Nuovi passi verso la scoperta delle onde gravitazionali

Per tutta l’estate gli scienziati europei lavoreranno ai rivelatori per onde gravitazionali unendo i loro sforzi, mentre i colleghi americani dell’interferometro LIGO hanno spento i loro strumenti per sottoporli ad importanti miglioramenti. Ma prima di tutto cosa sono le onde gravitazionali e come vengono prodotte?

Concept di onde gravitazionali

Le elusive onde gravitazionali ci si aspetta che vengano emesse nei più violenti eventi cosmici, come esplosioni di supernovae, collisioni di stelle compatte e buchi neri, stelle di neutroni rotanti (pulsar). Queste onde si manifestano come increspature della trama dello spazio-tempo, non più immutabile, come ci ha insegnato la Relatività Generale di Albert Einstein. Riuscire a captarle ci offrirà un’immagine dell’universo completamente nuova, rispetto a quella attuale, ottenuta mediante la luce visibile e tutte le altre radiazioni elettromagnetiche.

Gli sciami di raggi gamma  (i più energetici eventi impulsivi nell’universo) possono essere prodotti dal collasso di stelle supermassive in stelle di neutroni o buchi neri. Ci si aspetta che questi fenomeni generino anche intensi fiotti di onde gravitazionali e che quindi possano essere dei riferimenti ideali per la loro ricerca. Le frequenze emesse dipendono dalla massa dei corpi collassanti e possono raggiungere diversi kHz ( 1 Hz= 1 ciclo al secondo). Purtroppo, dato il debole effetto delle onde gravitazionali, la probabilità di rivelazione di questi eventi è bassa.

Per questa ragione Virgo (rivelatore interferometrico di onde gravitazionali frutto di una collaborazione italo-francese tra l’INFN e il CNRS) ha predisposto un complesso programma di miglioramento della sensibilità, che inizierà alla fine dell’attuale periodo di osservazione e trasformerà Virgo in ‘Advanced Virgo’, con una probabilità di rivelazione 1000 volte superiore. Alcune delle tecnologie proposte per migliorare l’interferometro sono già sperimentate nel corso dell’attuale presa di dati. L’americano LIGO ha già interrotto le osservazioni da alcuni mesi, per partire con un analogo programma di miglioramento.

I due interferometri europei Virgo (che si trova a Pisa ed è frutto di una collaborazione tra l’INFN e il CNRS francese, con il contributo di Olanda, Polonia e Ungheria) e GEO600 (anglo-tedesco, presso Hannover) hanno iniziato una osservazione contemporanea all’inizio di giugno. Virgo e GEO600 sono costituiti da due lunghi bracci (600 m GEO600, 3000 m Virgo) disposti sul terreno a forma di L. Fasci di luce laser si propagano lungo i bracci in grandi tubi a vuoto e vengono riflessi avanti e indietro su specchi sospesi sotto vuoto. Il passaggio di un’onda gravitazionale determina una infinitesima variazione oscillante della lunghezza dei due bracci , accorciandone uno e allungando l’altro. Lo sfasamento indotto tra i fasci produce un’alterazione dell’intensità luminosa osservata proporzionale all’ampiezza dell’onda gravitazionale.

Virgo (a sinistra) e Geo600 (a destra)

Virgo può misurare variazioni di lunghezza dei bracci un miliardo di volte più piccole del diametro di un atomo. ‘Ascoltare’ le onde gravitazionali con due o più strumenti in posizioni lontane sulla superficie terrestre è molto vantaggioso. Ogni segnale spurio, dovuto a fenomeni locali che possano imitare l’effetto di onde gravitazionali, viene scartato, poichè è estremamente improbabile che abbia le stesse caratteristiche ovunque, come invece fanno le onde che investono tutta la terra. Inoltre, proprio come il nostro cervello individua la direzione di una sorgente di rumore, paragonando i segnali captati dalle nostre due orecchie, più rivelatori, in posizioni diverse, aiutano a localizzare la direzione di una sorgente di onde gravitazionali.

GEO600 e Virgo hanno sensibilità paragonabili per onde di frequenza al di sopra di 600 Hz; la ricerca a queste frequenze è particolarmente interessante per la possibilità di captare onde gravitazionali associate a sciami di raggi gamma o emesse da supernovae, visibili anche con telescopi convenzionali. “Grazie alla sua eccellente sensibilità estesa a basse frequenze (al di sotto di 100 Hz), Virgo può captare anche segnali da pulsar isolate, come quella nella costellazione della Vela”, dice l’astrofisico Federico Ferrini, direttore di EGO (European Gravitational Observatory), l’osservatorio che ospita Virgo a Cascina, nei pressi di Pisa. “Si tratta dei resti di una esplosione di supernova avvenuta oltre 10000 anni or sono, e che emette regolari impulsi di radiazione elettromagnetica, dalle onde radio ai raggi gamma. Il segnale gravitazionale è aspettato attorno ai 22 Hz.”

Attualmente per EGO lavorano circa 60 persone, mentre su Virgo ne coinvolge circa 200, appartenenti a diverse sezioni INFN ed agli istituti degli altri paesi partecipanti alla collaborazione.

Fonte: Astronomia.com