Onde gravitazionali e laser: Einstein & Einstein

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04/02/2015 08:56 - 10/02/2017 12:01 #161 da P. Strolin
P. Strolin ha creato la discussione Onde gravitazionali e laser: Einstein & Einstein
Onde gravitazionali e laser: Einstein & Einstein
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Per domande: autori o Domanda a un esperto
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Onde gravitazionali dall’oceano cosmico - propedeutico a questo – espone la natura delle “onde gravitazionali”, assieme allo stato e agli aspetti generali della loro ricerca.

Quest’articolo, di natura prevalentemente tecnica, risponde alla domanda che sempre si pone chi vuole “fare” Scienza e non solo filoso-fare: “come”? Nel caso qui discusso, come realizzare un apparato sperimentale capace di osservare “direttamente” le onde gravitazionali che lo attraversano provenendo dal Cosmo?

Oltre a quelle pratiche che incontriamo nella nostra vita corrente, il laser ha numerose applicazioni per il progresso della Scienza. Vedremo che la ricerca di un’osservazione diretta delle onde gravitazionali ne è una tra le più ambiziose. Per capire il funzionamento del laser e le straordinarie proprietà della luce emessa vedete Laser e Ottica Quantistica , anch’esso propedeutico a questo.



Fig. 1. Albert Einstein, Die Grundlage der allgemeinen Relativitätstheorie
(I fondamenti della relatività generale)
Annalen der Physik, Vol. 354/7, p. 769–822 (1916)
Immagine University of Illinois
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Fig. 2. Simulazione di onde gravitazionali dalla fusione di due Buchi Neri
Immagine Write Science – NASA



Onde gravitazionali

Le onde gravitazionali sono predette dalla Teoria della Relatività Generale , pubblicata da Albert Einstein nel 1915 e esposta in modo completo nel 1916 nel famoso articolo su Annalen der Physik mostrato in figura 1. Sintetizziamo quanto esposto nella parte iniziale di Onde gravitazionali dall’oceano cosmico .

Mezzo secolo prima della Teoria della Relatività Generale, nel 1864, James Clerk Maxwell con le equazioni che portano il suo nome aveva riunito in un unico quadro teorico, completandole, le leggi dell’elettromagnetismo. Ne era teoricamente conseguita l’esistenza delle onde elettromagnetiche e la rappresentazione della luce come tale. Inoltre la fondamentale implicazione che esse si propagano con la velocità della luce indipendentemente dal sistema di riferimento fu proprio il punto di avvio del processo che nel 1905 portò Einstein a formulare la Teoria della Relatività Speciale, come esposto in Simmetrie e Relatività Speciale .

Le cariche elettriche oscillanti nelle barre di un’antenna generano un’onda elettromagnetica. Parimenti, seppur per leggi diverse, la Teoria della Relatività Generale prevede che delle masse oscillanti (o più in generale in moto non uniforme) generino delle onde gravitazionali. Si ricordi che la massa può essere considerata la carica dell’Interazione Gravitazionale, come la carica elettrica per l’Interazione Elettromagnetica: basta paragonarne il ruolo nelle rispettive leggi in condizioni statiche.

Oggi le onde elettromagnetiche sono ben conosciute e sfruttate anche nelle nostre case con luce, radio, televisione, microonde. Le onde gravitazionali, invece, non sono mai state direttamente osservate, a causa della loro debolezza. E solo immani processi cosmici possono generarne in misura apprezzabile. La figura 2 mostra - ad esempio - una simulazione tridimensionale delle onde gravitazionali prodotte nella fusione di due Buchi Neri, effettuata con il super-computer Columbia presso l’Ames Research Center della NASA. Per approfondimenti sui Buchi Neri, vedete Stelle di neutroni e Buchi Neri .

Un’osservazione diretta delle onde gravitazionali costituisce quindi una grande sfida della Scienza non solo come tappa fondamentale nella conoscenza dell’Interazione Gravitazionale (come sottolineato in Interazione Gravitazionale ), ma anche come entrata in campo di un potenziale veicolo d’informazioni su processi che avvengono nel Cosmo. Questo porta a parlare di una futura “Astronomia Gravitazionale”.



