LIGO: Rilevare le onde gravitazionali con ottiche di precisione

Vedere la gravità: Come LIGO rileva le onde gravitazionali

La storia dell’astronomia è legata al progresso dei telescopi, che hanno rivelato progressivamente sempre più dell’Universo. È iniziata con il telescopio primitivo di Galileo e di altri pionieri, e continua ancora oggi.

Abbiamo trattato diversi di questi nuovi megaprogetti telescopici, ad esempio:

• DKIST, il telescopio solare più potente al mondo.
• Il James Webb Space Telescope, situato a milioni di miglia dalla Terra.
• Il Vera C. Rubin Observatory, un telescopio di sorveglianza che osserva l’intero cielo in una sola volta.
• SKAO (Square Kilometre Array Observatory), che studia il cielo nello spettro delle onde radio.
• DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment), che rileva i neutrini sfuggenti.

Un nuovo tipo di astronomia sta emergendo, uno che la studia in modo completamente nuovo: invece della luce e della lunghezza d’onda delle onde elettromagnetiche, misura le onde gravitazionali.

Solo teoriche fino a tempi relativamente recenti, ora le onde gravitazionali sono un fenomeno provato. Un progetto sta cercando modi per misurarle: il Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO).

Misurare la gravità con l’astronomia delle onde gravitazionali

Per molto tempo si è creduto che la gravità fosse “solo” una delle forze fondamentali dell’Universo, come l’elettromagnetismo o la forza che guida le interazioni nucleari a livello atomico.

Ma all’inizio del XX^secolo, la teoria della relatività di Einstein descrisse la gravità come la curvatura dello spazio‑tempo.

La sua teoria non solo descrive correttamente come funziona la gravità per oggetti molto grandi come le stelle, ma prevedeva anche molti fenomeni spaziali ancora da scoprire all’epoca, come le stelle di neutroni e i buchi neri.

Un’altra previsione furono le onde gravitazionali, che fanno allungare e comprimere lo spazio come increspature che si propagano sulla superficie di un lago.

A differenza di un’onda regolare di luce o anche di un’onda oceanica d’acqua, un’onda gravitazionale non è trasportata da particelle. Invece, un’onda gravitazionale si verifica quando il tessuto stesso dello spazio‑tempo ondeggia o vibra.

Alcuni eventi sarebbero probabilmente abbastanza massicci da generare onde gravitazionali sufficientemente forti da essere misurate, come, per esempio, la collisione di due buchi neri tra loro.

Tuttavia, per quanto potente sia un fenomeno in termini assoluti, la distanza enorme tra la Terra e la sua sorgente, e la difficoltà di misurare lo spazio‑tempo stesso, significano che è necessario progettare uno strumento ultra‑sensibile per rilevare questi eventi.

Quando le onde gravitazionali raggiungono la Terra, provenienti da milioni o miliardi di anni luce di distanza, sono migliaia di miliardi di volte più piccole.

Ecco perché è stato concepito uno strumento impressionante come LIGO.

Per le onde gravitazionali della prima rilevazione di LIGO, la quantità di oscillazione dello spazio‑tempo generata era 10.000 volte più piccola del nucleo di un atomo!

Come gli interferometri rilevano le onde gravitazionali

La prima prova indiretta delle onde gravitazionali fu ottenuta dallo studio dell’orbita di un pulsar binario. La perdita di energia per decadimento orbitale corrispondeva all’energia prevista che sarebbe stata persa nella generazione di onde gravitazionali, conferendo agli scienziati responsabili di questa scoperta il Premio Nobel per la Fisica del 1993.

Fonte: Nobel Prize

Una misurazione diretta richiedeva un tipo diverso di prova, usando un interferometro. L’idea di base di un interferometro è utilizzare l’interazione tra fasci di luce. Se due onde luminose hanno la stessa lunghezza d’onda, si sovrappongono e creano un modello di punti scuri e luminosi.

Ma se qualcosa modifica queste lunghezze d’onda, la perturbazione può essere misurata.

Poiché l’espansione e la contrazione dello spazio‑tempo dovute alle onde gravitazionali espandono e contraggono un braccio dell’interferometro più dell’altro, ciò crea un effetto rilevabile e misurabile delle onde gravitazionali.

LIGO – Un risultato premiato con il Nobel

Nel suo aspetto più semplice, LIGO è costituito da 2 bracci lunghi, con luce inviata lungo di essi, ciascuno di 4 km, ovvero 2 ½ miglia. La scala del braccio aiuta a rilevare anche la variazione più minuta, poiché più lunghi sono i bracci, più piccole sono le misurazioni possibili.

