Le immagini a infrarossi consentono di ricostruire le minuscole deformazioni prodotte dal calore negli specchi dell’interferometro. Il metodo potrebbe aumentare fino al 31% la sensibilità del futuro LIGO A+
Per osservare più lontano nell’Universo non sempre è necessario costruire telescopi più grandi. Nel caso delle onde gravitazionali, potrebbe bastare imparare a vedere meglio ciò che accade sulla superficie di uno specchio.
Un gruppo di ricercatori dell’Università della California a Riverside ha sviluppato una nuova tecnica che utilizza immagini termiche a infrarossi per misurare e correggere le minuscole deformazioni provocate dal calore negli specchi di LIGO, il Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory. Secondo lo studio, pubblicato sulla rivista “Classical and Quantum Gravity”, il sistema potrebbe migliorare fino al 31% la sensibilità della prossima configurazione dell’osservatorio, chiamata LIGO A+.
Misurare variazioni più piccole di un protone
Le onde gravitazionali sono increspature dello spazio-tempo generate da eventi cosmici estremi, come la fusione di due buchi neri o di due stelle di neutroni. Quando attraversano la Terra, modificano impercettibilmente le distanze tra gli oggetti.
Per individuarle, LIGO utilizza due lunghi bracci perpendicolari, ciascuno di quattro chilometri. Al loro interno, fasci laser rimbalzano ripetutamente tra grandi specchi sospesi. Il passaggio di un’onda gravitazionale modifica in modo infinitesimale la lunghezza dei bracci e, di conseguenza, il percorso compiuto dalla luce.
Le variazioni misurate sono inferiori alle dimensioni di un protone. Per raggiungere una simile precisione, nei bracci dell’interferometro deve circolare una potenza laser che si avvicina al megawatt. Proprio questa enorme potenza, tuttavia, crea uno dei principali ostacoli al miglioramento degli osservatori.
Il calore che deforma gli specchi
Gli specchi di LIGO sono tra i componenti ottici più puri mai costruiti. Eppure anche essi assorbono una piccolissima parte della luce laser che li colpisce.
L’energia assorbita si trasforma in calore, modificando la forma e le proprietà ottiche degli specchi di pochi nanometri. Può sembrare una variazione insignificante, ma per uno strumento che deve misurare alterazioni dello spazio-tempo estremamente più piccole è sufficiente a deformare il fascio laser e ridurre la sensibilità dell’interferometro.
Gli scienziati dispongono già di sistemi capaci di compensare queste deformazioni. Attraverso speciali dispositivi riscaldanti, come riscaldatori ad anello e attuatori ottici, è possibile applicare agli specchi precise distribuzioni di calore, modificandone leggermente la forma.
Il problema è stabilire con esattezza quanto e dove intervenire. I sensori attuali riescono infatti a osservare soprattutto la zona centrale degli specchi, mentre le deformazioni possono interessare l’intera superficie.
Fotografare il calore
La nuova tecnica affronta il problema mediante una termocamera installata all’esterno del sistema sotto vuoto. La telecamera registra la distribuzione della temperatura sulla superficie riflettente dello specchio.
Questa mappa termica viene quindi confrontata con modelli numerici che descrivono il modo in cui il calore si propaga all’interno del materiale. Combinando le immagini a infrarossi con i modelli fisici, il sistema può ricostruire lo stato termico completo dello specchio e determinare le deformazioni ottiche presenti su tutta la sua superficie.
Il principio è simile a quello utilizzato da un tecnico che osserva con una termocamera il motore di un’automobile: dalla distribuzione delle temperature esterne può dedurre ciò che sta accadendo all’interno.
Nel caso di LIGO, l’algoritmo può stimare la quantità di potenza laser assorbita dallo specchio, la posizione del fascio e l’effetto dei diversi dispositivi di compensazione termica. Queste informazioni permettono di regolare con maggiore precisione gli attuatori e ridurre gli errori del fronte d’onda fino alla scala di pochi nanometri.
Una soluzione sorprendentemente semplice
Uno degli aspetti più interessanti è che il metodo non richiede lo sviluppo di sensori completamente nuovi. I ricercatori ritengono sufficienti termocamere disponibili sul mercato, dotate di caratteristiche già compatibili con le necessità dell’esperimento.
Le immagini termiche vengono inoltre elaborate in pochi millisecondi, mentre le variazioni di temperatura degli specchi avvengono generalmente nell’arco di minuti o ore. Il sistema potrebbe quindi fornire indicazioni quasi in tempo reale per correggere le deformazioni ottiche.
L’idea è nata durante alcuni esperimenti condotti su uno specchio LIGO a grandezza naturale, del peso di circa 40 chilogrammi. I ricercatori stavano testando un dispositivo di ottica adattiva quando si sono accorti che la temperatura superficiale, combinata con un modello accurato della propagazione del calore, consentiva di ricostruire le deformazioni presenti all’interno dello specchio.
Trentatré milioni di anni luce più lontano
Secondo le simulazioni riportate nello studio, la nuova capacità di controllo potrebbe migliorare fino al 31% la sensibilità alla deformazione dello spazio-tempo di LIGO A+, con un livello di confidenza del 95%.
Per le fusioni tra stelle di neutroni, ciò corrisponderebbe a un aumento medio della distanza osservabile di circa 10 megaparsec, pari a quasi 33 milioni di anni luce. Il vantaggio scientifico sarebbe ancora più grande di quanto suggerisca il semplice aumento della distanza. Il volume di Universo accessibile cresce infatti con il cubo della distanza osservabile: vedere anche solo un po’ più lontano significa esplorare una regione cosmica molto più vasta e, potenzialmente, registrare un numero maggiore di eventi gravitazionali.
Segnali più numerosi e più deboli permetterebbero di studiare meglio le collisioni tra stelle di neutroni e buchi neri, verificare la relatività generale in condizioni estreme e ottenere nuove informazioni sulla materia nucleare e sull’evoluzione dell’Universo.
Verso il Cosmic Explorer
La tecnica potrebbe avere un ruolo centrale anche nel Cosmic Explorer, il futuro osservatorio statunitense per le onde gravitazionali che dovrebbe avere bracci lunghi 40 chilometri, dieci volte quelli di LIGO.
Gli strumenti della prossima generazione utilizzeranno specchi più grandi, potenze laser ancora maggiori e sistemi quantistici avanzati per ridurre il rumore delle misurazioni. In queste condizioni, controllare le deformazioni termiche sarà indispensabile per raggiungere la sensibilità prevista.
LIGO potrebbe quindi diventare il banco di prova di una tecnologia destinata agli osservatori gravitazionali del futuro. Una semplice immagine del calore, combinata con modelli matematici estremamente sofisticati, potrebbe aiutare gli scienziati ad ascoltare collisioni cosmiche sempre più lontane e a estendere ancora una volta i confini dell’Universo osservabile.
Stefano Camilloni
