Ascoltare i cieli: la scoperta delle onde gravitazionali ha dimostrato che Einstein aveva ragione

in collaborazione con NOME

L'evento è stato epocale e la dichiarazione che lo ha annunciato al mondo è arrivata con un tono debitamente eccitato, pur essendo sobrio e al punto: Signore e signori, abbiamo... abbiamo rilevato... onde gravitazionali! Ce l'abbiamo fatta!

Con queste parole, David Reitze, direttore esecutivo del Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO), ha rivelato la scoperta a una stanza gremita di giornalisti al National Press Club di Washington, DC, l'11 febbraio 2016. (Il rilevamento effettivo avvenuta il 14 settembre 2015.)

La scoperta ha fornito la prima prova a sostegno della convinzione di Albert Einstein nell'esistenza delle onde gravitazionali che faceva parte della sua teoria generale della relatività. Un nuovo campo di indagine scientifica, chiamato astronomia delle onde gravitazionali, ha alimentato questo notevole risultato presso LIGO, attraverso l'uso di un dispositivo laser, chiamato interferometro, che include sensori ad alta precisione, amplificatori operazionali e altri prodotti di Analog Devices, Inc. (DGA).

La fonte dell'onda gravitazionale è stata la collisione di due buchi neri, a 1,3 miliardi di anni luce dalla Terra, che hanno creato una potenza delle onde gravitazionali 10 volte maggiore dell'energia irradiata combinata di tutte le stelle dell'universo.

Hanno trovato le onde [gravitazionali] di Einstein 100 anni dopo, ed è successo proprio qui, ed ecco la macchina che lo ha fatto, si meraviglia David Kress, direttore del marketing tecnico presso l'ADI e un alunno del MIT. Non c'è niente di meglio e so che ci sono le nostre parti.

Ascoltando l'Universo

LIGO è costituito da due osservatori e strutture, uno a Hanford, Washington e l'altro a Livingston, Louisiana, entrambi hanno iniziato a funzionare nel 2002. La National Science Foundation (NSF) ha finanziato quel progetto di fisica su larga scala e queste strutture sono state quindi creato, costruito e gestito da Caltech e MIT. Gli osservatori gemelli, che sono tra i più grandi e ambiziosi progetti finanziati dall'NSF fino ad oggi, sono stati progettati per osservare le onde gravitazionali astrofisiche, che in realtà non possono essere viste. L'unico modo per rilevare l'esistenza delle onde gravitazionali è ascoltare il cielo.

Ogni struttura LIGO posiziona un laser in un vuoto ultra alto, divide il laser in due e invia ciascun raggio lungo uno dei due bracci di 2,5 miglia disposti perpendicolarmente l'uno all'altro. I raggi laser vengono quindi riflessi da specchi posti alle estremità dei bracci.

Gli interferometri sono strumenti investigativi abitualmente utilizzati nella scienza e nell'ingegneria. Funzionano unendo due o più sorgenti di luce per creare uno schema di interferenza, che può essere misurato e analizzato. Gli interferometri LIGO sono progettati per rilevare misurazioni troppo piccole per essere ottenute con altri metodi.

Quando un'onda gravitazionale passa, altera il tempo nell'area circostante, provocando un minuto movimento delle braccia l'una rispetto all'altra, dell'ordine di 1/1000 della larghezza di un protone. Ciò cambia le fasi relative della luce restituita una volta che i dispositivi ricevono i dati, rilasciando luce a un sensore ottico, che si traduce in un segnale misurabile o cinguettio.

Quando si pensa a un osservatorio tradizionale, si ottiene un'immagine mentale di qualcuno che sbircia attraverso un mirino, guardando nello spazio attraverso un telescopio progettato per ricevere la luce, afferma Rich Abbott, progettista capo di circuiti analogici presso LIGO. Ciò che LIGO fa, e ciò che lo rende unico, è che misura le onde gravitazionali, che non si manifestano come la luce. Per descrivere l'eccezionale sensibilità dell'interferometro LIGO, lo confronta con una bilancia: se potessi togliere tutta la sabbia da tutte le nostre spiagge della Terra e accumularla sulla bilancia, il rivelatore LIGO è sufficientemente sensibile da poterne rilevare la rimozione di meno di un granello di sabbia.

Alte prestazioni: tecnologia LIGO e ADI

LIGO utilizza una serie di tecnologie di circuiti integrati di ADI. Gli interferometri LIGO funzionano prevedendo e compensando tutte le possibili fonti di rumore e vibrazioni ambientali. Ciò significa che l'uscita laser utilizzata dall'interferometro deve rimanere ultra-stabile, con variazioni estremamente lievi di frequenza e ampiezza.

