Un trucco per rilevare le invisibili onde gravitazionali

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Credit: S. M. Dickerson, Stanford University

L'esistenza delle onde gravitazionali, o increspature spazio-tempo, è stata ipotizzata da tempo ma mai confermata direttamente.

Ora, i ricercatori stanno proponendo un nuovo metodo per rilevare queste rughe cosmiche, basato sulla natura quantistica degli atomi.

Le onde gravitazionali sono una conseguenza della teoria generale della relatività di Einstein la quale presuppone che gli oggetti massicci deformano lo spazio-tempo intorno a loro, facendo si che altri oggetti, e persino la luce, viaggino su traiettorie curve quando passano nelle vicinanze.

Oggetti astronomici con campi gravitazionali molto forti, come i buchi neri, dovrebbero creare onde gravitazionali così potenti tanto da poter esser rilevate qui sulla Terra.

Tuttavia, nessun esperimento ha ancora trovato la prova definitiva dell'esistenza delle onde gravitazionali.

Un gruppo di fisici guidato da Peter Graham dell'Università di Stanford spera di cambiare la situazione, con un nuovo metodo di rilevazione che chiamano "interferometria atomica" [atom interferometry].

"Nessuno ha ancora visto un'onda gravitazionale ma non è questo il motivo per cui la maggior parte di noi è davvero entusiasta", ha detto Graham. "Siamo tutti in fondo sicuri che le onde gravitazionali siano lì. Ma si potrebbe costruire un telescopio ad onde gravitazionali e utilizzare le onde gravitazionali per guardare l'intero universo".

Studiando le informazioni memorizzate in queste rughe spazio-tempo, ha spiegato, gli scienziati potrebbero saperne di più sugli oggetti che le hanno create e sondare fenomeni esotici come buchi neri, stelle di neutroni e altri oggetti densi. E si potrebbero esplorare i misteri che ruotano intorno alla forza di gravità, ancora non pienamente compresa.

Gli esperimenti in corso per la ricerca delle onde gravitazionali cercano le distorsioni o gli effetti che le onde gravitazionali potrebbero causare al loro passaggio.

Il rilevatore più sensibile è LIGO (the Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory) che comprende tre stazioni in Louisiana e a Washington.

L'osservatorio consiste in un gigantesco tunnel vuoto a forma di L alle cui estremità si trovano degli specchi sospesi, mentre un fascio laser viene diviso tra i due bracci. Se un onda gravitazionale vi passasse attraverso, dovrebbe allungare un braccio ed accorciare l'altro. Il raggio laser nell'interferometro puo' rilevare i piccolissimi movimenti degli specchi causati dalle onde gravitazionali.
Tuttavia, questo metodo di rilevazione, chiamata interferometria laser, è molto suscettibile al rumore o alle fluttuazioni casuali in grado di simulare gli effetti delle onde gravitazionali.

Per aggirare il problema del rumore del laser, Graham ei suoi colleghi vogliono usare atomi al posto dei laser.
In pratica, invece di dividere un raggio laser, gli scienziati hanno in programma di dividere un atomo, una prospettiva resa possibile dalla meccanica quantistica.

"L'atomo è in una strana combinazione di meccanica quantistica", ha detto Graham. "Se un'onda gravitazionale vola attraverso questo interferometro, allora le due metà dell'atomo accelereranno, una rispetto all'altra, a causa di questa onda di gravità".

Per misurare questa accelerazione, l'esperimento dovrebbe utilizzare il laser, introducendo potenzialmente di nuovo il problema rumore.

Per evitare questo, i ricercatori vogliono lanciare due interferometri atomici su due satelliti in orbita ad una certa distanza l'uno dall'altro.

"Se si fa brillare lo stesso raggio laser contemporaneamente sui due interferometri atomici, si può ottenere lo stesso rumore di lettura sui due atomi ma il segnale di un'onda gravitazionale non è lo stesso nei due punti", spiega Graham , aggiungendo che il rumore laser può essere comparato e sottratto dal segnale.

L'esperimento funziona meglio su veicoli spaziali, piuttosto che al suolo perché le vibrazioni normali e le scosse della Terra potrebbero contaminare le misurazioni effettuate con i rivelatori terrestri.

I ricercatori stimano che una tale missione dovrebbe costare tra i 100 e i 1000 milioni dollari, non così economica ma abbastanza rispetto ad altri progetti proposti per interferometri laser spaziali, come LISA (Laser Interferometer Space Antenna), annullato nel 2011 a causa della mancanza di fondi.