Coelum Astronomia 198 - 2016 - Page 43

agendo su due quantità: l’intensità e la lunghezza. Se l’onda è molto intensa e di una lunghezza non esagerata, per rivelarla sarà sufficiente posizionare due palline a qualche centimetro di distanza l’una dall’altra: tanto basta, infatti, all’onda breve e intensa per cambiare in modo drastico la loro separazione al suo passaggio. Se tuttavia l’onda è molto lunga (e magari anche poco intensa) e le palline sono distanti tra di loro molto meno della lunghezza dell’onda, è possibile che non si riesca a misurare la variazione della distanza perché al di sotto della sensibilità degli strumenti usati (cioè la capacità di apprezzare la variazione). Se non vogliamo cambiare lo strumento per la misura, possiamo aumentare la distanza tra le palline, fino a una o diverse volte la lunghezza dell’onda che vogliamo osservare. In questo caso, in effetti, se tra una pallina e l’altra ci sono almeno un paio o più di onde, anche se queste fossero di intensità bassissima la grande separazione dell’apparato di misura garantirebbe una variazione delle posizioni ben misurabile. Questa diventa una regola generale: all’aumentare della separazione tra gli apparati di misura si incrementa lo spostamento causato dal passaggio delle onde, che può quindi essere rilevato in modo molto più semplice.

Tornando ora alle nostre onde gravitazionali, considerata la loro bassa intensità e grandissima lunghezza (di migliaia di chilometri nel migliore dei casi) ci si presenta uno scenario un po’ sconfortante. Se per misurarle ponessimo le nostre due palline di riferimento a una distanza reciproca di appena un metro, lo spostamento che queste subirebbero al passaggio dell’onda sarebbe dell’ordine di 10-21 metri: un milione di volte inferiore alle dimensioni di un protone! Sarebbe quindi impossibile misurarlo!

Come possiamo fare, in concreto, per sperare di rivelare un’onda gravitazionale? Anche se allungassimo a milioni di chilometri la separazione dell’apparato di misurazione, la combinazione delle caratteristiche sopra indicate, ossia la grande lunghezza d’onda e la scarsa intensità, non produrrebbe spostamenti superiori a frazioni della dimensione di un atomo di idrogeno.

Non è possibile pensare di misurare una variazione di spazio così piccola con un normale metro o con un microscopio: ci serve qualcosa che riesca ad arrivare al livello di precisione sopra descritto, se esiste.

Gli interferometri

Il principio su cui si basano i rivelatori di onde gravitazionali è l’interferenza della luce. Uno strumento che sfrutta le proprietà delle onde elettromagnetiche per misurare separazioni piccolissime è chiamato interferometro ed è il “righello” da misurazione più potente di cui possiamo disporre in Natura.

L’interferometro si basa su due principi:

1) la velocità della luce è costante nel vuoto.

2) le onde elettromagnetiche sono, appunto, delle onde.

Se potessimo osservare ad una velocità super rallentata un raggio di luce propagarsi nel vuoto, questo non ci apparirebbe come una minuscola pallina, ma come un’onda che oscilla fino a miliardi di miliardi (e ancora miliardi, volendo) di volte al secondo. Quando questo raggio di luce incide su uno schermo e viene quindi fermato, si può notare come i valori del campo elettrico associato (e di quello magnetico) dipendano dal punto dell’oscillazione che ha impattato con lo schermo.

Questa proprietà delle onde ci consente di misurare delle distanze piccolissime basandosi sul principio dell’interferenza. Prendiamo un raggio di luce monocromatico (come quello di un laser), ovvero composto di luce di un solo colore, lo scomponiamo in due raggi identici perpendicolari tra loro e a questi facciamo fare lo stesso identico percorso. Al ritorno infine li ricombiniamo assieme. Se la distanza percorsa dai due raggi è esattamente la stessa, le due onde si ricombineranno perfettamente in fase, ovvero i valori del campo elettrico e magnetico nel momento in cui si incontreranno saranno gli stessi: i massimi con i massimi e i minimi con i minimi. L’intensità totale, trascurando le perdite durante il tragitto, sarà pari all’intensità iniziale e uguale alla somma delle intensità dei due raggi.

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