Virgo: l’Italia a caccia di onde gravitazionali

Per rilevare un’onda gravitazionale serve una sensibilità di almeno un millesimo del diametro di un protone: gli strumenti che permettono di raggiungere tale precisione, chiamati interferometri, sono estremamente complicati per riuscire a soddisfare questi requisiti. In Italia, nelle campagne di Pisa, si trova Virgo, nato dalla collaborazione del Centre National de la Recherche Scientifique francese e dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare italiano, ai quali si sono uniti gruppi di ricerca olandesi, ungheresi, polacchi e spagnoli; è composto da due tubi a vuoto di 3 km disposti tra loro a 90 gradi ed è parte integrante dell’osservatorio EGO (European Gravitational Observatory).

Fotografie:

1. I tubi a vuoto dove viene fatto passare il raggio laser;
2. Catena di pendoli alla quale sono appesi gli specchi;
3. Il complesso di Virgo dall’esterno, con l’evidente copertura azzurra dei tubi;
4. La sala controllo;
5. Particolare dei fili che sostengono gli specchi: quelli trasparenti sono fili di quarzo puro, come lo specchio stesso, che risulta trasparente alla luce visibile ma riflettente alla luce infrarossa del laser;
6. Precisissimi attuatori elettromagnetici che correggono la posizione degli specchi;
7. L’interferometro dall’alto, fonte: Wikipedia;
8. Schema di funzionamento dell’interferometro, fonte: Ego-Virgo.

Cosa sono le onde gravitazionali?

Le onde gravitazionali sono perturbazioni che deformano lo spazio-tempo nella direzione perpendicolare a quella lungo la quale si propagano. Le cariche elettriche accelerate emettono onde elettromagnetiche ed Einstein previde che, allo stesso modo, masse poste in forte accelerazione emettessero onde gravitazionali, senza poter supportare la sua tesi con evidenze sperimentali in quanto non esisteva ancora la tecnologia necessaria a effettuare gli esperimenti. Esistevano solo prove indirette come, per esempio, il sistema doppio PSR 1916+13: le sue due stelle subiscono forti accelerazioni con un periodo di rotazione di sole 8 ore e stanno perdendo energia per emissione di onde gravitazionali, motivo per cui si avvicineranno sempre più fino a fondersi tra 400 milioni di anni.

“Vedere” le onde: come fare?

Per avere prove dirette dell’esistenza di questo fenomeno lo strumento più indicato, per ora, è senza dubbio l’interferometro. Una sorgente emette luce laser che incide su uno specchio semitrasparente posto a 45° rispetto alla sua direzione: questo permette di dividere il fascio a metà per dirigerlo lungo i due bracci; alla fine di ogni braccio si trova uno specchio riflettente che fa tornare indietro i laser e al loro ricongiungimento i due fasci luminosi si sovrappongono. Il sistema è tarato per fare in modo che in condizioni di quiete, ossia senza passaggio di perturbazioni gravitazionali, le due onde arrivino al ricongiungimento in opposizione di fase e si annullino a vicenda. Nel caso ci sia un passaggio di onda gravitazionale che alteri lo spazio, i bracci si allungano e accorciano di circa 3e(-18) metri, causando uno sfasamento e, quindi, una luce in uscita che viene rilevata da un fotodiodo. Il sistema funziona bene solo se isolato dai disturbi esterni:

• Vibrazioni sismiche: essendo di maggiore entità rispetto alle piccolissime variazioni che vogliamo rilevare, devono essere eliminate con una sospensione degli specchi. Un sistema a catena di pendoli permette di smorzare le vibrazioni di un centinaio di volte per ogni pendolo, rendendo gli specchi posti alle terminazioni dei bracci insensibili a spostamenti sismici di piccola entità;
• Cambiamenti di pressione lungo i tubi: per questo viene creato un ultra alto vuoto a una pressione di 1e(-12)bar;
• Potenza e frequenza del laser devono essere mantenuti costanti;
• La rugosità degli specchi deve essere al minimo per garantire una riflessione perfetta: per la realizzazione si utilizza quarzo puro.

Cosa riusciamo a capire da queste onde?

L’interferometro, tipicamente, registra eventi di fusione di stelle binarie o di buchi neri e capta onde significative negli ultimi 0,5 secondi prima dello “scontro” dei due corpi. Anche se non sono ancora stati osservati, ci si aspetta che sia possibile vedere anche gli effetti di esplosione di supernovae e individuare pulsar. VIRGO è costantemente in collegamento con i due interferometri LIGO, presenti sul suolo americano, in modo da poter verificare in tempo reale che i dati ricevuti non siano falsi positivi e per riuscire a triangolare la posizione nel cielo dalla quale le onde sono partite. Nel momento in cui viene ricevuto un segnale vengono allertati tutti i più grandi osservatori terrestri per poter vedere lo stesso evento anche nello spettro della luce visibile e di tutte le altre lunghezze d’onda; questo tipo di esperimenti apre la strada alla cosiddetta “astronomia multimessaggera“, che si propone di osservare uno stesso evento con tutti gli strumenti a nostra disposizione per ottenere la maggior varietà di segnali e informazioni. Lo studio delle onde gravitazionali, inoltre, potrebbe essere importante anche per scoprire qualcosa di più sulla materia oscura, di cui ancora abbiamo pochissime informazioni.