Abbiamo saputo rilevare increspature nello spazio-tempo solo in occasione di importanti eventi nell’universo. Potrebbe esserci ora un metodo per individuarle in anticipo.
di Neel V. Patel
Sono passati quattro anni dalla prima rilevazione di esemplari di onde gravitazionali, quelle strane oscillazioni nello spazio-tempo causate dalla collisione tra due enormi oggetti nello spazio. Il rilevamento di questi segnali ha confermato la teoria della relatività generale di Einstein, secondo cui gli oggetti in accelerazione producono curvature nello spazio-tempo che si propagano in onde. In questi quattro anni, gli scienziati hanno osservato dozzine di questi segnali increspare aeree differenti dell’universo, provocati da collisioni cosmiche di ogni genere.
In particolare, sin da quel primo storico rilevamento, gli scienziati hanno cercato di interpretare cosa tali segnali possono dirci sull’universo. Il limite di questi rilevamenti, purtroppo, è il fatto che ciascuno non rappresenta che un’istantanea del momento dell’impatto, né è possibile studiare questi eventi con altri strumenti, in quanto non sappiamo come prevederli. Peggio ancora, perché non abbiamo alcun preavviso prima che si verifichino questi eventi, non possiamo nemmeno davvero usare altri strumenti per studiarli. In assenza di informazioni che possano contestualizzare l’evento, le sole onde gravitazionali non possono dirci granchè.
La chiave per ottenere più informazioni da questi segnali potrebbe originare da un nuovo esperimento in corso nelle profondità di un pozzo verticale profondo 100 metri al Fermilab di Batavia, nell’Illinois. Si tratta del MAGIS-100, un progetto ideato per verificare se sparare atomi congelati con un laser possa permettere il rilevamento di segnali ultra sensibili capaci di attraversare lo spaziotempo. In caso di successo, l’esperimento potrebbe aprire le porte ad una nuova era di “interferometria atomica”, ed a nuove scoperte su onde gravitazionali, materia oscura, meccanica quantistica e altro.
Nel MAGIS-100, gli atomi vengono raffreddati ad una frazione sopra lo zero assoluto (per stabilizzarli) e quindi lasciati cadere in una camera da vuoto alloggiata all’interno del pozzo. Un laser lancia impulsi tra gli atomi in caduta libera e gli studiosi misurano il tempo impiegato dalla luce a muoversi tra loro. Poiché la luce nel vuoto viaggia a velocità costante, i tempi misurati dovrebbero essere precisamente prevedibili. Qualsiasi ritardo sarebbe presumibilmente provocato da interferenze esterne sensibili, come onde gravitazionali o altro.
Fondamentalmente, il MAGIS-100 è una versione ridotta degli interferometri del LIGO, che hanno permesso i primi rilevamenti di onde gravitazionali nel 2015. La differenza principale sta nel fatto che il LIGO conduce i propri rilevamenti grazie a specchi posizionati a diversi chilometri di distanza anziché atomi congelati. Questi specchi sono sensibili ad eventuali perturbazioni nel terreno, che costringono gli scienziati a distinguere i segnali effettivi da quelli falsi. In teoria, un atomo in caduta libera non dovrebbe essere soggetto a simili interferenze.
Il fisico Jason Hogan, della Stanford University, uno dei leader del progetto, paragona la tecnologia del MAGIS-100 ad un ibrido tra un interferometro e un orologio atomico. “Questi atomi fanno sostanzialmente le veci di cronometri che tengono il tempo sulla propagazione della luce e cercano fluttuazioni provocate da altri segnali”, spiega lo studioso. In effetti, il predecessore del MAGIS-100, profondo 10 metri, utilizzava atomi di rubidio, mentre il nuovo strumento utilizzerà atomi di stronzio, protagonisti delle prestazioni dei migliori orologi atomici al mondo, in quanto meno sensibili ai campi magnetici esterni rispetto ad altri atomi. La speranza è che la nuova versione del MAGIS-100 possa rilevare onde gravitazionali oltre la portata di grandi progetti come il LIGO o il VIRGO, in Italia.
Il LIGO misura frequenze comprese tra 10 hertz e 1 chilohertz. Ciò significa che può solo rilevare eventi immensi, come l’attimo della collisione tra due buchi neri o due stelle di neutroni. Questi eventi, però, non sono che il picco di un lungo processo, prima e dopo il quale vengono emesse onde gravitazionali di frequenze inferiori ai 10 Hz. Più gli oggetti coinvolti si avvicinano l’uno all’altro, più velocemente orbitano, fino a produrre onde gravitazionali con frequenze superiori ai 10 Hz. A collisione avvenuta, le onde gravitazionali tornano ancora una volta su frequenze più basse.
L’interferometria atomica dovrebbe poter rilevare frequenze tra i 10 Hz ed i 100 mHz, o anche meno, emesse mesi o anche un anno prima della collisione. Gli scienziati avrebbero quindi la possibilità di studiare questi fenomeni in maniera più completa, non solo seguendo il processo nella sua interezza, ma sfruttando il preavviso per installare un’ampia gamma di apparecchiature, come rilevatori di onde radio, infrarossi, radiazioni UV, raggi X e raggi gamma.
Il rilevamento di queste frequenze più basse potrebbe permettere anche lo studio di onde gravitazionali emesse da fenomeni meno meno massicci, una nuova fonte di informazioni sull’universo primordiale. L’interferometria atomica potrebbe condurre a nuove scoperte anche nel campo della materia oscura, che alcune teorie interpretano come un materiale dalla massa estremamente ridotta e il comportamento di un’onda elettromagnetica. La sua presenza potrebbe essere rilevata da piccole interazioni misurabili nell’ordine di circa 1 Hz.
Il MAGIS-100 è, ad ora, solo un prototipo sperimentale. Un interferometro atomico effettivo dovrebbe essere lungo più di un chilometro per dimostrare la sensibilità necessaria a rilevare onde gravitazionali. Hogan e colleghi stanno ne già progettando non solo una versione lunga un chilometro, ma anche una versione satellitare. Come fa notare Rana Adhikari, professore di fisica della Caltech che lavora al LIGO, anche gli atomi vanno soggetti ad interferenze, seppur minime, nel campo di gravità terrestre. Un interferometro atomico in orbita nello spazio sarebbe effettivamente lo strumento più sensibile mai costruito, in grado di osservare le onde gravitazionali alle frequenze più basse raggiungibili.
I ricercatori della Stanford non sono i soli interessati a questo genere di tecnologia. Anche gruppi in Gran Bretagna, Francia e Cina stanno stanno sviluppando sistemi di interferometria atomica, e la versione francese è disposta in orizzontale. Idealmente, il prototipo del MAGIS-100 dovrebbe essere completato per l’estate del 2021.
Oliver Buchmueller, uno dei leader del progetto AION nel Regno Unito, prevede svariate applicazioni per questo genere di strumenti, una volta ridotti a dimensioni più compatte. In futuro, dispositivi per l’interferometria atomica potrebbero essere utilizzati nella navigazione marittima, in applicazioni militari, per assistere nella ricerca di guasti strutturali o rilevare terremoti con largo anticipo.
(lo)
