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La 5D a Cascina
VISITA GUIDATA ALL’INTERFEROMETRO VIRGO
Riccardo Zacchini, Estelle Costi, Matteo Maccari – classe 5D a.s. 2018-2019
Il giorno 6/04/2019 ci siamo recati a Cascina, un comune vicino a Pisa, per poter visitare il gigantesco Interferometro laser Virgo. Il progetto nasce da una collaborazione internazionale che vede l’intervento di ricercatori italiani, francesi, olandesi, polacchi, ungheresi e spagnoli.
Inizialmente siamo stati accolti in una grande sala conferenze dove un ricercatore, che poi ci ha fatto da guida, ci ha spiegato teoricamente ciò che avremmo poi visto dal vivo.
Il concetto di onde gravitazionali si basa sulla teoria della relatività generale di Einstein. Si considera infatti l’universo come formato da un tessuto spazio temporale unitario che viene modificato dalle masse. Le masse infatti hanno la capacità di incurvare il tessuto spazio temporale e la presenza della gravità può essere considerata la dimostrazione della loro azione. Perciò eliminando il concetto di spazio, come lo abbiamo sempre inteso, è facile capire che tutto ciò che si muove in questo “nuovo” spazio defletterà (anche la stessa luce!). Le onde gravitazionali vengono perciò definite come increspature che si propagano nello spazio- tempo e con la loro azione modificano la distanza tra i punti. Le onde gravitazionali vengono solitamente prodotte da fenomeni di interazione (coalescenza) tra stelle di neutroni oppure di buchi neri. Solitamente le stelle iniziano a ruotare sempre più velocemente (0,5c) l’una attorno all’altra fino ad unirsi. Spesso dopo l’unione vi è l’emissione di un lampo γ che in pochi secondi libera una quantità enorme di energia.
Dopo è iniziata la vera e propria visita guidata all’interferometro del quale abbiamo visto la sala di controllo, parte di uno dei bracci e alcuni modelli esposti in un piccolo museo (uno specchio, un pendolo e un modellino esplicativo).
Virgo è composto da due bracci perpendicolari di 3 km l’uno nei quali si propaga una luce laser.
Interno parziale e esterno parziale di uno dei bracci
STRUTTURA E FUNZIONAMENTO DELL’INTERFEROMETRO
L’interferometro consiste in un fascio di luce monocromatica (laser) emesso da una sorgente verso uno specchio semiriflettente che deflette parte della radiazione perpendicolarmente alla direzione d’incidenza. Queste due onde hanno le medesime caratteristiche siccome provengono dalla medesima sorgente.
Passando oltre lo specchio parzialmente riflettente le radiazioni sono riflesse da specchi totalmente riflettenti, degli specchi intermedi (tra specchio semiriflettente e totalmente riflettente) intensificano il segnale che poi si ricongiunge con l’altra radiazione, producendo una figura d’interferenza. Alcuni specchi, detti ripulitori di fasci, sono poi aggiunti lungo il percorso per ripulire il segnale.
Le onde gravitazionali hanno ampiezza dell’ordine del 10-18 metri, un millesimo del diametro del nucleo di un atomo. Per rilevare tali oggetti è dunque indispensabile accrescere enormemente la sensibilità dello strumento.
Ogni oggetto nell’interferometro (specchi, sorgente, fotocellula) è posto all’interno di cosiddetti superattenuatori che neutralizzano molti movimenti che influenzerebbero negativamente il funzionamento dell’apparato.
Le figure seguenti mostrano particolari del superattenuatore con i filtri antisismici eliminano le vibrazioni sismiche del suolo.
L’intero interferometro è poi posto in vacuo (assenza totale di pressione), per evitare l’azione dell’aria sulla velocità della radiazione ed eliminare le onde sonore.
Infine i due bracci, della stessa lunghezza in modo che il laser compia lo stesso percorso in entrambe le direzioni, sono allungati, fino ad arrivare ad una lunghezza di 3km.
Le due radiazioni all’interferometro producono una figura d’interferenza con punti di luce e punti bui, interferenza distruttiva. Al passaggio di un’onda gravitazionale lo spazio, e quindi la Terra, si deforma lungo direzioni verticali, orizzontali o diagonali; i bracci, deformandosi, variano la loro lunghezza modificando così la figura d’interferenza.
Considerando un punto buio, se in un determinato istante si vede luce significa che la figura d’interferenza è cambiata, quindi i bracci non hanno più la stessa lunghezza, e l’unica spiegazione è che un’onda gravitazionale li abbia temporaneamente modificati. L’azione di queste onde, vista la loro dimensione, è impercettibile e può essere indagata solo da questo strumento.
L’impianto Virgo è in stretta collaborazione con i due impianti Ligo negli Stati Uniti. Condividono i dati e insieme sono capaci di triangolare la posizione dell’onda. Dall’ampiezza dell’onda, dalla sua frequenza si possono dedurre molte informazioni.
