Dall’interferometro di Michelson alla misurazione delle onde gravitazionali

L'interferometro è definito lo strumento utilizzato per misurare distanze, basato sulle proprietà di interferenza delle onde luminose. Quello realizzato da Albert A. Michelson è considerato il precursore di strumenti moderni, lunghi chilometri, utilizzati per verificare l’esistenza delle onde gravitazionali attraverso cammini ottici, il percorso di raggi luminosi con apparecchi ottici, perpendicolari, che in presenza di onde gravitazionali modificano la propria lunghezza e vanno a formare interferenza. Un esempio importante è VIRGO, nato da un progetto italo francese che, in collaborazione con LIGO negli Stati Uniti, ha osservato direttamente le onde gravitazionali.

Introduzione

Albert Einstein ha dato forma alla teoria della relatività generale, superando la legge di attrazione universale di Isaac Newton e mostrando l’Universo da un punto di vista nuovo. Allo stesso tempo, ha permesso di prevedere l’esistenza dei buchi neri e delle onde gravitazionali. La teoria generale della relatività è ancora oggi la teoria sulla gravità più completa. La struttura quadridimensionale dell’universo, spazio-tempo, è composta dalle tre dimensioni spaziali e la dimensione temporale. Lontano dalle sorgenti molto dense, come buchi neri e stelle di neutroni, la gravità provoca deformazioni ridotte dello spazio-tempo creando piccole perturbazioni rispetto a uno spazio piatto. È proprio questo il fenomeno alla base della rivelazione delle onde gravitazionali tramite interferometri, uno strumento ottico nel quale due onde vengono fatte interferire, producendo allo stesso tempo una figura di interferenza che può essere studiata e analizzata. La prima rilevazione diretta delle onde gravitazionali è avvenuta a settembre 2015 grazie all’osservatorio LIGO negli Stati Uniti ed in collaborazione con VIRGO che si trova, in Italia, nel Comune di Cascina, in provincia di Pisa. LIGO e VIRGO collaborano dal 2007 condividendo tutte le informazioni e le ricerche. A loro è andato anche il premio Nobel per la fisica nel 2017, scegliendo tra tutti, le personalità scientifiche che sono state più rilevanti all’interno di un progetto lungo anni e che ha coinvolto studiosi di tutto il mondo, che si sono avvicendati e che hanno collaborato in continuità. Il premio è stato conferito per metà a Rainer Weiss e per l'altra metà a pari merito a Barry Barish e Kip Thorne. Ancora oggi, l’osservazione e la misura delle onde gravitazionali utilizza interferometri basati su quello di Michelson.

Interferometro di Michelson

L'interferometro di Michelson è il più noto e conosciuto. Fu costruito proprio da Albert Abraham Michelson e utilizzato in seguito nell’esperimento di Michelson-Morley con cui venne confutata l’esistenza dell’etere, ritenuto il mezzo di propagazione delle onde elettromagnetiche. Venne realizzato un apparato che permettesse di visualizzare l’interferenza tra onde elettromagnetiche a dimostrazione dell'esatto contrario rispetto alla formulazione iniziale: l’etere non esiste. Esperimento che ha significato per lui e per Morley un premio Nobel per la scienza. Siamo nel 1880, Michelson creò un sistema in grado di fondere fasci di luce separati e provenienti dalla stessa fonte. Il sistema era formato da specchi riflettenti e specchi separatori. Uno strumento ottico nel quale due onde elettromagnetiche vengono fatte interferire, producendo una figura di interferenza che può essere studiata e analizzata.

Figura 1: Interferometro Michelson

Il fascio di luce quando incide sullo specchio o splitter viene diviso in due raggi ortogonali tra loro che vanno ad incidere su due specchi S1 e S2 (che vengono definiti masse test) perpendicolari alla direzione di propagazione dei raggi. I due fasci tornano poi allo splitter e da qui, arrivano ad uno schermo finale che funge da rilevatore. Qui, se i due raggi risultano sfasati, è possibile notare l’interferenza. Infatti, se i raggi hanno due cammini ottici uguali, anche nella lunghezza arrivano al rilevatore in fase e senza interferenza; se invece i due cammini sono diversi, i raggi risultano sfasati e quindi con interferenza. A seconda di ciò che viene rilevato è possibile stabilire lo sfasamento dei due raggi e di conseguenza la differenza tra i cammini ottici (ovvero di quanto è spostato uno specchio rispetto alla posizione in cui i raggi sono in fase). Non è scontato e neppure semplice che i due fasci siano sfasati e che di conseguenza la sfasatura determini le frange di interferenza. L’interferometro originale di Michelson era montato su un disco di marmo per essere il più rigido possibile ed era, a sua volta, poggiato su del mercurio liquido per poterlo ruotare e per limitare le vibrazioni terrestri.

I moderni interferometri utilizzano i laser invece di sorgenti luminose standard, ma il principio di funzionamento è identico. Il primo studio di fattibilità per utilizzare un interferometro per rilevare onde gravitazionali fu fatto da Rainer Weiss al MIT, l’Istituto di Tecnologia, ma solo in seguito Ronald Drever disegnò il primo interferometro con cavità di Fabry-Perot, che era alla base del progetto di LIGO. Dopo diversi passaggi e numerose complessità e fasi, all’inizio del 2000 LIGO diventa operativo con due strutture, una a Livingston in Louisiana e l'altra a Hanford nello Stato di Washington. Nel 2006, in Italia, viene inaugurato VIRGO, costruito con lo scopo principale di essere molto sensibile alle basse frequenze, intorno ai 10 Hz e ridurre ulteriormente il rumore termico e meccanico, e con gli studi successivi anche con particolare attenzione ai rumori ambientali. 

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