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ONDE GRAVITAZIONALI: Parafrasando la Scoperta. Parte2 - Gli Strumenti

Precedentemente abbiamo visto che le onde gravitazionali sono perturbazioni dello spazio-tempo che si propagano e abbiamo fatto l’analogia con una pietra che cade in un lago, formando così delle increspatura d’acqua che si propagano (vedi Onde Gravitazionali: parafrasando la scoperta, parte 1- le origini).

 Il “tipo” di increspature dipenderà dalla dimensione della pietra e da come entra in acqua, cioè da come la pietra perturba l’acqua. Grosso modo lo stesso avviene per le onde gravitazionali: esse avranno caratteristiche dipendenti dal modo in cui lo spazio-tempo è stato perturbato. Ogni tipo di sorgente perturba lo spazio-tempo a modo suo, lasciando così una “firma” ben precisa.

C’è ancora da dire che nel caso del sistema binario di buchi neri che si avvicinano sempre più, si arriva al punto in cui questi due oggetti entrano in contatto diventando una cosa sola. A questo punto cessa la formazione di onde gravitazionali.
Il segnale atteso  per un tale sistema binario di buchi neri è una serie di perturbazioni a frequenza crescente, seguito dall’assenza di perturbazioni.
E ciò che è stato rilevato a Settembre 2015 sono stati proprio gli istanti finali di quel vorticare dei due buchi neri l’uno attorno all’altro per poi fondersi in un unico buco nero, raggiungendo velocità che erano dell’ordine della metà di quella della luce.
 
L’evento rilevato è durato appena qualche millisecondo. Un mezzo colpo di fortuna visto che LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory), l’apparato americano che ha effettuato la misura, era di nuovo operativo da appena un paio di giorni dopo la pausa per l’aggiornamento servito ad aumentargli la sensibilità.

 E qui veniamo ad un altro punto interessante di questa scoperta. Ciò che ha permesso la rilevazione del fenomeno sopra descritto. E quindi, la strumentazione e la metodologia utilizzate.

Cominciamo dalla strumentazione, che è a mio parere sorprendente quanto il fenomeno in sé. Sappiamo che esistono metri laser, utilizzati ad esempio dai geometri per misurare la lunghezza di una stanza. Ecco, l’idea base è quella di usare la luce laser come metro.
Ciò rientra nel campo dell’interferometria.
 La luce laser è una luce coerente, cioè di una ben definita frequenza. 
Quando onde coerenti arrivano su uno stesso  punto, ad esempio un punto su uno schermo, si può avere interferenza distruttiva (zone di ombra) o costruttiva (frange luminose) e, considerando lo schermo nel suo insieme, appariranno figure di interferenza.

Senza entrare nei particolari, il fatto è che le figure sullo schermo dipendono da come arrivano i 2 fasci di luce coerente sullo schermo, quindi dal percorso che compiono i 2 fasci di luce. Se la distanza percorsa non cambia allora la figura non cambia. Se la distanza percorsa cambia anche la figura cambia. In un certo senso, quello che si misura per rilevare le onde gravitazionali è il variare di questa figura di interferenza.

Detto così può sembrare quasi semplice. Giusto per dare un’idea della complessità e dell’elevato grado di tecnologia richiesti, diciamo che  questi interferometri hanno 2 bracci perpendicolari lunghi 4km, lungo i quali corrono tubi del diametro di 1m  sotto vuoto spinto, sono schermati dalla possibile interazione con la luce esterna, hanno specchi speciali, sono dotati di sospensioni per evitare l’influenza di possibili onde sismiche e c'è molto altro necessario per compensare e isolare dai molti altri effetti che possono interferire sulla misura, come gli effetti termici e le risonanze intrinseche nelle strutture.

Esempio di un interferometro
Anche se ante-scoperta e riferito al rivelatore situato in Italia, il seguente video rende bene l'idea:

 

Metodologia.
Ad ogni modo, la misura viene fatta e un certo tipo di segnale registrato. Segnale grezzo, misto a rumore. Tanto rumore. Il rumore è il disturbo di fondo più o meno occasionale che influenza la misura. Può essere un camion che passa, uno scoppio di risa in un auditorium affollato vicino o l’interazione di particelle d’aria che modificano appena il percorso dei fotoni.

Come fare a identificare un possibile segnale di onda gravitazionale in mezzo a tutto il rumore?
Innanzitutto viene tenuto conto dello spettro del rumore, cercando finestre di frequenze  in cui si può lavorare bene.
I gruppi di calcolo hanno trovato le soluzioni attese per un certo numero di sorgenti di onde gravitazionali. L’esplosione di una stella avrà un certo tipo di segnale ben preciso, due buchi neri che ruotano uno attorno all’altro avranno un altro tipo di segnale caratteristico.
Il materiale registrato viene ispezionato con software per la ricerca di segnale compatibile con le soluzioni teoriche.
Una volta individuato il presunto segnale vengono fatti confronti con modelli più dettagliati e  conti più fini.

Quindi, ricapitolando le onde gravitazionali sono state scoperte tramite l’identificazione attesa dai modelli teorici di un segnale rilevato grazie all’uso di tecnologia all’avanguardia sviluppata appositamente. Per confronto, si è poi, a posteriori, scoperto che erano state originate da un sistema di due buchi neri rotanti di massa rispettivamente di 29 e 36 masse solari.
E questo è un altro primato: la rivelazione diretta degli effetti dei buchi neri e quindi della loro concreta esistenza.

C’è però ancora una domanda più che legittima: siamo davvero sicuri che ciò che è stato misurato siano davvero gli effetti delle onde gravitazionali?

Di questo ne parleremo un’altra volta … shake your mind!