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Gita all’interferometro VIRGO, 15 giugno 2019, Cascina (PI)

Sabato 15 giugno 2019, approfittando di un giorno libero da impegni lavorativi, ho finalmente realizzato un sogno che già da un pò di tempo avevo nel cassetto: visitare l’interferometro VIRGO, che, assieme ai suoi due cugini americani LIGO, ha permesso, il 17 agosto 2017,  la rilevazione delle onde gravitazionali generate dalla fusione di due stelle di neutroni!

L’idea di questa gita in realtà nacque diversi mesi fa da due dei miei amici astrofili dell’Associazione Cernuschese Astrofili di Cernusco sul Naviglio, Massimo e Marco, in occasione dell’ascolto di una conferenza sulle onde gravitazionali tenuta da un membro di un’associazione culturale di Cassina de’ Pecchi, il paese dopo Cernusco, di cui non ricordo il nome.

L’avventura, almeno per me, inizia in realtà il giorno prima, venerdì 14 giugno: arrivo a Cernusco verso le 20.30, e, dopo un bel gelato in compagnia di Andrea, ci rechiamo presso l’osservatorio astronomico: all’interno della cupola fa bella mostra di sè un Ritchey – Chretien nuovo nuovo (è arrivato appena il giorno prima!) da 40 cm di apertura e lunghezza focale circa 3 m costruito dalla ditta Marcon, noto costruttore veneto di telescopi. Avrete capito che non riesco a stare troppo lontana da un telescopio o da un osservatorio astronomico troppo a lungo, e ovviamente la prima cosa che faccio è guardarci dentro… ma c’è un piccolo problema: il cielo è coperto, e, almeno per ora, non si fa nulla. Ma tutto d’un tratto, la copertura nuvolosa molla un pò la presa, giusto quel tanto da permettermi l’osservazione di un pezzettino di Luna! Anche se tra una nuvola e l’altra, sono comunque contenta di aver guardato attraverso il telescopio dell’osservatorio cernuschese! Nove anni fa questo non mi è stato possibile perchè pioveva… dopo molte chiacchiere con gli amici astrofili che non vedevo da tempo, verso le 23 io e Andrea andiamo via: io sarei rimasta ancora un pochino, ma l’indomani la sveglia sarà molto presto per partire alla volta di VIRGO: 4.45! Quindi è meglio riposare un pò: fatichiamo però a prendere sonno, perchè siamo troppo eccitati al pensiero della visita di domani! Caspita, vedremo con i nostri occhi l’interferometro VIRGO! Non riesco ancora a crederci.

Il mattino del 15 il ritrovo è alle 5.30 in un parcheggio di Cassina de’ Pecchi: quando arriviamo c’è già il pullman, altri del nostro gruppo di astrofili, i partecipanti dell’associazione culturale di Cassina de’ Pecchi e un’atmosfera da gita scolastica. E una sorpresa nel parcheggio: chi di voi è un pò nerd avrà sicuramente riconosciuto una parafrasi dell’affermazione fatta da Han Solo a proposito del Millennium Falcon, nell’episodio IV di Star Wars!

Alle 6.05 si parte: il viaggio è lungo, quindi c’è tutto il tempo per chiacchierare, pisolare, dormire; arriviamo davanti ai cancelli di VIRGO verso le 10.30, e, nonostante aver sbagliato strada (quella che avevamo adocchiato poco prima era troppo stretta per il nostro pullman), in perfetto orario, visto che la nostra attività inizia alle 11. Guardando distrattamente fuori dal finestrino del pullman, sobbalzo quando, in mezzo a un gruppetto di persone in attesa di entrare, scorgo un viso noto: è quello di Marco, un altro mio amico astrofilo di Pinerolo! Decido di fargli uno scherzo: gli telefono, chiedendogli se si trova davanti all’ingresso di VIRGO. Lui sobbalza a sua sua volta, e disperatamente si guarda attorno per capire dove ero, io intanto mi stavo sbellicando dalle risate; gli dico che sono sul grande pullman accanto a loro, e a questo punto decide di salire sul pullman e riusciamo a salutarci dal vivo: mai e poi mai avrei immaginato di incontrarlo proprio lì davanti a VIRGO! Abbiamo giusto il tempo di andare in bagno, che incontriamo già la nostra guida: il dott. Valerio Boschi dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, che ci accompagna in sala seminari: visto che siamo una cinquantina la riempiamo quasi tutta.

