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La sensibilità di LIGO alle onde gravitazionali ha superato il limite quantistico

Presto lo stesso aggiornamento tecnologico verrà installato anche sul rilevatore di onde gravitazionali VIRGO, in Italia

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La sensibilità di LIGO alle onde gravitazionali ha superato il limite quantistico
La sensibilità di LIGO alle onde gravitazionali ha superato il limite quantistico

Una tecnica per comprimere la luce tra i bracci dell’interferometro di LIGO ha consentito alle sue misurazioni di onde gravitazionali di oltrepassare la barriera quantistica.

Per LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory), si tratta dell’acquisizione di una sensibilità molto maggiore, che offre al rilevatore di onde gravitazionali la capacità di trovare il 60% in più di fusioni di stelle rispetto a prima, quando ne individuava uno o due a settimana. La tecnica si chiama frequency-dependent squeezing e aggira le precedenti limitazioni che impedivano a LIGO di effettuare rilevamenti su scala quantistica.

Ora che abbiamo superato questo limite quantistico, possiamo fare molta più astronomia“, afferma il fisico Lee McCuller del Caltech. “LIGO utilizza laser e grandi specchi per effettuare le sue osservazioni, ma stiamo lavorando a un livello di sensibilità che significa che il dispositivo è influenzato dal regno quantistico“.

La sensibilità di LIGO era già assolutamente sbalorditiva. L’interferometro funziona rilevando le increspature nello spazio-tempo generate dalla collisione di buchi neri e stelle di neutroni, distanti milioni o miliardi anni luce.

Questi apocalittici eventi cosmici generano onde gravitazionali che si propagano nel tessuto dello spazop-tempo come le increspature dell’acqua si propagano in uno stagno dopo che vi è caduto un sasso. Non possiamo sentire o vedere le onde gravitazionali ma possono essere rilevate grazie a minuscole deviazioni nel percorso della luce in un lungo tunnel.

Queste deviazioni sono incredibilmente piccole, fino a trilioni di volte più piccole di un capello umano. Ma una volta entrati nelle scale subatomiche – il regno quantistico – le capacità di LIGO erano limitate. Questo perché, su scale inimmaginabilmente piccole, le particelle entrano ed escono casualmente dallo spazio, creando un sibilo di fondo costante di rumore quantistico che è più forte di qualsiasi segnale.

La compressione dipendente dalla frequenza è un modo per amplificare i segnali in modo che siano “più forti” del rumore quantistico. È, dicono i fisici, un po’ come spremere un palloncino. Quando schiacci un palloncino da un’estremità, l’altra estremità diventa più grande. Allo stesso modo, se si pizzica una proprietà della luce, come l’ampiezza (o la potenza), altre proprietà, come la frequenza, possono essere misurate in modo più accurato.

Purtroppo, però, se guadagni precisione in un’area, la perdi nell’altra. LIGO dispone di una tecnologia per la spremitura dipendente dalla frequenza dal 2019, ma non era una tecnologia molto flessibile. Il nuovo aggiornamento permetterà una flessibilità molto maggiore; la luce può essere compressa in diversi modi per amplificare la frequenza delle onde gravitazionali che gli scienziati stanno cercando.

Prima dovevamo scegliere dove volevamo che LIGO fosse più preciso“, spiega il fisico Rana Adhikari del Caltech. “Ora possiamo fare molto meglio. Sappiamo da un po’ come scrivere le equazioni per far funzionare questo ma fino ad ora non era chiaro se saremmo effettivamente riusciti farlo funzionare“.

La nuova tecnologia funziona attraverso l’uso di cristalli che trasformano i singoli fotoni vaganti nei tubi a vuoto lunghi 4 chilometri di LIGO in due fotoni intrecciati con energia inferiore.



Questi fotoni interagiscono con i raggi laser che brillano lungo i tunnel per comprimere la luce laser nel modo desiderato. Quando le onde gravitazionali attraversano i tunnel, provocano un’oscollazione dei laser tale che è possibile captare l’oscillazione, per quanto sottile, all’altro capo del tunnel.

La nuova tecnologia di compressione dipendente dalla frequenza funziona alternando il modo in cui comprime la luce, in modo da amplificare sia le frequenze più alte che quelle più basse. È in funzione dall’attuale periodo di osservazione di LIGO, iniziato a maggio, e sarà probabilmente installato nel rilevatore Virgo in Italia prima che il periodo di osservazione sia terminato.

Ciò significa che con questa maggiore sensibilità probabilmente vedremo un aumento significativo nel numero di collisioni di buchi neri e stelle di neutroni che osserviamo nell’Universo.

Finalmente stiamo sfruttando la gravità dell’universo per fare il nostro lavoro”, spiega la fisica Lisa Barsotti del MIT. “In futuro potremo migliorare ancora di più la nostra sensibilità. Mi piacerebbe vedere fino a che punto possiamo spingerci“.

Fonte: Physical Review X.

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