Domani l'inaugurazione del nuovo Virgo, ma non senza problemi

Domani, scienziati da tutta Europa si riuniranno poco fuori Pisa per celebrare il completamento dei lavori di potenziamento dell'interferometro Virgo, il cacciatore europeo di onde gravitazionali. L'evento segnerà la fine di cinque anni di lavori, costati in totale 24 milioni di euro. Dietro tutti i festeggiamenti del caso, però, si nasconde un problema che potrebbe far ritardare l'inizio della collaborazione tra Virgo e il collega statunitense LIGO, autore più di un anno fa della prima, inequivocabile identificazione di un'onda gravitazionale.

LIGO consiste in due diversi interferometri, situati presso Livingston, nel Louisiana, e Hanford, nello stato di Washington. Una volta diradatesi l'euforia e l'agitazione scatenate dallo storico annuncio delle prime onde gravitazionali, è subito emersa una chiara limitazione di LIGO: essendo dotato di soli due interferometri, il progetto non è in grado di determinare la posizione precisa della sorgente delle onde gravitazionali. Per la triangolazione, come suggerisce il termine stesso, sono necessari almeno tre diversi sensori. Da qui, la necessità di far tornare operativo l'interferometro europeo Virgo, fermo per lavori di potenziamento dal 2011, il prima possibile.

Virgo è un classico interferometro, con due bracci larghi tre chilometri l'uno e tra di loro perpendicolari. Alle estremità di ciascun braccio vi è uno specchio contro cui viene sparato un raggio laser che rimbalza da una parte all'altra del braccio. Nel punto d'intersezione, i due fasci laser si incontrano ed interagiscono. L'interferometro è progettato in modo che le creste di un fascio laser si incontrino con i ventri del raggio opposto, e viceversa. In questi casi, avviene un fenomeno noto come interferenza distruttiva: le due onde, in un certo senso, si cancellano a vicenda, e il risultato è nullo. Qualora un'onda gravitazionale dovesse passare attraverso l'interferometro, però, distorcerebbe lo spazio in modo da rendere uno dei due bracci leggermente più lungo dell'altro. Anche i fasci laser verrebbero allungati, rendendo l'effetto della distorsione spaziale praticamente invisibile; per fortuna, però, le onde gravitazionali durano abbastanza da consentire a nuove onde di luce, non ancora deformate, di entrare nel sistema. Queste onde si trovano ad attraversare bracci di dimensioni leggermente diverse; perciò, quando si incontrano, le creste di una non combaciano perfettamente con i ventri dell'altra, e viceversa. Il risultato? Un segnale - debolissimo, ma non nullo.

Il più grande ostacolo da superare è evidente: bisogna isolare l'interferometro da qualunque possibile sorgente esterna di rumore - movimenti del sottosuolo, treni nelle vicinanze, eccetera. Gli specchi di Virgo sono isolati dall'ambiente esterno tramite una catena di sette pendoli. Gli specchi, pesanti circa 40 chilogrammi l'uno, sono collegati ai pendoli da un sistema di cavi. Nel Virgo iniziale, questi cavi erano costituiti di acciaio; per ridurre al minimo i rumori di natura termica e meccanica, gli ingegneri hanno sostituito i cavi precedenti con fibre di vetro puro, spesse appena 0,4 millimetri.

L'introduzione delle fibre di vetro sarebbe dovuta essere solo uno dei tanti miglioramenti del nuovo Virgo. Finché, un anno fa, le fibre hanno iniziato a rompersi. Dopo mesi di indagini, gli ingegneri sono riusciti a individuare il colpevole: una popolazione di particelle microscopiche provenienti dal nuovo sistema che avrebbe dovuto rendere ancora più vuoto il "vuoto" all'interno dei bracci di Virgo. Depositandosi sulle fibre, queste particelle erano in grado di creare microfratture che, nel giro di qualche settimana, si evolvevano fino a provocare il cedimento delle fibre. "Le fibre sono molto robuste, finché qualcosa non tocca le loro superfici," spiega Giovanni Losurdo dell'INFN di Pisa.

Durante le indagini, gli ingegneri hanno rimosso le fibre di vetro e reinstallato i precedenti cavi di acciaio. Ulteriori ispezioni, però, hanno rivelato che 13 dei 350 cavi usati come molle per soffocare le vibrazioni si erano spezzati. Il perché rimane un mistero, ma gli ingegneri hanno deciso di sostituire tutti i cavi che mostrano anche solo un minimo segno di fatica - circa il 40% del totale. "Non è sorprendente che alcune cose non funzionino, vista la complessità del rilevatore," commenta Benoit Mours del CNRS.

Per ora, il compromesso regge: gli ingegneri sono riusciti a far risuonare con ottima stabilità la luce in entrambi i bracci. Il prossimo passo, ora, sarà completare il sistema centrale, dove le onde si incontreranno. Poi, sarà il turno di eliminare le ultime sorgenti di rumore e verificare i livelli di sensibilità del sistema.

Per poter fornire informazioni utili, Virgo dovrà raggiungere una sensibilità pari ad almeno un quarto di quella di LIGO. In questo ambito, la sensibilità è definita come la distanza massima a cui il rilevatore è in grado di ascoltare le onde gravitazionali prodotte dalla fusione di due stelle di neutroni con 1,4 masse solari l'una.

Il rilevatore di Livingston ha una sensibilità di 80 megaparsec, o 260 milioni di anni luce. In teoria, Virgo dovrebbe raggiungere una sensibilità di circa 50 megaparsec. C'è, però, un problema: a frequenze più basse, come quelle generate dalla fusione di buchi neri, i cavi in acciaio potrebbero riddure notevolmente la sensibilità di Virgo, forse compromettendo la collaborazione con LIGO. Per scongiurare quest'eventualità e compensare la mancata installazione delle fibre di vetro, gli scienziati dovranno prestare ancor più attenzione del previsto all'eliminazione di qualunque sorgente esterna di rumora.

"Il processo di ridurre le sorgenti di rumore durerà certamente parecchi mesi," spiega Lisa Barsotti del MIT. Sarà quasi sicuramente impossibile, dunque, rispettare il piano iniziale, che prevedeva l'inizio delle operazioni del nuovo Virgo entro la fine di Marzo. L'attuale campagna scientifica di LIGO, iniziata il 30 Novembre 2016, dovrebbe terminare a fine Maggio, ma Virgo potrebbe non ancora essere pronto. "LIGO potrebbe restare attivo per un mese o due in più del previsto, in modo da consentire a Virgo di unirsi," prosegue Barsotti.

Gli ingegneri si sono detti fiduciosi di riuscire ad installare le fibre di vetro ed altri miglioramenti entro la primavera del 2018, quando inizierà la prossima campagna di LIGO. Poco dopo, un quarto interferometro dovrebbe unirsi ai giochi: il rilevatore giapponese KAGRA, incastonato a -250 gradi centigradi sotto 200 metri di roccia.