Nobel Fisica 2017

Ligo

Come forse sapete, quest’anno il premio Nobel per la fisica è stato assegnato a Rainer Weiss, Barry C. Barish e Kip S. Thorne, i tre scienziati di LIGO, l’interferometro che ha registrato le onde gravitazionali, la cui esistenza, ogni tanto tocca ricordarlo ai giornalisti, era già stata dimostrata nel 1974 da Hulse e Taylor.

Il Nobel è stato assegnato per aver aperto, con la realizzazione di uno strumento efficace di osservazione, una branca dell’osservazione cosmologica, non più basata sulle onde elettromagnetiche: branca che già permesso di approfondire la nostra conoscenza su buchi neri e verificando l’ipotesi di Einstein che le onde gravitazionali si diffondano a velocità della luce, ha fornito la prova che il gravitone, la possibile particella mediatrice dell’interazione gravitazionale, ancora da scoprire, abbia massa nulla come il fotone.

Ma come funzione questo LIGO ? I suoi due rilevatori (uno in Louisiana e l’altro nello Stato di Washington, dove è Seattle, la patria del grunge) sono costituiti da due tunnel (detti “bracci”) perpendicolari, lunghi 3 chilometri ciascuno. I due bracci disegnano una L, dal cui vertice parte un raggio laser, che viene diviso in due e se ne va per metà lungo un braccio della L, e per metà lungo l’altro. In fondo a ogni tunnel c’è uno specchio che riflette all’indietro il laser, e nel punto dove i due raggi riflessi tornano a incontrarsi c’è un rivelatore. In teoria lo “spacchettamento” delle due metà del raggio è fatto in modo che – quando si incontrano di nuovo – i due raggi si annullano.

Ma se una perturbazione passeggera della gravità deforma leggermente i due bracci (accorciando uno e allungando l’altro), sul rivelatore appare un segnale luminoso, un’onda di luce la cui frequenza è l’impronta dell’onda gravitazionale originaria. Con questa tecnica è possibile misurare variazioni di appena un milionesimo di miliardesimo di millimetro rispetto ai 3 km dei bracci dell’interferometro. In proporzione, è come rilevare lo spessore di un capello rispetto alla distanza della stella più vicina: una sensibilità che fino a non molti anni fa alcuni consideravano impossibile da raggiungere.

Dall’altra parte dell’oceano, in Italia, c’è VIRGO, un interferometro che usa lo stesso principio di LIGO e che è stato fondamentale per le ultime rilevazioni delle onde gravitazionali.

Questi accrocchi, che sembrano così complicati, posso chiarire tanti misteri del nostro universo. Il primo potrebbe essere la distribuzione delle masse delle stelle a neutroni, in cui la materia raggiunge densità che a noi umani possono apparire inimmaginabili: circa 200 milioni di tonnellate per centimetro cubo, condizione in cui i cari vecchi quark non sono più confinati nei protoni e neutroni, ma si legano direttamente tra loro, creando un gigantesco esempio di particella nucleare allo stato fondamentale. Inoltre potremmo risolvere il mistero della loro massa massima.

Analogo discorso per i buchi neri, dalla cui analisi, potremmo dimostrare l’esistenza degli assione, l’ipotetica particella elementare, implicitamente ipotizzata dalla teoria di Peccei-Quinn per spiegare la non violazione della simmetria CP nell’interazione forte, ossia perché non esista il dipolo elettrico nei neutroni, come previsto dalla teoria che descrive l’interazione tra quark e che potrebbe essere la componente mancante della materia oscura.

Ora dato che LIGO e VIRGO hanno una vita operativa attesa di una decina d’anni, che verrà dopo ? Due progetti europei, in cui la ricerca italiana svolge un ruolo fondamentale: l’Einstein Telescope, una versione sotto steroidi di VIRGO, date le dimensioni, integrata con IA predittive, e LISA, l’interferometro spaziale, che andrà in orbita nel 2034, costituito da 3 satelliti artificiali posti ai vertici di un triangolo equilatero, separati tra loro da una distanza di 5 milioni di chilometri. Questa costellazione di satelliti si muoverà in un’orbita solare, alla distanza di 1 unità astronomica dal Sole. Tramite un interferometro laser la distanza reciproca verrà accuratamente misurata, ed eventuali piccolissimi cambiamenti potranno essere attribuiti ad onde gravitazionali di passaggio. I laser usati per la misurazione avranno una potenza di 1 watt, e saranno osservati tramite piccoli telescopi di 30 cm di diametro.

LISA sarà sensibile a onde gravitazionali a bassa frequenza, fra 0,1 mHz e 1 Hz, poiché non sarà affetto dai disturbi ambientali di origine terrestre, come i microsismi, e potrà esplorare frequenze molto più basse di quelle a cui sono sensibili gli interferometri terrestri, come  i i nostri VIRGO e LIGO, e quindi osserverà sorgenti diverse da quelle osservate da loro.

La sensibilità di LISA è stimata, nel caso migliore, a 10−11 m. Questo sarà sufficiente per rilevare le emissioni di centinaia o migliaia di stelle binarie vicine, e quelle di buchi neri poste in galassie lontane.

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