L’interferometro per la rivelazione delle onde gravitazionali

Le onde gravitazionali distorcono lo spazio-tempo e producono forze in modo tale che la distanza tra le masse libere diminuisca e aumenti alternativamente durante il passaggio di un'onda gravitazionale. Una caratteristica importante è l'allungamento in una direzione con conseguente compressione in quell'altra perpendicolare. L'interferometro ha dimostrato come può rappresentare una interessante tecnologia ottica per la rivelazione delle onde gravitazionali.

Introduzione

L'ampiezza delle onde gravitazionali, il parametro adimensionale "h", è misurata dalla variazione relativa della distanza tra due masse libere. La variazione assoluta è quindi proporzionale alla distanza tra le due masse. Normalmente sarebbe "grande" quanto la dimensione di un atomo se si potesse monitorare la distanza dalla terra al sole, e sarebbe circa cento milioni di volte più piccolo per due punti separati da una distanza di pochi chilometri.

Una così piccola variazione di distanza può tuttavia essere rivelata attraverso il fenomeno dell'interferenza. Un interferometro laser Michelson è molto sensibile alle variazioni di lunghezza differenziale tra i suoi due bracci ed è ideale per la rivelazione delle onde gravitazionali. A causa dell'elevata sensibilità richiesta, la lunghezza delle braccia deve essere di centinaia di chilometri. Poiché questo non può essere praticamente raggiunto sulla terra, si utilizzano riflessioni multiple tra due specchi per aumentare artificialmente la lunghezza di misurazione. Le cavità risonanti di Fabry-Perot costituite da due specchi sono attualmente impiegate in interferometri a onde gravitazionali.

L’interferometro

VIRGO è un interferometro laser Michelson con due bracci ortogonali lunghi 3 chilometri. Un divisore di raggi divide il fascio laser incidente in due componenti uguali inviati nei due bracci dell'interferometro. In ogni braccio, una cavità risonante di due specchi Fabry-Perot estende la lunghezza ottica da 3 a circa 100 chilometri a causa di riflessioni multiple e quindi amplifica la piccola variazione di distanza causata da un'onda gravitazionale. I due fasci di luce laser provenienti dai due bracci, sono ricombinati fuori fase su un rilevatore in modo che, in linea di principio, nessuna luce raggiunga il rilevatore. La variazione della lunghezza del percorso ottico, causata dalla variazione della distanza tra gli specchi, produce uno spostamento di fase molto piccolo tra i raggi e, quindi, una variazione dell'intensità luminosa proporzionale all'ampiezza dell'onda e misurata per mezzo di un fotodiodo. [...]

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