SENSIBILITÀ DELL’INTERFEROMETRO VIRGO
Le onde gravitazionali provocano una modifica della lunghezza dei bracci nell’ ordine di 10-18m permettendo di captare onde gravitazionali di ampiezza di 10-21m.
Appare evidente che per poter misurare variazioni così impercettibili sia necessario eliminare completamente le fonti di “rumore” che potrebbero rendere vane le misurazioni.
- Gli specchi e tutti gli altri oggetti sensibili sono appesi a pendoli che, grazie a un complicato sistema di lamine, riescono a eliminare ogni vibrazione del terreno.
- Il laser è emesso da una sorgente che ha una potenza luminosa di 100 kW ed è contornato da una corona circolare che riscalda la restante parte dello specchio per evitare deformazioni dovute al caldo. Il fascio laser viene allargato fino ad un diametro di 10cm, in modo che gli specchi si deformino meno, assorbendo però la stessa potenza.
- All’interno del tubo è presente uno strato di 20 cm di isolante termico, utile nel momento in cui deve essere creato il vuoto all’interno del tubo.
- L’intero interferometro è mantenuto sottovuoto perché solo nel vuoto la velocità della luce è costante. Per rendere possibile ciò sono presenti varie campane a vuoto che permettono di non dover modificare l’intero sistema per gli interventi di manutenzione.
- I bracci sono costituita da tratti di 1,5 m di tubo alternati a 0,5 m di tubo a soffietto per sopperire alle dilatazioni termiche.
- Essendo il tubo in metallo sulla superficie interna devono essere eliminati ogni tipo di residui di acqua e azoto e per fare ciò si riscalda il tubo rispettivamente a 150 C° e 400 C° sfruttando l’effetto Joule. Di conseguenza si utilizzano generatori a gasolio ultrapotenti e se ne immette la corrente prodotta nel tubo.
- I bracci sono sostenuti da supporti di cui si può variare l’altezza in caso di cambiamenti del livello del terreno. Inoltre, essendo i bracci lunghi 3 km, bisogna considerare anche la curvatura terrestre che provoca una differenza di livello tra i due estremi di 19 cm.
- Nella sala di controllo durante il periodo di acquisizione dati lavora solo 1 persona permettendo la massima precisione e concentrazione nell’acquisizione dei dati.
- Gli specchi fatti di quarzo sintetico ultrapuro (in modo da eliminare la birifrangenza), pesano 40 kg e sono saldati a fili di quarzo per eliminare l’attrito che genera vibrazioni. Mediante i fili gli specchi sono connessi a sospensori antisismici e attuatori elettromagnetici, i quali si muovono in opposizione ai moti di compressione e dilatazione del terreno. Questa struttura meccanica è costituita da una catena di pendoli sospesa da una piattaforma, sorretta da tre lunghe gambe flessibili, incastrate alla base. In questo modo le vibrazioni sismiche a frequenze maggiori di 10 Hz vengono ridotte di oltre 1012 volte e viene molto accuratamente controllata la posizione dello specchio. Gli specchi alle estremità dei bracci riflettono circa il 100% della radiazione incidente, mentre quello semiriflettente ha una riflettività dell’80% e solo il 20% entra nei 3 km.
DATI RACCOLTI
Nel centro Virgo i dati vengono raccolti nella sala controllo e analizzati.
La prima rilevazione delle onde gravitazionali, valsa il premio Nobel 2017, ha avuto luogo il 14/09/2015 nell’impianto Ligo (Virgo non era funzionante, ma i ricercatori pisani hanno collaborato alla costruzione di LIGO e all’analisi dei dati).
Dai dati raccolti è stato possibile dedurre che l’onda gravitazionale era stata emessa da due buchi neri di massa rispettivamente 36 e 29 masse solari, e il buco nero finale aveva, e ha tutt’ora, una massa di 62 masse solari. Le restanti 3 masse solari sono state emesse sotto forma di onde gravitazionali e radiazioni.
Successivamente, nel 2017, sono state rilevati due fenomeni, il primo da Ligo e il secondo da Virgo. I due però avevano durate diverse (quello rilevato a Ligo aveva durata di pochi secondi, mentre quello rilevato da Virgo aveva durata di 30 secondi), si trattavano quindi di due fenomeni distinti, in particolare in quello rilevato a Virgo si è potuto osservare, 1,7 secondi dopo il fenomeno, un lampo gamma (una radiazione ad alto contenuto energetico, sulla strumentazione dà l’idea di un bagliore improvviso). Dai dati si è potuto dedurre che l’onda gravitazionale e il lampo gamma seguente avevano la stessa origine: la fusione di due stelle di neutroni. Si sono osservati anche radiazioni nel campo del visibile e dei raggi X, derivanti dall’eco del lampo gamma.
Lunedì 1/4/2019 è iniziato un periodo di raccolta dati in concomitanza con i centri Ligo che avrà la durata di circa un anno. In tale periodo i ricercatori sperano di poter raccogliere più dati possibile per indagare ancora più a fondo questi fenomeni.