Fig. 3. Albert Einstein, Per la Teoria Quantistica della Radiazione
Physikalische Zeitschrift, Vol. 18, p.121 (1917)
Immagine Spherical harmonics
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Fig. 4. L'interferometro laser Virgo - Immagine Virgo


Laser

Il processo fisico alla base del funzionamento del laser è la “emissione stimolata”, ipotizzata da Albert Einstein nel 1917 nell’articolo Zur Quantentheorie der Strahlung (Per la Teoria Quantistica della Radiazione) mostrato in figura 3. Il fenomeno è descritto in Laser e Ottica Quantistica , assieme al principio di funzionamento del laser e alle singolari proprietà della luce emessa.

Quella del laser è una tecnologia con numerosissime applicazioni nei campi più svariati. Alle più banali (per esempio le lucette nel lettore del codice dei prodotti alle casse dei supermercati) neppure facciamo caso. Numerose sono le sue applicazioni per la ricerca scientifica d’avanguardia.

In Onde gravitazionali dall’oceano cosmico si è visto che la “interferometria laser” costituisce la tecnica più sensibile per l’osservazione diretta di onde gravitazionali. La figura 4 mostra una visione aerea di un interferometro laser ( Virgo ) per questa ricerca, che è illustrato nel seguito. Le dimensioni e vari aspetti tecnologici del progetto ricordano le imprese per la costruzione di grandi acceleratori.


Einstein & Einstein

Vedremo in quest’articolo l’applicazione del laser per l’osservazione “diretta” delle onde gravitazionali tramite la “ interferometria laser ”. I motivi che hanno portato questa tecnica a dominare in questo campo sono esposti in Onde gravitazionali dall’oceano cosmico , assieme alle osservazioni “indirette” finora effettuate.

La confluenza tra laser e onde gravitazionali è un ritrovarsi di Einstein con Einstein, un secolo dopo gli anni 1915-1917 quando egli stabilì i fondamenti teorici di ambedue. In quegli anni Einstein era a Berlino (l’abbandonò nel 1933 per sfuggire alle persecuzioni naziste) e l’Europa era martoriata dalla Prima Guerra Mondiale. L’Europa unita di oggi era ancora lontana. Per approfondimenti su Einstein come uomo, cittadino e scienziato potete leggere una sua estesa biografia su Leonardo Storia.



Fig. 5. La zona centrale dell'ammasso di galassie della Vergine
Immagine Wikipedia

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Fig. 6. La costellazione della Vergine
nella mappa celeste di Gerardus Mercator (1551)
Immagine Wikipedia

Da dove, nell’Universo

L’obiettivo delle attuali ricerche per l’osservazione diretta di onde gravitazionali è l’esplorazione di un dominio dell’Universo attorno a noi che ne includa potenziali sorgenti nella nostra galassia e in galassie relativamente vicine, come quelle nell’ ammasso della Vergine . Da quest’ammasso proviene anche la denominazione dell’interferometro laser Virgo, sul quale focalizzeremo la nostra attenzione al fine di illustrare l’interferometria laser tramite un caso concreto.

Guardando il Cielo in una notte stellata, la galassia in cui siamo appare sotto le sembianze di “Via Lattea”. Destano emozione e turbamento la sua larga immensità e la multitudine di stelle. Ed è “una sola” galassia. L’ammasso della Vergine dista da noi 60 milioni di anni luce ed è relativamente ben visibile perché lontano dalla luminosità diffusa dalla la Via Lattea. La figura 5 ne mostra una porzione centrale, che include “solo” una cinquantina delle sue circa 100 galassie.

Passando così a numeri da parole e immagini, ci rendiamo conto di quanto sia sterminata rispetto alla nostra galassia la pur “piccola” porzione dell’Universo che si vuole esplorare nella ricerca di sorgenti di onde gravitazionali e delle loro sorgenti.

Di fronte all’immensità del Cosmo e alla sterminata pluralità di stelle e galassie, sembra anche impossibile che sino a qualche secolo fa l’Umanità possa essersi considerata al centro dell’Universo.


Da dove, nel Cielo

La figura 5 non è atta a farci puntare agevolmente il dito verso l’ammasso della Vergine nella volta celeste. Per scopi di questo genere, da tempi antichissimi l’Astronomia osservativa fornisce una rappresentazione bidimensionale del Cielo raggruppando le stelle in “costellazioni” in base alla loro apparente vicinanza e senza poter tenere conto della terza dimensione: la distanza da noi. Le costellazioni raggruppano stelle che si possono trovare a enormi distanze nelle tre dimensioni dello spazio. Con l’acquisita coscienza delle distanze reali, dal punto di vista scientifico l’associazione di una stella o in generale di una struttura celeste a una costellazione ha il solo ruolo di orientamento direzionale nel Cielo.

