Le onde gravitazionali tornano ad essere protagoniste della scena scientifica dopo l'annuncio storico del successo di LIGO. Le luci della ribalta questa volta sono puntate su LISA Pathfinder, il dimostratore tecnologico di una delle più spettacolari e ambiziose missioni dell'Agenzia Spaziale Europea, e non solo. Stamani i fisici che stanno seguendo l'esperimento hanno tenuto una conferenza ufficiale per comunicare che non stiamo parlando di fantascienza, ma di un successo reale.
I fisici hanno infatti comunicato che gli esperimenti finora condotti hanno raggiunto una precisione cinque volte superiore rispetto a quella preventivata. Si conferma così la fattibilità di un osservatorio spaziale per lo studio delle onde gravitazionali.
Per capire meglio di che cosa si tratta abbiamo intervistato il professore Marco Pallavicini, Presidente della commissione dell'INFN per la fisica astroparticellare, che era presente all'annuncio.
Si è parlato di una precisione di 5 volte superiore rispetto a quella preventivata. Ci spieghi meglio gli ordini di grandezza
"Lo scopo dell'esperimento era provare che è possibile avere una piccola massa - che poi è un semplice cubetto metallico di oro e iridio platino per ragioni tecniche - che deve volare senza essere toccata. Immaginate che nello Spazio in quasi assenza di gravità ci sia questo cubetto che rimane sospeso e il satellite ci vola intorno. Non facendo niente dopo un po' la velocità del satellite e quella del cubetto non sono proprio identiche e il cubetto sbatte contro le pareti del satellite.
Per evitare questo bisogna che il satellite misuri continuamente la posizione del cubetto e con dei piccoli razzi controlli la sua rotta in modo da evitare che questo accada. Il punto straordinariamente difficile è che questa cosa bisogna farla senza che il satellite disturbi il cubetto: riuscire a controllare la posizione del cubetto e controllare quindi il satellite toccando il cubetto talmente poco da non disturbarlo, altrimenti distrugge la sensibilità alle onde gravitazionali che si vuole ottenere.
Questa è un'operazione difficile, e per questo una decina d'anni fa, prima di costruire un osservatorio spaziale per le onde gravitazionali, si decise di implementare una missione di prova che dimostrasse la fattibilità di questa tecnologia.
Come ha spiegato il professore Vitali è stato costruito LISA Pathfinder, che invece di essere lungo 3 milioni di chilometri è lungo una quarantina di centimetri (38 per la precisione) con due masse all'interno dello stesso satellite, che ovviamente essendo così vicine non possono misurare le onde gravitazionali – quindi LISA Pathfinder non può misurare le onde gravitazionali – però possono misurare se il disturbo indotto ai due cubetti sospesi sia in linea con quello che è necessario avere in futuro per realizzare eLISA.
Questo è stato fatto, e si è dimostrato che effettivamente le forze residue sul cubetto sono non soltanto più piccole di quanto richiesto, ma molto più piccole: 5 volte in media a seconda delle frequenze, a volte anche 10 volte meglio. Lo strumento funziona molto meglio di come si voleva, quindi è chiaro che ci siano i presupposti per avere un osservatorio spaziale per le onde gravitazionali, con molto lavoro".
Cerchiamo di capire che cos'è LISA Pathfinder. Come spiegato dall'Agenzia Spaziale Italiana (ASI), che ha un ruolo determinante in Lisa Pathfinder come vedremo più avanti, stiamo parlando di un dimostratore tecnologico, precursore di quell'osservatorio spaziale di onde gravitazionali (eLISA) che l'Agenzia Spaziale Europea ha messo in programma come terza grande missione del programma scientifico Cosmic Vision, che sarà terminato entro il 2034.
eLISA (Evolved Laser Interferometer Space Antenna) sarà infatti costituito da una formazione triangolare di sonde identiche ciascuna delle quali conterrà due masse di prova come quella attualmente operativa su LISA Pathfinder.
Ciascuna di queste tre coppie di masse di prova alloggerà nelle rispettive sonde, che voleranno a una distanza reciproca di circa un milione di chilometri. Il passaggio di un'onda gravitazionale sarà indicato dalle minime variazioni della distanza che intercorre fra le coppie di masse di test.
A proposito di eLISA, spieghiamo in parole semplici come funzionerà questa tecnologia.
"Non è facile. Il punto è misurare la distanza fra due masse che stanno a 3 milioni di chilometri di distanza. E bisogna farlo con una precisione che nel caso di eLISA è di qualche miliardesimo di metro. L'unico modo per farlo è usando la cosiddetta interferometria, ossia usando dei fasci laser che vengono sparati da un satellite verso l'altro, rimandati indietro e fatti interferire fra loro".
Una tecnica simile a quella di LIGO e VIRGO?
"Simile, ma non identica perché a terra si riescono fare alcune cose che nello Spazio non si possono a fare. Se vogliamo è una versione un po' semplificata del metodo di LIGO e VIRGO. Nel caso dello Spazio, bisogna mandare il fascio in modo diverso, perché non si può pensare di spedire un fascio laser a tre milioni di chilometri e sperare di vedere il raggio riflesso. Mandiamo il segnale dal satellite B ad A, da A a C, da C a B e facciamo un gioco in cui evitiamo di usare la riflessione perché non ci sono specchi.
Dal punto di vista concettuale stiamo sempre parlando di una misura interferometrica. La ragione per cui LISA è molto più sensibile alle frequenze basse di quanto lo siano LIGO e VIRGO è che è nello Spazio e non sulla Terra, quindi non ci sono i disturbi dovuti ai sismi a bassissima frequenza e intensità che si verificano di continuo sulla Terra.
Inoltre gli specchi di VIRGO sono a tre chilometri l'uno dall'altro, nello Spazio possiamo mettere i rilevatori a 3 milioni di chilometri di distanza. Sulla distanza relativa, più sono lontano più l'effetto si amplifica. Da un certo punto di vista LISA è più raffinato di VIRGO perché avendo una interferometria semplificata guadagna sulla distanza".
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