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Progetto Virgo
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Progetto Virgo: una finestra sull'universo I primi rivelamenti nel 2002 VIRGO è un ambizioso progetto scientifico dell'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (Italia) e del Centre National de la Recherche Scientifique (Francia), realizzato con la collaborazione di numerosi ricercatori della nostra Università. Nei pressi di Cascina (Pisa) entro il 2002 sarà ultimata la costruzione di un grande 'telescopio' che permetterà ai ricercatori di rivelare le onde gravitazionali provenienti dallo spazio. Sarà possibile in questo modo verificare una serie di teorie sulla natura della gravità e forse anche individuare nuovi corpi celesti.  Immaginate
di assistere ad un concerto per televisione, ma senza poter alzare il volume.
Difficile capire quale partitura gli orchestrali stiano suonando: l'Ouverture
del Barbiere o una canzone dei Beatles? Con i pochi dati disponibili alla
vista (il numero e la tipologia degli elementi o il movimento dei corpi)
potremmo fare solo congetture più o meno verosimili. Si tratta grosso
modo delle stesse limitazioni con cui da sempre hanno a che fare gli osservatori
del cielo. Certo non si può negare che nel corso del tempo gli uomini,
grazie alla tecnologia, abbiano affinato di molto le loro percezioni. Il
telescopio permise a Galileo di scoprire nuovi corpi celesti impercettibili
ad occhio nudo e in questo secolo, a partire dagli anni '40, i radiotelescopi,
i telescopi ad infrarossi e a raggi X hanno fatto emergere dagli spazi
siderali oggetti sino ad allora sconosciuti, come le quasar, le pulsar
etc. Ma tutto ciò in effetti è ancora poca cosa rispetto
alle incognite del cosmo. Si stima che l'insieme dei corpi celesti percepibili
con i tradizionali rivelatori di onde elettromagnetiche corrisponda ad
appena un decimo di tutta la materia contenuta nell'universo.
Da tempo gli astrofisici si vanno domandando se sia possibile "alzare il volume del televisore". Oggi finalmente, siamo ad un passo dalla risposta e tutte le previsioni propendono per l'ottimismo. Grazie ad un nuovo genere di "telescopio" progettato per rivelare il passaggio delle onde gravitazionali, dovremmo essere in grado di ampliare ulteriormente lo spettro delle nostre percezioni. Il Dipartimento di Fisica del nostro ateneo opera esattamente in questa direzione, coinvolto in un progetto dell'INFN (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare) e del CNRS (Centre National de la Recherche Scientifique) denominato VIRGO: un grande esperimento che richiede raffinate competenze scientifiche e tecnologiche e che può essere realizzato soltanto grazie agli sforzi congiunti di molti gruppi e laboratori di ricerca. Per capire di cosa stiamo parlando è bene richiamare alcune nozioni della teoria generale della relatività. Come è noto, per Albert Einstein lo spazio e il tempo possono essere concepiti come punti di vista unificati di una medesima realtà, mentre massa e energia sono in ultima analisi la stessa cosa. Si può dunque pensare ad un "sistema" spazio-tempo, definibile e misurabile sotto i due aspetti in cui esso si manifesta. La presenza di una notevole quantità di massa, ovvero di energia, provoca una distorsione dello spazio-tempo ed in pratica costringe il sistema ad incurvarsi. Tutto ciò noi lo percepiamo come gravità. I corpi che cadono liberamente, siano essi un sasso, un satellite o un fascio di luce stellare, seguono semplicemente il percorso più diretto lungo questa curvatura dello spazio-tempo. Una conseguenza di questa teoria è che ogni cambiamento nella distribuzione delle masse deve produrre una perturbazione del sistema e più in particolare un'increspatura concentrica che a partire dalla fonte si diffonde alla velocità della luce con modalità analoghe alle increspature che si producono sulla superficie di uno stagno allorché vi tiriamo un sasso. Le onde gravitazionali sono appunto queste increspature che viaggiano velocissime lungo la curvatura dello spazio-tempo recando con sé preziose informazioni sulla propria origine e più in generale sulla natura della gravità. Sebbene l'esistenza di onde di natura gravitazionale sia contemplata dalla teoria generale della relatività, sino ad oggi non è stato possibile acquisire alcuna prova certa a riguardo. Disponiamo però di una prova presuntiva piuttosto solida. Due scienziati, Joseph Taylor e Russell Hulse, hanno misurato gli effetti indiretti delle onde gravitazionali su di un sistema binario (PSR 1913+16) scoperto nel 1974. Si tratta di due stelle, probabilmente di neutroni, orbitanti l'una attorno all'altra. Una di esse è una pulsar ed emette un segnale radio molto regolare e misurabile da terra. Gli impulsi radio appaiono modificati per effetto Doppler a causa del moto ed è possibile quindi determinare il periodo orbitale e le sue variazioni nel corso del tempo. Secondo la teoria generale della relatività, il moto di due masse in un sistema binario semplice dovrebbe produrre un'emissione di onde gravitazionali, la cui ampiezza sarà direttamente proporzionale alle masse interessate, ed inversamente al periodo orbitale: quanto più grandi le masse e più breve il periodo, tanto più forte l'emissione di onde. Ora, secondo la teoria, l'emissione di onde si tradurrà in una perdita di energia per il sistema, il quale, per questo motivo, tenderà a chiudersi gradualmente e nello stesso tempo, avvicinandosi tra loro le masse, per la terza legge di Keplero, dovrà ovviamente decrescere anche il periodo orbitale. Con un'osservazione durata circa un ventennio, Taylor e Hulse sono riusciti a misurare il ritmo di riduzione del periodo orbitale e quindi, indirettamente, il ritmo di emissione di onde gravitazionali; una scoperta che è valsa loro il premio Nobel per la Fisica nel 1993. 