La figura 6 mostra la Costellazione della Vergine nella mappa celeste di Gerardus Mercator (1551), ove è situato l’ammasso della Vergine. Meno di cinque secoli sono passati quei tempi a ora. Il progresso scientifico, nell’impressionante accelerazione che si è successivamente innescata, ha portato a guardare all’interno della stessa porzione di cielo con la coscienza della distanza da noi e con l’acutezza della figura 5.

La Costellazione della Vergine è una delle dodici “ Costellazioni zodiacali ”. “Zodiaco” è parola di origine greca composta da zòon ("essere vivente", da cui anche Zoo) e òdos ("percorso"). L’etimologia è, come al solito, significativa: da tempi remoti, l’Astrologia pone queste costellazioni, che sono situate sull’apparente percorso annuo del Sole nella volta celeste, in relazione con lo svolgersi della vita umana.


Un metro iperpreciso per onde gravitazionali

Come ci si può render conto del passaggio di un’onda gravitazionale? La Teoria della Relatività generale dice che, in assenza di campi gravitazionali (cioè in assenza di masse), i corpi liberi si muovono in linea retta e orologi che non siano in moto relativo battono tutti allo stesso ritmo. Non è così in presenza di campi gravitazionali: lo spazio-tempo è distorto (curvo) e i corpi liberi percorrono traiettorie non rettilinee.

Un’onda gravitazionale è un campo gravitazionale oscillante e produce, pertanto, una distorsione variabile dallo spazio-tempo. Il passaggio di un’onda gravitazionale è segnalato da una variazione oscillante delle distanze tra corpi fermi uno rispetto all’altro. Serve “solo” un metro di fantastica precisione.


Sensibilità richiesta

Come esposto in Onde gravitazionali dall’oceano cosmico , le onde gravitazionali si propagano con la velocità della luce c modificando le distanze tra punti vicini trasversalmente alla loro direzione di propagazione. Più precisamente, esse le modificano in modo “quadrupolare”: a una contrazione lungo una direzione trasversa è associata una dilatazione lungo quella ortogonale a essa.

La sensibilità a una sua osservazione diretta è solitamente espressa in termini di variazione relativa (cioè in termini di frazione) delle distanze da essa provocata ed è indicata con h. Si stima che una sensibilità dell’ordine di h = 10-21 [/size] permetta di osservare direttamente onde gravitazionali provenienti da un dominio dello spazio attorno a noi che include potenziali sorgenti nella nostra galassia e in galassie relativamente vicine, come quelle nell’ammasso della Vergine.

La suddetta sensibilità corrisponde 10-18 [/size] m su 1 km: incredibile (ma raggiungibile) se pensiamo che un atomo d’Idrogeno ha dimensioni di circa 5×10-11 [/size] m, ossia 0,5 Angstrom.


[img size=365]http://www.scienzaescuola.eu/images/articoli/ac_og_il_7 .jpg
Fig. 7. Interferenza costruttiva di onde in fase e distruttiva
di onde in opposizione di fase - Immagine Arcobaleni
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Fig. 8. Luce collimata, monocromatica e coerente
emessa da un laser - Immagine Ologrammi

Interferometria

I fenomeni di interferenza – caratteristici della natura ondulatoria e schematizzati in figura 7 – offrono la possibilità di effettuare misure di grandissima precisione.

Come esposto in Simmetrie e Relatività Speciale , alla fine dell’Ottocento un interferometro permise ad Albert Michelson di indagare su eventuali differenze tra della velocità della luce nei suoi due bracci ortogonali, con misure straordinariamente precise per l’epoca. Egli smentì l’ipotesi che essa fosse influenzata dal moto della Terra per addizione galileiana delle velocità. La costanza della velocità della luce portò infine alla Teoria della Relatività Speciale .

Nella ricerca di Michelson, le lunghezze dei due bracci dell’interferometro erano ritenute stabili e il metodo interferometrico permise di verificare che la velocità della luce non dipende dal loro orientamento. Nella ricerca delle onde gravitazionali, la loro velocità è stabilita a priori e la differenza tra le fasi all'uscita dai rispettivi bracci (evidenziabile tramite il metodo interferometrico) dipende solo da una differenza tra le loro lunghezze indotta da un'onda gravitazionale.

