Gravitazionale

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LIGO può rilevare le onde gravitazionali generate quando due buchi neri si scontrano. Credito: il progetto SXS

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Dopo una pausa di tre anni prolungata dai problemi legati alla pandemia, la ricerca delle onde gravitazionali – increspature nello spazio-tempo che sono il segno distintivo della collisione di buchi neri e di altri cataclismi cosmici – è ripresa.

Il Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO), che dispone di due enormi rilevatori a Hanford, Washington e Livingston, Louisiana, sta ora riavviando con una sensibilità migliorata dopo un aggiornamento multimilionario. I miglioramenti dovrebbero consentire alla struttura di captare i segnali provenienti dalla collisione dei buchi neri ogni due o tre giorni, rispetto a circa una volta alla settimana durante il suo precedente ciclo nel 2019-20.

L'osservatorio di onde gravitazionali LIGO raddoppierà la sua potenza di rilevamento

Il rilevatore Virgo vicino a Pisa, in Italia, che è stato sottoposto a un proprio aggiornamento da 8,4 milioni di euro (9 milioni di dollari), avrebbe dovuto partecipare, ma problemi tecnici stanno costringendo il suo team a prolungarne la chiusura ed eseguire ulteriore manutenzione. "La nostra aspettativa è che saremo in grado di ripartire entro la fine dell'estate o l'inizio dell'autunno", dice il portavoce di Virgo Gianluca Gemme, fisico dell'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare di Genova.

Il 24 maggio verrà riavviato anche KAGRA, un rilevatore di onde gravitazionali situato sotto il monte Ikenoyama, in Giappone. La sua tecnologia, sebbene più avanzata (è stata inaugurata nel 2020), è in fase di perfezionamento e la sua sensibilità è ancora inferiore a quella di LIGO nel 2015. Il ricercatore principale Takaaki Kajita, un fisico vincitore del Premio Nobel presso l'Università di Tokyo, afferma che KAGRA si unirà al funzionamento di LIGO per un mese e poi si spegnerà nuovamente per un altro periodo di messa in servizio. A quel punto, il team raffredderà i quattro specchi principali dell'interferometro a 20 Kelvin, dice Kajita, una caratteristica che distingue KAGRA dagli altri rilevatori che fungeranno da modello per gli osservatori di prossima generazione.

Le onde gravitazionali sono prodotte da grandi masse in accelerazione e le onde allungano e comprimono ciclicamente il tessuto dello spazio mentre viaggiano. A partire dalla storica prima rilevazione di LIGO nel 2015, la maggior parte dei circa 90 eventi di onde gravitazionali registrati finora sono dovuti al movimento a spirale di coppie di buchi neri in procinto di fondersi in uno solo; una manciata è stata prodotta in modo simile dalla fusione di due stelle di neutroni o di una stella di neutroni e un buco nero.

LIGO, Virgo e KAGRA si basano tutti sullo stesso concetto di interferometro, che prevede la divisione in due di un raggio laser e il rimbalzo dei raggi risultanti tra due specchi alle due estremità di un lungo tubo a vuoto. (In LIGO, i due "bracci" dell'interferometro sono lunghi ciascuno 4 chilometri; in Virgo e KAGRA sono 3 km.) I due raggi poi ritornano e vengono fatti sovrapporre in corrispondenza di un sensore al centro. In assenza di perturbazioni nello spazio-tempo, le oscillazioni dei raggi si annullano a vicenda. Ma il passaggio delle onde gravitazionali fa sì che i bracci cambino di lunghezza l'uno rispetto all'altro, in modo che le onde non si sovrappongano perfettamente e il sensore rilevi un segnale.

Il rilevatore LIGO a Livingston, Louisiana, fa parte di una coppia con sede negli Stati Uniti.Credit: Xinhua/Caltech/MIT/LIGO Lab

I tipici eventi delle onde gravitazionali modificano la lunghezza dei bracci solo di una frazione della larghezza di un protone. Per rilevare cambiamenti così piccoli è necessario un accurato isolamento dal rumore proveniente dall’ambiente e dai laser stessi.

Negli aggiornamenti effettuati prima della stagione 2019-20, LIGO e Virgo hanno affrontato parte di questo rumore con una tecnica chiamata light squeezing. Questo approccio affronta il rumore intrinseco causato dal fatto che la luce è composta da singole particelle: quando i raggi arrivano al sensore, ogni singolo fotone può arrivare leggermente troppo presto o troppo tardi, il che significa che le onde laser non si sovrappongono e si annullano perfettamente anche in assenza di onde gravitazionali.