Per questo motivo, il team LIGO aveva bisogno di un sistema di feedback per misurare adeguatamente l'emissione di luce controllando l'ampiezza. Ciò richiedeva un amplificatore a bassissimo rumore con prestazioni elevate. Il team LIGO ha scelto l'amplificatore operazionale (o amplificatore operazionale) AD797 di ADI per le sue capacità di bassissimo rumore e bassa distorsione. L'amplificatore operazionale AD797 viene utilizzato anche in applicazioni di imaging a infrarossi e sonar, tra gli altri usi. Nella tecnologia LIGO trovano impiego anche altri prodotti ADI:

• Il sensore di temperatura ad alta precisione AD590 di ADI stabilizza la frequenza del laser e misura la temperatura media della camera a vuoto di vetro che ospita il laser.
• L'uscita nel laser può accumularsi rapidamente fino a kilowatt all'interno delle cavità risonanti dei bracci, distorcendo le misurazioni. LIGO utilizza un amplificatore operazionale ad alta tensione ADA4700 per pilotare attuatori elettrostatici per mantenere gli specchi allineati.
• I solenoidi azionano il sistema di sospensione degli specchietti di LIGO. In quel sistema, il chip AD736 RMS misura l'erogazione di potenza ai solenoidi, consentendo qualsiasi inclinazione, beccheggio e imbardata precisi e richiesti.

La stabilizzazione dell'ampiezza del laser è tra le chiavi del suo riconoscimento delle onde gravitazionali perché le fluttuazioni potrebbero apparire come segnali, osserva Abbott. Ecco perché avevamo bisogno di una soluzione così mirata, non da giardino.

Dimostrare Einstein proprio attraverso la performance

La prima immagine in assoluto di un segnale di onda gravitazionale reale è stata inizialmente rilevata a LIGO Livingston; poi, solo 7 millisecondi dopo, è arrivato al sito di Hanford. La scoperta è avvenuta durante la prima settimana di utilizzo di nuovi rivelatori laser LIGO avanzati, che includevano le tecnologie dei circuiti integrati ADI. Il team LIGO è stato entusiasta di rilevare le onde gravitazionali così presto dopo l'installazione del nuovo dispositivo e che il segnale era così forte da essere inconfondibile.

Il ritardo tra la scoperta del segnale dell'onda gravitazionale e la sua presentazione al pubblico rifletteva la necessità del team di indagare e confermare che fosse, effettivamente, reale. Per diverse settimane, gli scienziati di LIGO hanno condotto esperimenti in entrambi gli osservatori per escludere la possibilità che un'anomalia strumentale o un problema tecnico del software causassero i segnali. Alla fine, gli scienziati hanno completato quella che è nota come analisi di correlazione e accoppiamento, che ha concluso che il segnale potrebbe aver avuto origine solo nello spazio profondo. Tutto il personale LIGO ha giurato di mantenere il segreto da allora fino all'annuncio pubblico.

Successivamente, una seconda onda gravitazionale è stata rilevata il giorno di Natale del 2015. Ancora una volta, gli scienziati hanno studiato a fondo e, dopo aver confermato l'origine cosmica del segnale, hanno annunciato la sua rilevazione il 15 giugno 2016.

Quando Einstein propose l'esistenza delle onde gravitazionali e dei buchi neri, credeva che sarebbe stato essenzialmente impossibile accertarli effettivamente. Il fatto che i sensori ADI e altri dispositivi abbiano contribuito alla precisione degli interferometri che alla fine hanno compiuto questa impresa rimane motivo di grande orgoglio per coloro che sono coinvolti nello sviluppo della tecnologia.

Analog Devices supporta applicazioni di precisione per l'osservazione della Terra, il posizionamento delle comunicazioni spaziali, i veicoli di lancio e l'esplorazione dello spazio da oltre 40 anni, afferma Bob Barfield, direttore dell'aerospazio e della difesa presso l'ADI. Quando pensi a cosa c'è nello spazio e cosa c'è al di là di ciò che sappiamo in questo momento, è sbalorditivo. Alcune delle cose che vengono scoperte: è semplicemente eccitante pensare che siamo sull'orlo di questo.

Per saperne di più e per visualizzare un video sul progetto LIGO, visita il sito www.analog.com/en/landing-pages/001/ligo.html?icid=ligo_en_hp .

nascondere