Un raggio laser è inviato lungo un braccio dell’interferometro, che viene diviso in due. Entrambi i fasci vengono poi riflessi indietro dopo aver colpito uno specchio.

Normalmente, ciascun raggio laser dovrebbe annullarsi a vicenda.

Ma se un braccio è contratto o esteso più dell’altro da un’onda gravitazionale, l’interferenza tra i fasci laser si interrompe e viene rilevato un segnale luminoso.

Fonte: Nobel Prize

Nel 2015, il Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory della National Science Foundation degli Stati Uniti (NSF LIGO) confermò la rilevazione delle onde create dalla collisione di buchi neri a 1,3 miliardi di anni luce dalla Terra.

Questo lavoro rivoluzionario premiò i fisici Rainer Weiss, Barry Barish e Kip Thorne con il Premio Nobel per la fisica del 2017.

Costruire LIGO

In linea di principio, LIGO è un concetto relativamente semplice, facile da capire non appena riusciamo a comprendere le onde gravitazionali e con una minima comprensione della luce e dei laser.

Costruire un sistema sufficientemente preciso da rilevare variazioni di lunghezza pari a 1/10.000^esimo di un atomo è un’altra storia.

Due strutture simili furono costruite, una nel nord‑ovest degli Stati Uniti e una in Louisiana, separate da circa 3.000 km (1 860 miglia).

Fonte: Nobel Prize

La doppia struttura funziona come conferma, poiché la loro grande distanza significa che un’onda gravitazionale avrà un “ritardo” di sette secondi tra le due, generando lo stesso segnale.

Quindi, mentre una singola rilevazione potrebbe sempre essere considerata un possibile errore o una perturbazione locale, lo stesso evento che si verifica su entrambi i lati degli USA esattamente nell’intervallo di tempo previsto è quasi impossibile.

Le strutture doppie offrono anche un vantaggio inestimabile: la possibilità di triangolare il segnale. Questo ci consente di restringere la regione del cielo da cui il segnale potrebbe provenire, regione poi identificata da astronomi “regolari” che troveranno quale oggetto stellare potrebbe esserne responsabile.

La ricerca di LIGO per una precisione di misura senza precedenti

Il primo ostacolo tecnico è che la lunghezza d’onda e l’intensità della luce laser devono essere il più stabili possibile. Senza questa stabilità, fluttuazioni casuali potrebbero essere interpretate erroneamente come il segnale di un’onda gravitazionale.

Poi il fascio deve colpire gli specchi sospesi con precisione. Questi specchi non devono mai muoversi.

Devono quasi non vibrare affatto, nemmeno quando le foglie cadono da alberi vicini, un bambino corre o un camion passa su una strada distante. Allo stesso tempo, questi specchi sospesi devono poter oscillare con il passaggio delle onde gravitazionali.

Variazioni minute non dovute alla gravità devono anch’esse essere compensate, ad esempio:

• Il moto termico degli atomi sulla superficie degli specchi
• Effetti quantistici nel laser.
• Scosse sismiche.
• Qualsiasi impurità dell’aria interferirebbe, richiedendo che l’intero esperimento sia condotto in enormi tubi a vuoto.

In teoria, bracci più lunghi di 4 km fornirebbero misurazioni ancora più precise, ma nella pratica esiste un limite pratico a quanto grande possa essere costruito un interferometro.

Di conseguenza, è emerso rapidamente che, oltre ai lavori preliminari, questo progetto richiedeva un budget e un know‑how tecnico molto superiori a quelli di un piccolo gruppo di ricerca.

Così, nel 1994, lo scienziato Barry Barish della CalTech trasformò il piccolo gruppo di ricerca di circa 40 persone in una collaborazione internazionale su larga scala con più di mille partecipanti, con un finanziamento iniziale di 395 milioni di dollari.

Ci sarebbero voluti circa 200 milioni di dollari in totale per raggiungere la svolta del 2015, quando LIGO ricevette laser dieci volte più potenti, specchi del peso di 40 kg, filtri di rumore altamente avanzati e uno dei più grandi sistemi di vuoto al mondo.

Stabilizzazione sismica

Poiché la Terra non è mai perfettamente stabile, neanche gli specchi di LIGO lo sono senza stabilizzatori sismici.

Un primo sistema di riduzione passiva delle vibrazioni fu installato sugli specchi: un complesso sistema di pendoli che assorbe le vibrazioni e impedisce loro di trasferirsi alla parte successiva.

