A braccia aperte
Grandi interferometri laser collaborano nella ricerca delle onde gravitazionali.
di Carlo Bradaschia

a.
Virgo visto da Pamela: immagine satellitare dell’interferometro Virgo, vicino a Cascina (Pisa). Oltre all’apparato sperimentale Pamela per lo studio dei raggi cosmici (vd. Asimmetrie 4), il satellite russo Resurs ospita una potente strumentazione fotografica, grazie alla quale è stato realizzato questo scatto.

L’avventura di Virgo ebbe inizio negli anni ’80, durante un congresso di relatività generale.
In quella circostanza, infatti, Adalberto Giazotto, fisico dell’Infn con un interesse per le onde gravitazionali, che allora progettava prototipi di sospensioni per isolare dai movimenti sismici i dispositivi di test dei futuri rivelatori, ebbe l’occasione di incontrare Alain Brillet, un fisico francese anch’egli interessato alla rivelazione delle onde gravitazionali, ma con un bagaglio di esperienza completamente diverso: l’ottica e i laser. Da questo incontro di esperienze complementari, nacque l’idea di costituire una collaborazione italo-francese per realizzare il Progetto Virgo, un interferometro laser (vd. approfondimento "Un'antenna larga mezzo mondo per catturare il "fantasma" previsto da Einstein, ndr) per rivelare l’eventuale passaggio di un’onda gravitazionale. Seguì circa un decennio di lavoro intensissimo, volto al completamento dei prototipi, alla stesura di un progetto e a ottenere l’approvazione e il finanziamento dell’Infn e del Cnrs, il centro nazionale per la ricerca scientifica francese. Oggi Virgo è diventato uno strumento molto potente.

Esso ci permette di controllare con straordinaria precisione la differenza di lunghezza dei suoi due bracci ortogonali lunghi ben 3 km: ciò è fondamentale perché dalla variazione della lunghezza dei bracci possiamo ricavare l’ampiezza dell’onda che li ha investiti.

Al loro passaggio, le onde gravitazionali, infatti, deformano alternativamente lo spazio in due direzioni perpendicolari, producendo così l’allungamento di un braccio e l’accorciamento dell’altro. Ciò altera lo “sfasamento” tra i due fasci laser che dà luogo a un segnale luminoso sul fotodiodo rivelatore la cui intensità dipende dalla variazione di lunghezza dei bracci.
Dal momento che queste deformazioni sono estremamente piccole, è necessario aumentare la sensibilità dello strumento di misura mettendo in pratica ogni possibile accorgimento. Il più naturale per un interferometro consiste nel dotarlo di bracci molto lunghi: quanto più grande è la lunghezza, infatti, tanto più grande è la sua variazione. Sulla Terra, però, si riescono a realizzare bracci rettilinei al massimo di qualche chilometro, considerando i costi, l’ambiente e la curvatura terrestre. Così, per allungarli virtualmente, alle loro estremità sono stati collocati degli specchi di precisione: l’effetto delle variazioni, quindi, viene moltiplicato facendo sì che i fotoni dei raggi laser percorrano avanti e indietro molte volte i bracci, prima di raggiungere il fotodiodo. In Virgo ci attendiamo così di poter misurare delle differenze di lunghezza di 10-19 metri, un miliardo di volte più piccole del diametro di un atomo!

