Osservare le onde gravitazionali: come un atomo può aiutarci

Scopriamo MAGIS-100, un interferometro lungo 100m il cui obiettivo è rilevare le onde gravitazionali con una precisione mai ottenuta prima.

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Nel 2015 il Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) ha rilevato un breve segnale, originatosi da una collisione avvenuta 1,3 miliardi di anni prima tra due buchi neri supermassicci.
Si trattava di un segnale che indicava il passaggio di onde gravitazionali, predette da Einstein un secolo fa. Da allora, LIGO ha catalogato molte altre onde gravitazionali che attraversano la Terra, fornendo agli astronomi un nuovo potente strumento con cui studiare l'universo.

L'oceano con le sue onde

Le onde gravitazionali sono increspature nello spazio-tempo causate dalla dissipazione di energia proveniente dagli oggetti celesti in movimento. E per immaginarle si potrebbe dire che non sono molto dissimili dalle onde dell'oceano, se si esclude il fatto che distorcono lo spazio e non l'acqua. In teoria, qualsiasi massa in accelerazione, che sia un gatto che corre da una parte all'altra o un pianeta in orbita, produce onde gravitazionali.
Questi moti, sia quelli del gatto che di un pianeta in orbita, sono tuttavia molte volte meno incisivi nella produzione di onde gravitazionali: si esprimono con intensità molto inferiori a quanto l'uomo riesca attualmente a rilevare. Solo le onde gravitazionali generate da immensi fenomeni astronomici, come collisioni di buchi neri dalle masse immense, riescono a causare variazioni sufficientemente ampie nello spazio-tempo tali da poter essere rilevate dai sensori sulla Terra.

Nascosto in profondità in uno scantinato dell'università di Stanford esiste un tubo alto 10 metri, avvolto in una gabbia di metallo e da fili. Una barriera lo separa dalla sala di controllo e il cilindro attraversa tre piani fino a un apparato contenente atomi ultra-freddi. Secondo la meccanica quantistica, gli atomi esistono simultaneamente come particelle e onde.
Questo "tubo" è un interferometro atomico, ovvero un dispositivo progettato per studiare la natura ondulatoria degli atomi. La cosa interessante è che questo tubo potrebbe invece rappresentare il precursore dei nuovi rilevatori di onde gravitazionali utilizzabili in ogni luogo della Terra. La cosa ancora più interessante è che i fisici che l'hanno realizzato non avevano intenzione di usarlo per questo scopo.

L'università

I fisici sperimentali della Stanford University Jason Hogan e Mark Kasevich non hanno mai pensato che il loro dispositivo potesse essere sfruttato in questo modo. Quando Hogan iniziò gli studi universitari nel laboratorio di Kasevich si concentrò invece sul test degli effetti della gravità sugli atomi. Ma le conversazioni tra il fisico teorico Savas Dimopoulos, un professore di fisica, e i suoi studenti li hanno portati a pensare al suo utilizzo come rilevatore ad alta sensibilità.

E dallo "Stavamo solo parlando di fisica, come spesso fanno i fisici", come dichiarato da Kasevich, il discorso è poi degenerato ed il gruppo è arrivato a discutere delle modalità di creazione di un interferometro atomico in grado di rilevare le onde gravitazionali che nessuno aveva mai visto prima.

Lo spettro delle onde gravitazionali

Proprio come diverse frequenze compongono lo spettro elettromagnetico, anche le onde gravitazionali sono caratterizzate da più lunghezze d'onda.
LIGO e altri rilevatori di onde gravitazionali attualmente in funzione operano in un intervallo molto ristretto (onde ad alta frequenza come quelle che si generano nel momento in cui due buchi neri si scontrano) ma altri intervalli dello spettro delle onde gravitazionali rimangono inesplorati.

E proprio come gli astronomi possono ottenere nuove informazioni su una stella studiando la sua luce ultravioletta rispetto alla sua luce visibile, l'analisi dei dati provenienti da altre frequenze delle onde gravitazionali potrebbe aiutare a risolvere misteri dello spazio che sono attualmente fuori portata, compresi quelli sull'universo primordiale.
"Abbiamo identificato una regione dello spettro che non era coperta da nessun altro rilevatore, e ci siamo resi conto che questa regione è analizzabile tramite i metodi che stavamo già sviluppando", ha affermato Hogan, assistant professor di fisica presso la School of Humanities.

Serve più grande

Durante gli studi universitari di Hogan, lui e i suoi colleghi hanno costruito l'interferometro atomico alto 10 metri per testare alcune delle loro idee. Tuttavia, per aumentare la sensibilità del dispositivo, necessario per rilevare oscillazioni spazio-temporali inferiori alla larghezza di un protone, avevano bisogno di un rilevatore più grande. E così nacque l'esperimento Interferometrico Gradiometer Atomic Gradiometer da 100 metri, o MAGIS-100.

