La rete di rivelazione delle onde gravitazionali

Un'interferometro gravitazionale è uno splendido strumento, probabilmente il più sensibile mai realizzato, ma ha un grosso difetto: funziona come un microfono in ascolto, e quindi non è in grado, da solo, di ricostruire la direzione di provenienza dell'onda.
In dettaglio, la sensibilità dello strumento non è esattamente omnidirezionale, ma varia molto poco in funzione della direzione di arrivo: è massima per onde che arrivano da direzioni perpendicolari al piano dell'interferometro, ma diminuisce solamente della metà per onde gravitazionali che viaggiano parallelamente al piano dello strumento.
Pertanto per poter realizzare una vera e propria astronomia gravitazionale, è necessario adoperare più strumenti conteporaneamente: ma con due soli interferometri, basandosi sulla differenza dei tempi di arrivo delle onde gravitazionali (che viaggiano, ricordiamolo, alla velocità della luce), è possibile solamente individuare sulla volta celeste una regione a forma di corona circolare dalla quale è probabile provenga il segnale. Perché possa essere individuata con maggiore esattezza la direzione di provenienza, sono necessari almeno tre interferometri: confrontando i ritardi, si riesce a determinare la direzione di provenienza entro qualche decina di gradi quadrati.
Gli interferometri attualmente realizzati nel mondo sono quattro: due, negli Stati Uniti, fanno parte del progetto Ligo, uno, in Italia, è l'interferometro Virgo, il quarto, Geo600, si trova in Germania. Un altro interferometro, più piccolo è stato operativo in Giappone fino a poco tempo fa.

Una foto aerea dell'edificio centrale dell'interferometro LIGO di Livingston (Credits: The LIGO Collaboration)

I due interferometri che formano l'osservatorio LIGO hanno bracci lunghi 4 km, e si trovano ad una distanza di circa 3000 km l'uno dall'altro, uno a Livingston, in Louisiana, ed un altro ad Hanford, nello stato di Washington. L'orientazione relativa dei due interferometri è tale da massimizzare la probabilità di una osservazione congiunta da parte dei due rivelatori.
LIGO ha operato dal 2002 al 2010 in una configurazione iniziale che non ha rivelato onde gravitazionali, ma ha consentito di porre dei limiti importanti sulla loro ampiezza. Dopo il 2010, LIGO è stato completamente riprogettatto e migliorato, per tornare in funzione con il nome di advanced LIGO o aLIGO solamente all'inizio del 2015. I dati accumulati nel primo periodo di presa dati corrispondono già ad un volume nello spazio tempo paragonabile a tutti i periodi di presa dati precedenti.

VIRGO è invece un interferometro che si trova a Cascina, vicino Pisa, in Italia. Frutto di una collaborazione italo francese, cui poi si sono aggiunti istituti Olandesi, Polacchi e Ungheresi, Virgo ha dei bracci della lunghezza di 3 Km. La fase operativa iniziale di VIRGO è durata dal 2017 al 2011: successivamente il rivelatore è stato smontato e riprogettato, e dovrebbe ricominciare a prendere dati nel 2016 con il nome di advanced VIRGO. Neanche VIRGO ha mai rivelato onde gravitazionale.

Una suggestiva foto aerea di VIRGO. La foto è stata presa da Sud in direzione Nord. (Credits: The virgo Collaboration)

Infine GEO600 è un interferometro più piccolo (i bracci sono lunghi solamente 600 metri) e meno sensibile sia di LIGO che di VIRGO: tuttavia è di importanza strategica non solo per l'aiuto nella determinazione della direzione di provenienza delle onde gravitazionali, ma anche perché viene adoperato come laboratorio per la sperimentazione di nuove tecniche da adoperare nei rivelatori di nuova generazione.

Vista l'importanza di adoperare una rete di osservatori, sono stati stretti degli accordi tra i membri delle tre collaborazioni che prevedono periodi di osservazione comuni, lo scambio dei dati e delle informazioni e la firma congiunta delle pubblicazioni. Inoltre l'esperimento LIGO periodicamente pone nel pubblico dominio i dati per sottoporli all'analisi dei ricercatori non facenti parte dell'esperimento.

La sensibilità dei vari interferometri nel loro ultimo periodo di operatività è mostrata in figura:

Sensibilità degli interferometri LIGO, VIRGO e GEO600 all'epoca dei loro periodi osservativi.

Come si vede, la sensibilità di LIGO è risultata generalmente migliore di quella di VIRGO, tranne che nella regione delle basse frequenze, dove VIRGO produce i migliori risultati grazie alle sospensioni sviluppate a Pisa che producono un isolamento più efficace dai movimenti del terreno. La sensibilità di GEO risulta invece inferiore.

I nuovi rivelatori dovrebbero risultare più sensibili dei loro progenitori di circa un ordine di grandezza per la maggior parte delle frequenze; l'adozione da parte di LIGO di un sistema di sospensione simile a quello di VIRGO consentirà anche alla collaborazione americana delle buone prestazioni anche a basse frequenze.

Oltre ai rivelatori attualmente esistenti, ne esistono altri in fase di costruzione o progettazione più o meno avanzata: ricordiamo ad esempio KAGRA, in Giappone, o un terzo interferometro aLIGO da costruirsi in India.
Infine ricordiamo che esistono già progetti avanzati per una nuova generazione di rivelatori da costruire nello spazio: l'interferometro LISA, in particolare, dovrebbe essere costituito da tre satelliti distanti tra di loro un milione di km, orbitanti sotto l'effetto del solo campo gravitazionale. Un primo prototipo di satellite è stato posto di recente in orbita: si tratta della missione LISA Pathfinder, che trasporta una massa con caratteristiche simile ad uno degli specchi che formeranno l'interferometro. Lo scopo è quello di lasciare la massa libera di muoversi sotto l'azione del solo campo gravitazionale, mentre un complesso sistema di sensori posto sul satellite ne segue il movimento. Proprio pochi giorni fa la massa è stata sganciata per la prima volta dal sistema che la teneva bloccata durante il decollo.