Boschi, in una chiacchierata molto interessante, ci parla delle onde gravitazionali: e cioè di quelle piccolissime oscillazioni dello spaziotempo ipotizzate da Albert Einstein nella teoria della Relatività Generale. Queste oscillazioni sono prodotte dalla fusione di corpi celesti molto massicci, come stelle di neutroni e buchi neri, e viaggiano alla velocità della luce, 300000 km/s! Se la fusione tra i due corpi celesti massivi fosse rappresentata da un sasso lanciato in uno stagno, allora le onde gravitazionali sarebbero rappresentate dalle increspature prodotte dal sasso non appena tocca l’acqua. Per farvi un’idea guardate questo video.

Le onde gravitazionali producono uno spostamento veramente piccolo dello spaziotempo, dell’ordine dei 10^-18 m! Tanto per dare un’idea, si pensi che l’entità di questo spostamento è pari all’aumento di livello del mare Tirreno dopo averci versato dentro un cocktail! Quindi è davvero uno spostamento infinitesimo, ben al di sotto della soglia di visibilità ad occhio nudo! Di conseguenza, rivelare un’onda gravitazionale è estremamente difficile. L’idea di base per trovare le onde gravitazionali è sfruttare il fenomeno dell’interferenza, per cui due onde elettromagnetiche, quando interferiscono, producono una figura di interferenza, che nel caso della luce visibile origina macchie luminose alternate con zone buie, in cui non c’è luce, come spiegato in questo video:

Questo principio è alla base dell’interferometro VIRGO, che essenzialmente è un interferometro di tipo Michelson – Morley, strutturato su due bracci perpendicolari lunghi 3 km per VIRGO, 4 km per LIGO (i LIGO sono i due interferometri statunitensi, analoghi per costruzione e funzionamento a VIRGO, solo che i loro bracci sono lunghi 4 km anzichè 3): un fascio laser infrarosso da 25 W, quindi invisibile ad occhio nudo, viene diviso in due componenti uguali da uno specchio semitrasparente, e vengono mandate in uno dei due bracci dell’interferometro. In ciascun braccio una cavità risonante Fabry-Perot formata da due specchi estende la lunghezza ottica da 3 a circa 1200 chilometri per via delle riflessioni multiple della luce e pertanto amplifica la piccola variazione di distanza causata dal passaggio dell’onda gravitazionale. I due fasci di luce laser, provenienti dai due bracci, vengono ricombinati in opposizione di fase su un rivelatore di luce in maniera che, normalmente, non arrivi luce sul rivelatore. La variazione del cammino ottico, causata dalla distanza tra gli specchi che varia, produce un piccolissimo sfasamento tra i fasci e quindi un’alterazione dell’intensità luminosa osservata, proporzionale all’ampiezza dell’onda gravitazionale. In questo schema, però, gran parte della luce torna indietro verso il laser. Per aumentare la potenza disponibile questa luce viene rimandata nell’interferometro da uno specchio di ricircolo, in fase con il fascio incidente, aumentando la potenza luminosa che può raggiungere svariate decine di chilowatt nelle cavità risonanti Fabry-Perot. Una elevata potenza luminosa è importante perché consente un miglioramento della sensibilità di misura.