Combinata, questa struttura è così efficace nel ridurre le vibrazioni che qualsiasi vibrazione presente in cima alla sospensione viene ridotta di 100 milioni di volte prima di raggiungere la massa di prova stessa.

Fonte: LIGO

Anche questo non fu sufficiente, quindi è stato completato da un sistema di stabilizzazione attiva. I sismometri intorno a ciascun osservatorio percepiscono una gamma di movimenti del suolo, poi inviano questi segnali a un computer che li combina e determina le contromosse.

Fonte: LIGO

L’importanza di un’assenza di vibrazioni era un criterio fondamentale nella scelta del sito per costruire gli interferometri. Non solo era necessario molto spazio libero, ma anche l’assenza di attività umane che generassero vibrazioni, l’equivalente dell’inquinamento luminoso per le rilevazioni di onde gravitazionali.

Ottica

Con un peso di 40 kg ciascuno e sospesi alla base delle sospensioni, le ottiche di LIGO sono realizzate con materiali ultra‑puri disposti in strati spessi pochi nanometri. Sono rivestite con materiali che riflettono tutti i fotoni tranne uno su ogni 5 milioni che li colpiscono!

Laser

Il nucleo dell’esperimento, i laser, devono avere una lunghezza d’onda molto stabile per mantenere costante il modello di interferenza, e vederlo disturbato solo dalle onde gravitazionali.

I laser commerciali non sarebbero stati così precisi. Così il laser di LIGO è stato progettato appositamente per essere uno dei laser più stabili e puri mai inventati.

Vuoto

Per ridurre qualsiasi interferenza da aria o particelle sospese, i test sono eseguiti in condizioni di vuoto ultra‑alto.

Rimuove anche il rischio che la polvere si accumuli sugli specchi, che verrebbe incenerita dal laser e distruggerebbe gli specchi da 2 milioni di dollari.

La pressione atmosferica all’interno dei bracci di LIGO è un trilionesimo di quella a livello del mare, il che significa che ci sono circa solo 10 milioni di molecole per centimetro cubo.

Risultati di LIGO

Dopo la scoperta iniziale dei buchi neri in collisione nel 2015, l’osservatorio ha misurato molti altri eventi ad alta energia nell’Universo:

• Un’altra fusione di buchi neri nel 2016, ciascuna di circa 30 masse solari, è stata localizzata a 1,3 miliardi di anni luce, quasi 1/10^esimo della distanza dell’intero universo osservabile.
• Una terza e poi una quarta fusione di buchi neri nel 2017.

Successivamente, LIGO è stato chiuso per miglioramenti fino al 2019, prima di essere interrotto dalla pandemia. Gli scienziati hanno colto l’occasione per ulteriori miglioramenti e per aggiungere alla rete VIRGO, la struttura sorella europea fuori Pisa, in Italia.

Futuro di LIGO

I miglioramenti precedenti hanno portato LIGO a effettuare non meno di 79 rilevazioni di onde gravitazionali negli ultimi anni, creando un ampio catalogo di eventi che coinvolgono stelle di neutroni e buchi neri per altri astronomi, che possono identificarli con precisione e comprenderli meglio.

Un importante aggiornamento futuro sarà la sostituzione dell’attuale specchio da 40 kg con specchi da 100 kg, insieme a sistemi di sospensione molto più grandi.

La sensibilità aggiuntiva dovrebbe aiutare a trovare ulteriori informazioni sulla gravità nell’Universo.

Un altro campo di ricerca è “onde gravitazionali burst”. Queste onde di breve durata provenienti da fonti sconosciute o inattese sono solo teoriche e difficili da rilevare, quindi gli analisti di LIGO devono mantenere una mentalità aperta su ciò che è o non è un segnale valido.

“Potremmo anche rilevare onde gravitazionali da sistemi di cui non eravamo mai a conoscenza. Per cercare questo tipo di onde gravitazionali, non possiamo presumere che avranno proprietà ben definite come quelle modellate in precedenza dagli scienziati di LIGO.

Ciò significa che non possiamo limitare le nostre analisi a cercare solo le firme delle onde gravitazionali che gli scienziati hanno previsto.”

Altri rilevatori di onde gravitazionali

La prossima generazione di interferometri è anch’essa in discussione, in particolare Cosmic Explorer, un interferometro con bracci lungi 40 km, o Einstein Telescope, un rivelatore triangolare con bracci lunghi 10 km sepolti in profondità sotterranea.

