente di questo effetto. Lo schema di base di un interferometro è abbastanza semplice: un raggio laser viene separato in due da uno specchio semiriflettente e inviato in due direzioni (dette “braccia”) perpendicolari. Al termine di ognuna delle due braccia uno specchio riflette totalmente i due raggi, i quali torneranno indietro fino a ricongiungersi su uno schermo o un rilevatore. Ora, se le due onde (sì, la luce è un’onda!) arrivano sullo schermo entrambe “sulla cresta” si avrà un punto luminoso; al contrario se le due onde arrivano con fasi opposte (una cresta ed una pancia) si avrà un punto buio. Tutto ciò darà luogo ad una figura, detta “di interferenza”, molto particolare.

Figura di interferenza creata da un raggio laser (fonte): i punti luminosi sono quelli di interferenza costruttiva, quelli bui sono di interferenza distruttiva.

Il trucco sta nel fatto che, quando passa un’onda gravitazionale, la lunghezza di una delle due braccia aumenta, mentre l’altra diminuisce: il raggio che percorre la prima delle due braccia impiegherà più tempo dell’altro. Il risultato finale sarà che la figura di interferenza cambierà! Più lungo è il braccio, più grande sarà il suo allungamento/stringimento, più marcato sarà lo spostamento dei cerchi concentrici in figura: è la tecnica più precisa che ci sia!*

 

Rainer Weiss propose di usare questo metodo già nel 1967 (prima ancora della venuta di Hulse & Taylor!), seguito da Kip Thorne, che lavorava sulla parte più teorica. Dopo alcuni studi su “piccoli” prototipi di interferometri lunghi 40 metri, nel 1984 l’MIT e Caltech fondano il progetto LIGO, il Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory. Varie vicende politiche impediscono il realizzarsi del progetto fino alla metà degli anni ’90, quando Barry Barish diventa nuovo direttore del progetto. Barish e il suo team propongono un nuovo studio che ottiene il finanziamento dalla National Science Foundation.

Vista dall’alto dell’interferometro LIGO di Livingston (LA). L’edificio in centro contiene la sorgente del fascio laser e il sistema di specchi semiriflettenti, mentre si vedono le due braccia da 4 km, di cui una in tutta la sua estensione (fonte). Nel frattempo anche in Europa ci si è mossi: una collaborazione di 20 gruppi di ricerca sparsi per il Vecchio Continente ha dato vita al proprio rilevatore di onde gravitazionali. Si chiama VIRGO, ha due braccia lunghe 3 km e si trova a Cascina (Pisa).

Due enormi interferometri, dalle braccia lunghe 4 km, vengono costruiti ad Hanford (Washington) e a Livingston (Louisiana) alla fine degli anni ’90 e diventano operativi dal 2002; tuttavia è solo con l’avvento delle tecnologie del nuovo millennio che viene raggiunta la sensibilità richiesta per rivelare finalmente le onde gravitazionali. Nel settembre 2015 LIGO è finalmente pronto all’uso… [continua]

Gabriele

Link curiosi:
Cosa fa Kip Thorne nel tempo libero
Come funziona LIGO

* Ah, una cosa importante, non è sufficiente accendere l’interferometro per rivelare un’onda gravitazionale. Ci sono infiniti effetti che possono mimare quello che vogliamo misurare. Queste sorgenti di rumore vanno studiate alla perfezione, anche perché sono molto più potenti del segnale “utile”. Come se tentaste di percepire il tintinnio del triangolo ad un concerto metal, se volete. E questi effetti sono i più svariati, dalla sismica terrestre, al camion che passa nell’autostrada a pochi chilometri di distanza, fino ai pennuti che rilasciano sostanze di scarto del loro apparato digerente sopra alla cavità dove passa il laser.

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