Un mare gravitazionale – Episodio I

Il mare, così come il cielo, è uno specchio che riflette ed amplifica i pensieri; scova le sensazioni più timide e permette loro di avere lo spazio per respirare a pieni polmoni quell’aria salina che, a noi genovesi, fa sentire così a casa.

Quante domande, quanti pensieri ha ispirato il mare nel corso dei secoli e quante volte è stato sfondo di momenti meravigliosi? 

Tra un sognante Cesare Pavese ed un malinconico Hernest Hemingway si inserisce un ragazzo qualsiasi – non uno scrittore di fama, non un nobel in fisica – ma qualcuno in grado di farsi la domanda giusta: da dove arrivano le onde che il mare ci propone?

Partiamo proprio da qui, da una Domenica pomeriggio seduti su uno scoglio a guardare i surfisti  della baia aspettare il momento giusto per potersi sollevare e volare sul pelo dell’acqua. Ci sono momenti in cui la marea è bassa e il mare è tranquillo; momenti in cui le onde si alimentano, si alzano vertiginosamente e tuttavia non vi è nulla all’orizzonte: non una nave, non un motoscafo. 

“Ma allora” si chiede il ragazzo “ da dove provengono queste onde?”. Beh, pensiamo in grande, proviamo ad estendere la questione a qualcosa di ancora più vasto e sconosciuto del mare: lo spaziotempo. 

Immaginate dunque lo spaziotempo proprio come il pelo dell’acqua di un oceano estremamente calmo, liscio come un lago di alta montagna, e immaginate di trovarvi in un punto di esso sufficientemente distante da ogni spiaggia. Se un bambino, dalla riva,  lanciasse un piccolo sasso nell’acqua, voi nemmeno ve ne accorgereste: questa si incresperebbe solo intorno al sassolino e le onde verrebbero piano piano assorbite metro dopo metro. Tuttavia, se invece del sassolino crollasse uno scoglio molto grande, tanto da generare onde alte decine e decine di metri, voi, sebbene vi troviate distanti, potreste percepire delle piccole onde residue arrivare, eppure nessuna sorgente all’orizzonte che le abbia generate. 

Ma da soli, in mezzo al mare, come fate a capire qual è l’origine di queste onde? E quali sono quegli scogli in grado di turbare lo spaziotempo e generare le cosiddette onde gravitazionali?

Beh, in entrambi i casi avreste bisogno innanzitutto di uno strumento in grado di percepire l’arrivo delle onde, nel mood gravitazionale l’interferometro di Michelson è un ottimo candidato e il suo funzionamento è circa il seguente: una fonte emette un fascio laser coerente  che viene poi splittato in due parti uguali da una superficie semiriflettente, ogni parte si propaga fino a riflettersi su uno specchio posto in fondo a un tunnel di medesima lunghezza e ritorna indietro al rivelatore; quando lo spaziotempo viene distorto dall’onda passante anche la distanza relativa tra i due specchi terminali viene modificata, e la luce impiega un tempo differente per fare il suo cammino, poiché la strada da percorrere è più lunga/corta  e la velocità della luce è costante.

Riassumendo: se non è successo nulla la luce parte come un laser la cui coerenza fa sì che la fase si mantenga inalterata per tutto il percorso, arriva splittato in due alle estremità dei bracci dell’interferometro e torna indietro esattamente come prima. Se gli specchi posti alle estremità, invece, hanno subito degli spostamenti, i fasci torneranno sfasati tra di loro e nel rivelatore si vedrà un certo tipo di interferenza – per gli esperti di ottica: siamo nel regime di frangia scura. 

[DON’T PANIC! Niente aiuta a capire la dinamica del Michelson come questa meravigliosa animazione]

Ma di quanto si sfasano i fasci? La sensibilità di un interferometro è incredibilmente grande, in grado di percepire fino a circa un miliardesimo di nanometro di scostamento, dunque quanto è difficile distinguere i rumori esterni dalle onde gravitazionali reali? In che modo si può essere certi del segnale?

L’interferometro di Michelson è senza dubbio uno degli strumenti tecnologici più raffinati attualmente esistenti e ce lo conferma il brutto ceffo colorato qua affianco.

Guardiamolo bene in faccia: in realtà è molto più poetico di quello che sembra! Senza di lui osservare il nostro amato mare sarebbe molto complicato: ombrelloni e orrende costruzioni davanti agli occhi, un’autostrada accanto alla spiaggia che ci fa respirare solo smog,  rumori assordanti di clacson, camion e folla e magari anche un velo di nebbia a condire il tutto. 

In breve, mostrandoci tutti i rumori di cui bisogna tenere conto e a quali frequenze dominano, ci permette di costruire la curva di sensibilità dello strumento e quindi di effettuare le opportune correzioni per rendere limpida la visuale; il nostro interferometro sarà quindi dotato di:

• un laser più potente per ridurre il rumore ad alte frequenze;
• una serie a cascata di molle e pendoli per ridurre rispettivamente le componenti verticali e orizzontali del rumore sismico sugli specchi;
• alloggi pesanti fatti in fused silica per gli specchi per minimizzare la dissipazione termica delle sospensioni;
• coating particolare sulla superficie degli specchi per ovviare al problema delle fluttuazioni e aberrazioni termiche sulle ottiche;
• l’ingegnosa tecnica dello squeezing  per ridurre le principali forme di rumore quantistico: shot noise (fluttuazioni quantistiche del segnale) e pressione di radiazione (dovuta al laser incidente);
• un modello dettagliato della dinamica del terreno per tener conto del rumore newtoniano;
• una sede sotterranea per ridurre al minimo tutto ciò che deriva dal rumore sismico.

Non meno importanti sono: le cavità Fabry Perot che permettono di ridurre la lunghezza effettiva dei bracci da centinaia di migliaia di metri a qualche km, facendo rimbalzare il laser avanti e indietro all’interno dei bracci; e la cavità di ricircolo, posta dopo il fascio laser, che ne aumenta la potenza e ottimizza la modulazione.
Questi miglioramenti incrementano la potenza del laser nella cavità ottica di un fattore di 5000!

E pensate che questi sono solo alcuni degli accorgimenti di cui necessita un interferometro per poter lavorare al meglio delle sue potenzialità!

Ora che abbiamo capito quale strumento ci serve (e quanto è complicato!) non ci resta che costruirne alcuni, piazzarli in diversi punti della Terra e triangolare il segnale in modo da individuare la fonte e eliminare possibili falsi allarmi. 

Tutto qui? Ma certo che no!
Vi lascio con un paio di quesiti sui quali riflettere in attesa del prossimo episodio: è possibile schermare un interferometro dalle onde gravitazionali? Si può isolare una porzione di spaziotempo per poter fare il cosiddetto fondo e individuare così il segnale pulito? 

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Benedetta Valerio
Laureata in Fisica attualmente frequenta la magistrale in Fisica delle Interazioni Fondamentali e Astrofisica svolgendo la tesi all’interno della missione Euclid dell’ESA.
Impegnata in attività divulgative come organizzatrice e membro del consiglio scientifico del Festival dello Spazio, collabora attivamente con l’Osservatorio Astronomico del Righi e il Festival della Scienza. Quando non è al bar, nel (poco) tempo libero balla e insegna Lindy Hop presso la scuola Your Swing, gioca a rugby e, tra una serie tv e l’altra, frequenta fiere del fumetto rigorosamente in cosplay.

Fonti:

• http://www.virgo-gw.eu/;
• Gravitational Waves, vol. 1 – M. Maggiore;
• www.media.inaf.it.