Ne consegue che un interferometro concettualmente “alla Michelson” può essere usato per evidenziare il passaggio di un’onda gravitazionale, a condizione che la sua sensibilità sia portata all’elevatissimo livello che è per questo necessario. Vedremo che l’utilizzazione di un fascio di luce laser è assolutamente fondamentale.


Quanto meglio di Michelson?

Rileggiamo la descrizione dell’interferometro di Michelson-Morley in Simmetrie e Relatività Speciale e immaginiamo di resuscitarlo. Facciamo un rapido conto per valutare la sua sensibilità non a diverse velocità della luce nei due bracci ma a diversi valori della loro “lunghezza efficace” D, che tiene conto delle riflessioni multiple nei bracci dell’interferometro. Grazie alle 8 riflessioni, il suo valore nominale era D = 11 m.

Secondo lo schema di figura 7, l’interferenza dà luogo a “frange”. La loro intensità è massima quando le due onde sono in fase e l’interferenza è costruttiva. Tra una frangia e la successiva, l’intensità si annulla per interferenza distruttiva delle due onde in opposizione di fase (cioè sfasate di 180o [/size]).

La separazione tra due frange d’interferenza consecutive corrisponde a uno sfasamento di 360o [/size] tra le due onde, cioè a una differenza di percorso pari alla lunghezza d’onda λ. La lunghezza d’onda della luce è approssimativamente λ = 500 nm. Alla capacità dichiarata da Michelson di stimare 1/100 di frangia corrisponde una sensibilità ΔD = 5 nm. Quindi in valore relativo la sensibilità dell'interferometro sarebbe h = ΔD/D = 5 x 10-10 [/size], secondo la definizione di h data precedentemente.

Per raggiungere una sensibilità dell’ordine di h = 10-21 [/size] vi è un abisso da superare rispetto a quella raggiungibile con il resuscitato interferometro di Michelson-Morley, pur stupefacente per l’epoca.


Interferometria laser e onde gravitazionali

L’uso del laser è fondamentale per portare alla sensibilità richiesta un interferometro concettualmente concepito come quello di Michelson-Morley.

Le proprietà della luce laser sono esposte in Laser e Ottica Quantistica e schematizzate in figura 8. Sostanzialmente esse sono:
• “monocromaticità”: unica lunghezza d’onda
• “coerenza”: unica fase
• “alta brillanza”: alta densità luminosa
• “collimazione”: minima divergenza angolare e quindi fasci di luce laser trasmissibili su lunghissime distanze.

Il complesso di queste proprietà rende sensibilissima l'interferometria laser. La illustreremo prendendo come riferimento l’interferometro italo-francese Virgo .


Fig. 9. Schema di un interferometro laser (Virgo) - Immagine EGO - Virgo

Interferometro Virgo

L’interferometro laser Virgo è situato a Cascina presso Pisa. La figura 4 ne mostra una visione aerea e la figura 9 ne mostra lo schema concettuale. Affinché le proprietà del laser possano essere sfruttate, vanno evitati deterioramenti della sensibilità dovuti ad altri effetti. Questo richiede l’applicazione di un complesso di tecnologie avanzate.

L’interferometro è costituito di:

• sorgente del fascio di luce laser;
• specchio di ricircolo (“recycling mirror”), per impedire che la luce laser si perda ricadendo sul laser invece di circolare nell'interferometro;
• specchio semiriflettente all'incrocio dei due bracci (“beam splitter”);
• due bracci ortogonali, con uno specchio finale (“end mirror”) che riflette la luce laser all’estremità di ciascuno di essi;
• una cavità risonante (“resonant Fabry-Perot cavity”) tra lo specchio di ingresso ("input mirror”) e quello finale in ciascun braccio, per aumentarne la lunghezza efficace tramite riflessioni multiple;
• rivelatore del segnale d’interferenza, costituito da fotodiodi (“photodiodes”).

Virgo è un enorme “metro”, di estrema precisione, che controlla le distanze fra tre corpi (specchi) posti ai vertici di un triangolo rettangolo con cateti di 3 Km. Più precisamente è un interferometro ottico, in cui due fasci di luce laser percorrono avanti e indietro i cateti del triangolo. Ricombinandosi al vertice dell’angolo retto, i due fasci di luce producono frange d’interferenza.

