Onde gravitazionali “Low Cost”: Con gli orologi atomici si anticipa la scienza spaziale di un decennio

Mentre attendiamo pazientemente (e con cospicui finanziamenti) le grandi missioni spaziali come LISA, previste non prima del 2030, la ricerca scientifica trova scorciatoie ingegnose e, soprattutto, più economiche, per registrare le onde gravitazionali e capire come queste interagiscano con la materia e la fisica alla base della loro diffusione.

Un gruppo di ricercatori delle Università di Birmingham and Sussex, guidato dal Prof. Giovanni Barontini,  ha messo a punto un metodo rivoluzionario per rilevare le onde gravitazionali nella banda dei milli-Hertz, un “punto cieco” dell’astronomia moderna, utilizzando tecnologie che stanno comodamente su un tavolo da laboratorio.

Il problema: un “Buco” nelle frequenze cosmiche

Le onde gravitazionali, quelle “increspature nello spaziotempo” predette da Einstein, sono state finora un gioco per strumenti dai budget colossali. Da un lato abbiamo i giganteschi osservatori terrestri come LIGO e Virgo, perfetti per le alte frequenze; dall’altro, i pulsar timing array, che scandagliano le frequenze bassissime. In mezzo, un vuoto. La banda dei milli-Hertz (da 10⁻⁵ a 1 Hz) è rimasta finora inaccessibile, precludendoci la vista su fenomeni cosmici affascinanti come fusioni di buchi neri supermassicci, sistemi binari di nane bianche e forse anche i residui del Big Bang.

Per colmare questa lacuna, si sta lavorando al progetto LISA (Laser Interferometer Space Antenna), un’impresa faraonica che posizionerà rivelatori nello spazio. Ottima idea, se non fosse che dovremo aspettare almeno un altro decennio per vederla operativa. E si sa, nella scienza come nell’economia, il tempo è denaro.

L’antenna satellitare LISA- ASI

La soluzione: orologi atomici e cavità ottiche

Ed è qui che arriva l’innovazione, quasi a dire: “possiamo fare di meglio, con meno”. I ricercatori propongono un rilevatore compatto che sfrutta due tecnologie consolidate:

• Cavità Ottiche di Precisione: Si tratta di risonatori ottici ultra-stabili, progettati per misurare variazioni infinitesimali nella luce laser.
• Orologi Atomici: La stessa tecnologia che garantisce una precisione temporale assoluta viene usata come riferimento di frequenza.

In pratica, il passaggio di un’onda gravitazionale altera in modo quasi impercettibile la distanza tra gli specchi delle cavità ottiche. Questa minima variazione viene misurata con una precisione estrema, rivelando l’onda stessa. Il design è non solo compatto, ma anche resistente al “rumore” sismico e newtoniano che affligge i grandi interferometri terrestri.

Come spiega la Dott.ssa Vera Guarrera dell’Università di Birmingham, “utilizzando una tecnologia maturata nel contesto degli orologi atomici ottici, possiamo estendere il raggio d’azione del rilevamento delle onde gravitazionali in una gamma di frequenze completamente nuova con strumenti che si adattano a un tavolo da laboratorio”. Si apre quindi la possibilità di creare una rete globale di questi rilevatori, iniziando fin da subito a cercare segnali che altrimenti rimarrebbero nascosti.

In sostanza, questa nuova tecnica offre un modo immediato e conveniente per iniziare a esplorare una nuova frontiera dell’astrofisica, testando modelli cosmologici e forse anche cercando segnali provenienti dall’universo primordiale. Un bell’esempio di come l’ingegno possa battere la semplice disponibilità di spesa.

Domande & Risposte

1. In parole semplici, perché non potevamo già rilevare queste onde gravitazionali?

Le onde gravitazionali nella banda dei milli-Hertz sono troppo “lente” per gli strumenti a terra come LIGO, che sono disturbati dal rumore sismico e gravitazionale del nostro pianeta. D’altra parte, sono troppo “veloci” per essere rilevate con le tecniche usate per le frequenze ultra-basse, come l’osservazione delle pulsar. Questo le ha rese finora “invisibili”, richiedendo o strumenti nello spazio, liberi dai disturbi terrestri, o un approccio completamente nuovo e immune a queste interferenze, come quello appena proposto.

2. Questo nuovo metodo renderà obsoleto il progetto spaziale LISA?

Assolutamente no. I due sistemi sono complementari. Il nuovo rilevatore terrestre offre un’opportunità immediata e a basso costo per iniziare a esplorare questa frequenza, fungendo da apripista. La futura missione LISA, operando dallo spazio, avrà una sensibilità molto superiore e sarà in grado di effettuare misurazioni più precise e dettagliate, libere da qualsiasi interferenza terrestre. Questo strumento “da tavolo” colma il divario temporale, permettendoci di non restare con le mani in mano per dieci anni.

3. Quali scoperte concrete potremmo fare con questo strumento?

Le possibilità sono enormi. Potremmo osservare migliaia di sistemi binari di nane bianche all’interno della nostra galassia, studiandone l’evoluzione. Potremmo assistere alle fasi finali della fusione di buchi neri supermassicci, eventi che scatenano un’energia inimmaginabile. Infine, si potrebbe dare la caccia a un “fondo stocastico” di onde gravitazionali, una sorta di eco cosmica residua del Big Bang, che ci fornirebbe un’istantanea diretta dei primissimi momenti dell’universo.