In teoria, qualsiasi corpo dotato di massa che sia accelerato deve produrre onde gravitazionali, ma poiché in generale si tratta di onde estremamente deboli, (molto più deboli delle onde elettromagnetiche) per avere qualche speranza di rivelarle occorre rivolgere l'attenzione ai più violenti fenomeni astrofisici, ad esempio l'esplosione di una supernova, oppure a quei fenomeni che coinvolgono una gran quantità di materia, come i sistemi binari di stelle. Per il resto, gli scienziati ritengono che tra le onde gravitazionali e le elettromagnetiche -ad esempio la luce- esistano alcune analogie tali da consentirci di decrittarne i segreti. La propagazione della luce, come è noto, consiste nel moto di "particelle" prive di massa e di carica elettrica, i fotoni, che trasportano energia ed il cui impulso può essere misurato da strumenti adatti come l'occhio umano. Le differenze di frequenza, dovute alle differenze di energia nelle particelle sono rivelabili sotto forma di colori (ad esempio, una luce proveniente da una fonte calda passa dal giallo al rosso a mano a mano che la fonte si raffredda ed emette fotoni meno energetici). Le differenti impressioni ricevute sulle diverse parti della retina ci informano invece sulla forma della fonte luminosa e sulla direzione in cui essa si trova. Senza dubbio, l'onda gravitazionale trae origine da altre cause, ma nei suoi mutamenti di frequenza e di fase dovrebbero essere individuabili corrispondenze analoghe a quelle riscontrate nelle comuni onde elettromagnetiche. Il problema allora è quello di dotarsi di uno strumento adatto per rivelare il fenomeno e registrarne le variazioni. Se per un verso sono simili alle onde elettromagnetiche, per l'altro, le onde gravitazionali hanno caratteristiche loro proprie, concernenti il modo in cui esse interagiscono con il resto della materia e quindi particolarmente importanti ai fini della rivelazione sperimentale. Innanzitutto, questo tipo di onde sembra avere il pregio di essere scarsamente soggetto a fenomeni di dispersione e assorbimento. A differenza delle onde elettromagnetiche, le gravitazionali si propagano dalla fonte senza subire grandi alterazioni dovute alla materia attraversata. Inoltre, ed è questa forse la caratteristica più importante, le onde gravitazionali dovrebbero essere in grado di esercitare sulla materia una forza la cui direzione è perpendicolare alla direzione della loro propagazione, provocando così per un verso una distensione della materia attraversata e per l'altro una sua compressione. In altre parole, il moto di grandi corpi massivi genera una distorsione variabile dello spazio-tempo, - le "increspature" cui facevo riferimento prima -, il cui principale effetto è quello di produrre un cambiamento nella distanza tra due punti, e l'entità di questo cambiamento è direttamente proporzionale alla distanza presa in considerazione. Le onde gravitazionali perciò dovrebbero poter essere misurabili con strumenti che rivelano su scala adeguata i cambiamenti prodottisi nella lunghezza. Il primo tentativo di rivelare questi cambiamenti risale alla fine degli anni '60. Allora, J. Weber mise a punto una sorta di antenna (un "resonant-mass detector") costituita da un grande cilindro di alluminio. Quando il cilindro viene attraversato dalle onde gravitazionali, si eccita: l'energia gravitazionale si traduce in energia meccanica e lo strumento inizierà a "risuonare" qualora la frequenza dell'onda si avvicini alla frequenza di risonanza del cilindro. Questo sistema però presenta notevoli inconvenienti, primo fra tutti la sua scarsa sensibilità, senza contare lo spettro assai ristretto di frequenze rivelabili. Le antenne odierne più perfezionate, costruite per rivelare frequenze dell'ordine di 1000 Hz, sono in grado di percepire gli effetti dell'esplosione di una supernova nella nostra galassia: un evento che può accadere poche volte in un secolo. La comunità scientifica internazionale si è posta quindi il problema di aumentare il numero di eventi rivelabili , cioè di accrescere la sensibilità dei rivelatori. Nasce così il progetto italo-francese VIRGO e con esso, altri progetti similari, come lo statunitense LIGO, l'anglo-tedesco GEO o il giapponese TAMA. Tutti questi progetti sono volti alla realizzazione di interferometri alla Michelson di grandi dimensioni, capaci di percepire i cambiamenti che intervengono nello spazio-tempo al passaggio di onde gravitazionali. Si tratta in pratica di uno strumento co stituito da un laser, da uno specchio semiriflettente, da due specchi riflettenti e da un rivelatore di fotoni (photodetector). Il raggio laser viene "sparato" sullo specchio parzialmente riflettente (il separatore) e resta così suddiviso in due: una parte continua il suo cammino originario, l'altra