211service.com
Catturare le onde di Einstein
Gli astronomi osservano i cieli essenzialmente allo stesso modo da quasi 400 anni. Da quando Galileo ha girato i suoi telescopi sulla luna nel 1609, hanno usato mezzi sempre più sofisticati per rilevare la luce emessa da oggetti distanti, raccogliendo non solo la luce visibile, ma anche onde radio, raggi X e altre forme di radiazione elettromagnetica. Ma alcune delle cose più eccitanti nello spazio non mandano luce sulla nostra strada.
Gli studenti laureati Alma Steingart e Brett Shapiro, lo scienziato LIGO Rich Mittleman e il professore di fisica Nergis Mavalvala nel laboratorio LIGO del MIT.
La capacità di osservare l'universo usando qualcosa di diverso dalla luce potrebbe inaugurare una nuova era dell'astronomia, un'era che i fisici del MIT ritengono che presto sarà alle porte. Le loro speranze vertono sul rilevamento delle onde gravitazionali, una sorta di radiazione fondamentale prevista da Einstein nel 1916 ma non ancora osservata direttamente. L'analisi delle onde gravitazionali, ritengono, fornirà un modo senza precedenti per studiare l'attività delle stelle di neutroni a spirale, dei buchi neri e dei nuclei delle stelle in collasso.
Non solo le onde gravitazionali sono previste dalla teoria della relatività di Einstein, ma le previsioni sono supportate da prove empiriche indirette, come i cambiamenti nelle orbite delle stelle di neutroni binarie che gli scienziati hanno osservato per decenni. Tuttavia, prima che gli astronomi possano analizzare le onde gravitazionali da oggetti distanti, i fisici sperimentali devono rilevare direttamente le onde.
Un team di ricercatori del MIT e del Caltech non può resistere alla sfida. Gestiscono congiuntamente il Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO), che è finanziato dalla National Science Foundation in siti nello stato di Washington e in Louisiana. Costruito negli anni '90, LIGO si basa su progetti sviluppati negli anni '70 da Rainer Weiss '55, PhD '62, che ora è professore emerito di fisica al MIT. Rilevando i cambiamenti nella distanza tra specchi finemente calibrati, gli strumenti di LIGO misurano minuscole distorsioni nel tessuto dello spazio-tempo. Con la prima generazione di rivelatori, che costava 230 milioni di dollari, la probabilità di rilevare un'onda gravitazionale era bassa. Ma i fisici di LIGO pensano di avere ora la tecnologia per girare l'angolo. Con gli aggiornamenti in corso, sperano di ottenere un aumento di dieci volte della sensibilità, abbastanza, secondo loro, da rilevare le onde gravitazionali un paio di volte al mese entro il 2014.
Questi fisici amano affrontare uno dei problemi di ingegneria di precisione più difficili al mondo: misurare distanze più piccole dei nuclei atomici più piccoli. È molto difficile. E questo ha un'enorme attrazione, afferma Nergis Mavalvala, PhD '97, professore associato di fisica che sta progettando strumenti aggiornati per LIGO. Ma ancora più eccitante della sfida è il potenziale guadagno. La fisica delle onde gravitazionali cambierà il modo in cui vediamo l'universo, afferma il professore associato di fisica Erik Katsavounidis, che sta analizzando i dati LIGO. Ci sono poche cose in quella classe.
Da Newton a Einstein
Newton descrisse la gravità come una forza di attrazione tra le masse. Ma anche Newton era insoddisfatto della sua incapacità di spiegare cosa... cause gravità. Questo fu lasciato ad Einstein, che spiegò come nasce la gravità descrivendo lo spazio stesso in un modo nuovo.
Prima di Einstein, lo spazio era pensato per essere assoluto, esistente al di fuori dell'influenza delle masse che si muovono al suo interno. Einstein concepì lo spazio come malleabile e propose che tempo e spazio facessero parte di un sistema quadridimensionale. Masse come il sole distorcono il tessuto dello spazio-tempo, causando quella che i fisici chiamano curvatura dello spazio-tempo. Questa curvatura influenza il moto di altre masse: in altre parole, è ciò che sperimentiamo come gravità.
