Le onde gravitazionali – Parte II

“Vola Marisa, vola …”

VIRGO è un interferometro nato da una collaborazione italo – francese con sede a Cascina (Pisa); si basa sullo stesso principio di VIRGO ma possiede una lunghezza delle braccia inferiore (3 Km) ed una diversa sensibilità. La possibilità di avere più sistemi di interferometri che lavorando assieme e analizzano lo stesso segnale dallo spazio in istanti temporali differenti, consente di migliorare l’identificazione della direzione di arrivo dell’onda (Direction Of Arrival); questo si traduce nell’avere una incertezza angolare della DOA più piccola grazie ad operazioni di deconvoluzione sul segnale ricevuto. Avere un sistema di interferometria basato su più rilevatori sparsi per il mondo, consente inoltre ai fisici di ridurre in termini di probabilità il numero di falsi segnali positivi che potrebbe registrare un interferometro del sistema.

Purtroppo VIRGO al momento dell’evento era spento (entrerà a pieno regime nell’autunno 2016), quindi non ha potuto registrare nulla, ma come hanno fatto gli astronomi a decifrare il segnale e stabilire che, per esempio, l’evento registrato il 14 settembre 2015 si trattava proprio di una coppia di buchi neri?

Grazie ad Einstein, i fisici sono in grado di calcolare a priori quale sarà il modello e la forma del segnale da ricercare per ogni possibile tipologia di sorgente; così sanno per esempio la forma d’onda del segnale generata dalla collisione di due buchi neri, la collisione fra un buco nero ed una stella di neutroni, etc. Anzi, possono fare anche di più: per ogni tipologia di sorgente sono in grado di trovare soluzioni numeriche anche al variare della massa totale del sistema.

 

Segnali dell'evento GW150914
Segnali dell’evento GW150914

 

Quando gli interferometri rilevano un segnale (una volta esclusi i falsi positivi, ridotto il rumore di fondo ed esclusi i segnali spuri) i fisici confrontano con le forme d’onda generate con modelli precalcolati; tra questi ultimi poi scelgono il candidato migliore con tecniche di pattern matching ed analisi statistica. Queste analisi, incluso la ricerca delle soluzioni dei modelli – campione, vengono effettuate da software dedicato.

Una volta determinato il tipo di sorgente, bisogna localizzare la DOA, ed è proprio a questo punto che entrano in gioco il numero d’interferometri in grado di rilevare lo stesso evento in instanti successivi: questo consente di restringere la zona di cielo di provenienze della sorgente utilizzando tecniche di deconvoluzione del segnale (nota la frequenza e la distanza fra le antenne degli interferometri). Per dare un’idea, secondo il Prof. Passuello dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), con due interferometri si può identificare la provenienza di una sorgente di onde gravitazionali in uno spicchio di cielo di 100°; con tre interferometri (ed è per questo importante che anche VIRGO inizi a funzionare) la zona di cielo si restringe a una zona di diametro pari a quello lunare.

Anche l’hardware, ovvero le apparecchiature fisiche, hanno un ruolo fondamentale: devono essere in grado di effettuare misurazioni estremamente piccole in condizioni critiche. I progettisti hanno dovuto affrontare problemi non indifferenti. Ecco una breve elenco di caratteristiche di progettazione riferito al progetto italiano VIRGO (dati del Prof. Passuello – INFN):

  • Devono essere in grado di identificare come rumore ed ignorare anche le più piccole vibrazioni sismiche; questo viene risolto tramite l’uso di super attenuatori.
  • Devono essere in grado di riconoscere e resistere anche alle piccolissime variazioni di pressione (10-12 bar); un ingegnoso sistema di filo a piombo a cascata consente di ridurre l’oscillazione tra la punta e la base del pendolo, ove viene installata la massa di riferimento (specchi).
  • Il fascio laser monocromatico deve essere stabile e puro (una λ costante) così da non inficiare la misura di buio – luce al rilevatore.
  • Gli specchi, sui quali viene riflesso il fascio laser, devono essere fatti di SiO2 pura, fissati su componenti monolitiche ed avere una bassa rugosità (10-8m) per diminuire l’effetto di dispersione della luce.
  • All’interno dei tubi in cui viaggia il segnale non ci deve essere aria; pertanto è necessario mettere sotto vuoto il percorso della luce. Il sistema VIRGO è in grado di creare nell’anima del tubo un volume vuoto molto spinto, pari a circa 10-7
  • Il rumore termico, sempre presente a T maggiori dello zero assoluto, va ridotto drasticamente.; pertanto l’interferometro deve lavorare a temperature criogeniche.

Tornando all’evento di settembre, i due buchi neri ruotando a spirale intorno ad un comune centro di massa, si sono compenetrati tra loro rilasciando una grande quantità di massa – energia trasformata in un’onda gravitazionale giunta sino a noi. I due buchi neri avevano massa pari a 36 e 29 masse solari e la loro fusione, avvenuta in circa 0,2 sec ad una velocità che è passata da 0,3 c a 0,6 c, ha dato origine ad un unico buco nero con massa pari a 62 masse solari. La massa mancante, secondo la formula di Einstein ∆E = mc2, pari a 36 + 29 – 62 = 3 masse solari, è stata convertita in energia sotto forma di onda gravitazionale che si è propagata nello spazio e giunta sino a noi. L’energia in gioco è stata altissima, basti pensare che neanche il nucleo del nostro Sole in tutta la sua esistenza riuscirà a generare una quantità simile di energia.

Modello, onda gravitazionale e parametri dei due buchi neri
Modello, onda gravitazionale e parametri dei due buchi neri

Perché studiare le onde gravitazionali? Eventi come questi sono molto importanti perché consentono agli astronomi di aprire nuove frontiere di studio nel campo della cosmologia; la cosmologia attuale si basa sul modello del Big – Bang e sullo studio della radiazione cosmica di fondo CMBR (Cosmic Microwave Background Radiation): sappiamo che quest’ultima a causa delle interazioni con la materia, pone un limite alla finestra temporale allo studio dell’Universo posto a circa 380000 anni dal Big Bang.  Le onde gravitazionali hanno invece la caratteristica di non interagire con la materia circostante: durante la fase inflazionaria del nostro Universo, le asimmetrie nella distribuzione della materia, possono aver generato onde gravitazionali che hanno viaggiato – ed ancora viaggiano – per l’Universo.

È un nuovo metodo di studio dell’Universo; inoltre poiché dall’intensità dell’evento è possibile risalire alla distanza della sorgente, questo ci consente di misurare in maniera molto precisa le distanze nell’Universo. Data l’importanza strategica dello studio delle onde gravitazionali, nel futuro ci son proposte per altri progetti, oltre a VIRGO, sia sotto terra sia nello spazio.

Nel primo caso lo scopo è di aumentare la sensibilità della strumentazione essendo maggiormente al riparo da interferenze sismiche, mentre lo spazio ci consente di ottenere misure ancora più precise (le masse di riferimento son sospese nel vuoto). In quest’ultimo caso esiste un progetto congiunto ESA –NASA chiamato LISA (Laser Interferometer Space Antenna), che consiste nel piazzare in orbita intorno al Sole ad una distanza pari ad 1 u.a. un sistema di interferometri satellitari che seguono l’orbita terrestre.

Ancora una vota, a più di 100 anni dalla pubblicazione della Teoria della Relatività, Einstein aveva ragione.

Bibliografia

  • Passuello INFN – Rivelare e misurare l’impossibile – Conferenza tenuta presso Osservatorio Astronomico di Brera

 

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