Onde gravitazionali: cos’è Virgo, il rilevatore italiano

Quando attraversa la Terra, un’onda gravitazionale fa sì che lo spazio si allunghi in una direzione e si comprima nell’altra, per cui anche i due “bracci” del rivelatore crescono e si restringono impercettibilmente. Ciò significa che ogni raggio di luce percorre una distanza leggermente diversa, che si manifesta nello schema della luce laser come un picco di frequenza che viene definito cosmic chirp, letteralmente “cinguettio cosmico”: questo è il segnale delle onde gravitazionali.

Per misurarlo, Virgo si affida ad apparecchiature all’avanguardia. Gli specchi alla fine di ogni tunnel sono fatti di un quarzo sintetico purissimo, che assorbe solo un milione di fotoni sui tre totali che lo colpiscono, ed è così liscio da non avere praticamente alcuna dispersione di luce. Il materiale inoltre è rivestito da un sottile strato riflettente che consente di perdere meno dello 0,0001 percento della luce laser.

Ogni specchio si trova sotto un “superattenuatore” che lo protegge dalle vibrazioni sismiche, costituito da una catena di filtri sismici che agiscono come pendoli, racchiusi in una camera a vuoto all’interno di una torre alta dieci metri. Il sistema è progettato per contrastare i movimenti della Terra, che possono essere nove ordini di grandezza più forti delle onde gravitazionali che Virgo cerca di rilevare. I superattenuatori sono così efficaci che, almeno in direzione orizzontale, gli specchi si comportano come se galleggiassero nello spazio.

Innovazioni e nuove sfide

Un’innovazione più recente è il sistema “squeezing” di Virgo, che combatte gli effetti del principio di indeterminazione di Heisenberg, una strana caratteristica del mondo subatomico che fa sì che certe coppie di proprietà di una particella quantistica non possano essere misurate con precisione nello stesso momento. Per esempio, non è possibile misurare con assoluta accuratezza sia la posizione che la quantità del moto di un fotone: quanto più precisa è la conoscenza della sua posizione, tanto meno lo sarà quella relativa alla sua quantità di moto, e viceversa.

All’interno di Virgo, il principio di indeterminazione si manifesta come rumore quantico, oscurando il segnale delle onde gravitazionali. Ma immettendo della luce in un particolare stato all’interno di un tubo che finisce per sovrapporsi al campo laser principale in corrispondenza del beam splitter, i ricercatori possono dimuire l’incertezza delle proprietà della luce laser, riducendo il rumore quantico e migliorando la sensibilità di Virgo ai segnali delle onde gravitazionali.

Dal 2015,  Virgo e la sua controparte statunitense Ligo hanno registrato quasi cento eventi relativi a onde gravitazionali nel corso di tre osservazioni. Con l’aggiornamento di entrambe le strutture e l’aggiunta di Kagra, il prossimo ciclo di osservazione, che inizierà nel marzo 2023, promette di fare molto di più. I ricercatori sperano di raggiungere una conoscenza più approfondita dei buchi neri e delle stelle di neutroni, con l’allettante prospettiva di ottenere un quadro dell’evoluzione del cosmo attraverso le onde gravitazionali. “Questo è solo l’inizio di un nuovo modo di comprendere l’universo – spiega Losurdo –. Nei prossimi anni accadranno molte cose”.

Questo articolo è stato pubblicato originariamente nel numero di gennaio/febbraio 2023 del magazine di Wired UK.