Quando le masse accelerano, propose Einstein, provocano increspature nello spazio-tempo come le onde che viaggiano nell'acqua sulla scia di una barca. Queste scie spazio-temporali sono quelle che lui chiamava onde gravitazionali. Come le onde luminose e sonore, sono descritte in termini di frequenza e lunghezza d'onda. Nelle equazioni di Newton, la forza di gravità viene esercitata istantaneamente, un'approssimazione che funziona magnificamente per la maggior parte di ciò che possiamo osservare. Ma le onde gravitazionali si propagano nello spazio-tempo alla velocità della luce. Quindi qualsiasi cambiamento nell'attrazione gravitazionale di un oggetto distante richiede tempo per raggiungere la Terra, proprio come fa la sua luce. Tutto questo richiede un po' di tempo per farti capire, ammette Scott Hughes, un assistente professore di fisica.
Mentre le onde gravitazionali viaggiano, si allungano e comprimono lo spazio-tempo, dice Mavalvala. Se uno ti attraversasse in questo momento, potresti diventare un po' più alto, poi un po' più basso; un po' più largo, poi un po' più sottile. Allo stesso modo, se un'onda gravitazionale attraversa due oggetti, la distanza tra loro varia. LIGO è progettato per misurare questo effetto.
Accade così che le cose che LIGO sarà in grado di rilevare, come i buchi neri che collidono con le stelle di neutroni, non possono essere viste bene con i telescopi. Ma mentre tali fenomeni sono interessanti, il vero valore di studiarli, dice Hughes, è che ci permetteranno di testare le leggi della fisica in aree dell'universo molto diverse dalla nostra.
Le leggi di Newton funzionano bene nel nostro sistema solare, dove la gravità è debole. Ma vicino ai buchi neri, dice Rainer Weiss, lo spazio è così fortemente gravitante che non è più piatto; è rannicchiato su se stesso in modi orribili. Con LIGO, dice, vedremo cose provenienti da regioni dell'universo in cui Einstein è l'intera storia. Newton di cui ti puoi scordare. LIGO, sperano i fisici, aprirà quello che Hughes chiama un laboratorio estremo. La misurazione delle onde gravitazionali ci darà un'idea della natura più profonda dello spazio e del tempo, afferma Edward Bertschinger, capo del dipartimento di fisica del MIT. Fino a quando non li studiamo a fondo, non abbiamo capito la gravità.
Tuttavia, ci è voluto molto tempo prima che l'establishment della fisica credesse che valesse la pena investire nelle tecnologie progettate per misurare le onde gravitazionali. Weiss, che ha trascorso tutta la sua carriera al MIT, ha svolto un ruolo importante nell'invertire la tendenza.
Le origini di LIGO
Persino Einstein riconobbe che le onde gravitazionali sarebbero state difficili, se non impossibili, da misurare. Sebbene credesse che esistessero davvero, negli anni '30 i fisici iniziarono a pensare alle onde gravitazionali come curiosità matematiche. E senza alcun modo per testare le sue idee su di loro, lo stesso Einstein si ritirò dalle sue precedenti affermazioni.
Ma nel 1960, un uomo che Weiss definisce coraggioso e fantasioso decise di provare a misurare le onde gravitazionali. Joseph Weber, professore all'Università del Maryland, costruì un rilevatore che funzionava come una barra di xilofono di metallo; ma invece di vibrare quando viene colpito da un martello, vibrerebbe quando viene colpito dalle onde gravitazionali. Weiss dice che Weber ha visto ogni sorta di cose meravigliose e ha affermato di aver rilevato ciò che Einstein aveva predetto.
Il problema era che nessuno poteva duplicare i suoi risultati, anche se Weber, che morì nel 2000, rimase fedele a loro. Weiss dice che un fisico più attento sarebbe stato più scettico sulle proprie conclusioni; ipotizza che le macchine di Weber potrebbero aver rilevato cose come fulmini o linee telefoniche problematiche, ma Weber non ha indagato su altre possibili spiegazioni per i suoi dati. Senza una conferma indipendente delle onde di Weber, il campo è andato in uno stato terribile, dice Weiss.
Anche Weiss, non meno fantasioso di Weber, era interessato alla gravitazione da una prospettiva sperimentale. Era stato bocciato al MIT negli anni '50, ma gli fu data un'altra possibilità dal leggendario professore di fisica Jerrold Zacharias, che lo assunse per lavorare nel suo laboratorio. Dopo aver conseguito il dottorato di ricerca al MIT, Weiss ha trascorso del tempo alla Princeton University nel laboratorio di Robert Dicke, uno dei massimi esperti di gravitazione.
