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Più onde per Ligo con gli specchi potenziati

Un nuovo tipo di rivestimento per gli specchi usati negli osservatori di onde gravitazionali, a base di biossido di titanio e biossido di germanio, promette di dimezzare il rumore di fondo delle misure e aumentare così di otto volte il volume cosmico sondato. Sono i risultati di uno studio guidato dal team dell'osservatorio Ligo, la cui applicazione potrebbe iniziare già tra qualche anno

     08/10/2021
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Uno dei dischi di vetro usati per testare il rivestimento degli specchi di Ligo. Il colore rosato è dovuto al sottile strato di ossido metallico depositato sulla superficie del disco. Crediti: Caltech

Al cuore di osservatori come Ligo e Virgo, che dal 2015 rivelano le onde gravitazionali provenienti dalla fusione di corpi celesti compatti quali buchi neri e stelle di neutroni, si trovano pesanti specchi di vetro. Questi specchi riflettono la luce di un raggio laser che si muove avanti e indietro per chilometri e misura la lunghezza di due bracci perpendicolari sottovuoto per rivelare eventuali, minuscole fluttuazioni nella loro lunghezza indicative del passaggio di un’onda gravitazionale.

Dopo l’entusiasmo delle prime scoperte, catturare queste increspature nel tessuto dello spaziotempo è diventata quasi una routine: nel terzo ciclo osservativo dell’esperimento, tra aprile e ottobre 2019, la collaborazione Ligo-Virgo ha totalizzato ben 39 rilevamenti, all’incirca uno ogni settimana e mezzo. Un numero destinato ad aumentare nel corso dei prossimi anni, grazie anche a un nuovo rivestimento per gli specchi messo a punto dal team di Ligo, descritto in un recente articolo sulla rivista Physical Review Letters.

Il materiale riflettente usato per rivestire gli specchi – quello che trasforma a tutti gli effetti il vetro in uno specchio – può aumentare significativamente la sensibilità di queste osservazioni. In generale, più gli specchi sono riflettenti, più è sensibile lo strumento, ma c’è un problema: il rivestimento può anche produrre rumore di fondo che rischia di oscurare il segnale. Qualsiasi oscillazione all’interno degli specchi, comprese le microscopiche vibrazioni termiche degli atomi nel sottile strato di rivestimento, può infatti influenzare i tempi di arrivo dei raggi laser e complicare non poco l’identificazione del segnale proveniente da un’onda gravitazionale.

«Volevamo trovare un materiale al limite di quanto possibile oggi», afferma Gabriele Vajente, ricercatore senior di Ligo al Caltech, negli Stati Uniti, e primo autore del nuovo lavoro. «La nostra capacità di studiare le scale astronomiche dell’universo è limitata da quello che accade in questo minuscolo spazio microscopico».

Il nuovo rivestimento sviluppato dal team è costituito da biossido di titanio (TiO2) e biossido di germanio (GeO2). Tra i materiali esaminati, questa combinazione è quella che dissipa la minor quantità di energia, riducendo quindi al minimo le vibrazioni termiche e dimezzando il rumore di fondo negli specchi di Ligo: questo farebbe aumentare il volume di Universo accessibile alle osservazioni di ben otto volte.

Il disco di vetro usato per testare gli specchi di Ligo mentre viene collocato all’interno di una camera a vuoto (visibile sullo sfondo) in cui vengono misurate le sue proprietà meccaniche e la dissipazione di energia. Sullo sfondo, le ottiche utilizzate per orientare il raggio laser che esamina le vibrazioni del disco. Crediti: Caltech

«Con questi nuovi rivestimenti, prevediamo di essere in grado di aumentare il tasso di rilevamento delle onde gravitazionali da una volta alla settimana a una o più al giorno», afferma David Reitze, direttore esecutivo del Ligo Laboratory al Caltech.

Per il rivestimento, il team ha usato un metodo chiamato sputtering a fascio di ioni, nel quale gli atomi di titanio e germanio vengono staccati dalla loro fonte, combinati con l’ossigeno e infine depositati sul vetro a creare sottili strati di atomi. Secondo Vajente, l’aspetto più importante di questa ricerca è stato lo sviluppo di un nuovo metodo per effettuare i test.

«Adesso possiamo testare le proprietà di un nuovo materiale in circa otto ore, in maniera completamente automatizzata, mentre prima ci voleva quasi una settimana», aggiunge il ricercatore. «Questo ci ha permesso di esplorare la tavola periodica mettendo alla prova molti materiali diversi e molte combinazioni. Alcuni dei i materiali che abbiamo testato non hanno funzionato, ma questo ci ha dato un’idea di quali proprietà potrebbero essere importanti».

Il nuovo rivestimento potrà essere utilizzato a partire dal quinto ciclo osservativo di Ligo, che avrà inizio intorno alla metà del decennio nell’ambito del programma Advanced Ligo Plus. L’inizio del quarto ciclo, l’ultimo della campagna Advanced Ligo, è previsto per l’estate del 2022. Osservatori a Terra come Ligo e Virgo sono sensibili alle onde gravitazionali ad alta frequenza, prodotte principalmente dalla fusione di oggetti compatti quali stelle di neutroni e buchi neri di massa stellare, ma lo spettro delle onde gravitazionali è molto più vasto. Fenomeni molto più lenti, come la coalescenza di buchi neri supermassicci durante la fusione tra due galassie, producono fluttuazioni nello spaziotempo a frequenze più basse, che possono essere osservate usando osservatori nello spazio come Lisa, missione dell’Agenzia spaziale europea il cui lancio è previsto verso la metà degli anni 2030.

Diversi corpi celesti producono onde gravitazionali su diverse scale temporali, da millisecondi a miliardi di anni, e quindi con frequenze diverse. Alcune di queste onde possono essere osservate solo dallo spazio: questo è l’obiettivo della futura missione Lisa dell’Agenzia spaziale europea, che sarà il primo osservatorio di onde gravitazionali nello spazio. Lisa studierà le onde gravitazionali prodotte dalla fusione di buchi neri di massa stellare, buchi neri supermassicci e nane bianche. Rileverà anche le onde prodotte da oggetti compatti, come stelle di neutroni o piccoli buchi neri, che cadono in un buco nero supermassiccio. Questa infografica mostra la sensibilità di diversi tipi di esperimenti su tutto lo spettro delle onde gravitazionali (cliccare per ingrandire). Crediti: Esa

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