Con l'aiuto di una sovvenzione di 9,8 milioni di dollari da parte della Gordon e della Betty Moore Foundation, gli scienziati hanno in programma di realizzare un condotto sotterraneo al Fermilab, un laboratorio del Dipartimento nazionale dell'energia del Illinois, che diventerà dunque la nuova casa di MAGIS-100.

Un nome poco originale

MAGIS-100 è dunque uno strumento che utilizza l'interferometria atomica a impulsi per analizzare la fisica oltre il modello standard, e verrà installato all'interno del Fermilab. Così facendo, MAGIS-100 diventerà l'interferometro atomico più lungo del mondo. L'esperimento costituirà un passo significativo verso lo sviluppo di un rivelatore di base da 1000 m, con una sensibilità sufficiente per rilevare le onde gravitazionali nella "banda media" da 0,1 Hz a 10 Hz.

Concettualmente, MAGIS-100 funzionerà in modo simile a LIGO. Entrambi gli esperimenti sfruttano la luce per misurare la distanza tra due masse di test, proprio come il radar. Ma mentre LIGO possiede un sistema di specchi, MAGIS-100 utilizzerà atomi.
L'atomo si rivela dunque essere una massa di prova straordinaria per questi scopi. Hogan spiega che allo stato attuale esistono " tecniche molto potenti per manipolarlo e permettergli di essere insensibile a tutte le fonti di rumore di fondo" (interferenze).

Come Funziona

Gli specchi di LIGO pendono su fili di vetro, il che significa che fenomeni come un terremoto potrebbero far scattare i suoi sensori e consegnare misurazioni non coerenti. MAGIS-100, d'altra parte, possiede dei dispositivi installati in alcuni punti specifici per impedire che tali fonti di rumore esterno influenzino la sua raccolta dati.
Dopo essere stati raffreddati ad una frazione di grado superiore allo zero assoluto, gli atomi vengono fatti cadere verticalmente nel "tubo" come goccioline d'acqua dal rubinetto.

La temperatura gelida fa si che gli atomi si trovino in uno stato di "riposo" quasi privi di agitazione dovuta all'energia termica, quindi rimangono fermi mentre cadono e, poiché all'interno del tubo è praticato il vuoto, gli atomi precipitano seguendo una traiettoria rettilinea non deviabile da nessun ostacolo.

I laser quindi rilevano gli atomi che cadono e il team può misurare il tempo di caduta. Hogan e Kasevich sperano di impiegare lo stronzio come massa di prova (lo stesso elemento usato negli orologi atomici) per determinare se ci sono ritardi nel passaggio degli atomi attraverso i laser. Un ritardo suggerirebbe che la loro traiettoria sia stata modificata da qualcosa, ovvero il passaggio di un'onda gravitazionale.

Inoltre, tramite MAGIS sarà possibile utilizzare i dati atomici ottenuti e testare le previsioni dei modelli legati alla materia oscura. Infatti, secondo alcuni modelli, la presenza di materia oscura potrebbe essere legata a variazioni nei livelli di energia atomica. La tecnologia laser supersensibile consente a Plunkett e ai collaboratori di cercare queste variazioni.

A che punto sono

MAGIS-100 è un prototipo, un altro passo verso la costruzione di un dispositivo ancora più grande che sarebbe molte volte più sensibile. Hogan e Kasevich hanno dichiarato di immaginare di costruirne una versione, un giorno, sulla scala di LIGO, che è lungo 4 chilometri. Poiché un futuro MAGIS-100 su larga scala sarà in grado di rilevare onde gravitazionali a bassa frequenza intorno a 1 Hertz, come quelle emesse da due buchi neri in orbita l'uno attorno all'altro, potrebbe identificare gli stessi eventi che LIGO può già osservare, ma prima che le masse effettivamente si scontrino.

I due esperimenti potrebbero così completarsi a vicenda, con il primo capace di "prevedere" l'imminente scontro rilevando le deboli onde "pre-urto", ed il secondo di rilevare le onde generate successivamente l'evento, ben più intense.
Tutto questo perché una delle direzioni della ricerca è quella che guarda verso le onde gravitazionali primordiali, ovvero quelle onde generatesi pochii momenti dopo il Big Bang. Rilevare le onde gravitazionali nate nell'universo primordiale potrà sicuramente fare luce sulle meccaniche del Big bang, e magari anche permettere di individuare con precisione i protagonisti del "grande scoppio".

Nessuno conosce le frequenze di queste onde gravitazionali primordiali o se il futuro rilevatore su larga scala può captarle. L'unico modo è tentare, approccio che da sempre ha contraddistinto l'uomo nella sua ricerca verso l'ignoto.