il rilevatore di onde gravitazionali che apre una finestra sull’Universo
Che cosa sarebbe accaduto se la sinopia della Battaglia di Cascina fosse stata realizzata da Michelangelo nel 2004?
Al di là dei corpi titanici che occupano il primo piano, avreste potuto intravedere, nascosto tra gli speroni rocciosi dello sfondo, un imponente edificio argentato ospitante l’interferometro VIRGO.
Immerso nella pianura pisana, l’esperimento VIRGO è costituito da un corpo centrale dal quale si dipartono due bracci ortogonali di ben 3 km di lunghezza, ciascuno sede di una complessa serie di macchinari, necessari per l’assemblaggio di un interferometro a laser.
Nascita e Obiettivo dell’esperimento
VIRGO, il cui nome deriva dall’ ammasso della Vergine, distante 50 milioni di anni luce dal nostro pianeta, nasce sul finire del secolo scorso per volontà dell’INFN (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare) e del francese CNRS (Centre National de la Recherche Scientifiche).
L’esperimento, inserito all’interno dell’osservatorio gravitazionale europeo (il cui acronimo inglese è EGO), si occupa di rivelare le onde generate dal campo gravitazionale, previste dalla Teoria della Relatività di Einstein.
Che cosa sono le onde gravitazionali?
Un corpo dotato di massa genera attorno a sé un campo gravitazionale, una grandezza fisica che fornisce indicazioni circa l’intensità, la direzione e il verso della modificazione del tessuto spazio-tempo, che influiscono sul moto delle masse che lo circondano.
Il modulo del campo è tanto maggiore quanto più significativa è la massa del corpo generatore; dunque, non è difficile immaginare quanto l’intensità’ del campo (e delle rispettive onde) possa essere decisamente più rilevante se generata da un corpo celeste, anziché’ da un essere umano.
Servendosi di un esempio poco scientifico, ma efficace, si potrebbe paragonare il tessuto spazio-temporale ad un enorme telo elastico, al centro del quale è collocata una pallina dotata di una certa massa. Una volta posizionato l’oggetto al centro, si nota che il telo elastico risulta lievemente inclinato nella direzione della pallina e che tale inclinazione è tanto accentuata quanto maggiore è la massa della pallina.
Se poi si pone un’altra pallina di massa irrilevante (massa di prova) sul margine del telo, si osserva che questa, senza che le venga impresso alcun movimento, inizia a ruotare attorno alla pallina centrale, avvicinandosi ad essa sempre più, come se ne fosse attratta.
Di conseguenza, un corpo dotato di massa, che non presenta una simmetria sferica, muovendosi di moto accelerato, genera nel tessuto spazio-temporale una serie di increspature, dette onde gravitazionali, che alterano il movimento delle masse di prova circostanti.
Le onde gravitazionali risultano, per certi aspetti, analoghe alle onde elettromagnetiche: esse, infatti, viaggiano alla velocità della luce e oscillano perpendicolarmente alla direzione di propagazione. Tuttavia, al contrario delle onde di Maxwell, le onde gravitazionali presentano delle lunghezze d’onda molto elevate (dell’ordine di 106, fino a raggiungere 1027 m) e ampiezze di oscillazione decisamente esigue (10-19 m); tali peculiarità fanno in modo che le particelle del cosmo risultino pressoché impenetrabili da queste onde.
Da che cosa sono generate le onde gravitazionali?
Le onde gravitazionali, come gran parte delle onde dello spettro elettromagnetico, non sono visibili all’occhio umano, né tanto meno facilmente rilevabili. Data la relativa debolezza della forza di gravità, persino sistemi costituiti da corpi celesti massivi, sottoposti a una violenta accelerazione, generano delle modificazioni infinitesime. Ad esempio, fenomeni astronomici, quali la coalescenza (cioè il progressivo avvicinamento, seguito dalla collisione) di un sistema binario di stelle molto dense, producono onde gravitazionali captabili dagli interferometri. Quando le due stelle si avvicinano progressivamente, la loro velocità aumenta e con essa anche la frequenza delle onde generate, che risulta massima nell’istante che precede la collisione.
Più complicate da rilevare sono, invece, le onde prodotte dai sistemi binari di buchi neri, la cui frequenza rimane pressoché’ costante, per la lentezza di evoluzione del sistema.
Anche l’esplosione di supernove può provocare l’emissione, per pochissimi istanti, di onde gravitazionali ad alta frequenza.
Persino l’esplosione primordiale che ha dato origine al nostro universo, il Big Bang, risulta essere una delle più importanti fonti di onde gravitazionali, le quali si manifestano come un “sottofondo” continuo, persistente da miliardi di anni.
Come funziona l’interferometro di VIRGO?
L’interferometro di VIRGO è, in sé, un dispositivo apparentemente semplice, ma di grandi dimensioni. È formato da una sorgente di raggi laser, un beam splitter (un divisore di fascio) e una serie di specchi in sospensione, alcuni semiriflettenti, l’ultimo completamente riflettente. Nel corpo centrale una sorgente produce raggi laser che incidono su uno specchio semitrasparente, inclinato di 45 gradi.
Lo specchio semitrasparente non è altro che un beam splitter, un divisore di fascio, in grado di spartire equamente il raggio laser in direzione dei due bracci, riflettendone una parte e lasciando che l’altra prosegua indisturbata. Al termine dei due bracci sono posizionati due specchi che riflettono il raggio laser, in modo tale che i due “fasci di ritorno” generino un’interferenza di tipo completamente distruttivo. Ed è proprio qui che entrano in gioco le onde gravitazionali. Come già detto queste onde non sono altro che delle modificazioni del tessuto spazio tempo, pertanto, quando si manifesta un evento astronomico di notevole grandezza (come l’esplosione di una supernova), la variazione della distanza, pari a 10-18 m, provoca una minima interferenza di tipo costruttivo, che viene captata e interpretata.
I risultati ottenuti da VIRGO sono sempre attendibili?
Come già detto, le onde gravitazionali possono essere molto complicate da rilevare, di conseguenza persino la minima interferenza potrebbe falsificare i dati del rilevatore. Al fine di incrementare l’attendibilità dei valori registrati, i fisici di VIRGO hanno messo in atto alcune accortezze: prima fra tutte, il posizionamento di specchi sospesi e super attenuatori (un insieme di pendoli elastici), in grado di smorzare l’incidenza delle onde sismiche.
Un altro fattore che potrebbe influenzare i dati è rappresentato dall’oscillazione termica delle particelle che costituiscono gli specchi, a tal scopo gli specchi sono dotati di un sistema criotermico in grado di abbassare notevolmente la loro temperatura.
I successi di VIRGO
Nell’agosto del 2017, il rilevatore pisano ha captato, insieme a due interferometri statunitensi del progetto Ligo, una quarta coalescenza di due buchi neri e una prima coalescenza di due stelle di neutroni. Il bilancio del 2019 è stato per VIRGO decisamente positivo:
alcune decine di coalescenze di sistemi binari registrati dalla sua fondazione. Tali eventi, aggiungendosi al primo segnale gravitazionale, rilevato negli USA nel 2015, dimostrano l’intensa attività dei corpi che popolano il nostro universo e possono rivelarsi utili, in futuro, per lo studio della cosiddetta “materia oscura”