Gli specchi sono tenuti fermi l’uno rispetto all’altro, applicando ogni immaginabile astuzia tecnica per ottenerlo. Eventuali minime variazioni delle frange indicano una variazione delle distanze tra gli specchi dovuta a una distorsione dello spazio-tempo in seguito al passaggio di un’onda gravitazionale.

L’enorme difficoltà della misura sta proprio nel fatto che si vogliono evidenziare variazioni di distanza fra gli specchi di un miliardesimo di miliardesimo di metro, molto meno delle dimensioni di un atomo e anche di un protone. È facile immaginare quanti effetti indesiderati possono produrre o simulare tali spostamenti. È per questo che i fasci di luce si propagano all’interno di tubi a vuoto di grande (1,2 m) diametro, in cui si ha una pressione di un milionesimo di milionesimo di atmosfera. È per questo che gli specchi dell’interferometro sono sospesi, nel vuoto, da complessi ammortizzatori antisismici alti 12 metri. Vedremo più dettagli nel seguito.


Il laser

Virgo dispone di un laser di alta potenza e ultrastabile di nuova generazione. Il laser fornisce una sorgente di luce monocromatica e intensa, strettamente controllata in tutti i suoi parametri. La potenza migliora la sensibilità nella determinazione dell’interferenza. La potenza efficace è aumentata mediante il sistema di ricircolo.


Bracci e lunghezza efficace

Rispetto all’interferometro di Michelson-Morley, un miglioramento della sensibilità è anzitutto ottenuto tramite un forte aumento della lunghezza efficace. Questo è possibile grazie all’altissima collimazione della luce laser.

I bracci ortogonali di Virgo sono lunghi circa 3 km. Specchi ad altissima riflettività (oltre 99,999%) e con superficie controllata al nanometro sono situati all’inizio e all’estremità di ciascun braccio. Lo spazio tra i due specchi in ciascun braccio costituisce una cavità risonante detta “Fabry-Perot”. In essa, tramite riflessioni multiple la lunghezza ottica efficace del braccio è portata a 120 chilometri. Essa è 104 [/size] volte maggiore di quella dell’interferometro di Michelson-Morley. E’ un grande passo, ma è lungi dal bastare.



Fig. 10. Misura di peso nell’Antico Egitto
Tomba di Nebamun, Tebe (1400-1300 a.C.)
British Museum, Londra - Immagine Pixmania
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Fig. 11. Potenza del segnale in funzione della differenza di fase
Immagine E.D. Black e R.N. Gutenkunst


Il segnale

Il segnale da rivelare è una variazione delle frange d’interferenza causato dal passaggio di un’onda gravitazionale. La monocromaticità (stessa lunghezza d’onda) dei fasci di luce laser evita la dispersione cromatica nell’osservazione dell’interferenza e, assieme alla loro coerenza (unica fase), assicura la nettezza delle frange.
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Fig. 12. La sospensione dei
componenti ottici di Virgo
Immagine EGO - Virgo
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Fig. 13. Sismografo
a breve periodo
di F. Cecchi (1822-87)
Istituto e Museo di Storia della Scienza, Firenze
Immagine Osservatorio Ximeniano
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Per ottenere la massima sensibilità, le onde elettromagnetiche laser provenienti dai due bracci dell’interferometro sono messe in opposizione di fase (“interferenza distruttiva”) sul rivelatore. In condizioni normali il segnale è nullo (figura 7 a destra), per cui il segnale del passaggio di un’onda gravitazionale proviene una “misura di deviazione da zero”.

In linea di principio è lo stesso metodo usato nelle bilance, dalle semplici dei fruttivendoli a quelle di precisione. Il “Davide” della piccola differenza tra il peso da misurare e quello di riferimento non si deve confrontare con il “Golia” dei loro valori assoluti, che si bilanciano tra loro. La sensibilità dipende essenzialmente dalle perturbazioni esterne.

Le prime testimonianze di questo metodo e di questo strumento, fondamentale nella Storia dell’Umanità, furono trovate a Nakkada e risalgono all’Egitto di settemila anni fa. La figura 10 fornisce un’altra testimonianza dall’antico Egitto. Il principio di equilibrio, alla base del metodo, ha anche reso la bilancia simbolo di equilibrio e giustizia, umana e divina.

