Luglio 2024 – Visita guidata a VIRGO
l’interferometro a Cascina di Pisa – Un tassello per conoscere lo spazio-tempo nel quale è immerso l’Universo
Dal terrazzo della torre ovest
sullo sfondo il profilo dell’Appennino
in basso le bandiere delle nazioni che partecipano al progetto
e il logo di EGO “Osservatorio Gravitazionale Europeo“.
Da questa posizione la guida intrattiene i visitatori con informazioni molto dettagliate relative alla struttura e alla sua storia, succintamente riportate nel testo.
Per sentire la “voce” dell’Universo lontano proviamo a capire come funziona un interferometro o rivelatore di onde gravitazionali. VIRGO prende il nome dall’ammasso della Vergine costituito da circa 1.500 galassie nella costellazione omonima e distante circa 50 milioni di anni luce dalla Terra, è l’unico interferometro in territorio europeo.
Una grande L, i cui bracci sono lunghi ciascuno 3 km. Un vertice dotato di una sorgente di raggi laser, due specchi dalla superficie perfettamente liscia e pulita.
Per rivelare segnali molto piccoli sono necessarie strutture e tecnologie molto sofisticate. Nei bracci perpendicolari deve essere fatto il vuoto cosmico, gli specchi, che pesano 40 kg ciascuno, devono avere la migliore qualità ottica e sono sospesi nelle torri mediante quattro fili di quarzo sottili. Ogni torre contiene una catena di sette pendoli in cascata ingabbiata nella struttura alta 10 metri.
Fig. 1 La guida illustra in modo semplice e immediato il funzionamento di un pendolo attenuatore.
I pendoli hanno la funzione di smorzare le vibrazioni del terreno anche poco percettibili da noi ma che disturberebbero la misura.
Cascina è una località con sismicità media, tuttavia intorno ci sono deboli interferenze provenienti da
un impianto eolico situato a qualche chilometro sulle colline preappenniniche e dal vicino aeroporto.
Come nasce VIRGO l’interferometro di Cascina
L’idea del Fisico Adalberto Giazzotto prende forma tra il 1981 e il 1984 con la realizzazione di esperimenti per la rivelazione delle onde gravitazionali attraverso l’interferometria laser. Il territorio dove ubicare una struttura adatta al suo progetto viene individuato nei pressi di Pisa in località Santo Stefano a Macerata nel Comune di Cascina. Un territorio agricolo lontano ma non troppo dalle vie di comunicazione indispensabili per le centinaia di addetti che si possono prevedere.
Giazotto, in collaborazione con il francese Alain Brillet realizza un progetto nel 1989 e lo sottopone alle istituzioni finanziatrici. Viene approvato nel 1993-1994 dal CNRS Centro nazionale di ricerca scientifica” e dall’INFN Istituto Nazionale di Fisica Nucleare. La costruzione inizia nel 1997. L’Osservatorio Gravitazionale Europeo EGO è stato fondato l’11 dicembre 2000. Il processo di gestione e l’inaugurazione sono iniziati nel 2003 e le prime osservazioni scientifiche nel 2007. La collaborazione tra gli organismi citati prosegue tuttora con il contributo di scienziati di altre nazioni europee come Olanda, Germania, Spagna, Ungheria.
Fin dal 2001 Giazzotto concepì l’idea di creare una rete che includesse Virgo e altri rilevatori, per lavorare insieme come una single machine. Attualmente gli interferometri di O.G. che lavorano insieme sono tre, due “Ligo” negli Stati Uniti e uno in Italia, VIRGO. I tre strumenti, quando RIVELANO il segnale, procedono alla necessaria triangolazione per giungere a considerazioni e verifiche che hanno dimensione terrestre.
Fig. 2 Alcune immagini presentate nelle slide dalla guida mentre spiega quali corpi celesti danno origine alle onde gravitazionali.