Un altro progetto che potrebbe vedere il futuro è un enorme rilevatore di onde gravitazionali basato nello spazio: LISA, Laser Interferometer Space Antenna. È già in fase di progettazione e test da parte di un’iniziativa guidata dall’Agenzia Spaziale Europea che opererà tre veicoli spaziali in formazione triangolare, con una distanza tra i satelliti di 2,5 milioni di chilometri.

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Conclusione

LIGO è un progetto molto impressionante, poiché è passato da un esperimento pionieristico a convalidare immediatamente l’esistenza delle onde gravitazionali.

Un progetto come LIGO potrebbe a prima vista apparire puramente accademico. Questo è raramente il caso, sebbene le applicazioni dirette possano sembrare difficili da immaginare inizialmente.

Ad esempio, la teoria della relatività di Einstein è oggi usata quotidianamente per calibrare le posizioni dei satelliti GPS, un’applicazione che era difficile immaginare come necessità commerciale quotidiana nel 1919.

Allo stesso modo, LIGO spinge gli scienziati a inventare specchi, sistemi di stabilizzazione e laser sempre più precisi, con livelli di ingegneria di classe mondiale.

Queste innovazioni probabilmente daranno frutti in qualsiasi tecnologia che utilizzi questi dispositivi, inclusi il calcolo avanzato o le tecnologie spaziali.

Investire in ottiche avanzate

Corning Incorporated

Man mano che i telescopi spingono i limiti della produzione di vetro avanzato di precisione, si aprono molte possibilità industriali in settori così diversi come l’automotive, i semiconduttori, l’IA, la difesa, le biotecnologie, la sanità, ecc. Il mercato delle ottiche avanzate è un mercato da 310 miliardi di dollari, con una crescita prevista del 9,2 % CAGR fino al 2032.

Corning è un’azienda di vetro e ottica che esiste da 170 anni. Nel corso della sua storia, ha prodotto le prime lampadine di vetro per la luce elettrica di Thomas Edison, la prima fibra ottica a bassa perdita, i substrati cellulari che consentono i convertitori catalitici e il primo vetro di copertura resistente ai danni per dispositivi mobili.

Fonte: Corning

Oggi, l’azienda si concentra sulle tecnologie di base della produzione di vetro e ceramica, e sulle tecnologie di fisica ottica, che condividono processi di produzione e mercati finali comuni.

Fonte: Corning

Questa interconnessione di tecnologie consente all’azienda di condividere capacità comuni di produzione, ricerca e ingegneria tra le diverse linee di prodotto. Con oltre 52 000 dipendenti, più di 77 siti produttivi in tutto il mondo e oltre 10 centri di R&D, l’azienda è un grande attore nel suo settore.

Fonte: Corning

L’azienda beneficia del boom dell’IA e della costruzione di data center (fibre ottiche), così come del consumo complessivo di vetro speciale in schermi e biotecnologia.

Corning non dovrebbe essere molto colpita dalle tariffe, poiché il 90 % dei ricavi statunitensi proviene da prodotti di origine statunitense. Molto poco delle vendite effettuate in Cina proviene da impianti statunitensi, con l’80 % delle vendite cinesi realizzate in Cina.

Le tariffe potrebbero persino aiutare, poiché Corning sta entrando nel mercato dei pannelli solari, con il controllo strategico di Hemlock Solar, per produrre pannelli made in USA, mentre i pannelli solari asiatici (non solo cinesi) sono soggetti a tariffe a quattro cifre. L’80 % della capacità è già stato assicurato dagli impegni dei clienti.

Il solare ha molto senso per l’azienda, poiché la lavorazione del silicio è una competenza di produzione centrale dell’azienda, che ha prodotto polisilicio per 60 anni, incluso silicio ultra‑puro (99,9999999999 % puro) e ora sta lanciando la produzione di wafer di silicio, un prodotto importato al 100 % negli USA.

Fonte: Corning

L’azienda sta anche esplorando altre tecnologie avanzate dove la sua esperienza in vetro e ceramica potrebbe fornire un vantaggio solido, tra cui vetro pieghevole, realtà aumentata, cattura del carbonio, ecc.

Fonte: Corning

Nel complesso, Corning è un’azienda profondamente tecnica, con una produzione localizzata che non dovrebbe soffrire della deglobalizzazione. Abbraccia anche nuovi mercati che corrispondono alle sue competenze chiave, in particolare il solare e le comunicazioni ottiche / infrastrutture IA. Questo la rende sia un’azienda relativamente conservatrice che approfondisce il proprio nicchia, ma anche un potenziale titolo di crescita nei mercati high‑tech.

Ultime notizie e sviluppi azionari di Corning Inc. (GLW)