In realtà, nel caso delle onde gravitazionali la metodologia è più complessa. La figura 11 mostra la potenza del segnale in funzione della differenza di fase tra le due onde. Il punto 2 corrisponde all’interferenza distruttiva. Contrariamente al caso della bilancia per le differenze di peso, il segnale non cresce linearmente con la differenza di fase. E’ come per un’auto che parte da ferma ad accelerazione costante: lo spostamento non aumenta linearmente con il tempo, lo fa la velocità. Attraverso un’opportuna metodologia, la misura è ricondotta a quella di una grandezza che per l’auto sarebbe la variazione di velocità piuttosto che di spostamento.

L’elevatissima brillanza (densità luminosa) dei fasci di luce laser accentua la sensibilità a deviazioni da zero. Rispetto alla misura di Michelson, un ulteriore elemento favorevole per l’osservazione di un segnale è dato dalla sua natura oscillatoria e non statica (come una differenza della velocità della luce nei due bracci, costante nel tempo).


Sospensioni

La gamma di frequenza delle onde gravitazionali accessibile a Virgo si estende da 10 a 10.000 Hz. L’estensione alle basse frequenze permette l’osservazione di onde gravitazionali generate da un’importante gamma di sistemi binari coalescenti (stelle o buchi neri), come esposto in Onde gravitazionali dall’oceano cosmico .

Per accedere alle frequenze più basse, ogni componente ottico è silenziato dalle vibrazioni, di qualunque origine esse siano. Ciascuna delle raffinatissime sospensioni dei componenti ottici dispone di un complesso sistema di smorzamento alto circa 12 metri (figura 12).

Virgo è dotato di un sistema di smorzamento passivo formato da un complesso di elementi smorzanti disposti in serie. Lo smorzamento da parte di ciascun elemento è basato su un principio analogo a quello tradizionalmente utilizzato nei sismografi a massa sospesa , la quale per inerzia tende a restare immune dalle vibrazioni. In tali sismografi, come quello storico mostrato in figura 13 per illustrare il principio, un pennino collegato alla massa sospesa registra lo spostamento relativo del suolo, in vibrazione a causa del sisma.

In Virgo, le vibrazioni a bassa frequenza sono ulteriormente ridotte mediante correzioni attive effettuate da sistemi elettromagnetici ed elettronici a retroazione.

Altre tecnologie avanzate

Come già fatto notare, la sensibilità offerta dal laser è assicurata nella pratica evitando un suo deterioramento a causa di effetti spuri. Questo implica il ricorso ad altre tecnologie avanzate . Diamo un paio di esempi.
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Fig. 14. Vista parziale di uno dei bracci di Virgo
Immagine EGO - Virgo
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Come primo esempio, citiamo il sistema molto elaborato per il controllo dell’allineamento dei componenti ottici di cui dispone l’interferometro.

L’intensa luce laser interagisce con l’atmosfera tanto da renderne correntemente visibile il percorso, come noto. La presenza dell’atmosfera o di qualsiasi gas residuo lungo il percorso del fascio di luce laser deteriorerebbe la misura. Esso deve propagarsi sotto vuoto estremamente spinto, corrispondente a una pressione dell'ordine di 10-12 [/size] rispetto alla pressione atmosferica.

In Virgo, questo grado di vuoto è mantenuto su un volume enorme: il tubo a vuoto ha 1,2 m di diametro e il volume totale evacuato è di 6800 m3 [/size]. La figura 14 dà un’idea delle sue dimensioni.

Virgo: stato e risultati

Per informazioni sul progresso dell’interferometro Virgo, consultate il sito Web dell’esperimento.
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Fig. 15a. Dislocazione degli interferometri laser nel globo terrestre
Immagine Alan Weinstein - LIGO
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Fig. 15b. Localizzazione della sorgente di un’onda gravitazionale nella volta celeste
Immagine Alan Weinstein - LIGO

Insieme, ma ognuno a casa propria

Come detto in Onde gravitazionali dall’oceano cosmico e sul sito Web Virgo , è stata costituita una rete di interferometri laser per la rivelazione di onde gravitazionali estesa al mondo. Questa rete include l’interferometro Virgo in Italia, due negli USA ( LIGO ), uno più piccolo in Germania ( GEO ) e uno in costruzione in Giappone ( TAMA ).

Non sarebbe stato meglio unire le forze nella costruzione di un solo grande interferometro? Vi sono ragioni per avere più interferometri contemporaneamente in funzione, e a grande distanza tra loro.