Questo succede in molti scenari astrofisici, inclusa la coalescenza di buchi neri e/o stelle di neutroni o esplosioni di supernovae. Le onde gravitazionali sono completamente diverse dalla luce, il “messaggero” principale utilizzato fino ad ora per studiare l’Universo. Lo spazio e il tempo si deformano in prossimità di corpi molto massicci (stelle, pianeti, etc.) oppure quando un corpo si muove a una velocità tanto elevata da essere comparabile a quella della luce. Le onde G hanno una velocità comparabile a quella della luce 300.000Km/s e una frequenza sotto ai 10Hz.
fig. 3 all’esterno il braccio est
Fig.4 a sinistra Struttura in scala situata all’ingresso di VIRGO.
Sono ben visibili i due bracci e la fonte di raggi laser nel punto A.
In secondo piano la porta marrone porta all’ingresso di una struttura multimediale nella quale la nostra massa corporea curva lo spazio nel quale siamo immersi.
Fig 5 La prospettiva interna di uno dei due bracci
La guida si sofferma in particolare sulla necessità che all’interno la struttura sia sempre “pulita” senza neanche un granellino di polvere. I tecnici e gli operatori sono ben preparati nel rispettare tutte le disposizioni senza le quali si potrebbero inquinare i segnali provenienti dallo spazio.
Cosa accade quando arriva un’onda gravitazionale?
Quando un’onda gravitazionale passa attraverso l’interferometro, la perturbazione dello spazio-tempo si manifesta come un cambiamento della lunghezza relativa dei due bracci. Questo comporta un segnale misurabile al fotodiodo. Per le onde gravitazionali di origine cosmica attese per VIRGO la variazione della lunghezza dei bracci (lunghi 3 km) è molto piccola, dell’ordine di 10−18 m. Sono grandezze davvero minime per la nostra esperienza quotidiana ma ci permettono di capire lo spazio profondo.
L’astronomia delle onde gravitazionali è diventata un metodo fondamentale per osservare il nostro Universo. I dati dei cicli di osservazioni a partire dal 2015 contribuiscono ad ampliare in modo significativo i nostri orizzonti e le nostre conoscenze sulle parti più oscure e violente dell’Universo.
Nel futuro viene prospettata la costruzione di un secondo rivelatore in Europa, candidato il territorio sardo per la sua posizione e per le caratteristiche geofisiche.
La guida si sofferma all’ingresso per dare risposte alle tante domande relativie in particolare alle modalità di registrazione dei segnali che arrivano dall’universo profondo. Sottolinea in particolare il lavoro costante davanti alle decine di PC e monitor davanti ai quali sono impegnati decine di ricercatori e scienziati di diverse formazioni.
Breve glossario riguardante i protagonisti dell’origine delle OG
Oggetto compatto: Un’espressione generica per indicare oggetti stellari molto densi e piccoli come stelle di neutroni e buchi neri. Quando si dice piccoli, si intende ovviamente in senso astronomico! Tutti questi oggetti hanno almeno la massa del Sole, concentrato entro un diametro di pochi, o poche decine, di chilometri.
Binaria: Un sistema formato da due oggetti in orbita l’uno attorno all’altro.
Stella di Neutroni: Un oggetto estremamente denso risultante dal collasso di una stella massiccia.
Buco nero: Una regione dello spazio-tempo determinata da una massa estremamente compatta, in cui la gravità è cosi intensa che impedisce a tutto, inclusa la luce, di uscire.
Rotazione (spin in inglese): Quantità che misura quanto un oggetto ruota intorno a sé stesso. Per esempio, la Terra ruota una volta ogni 24 ore.
Pulsar: Stella di neutroni osservata per mezzo degli impulsi di radiazione elettromagnetica (generalmente nella banda radio) che essa emette. Una grande parte delle stelle di neutroni che crediamo esistano non possono essere osservate come pulsar, o perché non emettono segnali elettromagnetici sufficientemente forti, oppure perché non li emettono in direzione della Terra.
Un grazie sentito alla guida che ha accolto le domande dei visitatori fornendo risposte compe
Tutte le immagini sono state realizzate da Alberta durante la visita guidata