Poco dopo essere tornato al MIT come professore, Weiss è stato incaricato di tenere un corso di specializzazione sulla relatività. Era la primavera del 1966 e il rilevatore di Weber era attivo e funzionante. Non riuscivo a capire cosa stesse facendo Weber, ricorda Weiss, così decise di spiegare le onde gravitazionali ai suoi studenti escogitando la spiegazione più semplice di come si potesse rilevarne una che potessi immaginare. La sua idea era quella di utilizzare un interferometro, una configurazione a forma di L di specchi equidistanti che utilizza la luce laser per misurare con precisione la distanza. Quando le onde gravitazionali passano gli oggetti, si allungano e comprimono lo spazio-tempo in modo tale che le distanze tra quegli oggetti cambino. Maggiore è la distanza iniziale tra due oggetti, maggiore è il cambiamento. Maggiore è il cambiamento, più facile è misurarlo.
Negli anni successivi, Weiss sviluppò prototipi per quello che sarebbe diventato LIGO. I ricercatori del Caltech, così come i finanziatori della National Science Foundation, hanno sostenuto i suoi piani prima dell'amministrazione del MIT; l'Istituto era riluttante a dedicare denaro a quella che sembrava una proposta rischiosa. Ma una volta che la collaborazione di Weiss con Kip Thorne e Ronald Drever del Caltech è stata avviata e il finanziamento è stato assicurato, il MIT è salito a bordo.
Il LIGO di oggi è un insieme di enormi interferometri, due dei quali con bracci di quattro chilometri e un terzo con bracci di due chilometri. Più simile a un orecchio che a un occhio, LIGO catturerà tutte le onde che può sentire, indipendentemente dalla direzione da cui provengono. Ma Weiss spera che la tecnologia possa servire come un nuovo tipo di telescopio.
All'angolo di ogni L c'è uno specchio che divide in due un raggio di luce laser e invia un raggio lungo ciascun braccio, attraverso tubi di acciaio inossidabile sigillati sottovuoto, a uno specchio all'estremità. Gli specchi riflettono i raggi verso l'angolo, dove si ricombinano per creare uno schema di interferenza di punti luminosi e scuri. Questo schema rimane lo stesso finché non si muove nulla. Ma se un'onda gravitazionale passa attraverso l'interferometro, comprime e allunga sottilmente lo spazio, spingendo gli specchi in modo che il modello cambi.
Sembra abbastanza semplice. Ma eliminare il rumore dal sistema è incredibilmente complesso. Tutto il resto del pianeta può spostare gli specchi più delle onde gravitazionali, dice Mavalvala, con pochissima esagerazione. Spunta un breve elenco di fenomeni che possono disturbare LIGO: movimenti delle placche tettoniche, onde oceaniche, traffico stradale, metropolitane, anche solo l'attività delle persone che si spostano. Nemmeno nella fabbricazione di microprocessori con caratteristiche molto piccole le cose devono essere mantenute ferme come nei rilevatori di LIGO. Solo un visionario potrebbe guardare ai requisiti tecnici di LIGO ed essere imperterrito, afferma Bertschinger.
Gli scienziati di LIGO stanno analizzando i dati della prima corsa su vasta scala dei rilevatori, da novembre 2005 a ottobre 2007. L'enorme volume di dati - i rilevatori hanno generato circa un gigabyte al giorno - presenta un'enorme sfida computazionale. Ancora più difficile è decidere come determinare quando un'onda gravitazionale è stata rilevata oltre ogni ragionevole dubbio. Data l'eredità di Weber, dice Erik Katsavounidis, vogliamo essere assolutamente sicuri.
I ricercatori pensano che l'attuale tecnologia di LIGO dovrebbe essere in grado di rilevare eventi cosmici violenti come le supernove, purché non siano troppo lontani. Per la nostra galassia abbiamo una buona sensibilità, dice Katsavounidis. Tuttavia, le supernove sono rare; si pensa che si verifichino all'interno del raggio d'azione di LIGO circa una volta ogni 30 anni. Fino a quando LIGO non riuscirà a vedere più lontano, dice, le migliori potenziali fonti di onde gravitazionali rilevabili potrebbero essere oggetti di cui gli astrofisici non sono ancora a conoscenza.
