La fusione di due buchi neri rilascia un’enorme quantità di energia. Questa energia è stata misurata dal LIGO per la prima volta nel 2015.
LIGO è un osservatorio interferometro laser di onde gravitazionali ideato, appunto, per il rilevamento delle onde gravitazionali. La fusione di due buchi neri rilascia un’energia pari a tre masse solari emesse sotto forma di onde gravitazionali.
Le onde gravitazionali, però, interagiscono molto debolmente con la materia e per sentirne gli effetti dovremo essere molto vicini a due buchi neri che si fondono in un unico oggetto, rilevarle è molto difficile.
Le onde gravitazionali sono increspature nella struttura dello spaziotempo e, come un’onda elettromagnetica permette di risalire alle vibrazioni del campo elettromagnetico che l’hanno prodotta, le onde gravitazionali permettono di rilevare la distorsione dello spazio-tempo, stirato e compresso dalle perturbazioni della forza di gravità mentre si propagano.
Quando un’onda gravitazionale attraversa un oggetto, le posizioni relative delle particelle che lo compongono mutano leggermente, ed è grazie a quegli spostamenti che è possibile rilevare tali fuggevoli onde.
Lo spostamento è infinitesimale, per questo LIGO ne misura lo spostamento con coppie di specchi posti a 4 chilometri di distanza. Quando un’onda gravitazionale interferisce con LIGO gli specchi si spostano di solo pochi millesimi della larghezza di un protone.
LIGO è in grado di misurare questa distanza mediante un processo chiamato interferometria laser.
La luce ha proprietà ondulatorie, cioè il fotone o il quanto si comporta sia come una particella, sia come un’onda, quindi quando due fasci di luce si sovrappongono, si combinano come onde.
Se le onde della luce si allineano o sono “in fase”, si sovrappongono per diventare più luminose. Se invece le onde sono fuori fase, si annullano e si attenuano.
Quindi LIGO inizia rilevando un raggio di luce che è in fase, lo divide, inviando un raggio lungo un braccio del complesso e un raggio lungo l’altro, LIGO è composto da due bracci a 90° che si incontrano in un punto.
I raggi rimbalzano ciascuno su uno specchio a 4 chilometri di distanza, quindi ritornano per unirsi in un singolo raggio captato da un rivelatore. Se la distanza di uno specchio cambia, cambia anche la luminosità della luce combinata.
La lunghezza d’onda della luce è dell’ordine di un micrometro, ma le onde gravitazionali spostano gli specchi solo di un trilione di quella frazione. Per questo LIGO fa viaggiare ogni raggio avanti e indietro lungo un braccio centinaia di volte prima che si combinino aumentando notevolmente la sua sensibilità ma creando anche altri problemi.
Per funzionare correttamente, gli specchi del LIGO devono essere isolati da eventuali vibrazioni di fondo causate dal suolo e dagli strumenti vicini. Per questo motivo gli specchi sono sospesi da sottili fili di vetro. L’intero sistema deve inoltre essere messo nel vuoto: il rivelatore è così sensibile che le molecole d’aria che attraversassero i fasci di luce verrebbero captate come rumore di fondo e questo interferirebbe con le misurazioni falsandole. La pressione dell’aria all’interno della camera a vuoto di LIGO è inferiore a un trilionesimo di atmosfera, che è inferiore alla pressione esistente nello spazio intergalattico, un vuoto quasi perfetto.
LIGO è un sistema a vuoto isolato in cui l’unica forza che può spostare gli specchi è la gravità stessa. Non è perfetto, ma è al limite delle capacità ingegneristiche umane. LIGO è una macchina straordinaria, e se il rilevatore fosse isolato alla perfezione continuerebbe a captare il rumore. Il sistema è così sensibile che può rilevare fluttuazioni quantistiche nello spazio vuoto.
Una proprietà dei sistemi quantistici è che non possono mai essere completamente bloccati visto che non possono eludere il principio di indeterminazione di Heisenberg.
Questo vale anche per il vuoto.
Ciò significa che le fluttuazioni quantistiche compaiono nel vuoto. Mentre i fotoni viaggiano attraverso queste fluttuazioni, vengono spinti un po’. Ciò rende i fasci di luce leggermente sfasati.
Ma l’indeterminazione quantistica è una cosa apparentemente strana che non vediamo nel vivere quotidiano. Sebbene gli aspetti di un sistema quantistico siano sempre incerti, parti di esso possono essere estremamente precisi.
Il problema è che se si rende una parte più precisa, un’altra parte diventa meno precisa. Per la luce, ciò significa che è possibile mantenere più allineata la fase del raggio rendendo più incerta la luminosità della luce. Questo è noto come luce schiacciata perché si riduce un’incertezza più piccola a scapito di un’altra.
Questo stato di luce schiacciata viene ottenuto attraverso un oscillatore parametrico ottico. che fondamentalmente è composto da una serie di specchi attorno a un tipo speciale di cristallo. Quando la luce passa attraverso il cristallo, minimizza le fluttuazioni di fase. Le fluttuazioni di ampiezza aumentano, ma è la fase che conta di più per i rivelatori LIGO.
Con questo aggiornamento, la sensibilità di LIGO dovrebbe raddoppiare. Ciò aiuterà gli astronomi a vedere più chiaramente le fusioni dei buchi neri. Potrebbe anche consentire a LIGO di vedere nuovi tipi di fusioni, più deboli o più lontani di quanto abbiamo mai osservato prima d’oggi.
Fonte: Universe Today; MIT News