Schema di un interferometro tipo Michelson – Morley

Il segnale delle onde gravitazionali, visto che è così debole, deve essere ripulito dal “rumore” di sottofondo prodotto da fenomeni esterni, che producono oscillazioni ben maggiori di quelle del segnale che vogliamo isolare; ecco alcune fonti di “rumore” e come minimizzarle o eliminarle:

– vibrazioni del terreno: derivano da micromovimenti del terreno e della crosta terrestre; per evitarle si usano superattenuatori, di cui parlerò più oltre;

– aria: eliminabile creando il vuoto spinto (pressioni dell’ordine di 10^-12 bar) e attraverso un laser stabilizzato

– rumore termico: si toglie usando temperature criogeniche, molto minori di 0 °C.

Il dott. Boschi ci ha poi accompagnato alla sala controllo di VIRGO, da cui viene gestita ogni procedura riguardante il funzionamento dell’interferometro e controllato che tutto funzioni per il meglio: sui numerosi monitor, anche di grandi dimensioni e appesi alle pareti, sono visibili svariati tipi di informazioni: grafici di sensibilità, riprese in tempo reale dei fasci laser che corrono nei bracci, bandiere di colore diverso che identificano i diversi apparati di VIRGO, e molte altre cose tecniche interessanti. Non mancano due orologi, uno con l’ora italiana l’altro con il tempo universale (l’ora di Greenwich, 1 h indietro rispetto a quella italiana, 2 se in Italia c’è l’ora estiva.). Dalla sala di controllo vengono gestiti anche il commissioning, cioè la “messa a punto” e calibrazione di VIRGO, e il locking, una particolare procedura con cui vengono messe in risonanza le cavità dell’interferometro, che viene eseguita quando ci si allontana dalle condizioni operative, cosa che avviene in caso di terremoti di 8° grado o aumento del vento etc; come idea assomiglia alla collimazione di un telescopio newtoniano! In pratica VIRGO lavora bene se i suoi specchi sono correttamente allineati, anzi no, se sono perfettamente allineati.

Dopo la sala controllo, è il momento di recarci al braccio ovest dell’interferometro! Entriamo così nel lungo tunnel, e quello che vediamo ricorda un pò una conduttura dell’acqua: Boschi ci spiega che i fasci laser corrono all’interno di una conduttura di diametro pari a circa 40 cm, sottovuoto a e a temperature criogeniche, e che quello che vediamo è il materiale coibente esterno, necessario per isolare il tutto dalle vibrazioni esterne. E qui scopriamo un record di VIRGO: il suo volume sottovuoto, 7000 metri cubi, è il più grande d’Europa!

Come ultima cosa, Boschi ci porta in un altro edificio dove sono ospitati un modellino di un interferometro e alcuni prototipi dei superattenuatori usati per smorzare le vibrazioni degli specchi: si tratta essenzialmente di sistemi di pendoli in cascata attaccati tramite cavi di acciaio e quarzo a strutture metalliche, muniti di sensori di posizione; gli specchi semitrasparenti di VIRGO sono a loro volta sospesi a questi pendoli, sempre attraverso 4 sottilissimi cavi di quarzo e altrettanti di acciaio. La cosa incredibile è che bastano appena 8 cavi per sostenere il peso di 40 kg di ogni specchio!

Mentre ascoltavo la spiegazione di Boschi… “Ma io questo lo conosco!” – penso – nell’altro gruppo, quello di Marco, che nel frattempo ci aveva raggiunto, trovo l’amico astrofilo Paolo di Roma! Mai più avrei pensato di incontrare anche lui in questa occasione!

Finita la visita a VIRGO, purtroppo è il momento di iniziare il viaggio di ritorno; magari ci torneremo in occasione della prossima Notte dei Ricercatori? Chissà…

[Cliccare sulla seguente foto per accedere alla galleria fotografica]

Vista la complessità dell’argomento, se siete curiosi di approfondire, vi segnalo questi link e video:

Siti web di VIRGO

http://www.virgo.infn.it/

http://www.ego-gw.it/public/virgo/virgo.aspx

Interferometri e onde gravitazionali