La prossima generazione
Utilizzando il più grande sistema di vuoto ultraelevato sulla Terra, LIGO è in grado di rilevare spostamenti dello specchio di appena 10-18 metri, un millesimo del nucleo dell'atomo più piccolo. Quella sensibilità raddoppierà entro circa un anno, grazie ai miglioramenti che Mavalvala paragona a mettere un motore turbo in un'auto. E il team di LIGO sta pianificando di sostituire del tutto i rilevatori iniziali. Costruito per un progetto chiamato Advanced LIGO, il nuovo set di rivelatori sarà 10 volte più sensibile, aumentando di mille volte il volume dello spazio osservabile.
Nel luminoso laboratorio del team LIGO di proporzioni simili a un hangar sul lato ovest del campus del MIT, Mavalvala abbassa la testa con il cappello da baseball sotto uno dei due tubi di acciaio inossidabile di 15 metri. I tubi si collegano a forma di L per formare una replica su scala ridotta degli interferometri della Louisiana e di Washington. Nelle vicinanze, un apparato che sembra essere stato costruito da un gigantesco set di Erector si trova su una piattaforma d'acciaio elevata racchiusa in un telo di plastica. Mavalvala spiega come Advanced LIGO farà in modo che le piattaforme da cui sono sospesi gli specchi rimangano molto, molto ferme.
Quando l'apparato è in funzione, gli accelerometri sulle piattaforme rilevano il movimento e i motori lo correggono spostando la piattaforma nella direzione opposta. Ogni specchio sarà appeso alla sua piattaforma su un filo che sostiene pesi di metallo e vetro. Il pendolo risultante ha una frequenza naturale inferiore a quella delle onde gravitazionali. Quando la piattaforma viene scossa rapidamente dal rumore sismico, i pendoli tamponano il movimento degli specchi, assicurando che i minuscoli movimenti dovuti alle onde gravitazionali non vengano mascherati.
Questi miglioramenti miglioreranno la sensibilità di LIGO alle onde gravitazionali a bassa frequenza. Ma quando si misurano spostamenti molto più piccoli di un atomo, i ricercatori devono anche fare i conti con diverse fonti di rumore che limitano la sensibilità in altri intervalli. Nell'intervallo intermedio, LIGO è limitato dal movimento termico: gli atomi a temperature superiori allo zero assoluto si accalcano intorno. Pertanto, gli atomi di metallo nei fili che sospendono gli specchi di LIGO introducono rumore nel sistema. Advanced LIGO utilizzerà fibre di vetro nudo appositamente realizzate, un materiale meno soggetto a perdite: gli atomi si muovono meno e una parte minore del loro movimento viene trasferita allo specchio.
A frequenze più alte, il problema sono le proprietà quantistiche della luce. Quando si effettua una misurazione con la luce, dice Mavalvala, si ha a che fare con le proprietà di rumore della luce stessa. Maggiore potenza del laser significa un miglior rapporto segnale-rumore: il laser di Advanced LIGO avrà 20 volte la potenza di quello attuale.
Con questi miglioramenti, dovremmo vedere qualcosa una volta alla settimana, afferma David Shoemaker, SM '80, il ricercatore senior del MIT che guida Advanced LIGO. Se non vediamo nulla, c'è qualcosa di sbagliato nella relatività generale.
Quando viene rilevata per la prima volta un'onda gravitazionale, tutti daranno una festa chiassosa, afferma Scott Hughes. Quindi, dopo che i postumi di una sbornia saranno finiti, diremo: 'Okay, ora cosa facciamo?'
Creando modelli al computer di oggetti come i buchi neri, Hughes sta cercando di capire come usare le onde gravitazionali per fare astronomia. Poiché nessuna luce fuoriesce dai buchi neri, i fisici li hanno visti solo indirettamente, ad esempio rilevando i raggi X che le stelle emettono quando vengono trascinate all'interno di uno di essi. Ma quando i buchi neri mangiano qualcosa, dice Weiss, emettono un rutto molto soddisfatto, un'onda gravitazionale. Dato il modo in cui la relatività generale descrive le cose, dati i rivelatori come li abbiamo progettati, dice Hughes, con che precisione posso fare cose come misurare la massa e la rotazione di un buco nero?
I fisici che fanno queste domande stanno uscendo verso l'ignoto e non possono prevedere tutto ciò che potrebbero imparare. Ma, dice Bertschinger, voglio che il MIT faccia parte di quell'era, che partecipi alla festa della scienza che verrà.