L’interferometro Virgo

Virgo è un interferometro gravitazionale, un tipo speciale di telescopio, progettato per rivelare onde gravitazionali prodotte in fenomeni astrofisici di origine gravitazionale, come esplosioni di supernovae o fusioni di due stelle. Le onde gravitazionali sono completamente diverse da ogni tipo di luce, quindi Virgo non assomiglia affatto ad un telescopio.

Virgo è uno strumento estremamente sofisticato, basato su avanzatissime tecnologie di frontiera, necessarie per captare questi debolissimi segnali gravitazionali. Infatti si prevede che il passaggio di un’onda gravitazionale produrrà, al massimo, sui bracci di 3 km di Virgo una variazione di lunghezza di un miliardesimo di miliardesimo di metro. Quanto è piccola questa quantità? Meno di un millesimo del diametro di un protone!

La struttura di Virgo è quella di un gigantesco inteferometro laser, cioè di uno strumento che utilizza l’interferenza fra due fasci di luce laser per misurare piccolissimi spostamenti o deformazioni. Lo schema ottico è basato sull’interferometro costruito dal fisico americano Albert A. Michelson alla fine del diciannovesimo secolo per mettere in evidenza il moto della Terra attraverso l’etere. Il famoso esperimento di Michelson-Morley contribuì a dimostrare che l’etere non esiste e che la luce e tutte le onde elettromagnetiche si possono propagare nel vuoto. Questo risultato fu un importante passo nella formulazione della teoria della Relatività Ristretta, pubblicata nel 1905 da Albert Einstein.

Come un fratello maggiore dell’interferometro di Michelson-Morley, Virgo è composto da due bracci di 3 km, perpendicolari l’uno all’altro. Un braccio si estende approssimativamente nella direzione sud-nord e l’altro approssimativamente in quella est-ovest.

Simplified optical scheme of the Virgo interferometer

Schema ottico semplificato dell’interferometro Virgo (Credits: EGO & The Virgo Collaboration).

All’ingresso del rivelatore Virgo, un fascio laser incide su uno specchio semitrasparente, inclinato a 45°, chiamato Beam Splitter (BS), e viene diviso in due fasci che vengono inviati all’interno di due tubi a vuoto rettilinei di 3 km, alloggiati nei bracci perpendicolari di Virgo.

Il laser di Virgo emette un fascio di luce infrarossa estremamente stabile in frequenza e potenza, con una lunghezza d’onda di 1064 nanometri. La prima versione di Virgo usava un laser da 20 Watt che forniva un fascio da 10 Watt all’ingresso dell’intereferometro; in Advanced Virgo il laser avra’ una potenza massima di 200 Watt, e fornirà un fascio da 125 Watt all’ingresso dell’interferometro. La potenza di questo laser è circa centomila volte quella di un comune puntatore da conferenza. In Virgo i fasci laser vanno avanti e indietro centinaia di volte lungo i bracci, prima di ricombinarsi ed interferire.

The Virgo north vacuum tube, 1.2 m in diameter, inside its 3 km long tunnel

Il tubo a vuoto all’interno del braccio nord di Virgo; ha un diametro di 1.2 m e una lunghezza di 3 km (Credits: EGO & The Virgo Collaboration).

Sia all’estremo ovest (WE) che all’estremo nord (NE) dei tubi si trova uno specchio che riflette all’indietro il fascio. Ogni specchio pesa 40 kg ed è perfettamente levigato, in modo da riflettere il 99.999% della luce incidente. I fasci riflessi si ricombinano sullo specchio a 45°; la figura di interferenza prodotta (frange d’interferenza) è osservata da una fotocellula, un trasduttore che converte la luce incidente in corrente elettrica, che viene successivamente amplificata, registrata e analizzata.

Quando un’onda gravitazionale passa presso il rivelatore, lo spazio, quindi le distanze degli specchi terminali, si allungano e si accorciano alternativamente: le frange iniziano a fluttuare alla frequenza dell’onda gravitazionale. Queste fluttuazioni, registrate per mezzo della fotocellula, sono analizzate accuratamente con appositi algoritmi, mediante il banco di calcolatori presente sul sito di EGO. La difficoltà principale consiste nel distinguere i genuini ma debolissimi segnali delle onde gravitazionali da quelli prodotti da effetti spuri: quelli che i fisici chiamano “rumori”.

Ci sono molti generi di rumori che perturbano Virgo, dal rumore sismico, dovuto alle vibrazioni del terreno, al rumore termico, dovuto all’agitazione termica delle molecole di tutte le componenti del rivelatore, alla temperatura dell’ambiente in cui si trovano. Tutti questi fenomeni fanno vibrare gli specchi o simulano il loro movimento, imitando i segnali dovuti alle onde gravitazionali.

Per ridurre questi rumori strumentali Virgo è stato progettato accuratamente fin dall’inizio. Per evitare la propagazione di vibrazioni sismiche ed acustiche, tutti gli specchi sono sospesi nel vuoto mediante fino a otto stadi di pendolo in cascata. Con un fattore di attenuazione di cento volte per ogni stadio, il rumore sismico viene ridotto fino a 1016 volte.

Sketch of a Virgo mirror suspension used to reduce the seismic noise

La catena di pendoli che sostiene, nel vuoto, uno specchio di Virgo (Credits: EGO & The Virgo Collaboration).

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