Una ragione riguarda la lotta contro i “rumori” (ossia segnali spuri che possono essere scambiati per onde gravitazionali) provenienti dall’ambiente, come per esempio il rumore sismico e quello “antropico” provocato dalle attività umane (per esempio il passaggio di auto o aerei). Questi rumori hanno carattere locale e sono annullati richiedendo un segnale in interferometri dislocati diversamente. Sostanzialmente, questa è quella che è detta ricerca “coerente”.

Un’altra ragione è legata alla localizzazione delle sorgenti di onde gravitazionali nello spazio cosmico. Un singolo interferometro non è in grado di determinare la direzione di provenienza di un’onda gravitazionale. Per averne un’indicazione ne servono almeno due, come abbiamo due orecchie per percepire da quale direzione provengono le “onde sonore”. Tre orecchie sarebbero ancora meglio.

Onde gravitazionali dall’oceano cosmico dice che le onde gravitazionali si propagano a una velocità stabilita, in particolare la stessa della luce. La localizzazione può quindi essere basata sulla misura delle differenze tra i tempi di arrivo, purché gli interferometri siano sufficientemente distanti tra loro. La figura 15a mostra che a questo scopo l'attuale rete mondiale di interferometri può fornire 3 tempi di arrivo: due da LIGO e uno da Virgo-GEO .

La differenza tra due tempi di arrivo determina un cerchio nella volta celeste da ogni punto del quale può essere giunto il segnale (figura 15b). Con tre tempi di arrivo si possono costruire tre coppie, ma solo due indipendenti. Esse determinano due cerchi nella sfera celeste, che s’incrociano in due punti. Per localizzare senza alcuna ambiguità una sorgente nello spazio, servirebbero quattro “orecchie” per onde gravitazionali, sufficientemente distanziate nel globo terrestre.


Conclusione

La ruota è stata una delle più grandi invenzioni dell’umanità. Si ritiene che questa invenzione avvenne in epoca neolitica, per essere usata in torni da vasai. Attorno al 3500 a.C. i Sumeri dell’antica Mesopotamia iniziarono a utilizzarla per i trasporti . Lo documenta in figura 16 il famoso Stendardo di Ur , rinvenuto nell’omonima antica città sumera e ora al British Museum di Londra. Pensando alla ruota, sono le sue applicazioni pratiche che emergono nella nostra mente, e in primo luogo per i trasporti come nello stendardo di Ur. La dovremmo associare anche a strumenti per la ricerca scientifica, ove ha avuto larghissima applicazione.



Fig. 16. La ruota in un dettaglio dello Stendardo di Ur (circa 2500 a.C.)
British Museum (Londra) - Immagine Wikipedia

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Fig. 17. Correzione della miopia per ablazione
mediante Chirurgia refrattiva
Immagine Chirurgia refrattiva

Anche il laser nasce da un’invenzione e con le sue applicazioni migliora la vita umana. Come esempio, la figura 17 mostra schematicamente la correzione della miopia mediante la Chirurgia refrattiva . A queste applicazioni va generalmente il pensiero. Anch'esso ha importantissime applicazioni in ricerche all’avanguardia della Scienza.

Abbiamo attratto l’attenzione su una di esse: la ricerca delle onde gravitazionali tramite interferometria laser. Siamo anche al volgere di un significativo “compisecolo” einsteiniano. Negli anni 1915-1917 egli gettò le basi teoriche delle onde gravitazionali e del laser. Con l’osservazione diretta di onde gravitazionali, l’interferometria laser potrebbe darci una grandiosa doppia festa di centenario.


Collegamenti

Einstein Predicts Stimulated Emission , Physics History, American Physical Society
Einstein online , Max Planck Institute for Gravitational Physics
European Gravitational Observatory (EGO)
L’antenna gravitazionale Virgo , European Gravitational Observatory (EGO)
Eric D. Black e Ryan N. Gutenkunst, An introduction to signal extraction in interferometric gravitational wave detectors
Onde gravitazionali, Superquark 21 Agosto 2014 (circa 01:49 ore)
..
Fabio Garufi e Paolo Strolin ...
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Professore Emerito di Fisica Sperimentale
Università di Napoli "Federico II"
Complesso Univ. Monte S. Angelo
Via Cintia - 80126 Napoli - Italy
Ultima modifica: 10/02/2017 12:01 da Paolo.

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