viene riflessa in direzione perpendicolare (fig. A). Si ottengono così due raggi che andando a colpire due specchi interamente riflettenti, tornano indietro sul loro cammino verso il separatore (fig. B e C). Ancora una volta, si ottiene una suddivisione di ciascun raggio di ritorno: due raggi vanno in direzione del laser, gli altri due, dopo aver percorso cammini diversi, sono inviati in parallelo verso un photodetector. I due raggi allora sono convertiti in segnali elettrici e confrontati. Giacché i percorsi fra il laser, lo specchio semiriflettente ed il photodetector sono rigorosamente coincidenti, ogni sfasamento del segnale deve corrispondere a una differenza nelle distanze percorse dai due raggi e quindi nelle lunghezze tra il separatore e gli specchi lontani. Se anche queste due distanze sono tra loro uguali, allora il segnale elettrico deve necessariamente sovrapporsi. È chiaro a questo punto che ogni modificazione intervenuta nello spazio-tempo, tale da produrre un allungamento ed uno schiacciamento delle distanze percorse dai raggi deve poter essere registrata. Tutto questo è vero in teoria; in pratica esistono degli impedimenti che devono poter essere aggirati attraverso l'uso di sofisticate tecnologie. In primo luogo, a causa dell'estrema debolezza dei cambiamenti che si intende rivelare, è necessario accrescere la sensibilità dello strumento; e questo, dal momento che le modificazioni sono proporzionali alla distanza presa in considerazione, lo si ottiene allungando quanto più possibile il cammino che i raggi devono percorrere. L'installazione VIRGO, in costruzione nei pressi di Cascina (Pisa), si presenta appunto come una grande "L" distesa sulla pianura. Due bracci perpendicolari lunghi 3 km - ma l'uso di una cavità Fabry-Perot porta la lunghezza ottica dei bracci a 120 km - si incontrano in un fabbricato dove sono posti il laser, il photodetector e gli strumenti di calcolo. Con uno sviluppo del genere, l'interferometro dovrebbe essere in grado di captare segnali provenienti fin dall'ammasso di galassie della costellazione della Vergine (Virgo), in un intervallo di frequenze dai 10 ai 6.000 Hz; uno spettro entro il quale dovrebbero trovarsi le emissioni prodotte dalle supernove e dalla coalescenza di sistemi binari. Uno dei principali problemi che i ricercatori di VIRGO hanno dovuto affrontare è quello dell'affidabilità. Per evitare che l'esperimento sia falsato da disturbi esterni si è reso necessario isolare tutte le componenti critiche dell'installazione. In primo luogo, si è pensato di porre la strumentazione ottica in camere sotto vuoto, come pure i due tubi di un 1,2 m. di diametro entro cui dovrà "correre" il fascio luminoso. In tal modo dovrebbe essere impedita la dispersione del raggio causata dal pulviscolo o dal gas residuo. Saranno inoltre adoperate tecnologie particolarmente sofisticate: un laser di ultima generazione "ultrastabile" e degli specchi speciali messi a punto in dieci anni di ricerca in modo da garantire una riflettività superiore al 99,999%. Tutti questi accorgimenti sono indispensabili, ma non sufficienti: occorre anche cercare di eliminare qualsiasi disturbo sismico. I fisici e gli ingegneri di VIRGO hanno perciò realizzato un "superattenuatore": un complesso sistema di pendoli alto 10 metri in grado di isolare gli specchi dell'interferometro da ogni minimo movimento tellurico. VIRGO è frutto della collaborazione tra l'INFN e il CNRS. Il costo complessivo del progetto si aggira sui 150-200 miliardi di lire e prevede, nel solo centro di Cascina, l'impiego di 40 persone fra ricercatori e tecnici addetti. Inoltre, sono attualmente coinvolti undici laboratori e centri di ricerca italiani e francesi, con un totale di circa duecento persone. Il grande interferometro VIRGO è insomma una grande impresa scientifica che ha richiesto la collaborazione di un gran numero di studiosi, tra fisici e ingegneri. La fase di realizzazione, iniziata nel 1997, sarà ultimata entro il 2002. Divenuta finalmente operativa, VIRGO resterà in funzione giorno e notte ascoltando tutti i segnali che potranno venire dall'universo. Lavorando in collaborazione con altri rivelatori simili, ad esempio i due interferometri del progetto statunitense LIGO, non solo sarà possibile verificare gli effetti delle onde gravitazionali sulla materia, ma attraverso la triangolazione potranno essere identificate più esattamente nel cielo le fonti delle emissioni. Insomma, una volta che avremo "alzato il volume del televisore", sarà finalmente possibile verificare una serie di teorie, inaugurare un nuovo filone dell'astronomia e forse anche scoprire nel cielo nuovi oggetti, sinora neppure sospettati. Andrea Addobbati ad.stampa@adm.unipi.it |
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