b.
Lo specchio separatore sospeso nella sua campana da vuoto, visto dal basso.
Nel campo dell’ottica, Virgo utilizza una nuova generazione di laser ultrastabili, mentre per produrre specchi di qualità estrema è stato costruito, a Lione, un laboratorio ad hoc per la deposizione sotto vuoto dei vari strati riflettenti che compongono ciascuno specchio. È stata ottenuta una riflettività di oltre il 99,999%, e la superficie degli specchi è così levigata che le dimensioni di eventuali irregolarità sono dell’ordine del nanometro, cioè del miliardesimo di metro. La vera sfida da vincere, però, è isolare lo strumento da tutti i possibili fenomeni che possano coprire gli effetti delle onde gravitazionali.
Le vibrazioni sismiche, sempre presenti sulla crosta terrestre, sono miliardi di volte più grandi degli spostamenti dovuti alle onde gravitazionali. Per isolare gli specchi dal sisma, sono stati messi a punto i “superattenuatori”, giganteschi ammortizzatori che sostengono gli specchi mediante complesse catene di pendoli, all’interno di campane da vuoto alte 11 m. Le eccezionali prestazioni dei super attenuatori permettono di estendere la sensibilità di Virgo a basse frequenze, fino a 10 Hz, mentre gli altri interferometri a terra non possono scendere al di sotto di 50 Hz. Ciò dà a Virgo l’esclusività per esplorare un intervallo di frequenze potenzialmente molto interessante, dove si potrebbero “vedere” onde gravitazionali prodotte da pulsar e da stelle binarie coalescenti.
Un’altra fonte importante di disturbi sarebbe costituita dalle fluttuazioni dell’indice di rifrazione dell’aria, lungo il cammino dei fasci di luce. A questo effetto si rimedia in modo concettualmente semplice: facendo propagare i raggi laser nel vuoto. Nella pratica la necessità di un vuoto estremamente spinto (10-12 atmosfere), all’interno di due tubi di 1,2 m di diametro e 3 km di lunghezza, ha richiesto la realizzazione di quello che è, di gran lunga, il più grande sistema da ultra-alto-vuoto d’Europa. Queste e altre esigenze hanno spinto i ricercatori e i tecnici coinvolti nel progetto a sviluppare le più avanzate tecnologie in numerosi campi.
c.
Uno degli specchi di Virgo in fase di preparazione.
Queste tecnologie sono ora a disposizione di altri campi di ricerca e dell’industria. Grazie a un accordo raggiunto recentemente con i gruppi di lavoro di altri interferometri, i due Ligo negli Stati Uniti e Geo600 in Germania, non ci si limiterà a cercare coincidenze temporali fra i vari rivelatori ma, scambiandosi i dati originali, si effettueranno analisi multiple e coerenti di tutti i dati, migliorando così la statistica e l’affidabilità dei risultati. Virgo,che ha raggiunto una sensibilità paragonabile a quella dei due interferometri Ligo, dallo scorso 18 maggio ha iniziato a prendere dati a pieno tempo e continuerà fino a settembre.
L’interesse di raccogliere dati in coincidenza con gli altri interferometri è duplice: riconoscere e scartare la maggior parte dei segnali spuri, che hanno origine locale e non possono quindi dare coincidenze temporali fra rivelatori in continenti diversi, contrariamente ai segnali di onde gravitazionali che investono tutta la Terra; inoltre, mediante la differenza di tempo d’arrivo dell’onda ai vari rivelatori, si può individuarne la sorgente, così come noi utilizziamo le due orecchie ai lati della nostra testa per individuare la sorgente di un suono.
La previsione del numero di eventi rivelabili è molto difficile e incerta. Se ci limitiamo ai fenomeni prevedibili con maggiore attendibilità, le coalescenze di stelle binarie, stimiamo che i rivelatori attuali abbiano una probabilità del 1% di vedere un evento in un anno di presa dati continua. Per questo motivo, l’accordo fra Virgo, Ligo e Geo600 prevede un programma coordinato di miglioramento di tutti i rivelatori in due passi: Virgo+, in cui, mediante tecnologie già in uso, le sensibilità saranno migliorate a tal punto che il numero di eventi rivelabili diverrà dell’ordine di uno all’anno, a partire dal 2010; e in seguito VirgoAdvanced, in cui, grazie a tecnologie in fase di sperimentazione, si prevede un miglioramento complessivo della sensibilità di circa 10 volte e il numero di eventi attesi sarà di qualche decina all’anno, a partire dal 2014. Sarà questo l’inizio dell’astronomia gravitazionale.
[as] approfondimento
Un’antenna larga mezzo mondo per catturare il “fantasma” previsto da Einstein
 


[as] approfondimento
La collaborazione Virgo ed Ego


La collaborazione Virgo è costituita da 150 ricercatori, provenienti dall’Infn e da alcuni laboratori del Cnrs francese (Centre National de la Recherche Scientifique), a cui recentemente si è aggiunto un gruppo del Nikhef di Amsterdam. Ego, l’Osservatorio Gravitazionale Europeo, è il laboratorio creato nel 2001 sotto forma di consorzio fra Cnrs e Infn, al fine di prendersi cura di tutte le infrastrutture necessarie al buon funzionamento di Virgo. Attualmente Ego ha raggiunto la sua dimensione di regime, con poco più di 50 dipendenti, fra cui la squadra di operatori che consente il funzionamento dell’interferometro, in particolare durante la raccolta dei dati. Numerosi dipendenti di Ego contribuiscono anche alla messa a punto e al miglioramento del rivelatore.

Biografia
Carlo Bradaschia è dirigente di ricerca all’Infn di Pisa. Fino al 1988 si è occupato di fisica sperimentale delle particelle elementari, successivamente si è dedicato a pieno tempo alla realizzazione di Virgo, contribuendovi dalle fasi iniziali del progetto alla raccolta dei dati, attualmente in corso.

 

Link
http://www.ego-gw.it/virgodescription/
http://www.einstein-online.info/en/
http://www.ligo.caltech.edu/

 

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