LIVINGSTON, LA - A circa un chilometro e mezzo da un edificio così grande da poterlo vedere dallo spazio, ogni auto sulla strada rallenta a gattonare. I conducenti sanno di prendere molto sul serio il limite di velocità di 10 mph (16 km / h): questo perché l'edificio ospita un rilevatore di massa che sta cercando vibrazioni celesti alla scala più piccola mai tentata. Non sorprende che sia sensibile a tutte le vibrazioni terrene che la circondano, dal rombo di un'auto che passa ai disastri naturali dall'altra parte del globo.
Di conseguenza, gli scienziati che lavorano in uno dei rilevatori LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) devono fare di tutto per cacciare e rimuovere tutte le potenziali fonti di rumore - rallentando il traffico attorno al rivelatore, monitorando ogni piccolo tremore nel terra, anche sospendendo l'apparecchiatura da un sistema a pendolo quadruplo che minimizza le vibrazioni - tutto nello sforzo di creare il punto vibratorio più "silenzioso" sulla Terra.
"Tutto riguarda la caccia al rumore", ha dichiarato Janeen Romie, responsabile del gruppo ingegneristico del rivelatore LIGO in Louisiana.
Perché i fisici di LIGO sono così ossessionati dall'eliminazione del rumore e dalla creazione del luogo più privo di vibrazioni del pianeta? Per capirlo, devi sapere quali sono le onde gravitazionali e come LIGO le rileva in primo luogo. Secondo la relatività generale, lo spazio e il tempo fanno parte dello stesso continuum, che Einstein chiamava spazio-tempo. E nello spazio-tempo, oggetti massicci in rapida accelerazione possono produrre onde gravitazionali, che sembrano increspature che si irradiano verso l'esterno quando un sassolino viene fatto cadere sulla superficie di uno stagno. Queste onde rivelano lo stiramento e la contrazione del tessuto del cosmo stesso.
Come si misurano i cambiamenti nello spazio-tempo stesso, quando un dispositivo di misurazione sperimenterebbe quegli stessi cambiamenti? La soluzione geniale è ciò che è noto come un interferometro. Si basa sul fatto che le onde gravitazionali si estendono nello spazio-tempo lungo una direzione, mentre lo contraggono lungo la direzione perpendicolare. Pensa a una boa sull'acqua: quando un'onda passa, si muove su e giù. Nel caso di un'onda gravitazionale che si irradia sulla Terra, tutto oscilla sempre leggermente avanti e indietro, anziché su e giù.
Il rilevatore di LIGO è costituito da una sorgente di luce laser, un divisore di fascio, diversi specchi e un rilevatore di luce. La luce lascia il laser, viene divisa in due raggi perpendicolari da un beamsplitter, quindi percorre le stesse distanze lungo i bracci dell'interferometro fino a due specchi, dove la luce viene riflessa nuovamente lungo i bracci. Entrambi i raggi colpiscono quindi il rivelatore, che si trova di fronte a uno degli specchi riflettenti. Quando un'onda gravitazionale passa attraverso l'interferometro, allunga leggermente una delle braccia e l'altra leggermente più corta, poiché allunga lo spazio lungo una direzione mentre la comprime lungo un'altra. Questo cambiamento infinitamente piccolo registra lo schema della luce che colpisce la luce rivelatore. Il livello di sensibilità di LIGO equivale a "misurare la distanza dalla stella più vicina (circa 4,2 anni luce) con un'accuratezza inferiore alla larghezza di un capello umano", secondo il sito Web di collaborazione di LIGO.
Per essere in grado di rilevare l'onda della larghezza dei capelli, gli scienziati fanno di tutto per eliminare eventuali disturbi a questa configurazione finemente sintonizzata, ha affermato Carl Blair, ricercatore post-dottorato presso LIGO che studia l'opto-meccanica o l'interazione della luce con i sistemi meccanici.
Per iniziare, i bracci lunghi 4 chilometri sono in uno dei vuoti più perfetti del mondo, il che significa che è quasi privo di molecole, quindi nulla può interferire con il percorso del raggio. I rilevatori sono inoltre circondati da tutti i tipi di dispositivi (sismometri, magnetometri, microfoni e rilevatori di raggi gamma, per citarne alcuni) che misurano i disturbi nei dati e li rimuovono.
Qualsiasi cosa che possa interferire con o essere interpretata erroneamente come un segnale di onda gravitazionale deve anche essere cacciata ed eliminata, ha detto Blair. Ciò include le imperfezioni all'interno del rivelatore stesso - ciò che è noto come rumore - o i disturbi non astrofisici che vengono rilevati dallo strumento - quelli che sono noti come glitch. I fisici devono anche tenere conto delle vibrazioni degli atomi che compongono lo specchio del rivelatore e delle fluttuazioni casuali della corrente nell'elettronica. Su larga scala, i glitch possono essere qualsiasi cosa, da un treno merci di passaggio a un corvo assetato.
E i glitch possono essere davvero difficili da inchiodare. Quando Arnaud Pele si unì al gruppo ingegnere-rivelatore di LIGO, gli fu assegnato il compito di capire da dove provenisse un disturbo particolarmente fastidioso: gli strumenti che misuravano il movimento del terreno attorno ai rivelatori di onde gravitazionali stavano registrando un picco costante, e nessuno sapeva perché. Dopo diversi mesi di maledetto inseguimento, trovò il colpevole: una roccia senza pretese alloggiata tra il terreno e alcune molle meccaniche sotto un sistema di ventilazione. A causa della roccia, le molle non sono state in grado di impedire la vibrazione del ventilatore nel rivelatore, causando il segnale misterioso. "È una parte molto divertente del mio lavoro, fare queste cose da detective", ha detto Pele. "Il più delle volte, sono soluzioni semplici." Nella ricerca di vibrazioni infinitamente piccole dalle più lontane zone dell'universo, il vero lavoro può arrivare fino alla Terra.
Il più importante, forse, ci sono tre rilevatori: oltre a quello in Louisiana, ce n'è uno ad Hanford, Washington, e un terzo in Italia: "Se qualcosa è reale, deve apparire uguale in tutti i rivelatori", ha detto il membro della collaborazione LIGO Salvatore Vitale, assistente professore di fisica al MIT. Se si tratta di un treno merci o di uno scoglio alloggiato sotto una sorgente, verrà visualizzato solo in uno dei tre rilevatori.
Con tutti questi strumenti e alcuni algoritmi molto sofisticati, gli scienziati sono in grado di quantificare la probabilità che un segnale sia effettivamente un'onda gravitazionale. Possono persino calcolare la frequenza dei falsi allarmi per un determinato rilevamento o la possibilità che il segnale esatto appaia per caso. Uno degli eventi di questa estate, ad esempio, ha avuto un tasso di falsi allarmi inferiore a una volta ogni 200.000 anni, rendendolo un candidato estremamente convincente. Ma dovremo aspettare fino alla fine del verdetto finale.
La segnalazione di questo articolo è stata parzialmente supportata da una sovvenzione della National Science Foundation.
