METAMATERIALI PER STUDIARE UNIVERSO PRIMORDIALE

Specchio, specchio magnetico delle mie brame

Un gruppo internazionale di ricercatori, tra cui molti italiani, ha ideato un nuovo dispositivo, basato su uno specchio magnetico, per studiare nuovi dettagli sulle onde gravitazionali, in particolare su quelle emesse quando l’Universo si espandeva velocemente, nei momenti successivi al Big Bang

Quando la luce si riflette sullo specchio magnetico, l’effetto complessivo è quello di creare uno spostamento di fase differenziale tra le polarizzazioni ortogonali uguale a 180 gradi. La rotazione del piatto provoca la modulazione della polarizzazione. Crediti: Giampaolo Pisano, Cardiff University

Una straordinaria fonte di informazione sulla storia dell’Universo è nascosta nel fondo cosmico a microonde, la radiazione residua polarizzata proveniente dalle fasi iniziali della sua nascita, nota come radiazione cosmica di fondo, o CMB (Cosmic Microwave Background). I ricercatori hanno ideato un nuovo dispositivo per indagare il CMB, basato su uno specchio magnetico che potrà aiutare i cosmologi a scoprire nuovi dettagli sulle onde gravitazionali – quelle “increspature” nello spazio-tempo teorizzate un secolo fa da Einstein e delle quali si è recentemente avuta prova diretta – in particolare su quelle emesse quando l’Universo era molto giovane. Il dispositivo è in grado di modulare la polarizzazione attraverso un’ampia gamma di frequenze nelle microonde, per poter mappare la radiazione immediatamente successiva al Big Bang.

Lo studio, pubblicato sulla rivista Applied Optics, è parte di una collaborazione finanziata nell’ambito del Technology Research Program, promosso dall’Agenzia Spaziale Europea. Il programma è volto a sviluppare le tecnologie necessarie per esperimenti futuri, come quello proposto nel programma di sviluppo del satellite COrE, Cosmic Origins Explorer, una missione spaziale che vorrebbe acquisire mappe a tutto cielo e ad alta precisione della radiazione cosmica di fondo.

Gli astronomi cercano di guardare sempre più indietro nel tempo, nella speranza di trovare la firma di quella breve espansione accelerata che l’Universo sperimentò subito dopo il Big Bang. Nei fotoni della radiazione cosmica di fondo sarebbe rimasta una traccia di questi eventi primordiali, nota come polarizzazione primordiale B, un’impronta lasciata dalle enormi onde gravitazionali generate in un periodo estremamente precoce nella vita dell’Universo. L’attenzione degli astrofisici, negli ultimi anni, si è focalizzata molto su queste componenti polarizzate del fondo cosmico.

Nel nuovo studio, i ricercatori hanno dimostrato come un nuovo tipo di modulatore di polarizzazione, basato su uno specchio magnetico, sia in grado di rilevare la polarizzazione primordiale B grazie alla capacità di modulare la polarizzazione delle microonde attraverso un’ampia gamma di frequenze. Il funzionamento in un ampio intervallo di lunghezze d’onda è fondamentale per discriminare spettralmente la polarizzazione B, estremamente debole, dalla radiazione in primo piano di altre sorgenti astrofisiche.

Giampaolo Pisano

«Abbiamo lavorato per oltre due decenni sullo sviluppo di tecnologie che consentano la rilevazione della polarizzazione B-mode», ha detto Giampaolo Pisano, dell’Università di Cardiff, primo autore dell’articolo. «Un problema che si è rivelato essere assai impegnativo da risolvere, perché solo una piccola parte del segnale complessivo presenta questa polarizzazione».

Componente chiave per la rilevazione di radiazioni B-mode è una piastra a forma di mezza onda, un dispositivo utilizzato per modulare la polarizzazione della radiazione elettromagnetica. La rotazione della piastra provoca la rotazione anche della polarizzazione della radiazione, creando un modello oscillante che può essere distinto dal segnale di radiazione non polarizzata, che risulta costante.

«La maggior parte degli sforzi nello sviluppo tecnologico sono stati volti alla realizzazione di componenti ottici che lavorino su larghezze di banda più grandi», ha detto Pisano. «Un dispositivo che copra un’ampia gamma di frequenza potrebbe migliorare notevolmente le prestazioni del complesso della strumentazione pensata per le missioni spaziali».

Pisano ei suoi colleghi hanno cercato un approccio completamente nuovo per trovare una soluzione e sono riusciti, grazie all’utilizzo di metamateriali, ovvero materiali artificiali progettati con caratteristiche non presenti in quelli naturali, a creare uno specchio magnetico che hanno combinato con una griglia metallica polarizzante.

«La possibilità di utilizzare questi metamateriali ci ha permesso di inventare un materiale con le caratteristiche di cui avevamo bisogno», ha detto Pisano. «L’approccio che abbiamo usato è totalmente nuovo e ci ha permesso di superare i limiti del campo di frequenza, che altri ricercatori hanno dovuto affrontare.»

Il nuovo metodo sfrutta il fatto che la riflessione data da una superficie magnetica artificiale sarà fuori fase rispetto a quella di un conduttore elettrico perfetto, o di un metallo. Aggiungere la griglia metallica allo specchio magnetico permette alla polarizzazione di “vedere” la griglia metallica, mentre le radiazioni polarizzate ortogonalmente si riflettono nello specchio magnetico. Il dispositivo può alterare la polarizzazione su una vasta gamma di frequenza delle microonde.

Il prototipo di specchio magnetico, montato in un palco rotante, testato in questo studio. Crediti: Pisano et al. (2016) / Applied Optics

Il prototipo di dispositivo, illustrato nell’articolo, opera da circa 100 a 400 gigahertz con un’efficienza oltre il 90 per cento, il che significa che meno del 10 per cento del segnale è stato perso. I ricercatori dicono che, con alcuni piccoli aggiustamenti, si aspettano di ottenere una maggiore larghezza di banda e maggiore efficienza.

Con i suoi 20 centimetri di diametro, il dispositivo prototipo è una versione miniaturizzata di quella che potrebbe, in ultima analisi, essere necessario per il satellite Cosmic Origins Explorer. I ricercatori stanno ora lavorando per sviluppare una versione dal diametro di mezzo metro, con l’obiettivo finale di sviluppare un dispositivo di oltre un metro di diametro. Costruire un grande dispositivo con la necessaria precisione richiederà nuove strutture e nuovi metodi per la sua gestione durante le varie fasi di produzione.

«Ora che abbiamo dimostrato il concetto, abbiamo bisogno di effettuare prove di funzionamento nello spazio per dimostrare la sua resistenza per un lancio satellitare», ha concluso Pisano.  «Abbiamo anche bisogno di implementare strumenti di rilevazione B-mode con base a terra, per dimostrarne la fruibilità sul campo».

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