Uno dei due interferometri laser LIGO, con bracci da tre chilometri. Crediti: LIGO
Poco più di un anno fa la collaborazione Ligo/Virgo annunciava la scoperta del secolo: la prima rivelazione diretta delle onde gravitazionali. Oltre a entusiasmare l’intera comunità scientifica, questa scoperta, ha stimolato un grande interesse per il miglioramento dei rivelatori, già estremamente avanzati e sensibili. L’obiettivo degli scienziati impegnati in questo campo di ricerca è di rendere la rivelazione di onde gravitazionali un evento di ordinaria amministrazione. Per ottenere questo risultato, i ricercatori che hanno sviluppato i laser dell’Advanced Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (Advanced Ligo) hanno compiuto progressi significativi, raggiungendo livelli di stabilità del laser fino a cinque volte superiori rispetto al passato.
Advanced Ligo è un dispositivo ottico composto da due bracci della lunghezza di 4 chilometri, e sfrutta la riflessione di luce laser per rilevare il passaggio di onde gravitazionali lungo i bracci stessi. Migliorare la stabilità della sorgente laser e diminuire il rumore di fondo, che può impedire ai segnali più deboli di emergere, sono due degli accorgimenti che possono migliorare in maniera sostanziale la sensibilità di questi rivelatori.
«Abbiamo compiuto progressi significativi nella realizzazione di rivelatori di onde gravitazionali di terza generazione», spiega Benno Willke del Max Planck Institute for Gravitational Physics e della Leibniz Universität di Hannover, a capo del team di ricerca. «Grazie ai laser più stabili, gli interferometri di prossima realizzazione saranno in grado di percepire onde gravitazionali più deboli e provenienti da sorgenti più lontane. Questo ci permetterà di indagare eventi astrofisici che coinvolgono stelle di neutroni e buchi neri».
Advanced Ligo sfrutta un sistema composto da fotodiodi, che convertono la luce in corrente elettrica e rivelano eventuali fluttuazioni di intensità del laser, correggendo i contributi dovuti al rumore. Un set separato e identico di fotodiodi viene utilizzato per assicurare che il rumore sia stato portato sotto al livello desiderato.
Il prototipo da 10 metri di Advanced Ligo, presso l’Università di Hannover. Crediti: Leibniz Universitaet Hannover
«Sebbene i fotodiodi vengano tipicamente utilizzati per rilevare la potenza del rumore del laser, possono raggiungere soltanto i 50 milliwatt ciascuno, anziché i 200 necessari per la misura di rumore», dice Willke. I ricercatori hanno superato questo problema distribuendo il fascio di luce su quattro fotodiodi, ottenendo così la sensibilità giusta. Per testare le prestazioni del nuovo apparato, i ricercatori hanno assemblato i rivelatori nel prototipo da 10 metri di Advanced Ligo, una sorta di banco di prova utilizzato per sviluppare le nuove tecnologie di rilevazione delle onde gravitazionali.
Grazie ai test, gli scienziati hanno dimostrato che è possibile migliorare la stabilità del laser di un fattore cinque. Il dato corrisponde a quanto ottenuto in precedenza in esperimenti di laboratorio. «Questo lavoro dimostra che siamo in grado di trasferire il livello di stabilità raggiunto in un ambiente isolato al prototipo da 10 metri», spiega Willke. «Abbiamo dimostrato che i fotodiodi funzionano come speravamo, il che significa che dovremmo riuscire a ottenere gli obiettivi di stabilità prefissati per la prossima generazione di rivelatori di onde gravitazionali».
Il team di Willke ha anche dimostrato che, apportando alcune piccole modifiche, i prossimi rivelatori di onde gravitazionali potrebbero aumentare ulteriormente la propria sensibilità utilizzando un laser nella cosiddetta modalità Laguerre-Gauss, ovvero con profili del fascio con simmetria circolare o cilindrica.
Advanced Ligo utilizza attualmente il laser in modalità gaussiana, vale a dire con un profilo di intensità che segue una distribuzione gaussiana. Gli scienziati hanno proposto di utilizzare la modalità Laguerre-Gauss per il rivelatore di onde gravitazionali di prossima generazione chiamato Einstein Telescope, che dovrebbe raggiungere una sensibilità 10 volte maggiore rispetto agli strumenti odierni.
Nel frattempo, a Cascina, in provincia di Pisa, è tutto pronto per l’inaugurazione ufficiale dello European Gravitational Observatory, l’interferometro della collaborazione Virgo. Il 20 febbraio prossimo, infatti, lo strumento entrerà in azione, apportando il suo prezioso contributo alla ricerca di onde gravitazionali. Occhi e orecchie puntate al cosmo, dunque. Nei prossimi mesi ci sarà molto da scoprire, grazie a questa nuova generazione di strumenti a nostra disposizione.
Per saperne di più, leggi gli articoli:
- “Shot-noise-limited laser power stabilization for the AEI 10 m Prototype interferometer” di Jonas Junker, Patrick Oppermann e Benno Willke
- “Higher-order Laguerre–Gauss modes in (non-) planar four-mirror cavities for future gravitational wave detectors” di Andreas Noack, Christina Bogan e Benno Willke