Ricerca di onde gravitazionali avviata
L'Agenzia spaziale europea (ESA) vuole utilizzare sonde spaziali per rilevare sperimentalmente le onde gravitazionali per la prima volta a partire dal 2034. Una missione preparatoria, alla quale partecipa anche l'ETH di Zurigo, inizierà l'anno prossimo. L'ETH News ne ha parlato con Domenico Giardini, professore dell'Istituto di geofisica.
Venerdì scorso, l'Agenzia spaziale europea (ESA) ha pubblicato la tabella di marcia per le sue prossime grandi missioni. Parte di questo piano è una grande missione per la ricerca di onde gravitazionali nello spazio intorno all'anno 2034, che Albert Einstein aveva previsto nella sua teoria della relatività generale. Nonostante gli intensi sforzi compiuti negli ultimi anni, gli scienziati non sono ancora riusciti a dimostrarle sperimentalmente. Il progetto su larga scala eLISA prevede di misurare queste onde utilizzando sonde spaziali in orbita intorno al Sole. Le tecnologie chiave del progetto su larga scala saranno testate a partire dal prossimo anno in una missione preparatoria ("LISA Pathfinder"). L'ETH di Zurigo, attraverso il gruppo di Domenico Giardini, professore di sismologia e geodinamica, fa parte di un consorzio internazionale che ha sviluppato la missione preparatoria e posto le basi per la missione su larga scala.
L'ETH News: Cosa volete ottenere con la missione preparatoria "LISA Pathfinder"?
Domenico Giardini: Da molti anni si discute di una missione spaziale per rilevare le onde gravitazionali. Tuttavia, è sempre stato riconosciuto che sarebbe molto difficile, poiché le tecnologie necessarie devono ancora essere sviluppate. ? stato quindi scelto un approccio in due fasi. "LISA Pathfinder" contiene già circa la metà delle tecnologie per la missione eLISA su larga scala, consentendo di testarle. La missione preparatoria non fornirà risultati di ricerca sulle onde gravitazionali, ma solo dati sui sensori sviluppati e sull'elettronica utilizzata.
Ma in linea di principio a bordo ci sono gli stessi rivelatori che si vogliono utilizzare per la grande missione?
In principio, sì. Tuttavia, la missione su larga scala prevede l'utilizzo di raggi laser per misurare la distanza tra tre sonde spaziali, ciascuna distante un milione di chilometri e disposta a triangolo. Se un'onda gravitazionale attraversa il triangolo, le distanze tra le sonde spaziali cambieranno leggermente. La grande sfida è misurare variazioni di distanza inferiori al centomiliardesimo di millimetro su una distanza di un milione di miglia. Tuttavia, "LISA Pathfinder" si occupa di distanze minori. In questo caso, gli stessi sensori misureranno la distanza tra due cubi di oro-platino delle dimensioni di una pallina da ping-pong, distanti tra loro 35 centimetri. Ogni cubo galleggia in un contenitore sotto vuoto all'interno della sonda spaziale. Tuttavia, gli strumenti di "LISA Pathfinder" hanno già un decimo dell'accuratezza di misurazione che un giorno sarà richiesta per eLISA.
Qual è il contributo dell'ETH alla missione LISA-Pathfinder?
Il consorzio LISA Pathfinder ci ha chiesto di collaborare perché abbiamo una vasta esperienza con l'elettronica normalmente utilizzata nei sismometri per rilevare i terremoti. Oltre alla già citata misurazione della distanza con raggi laser, la sonda spaziale LISA Pathfinder dispone di un secondo sistema di misurazione della distanza che funziona con i cosiddetti sensori di prossimità. Questo sistema viene utilizzato per determinare la posizione dei cubi di oro-platino nel contenitore sottovuoto con un'elevata precisione. Il sensore di prossimità genera un campo elettromagnetico. Se un cubetto si muove, il campo elettromagnetico cambia e viene registrato dal sensore. Questo sistema di misurazione è molto simile a quello di un sismometro. Abbiamo anche esperienza con sistemi di questo tipo nelle missioni spaziali. Sotto la guida di Peter Zweifel, il nostro gruppo di elettronica è coinvolto nella missione Insight della NASA su Marte, in cui un sismometro sarà posizionato sulla superficie del pianeta rosso nel 2016 per esplorarne l'interno.
A cosa servono questi sensori di prossimità simili a sismometri utilizzati in "LISA Pathfinder"?
La sonda spaziale decide di adottare meccanismi di micro-propulsione che le permettono di variare leggermente la sua posizione. Ciò garantisce che i cubi di oro-platino non tocchino mai la parete del contenitore e che siano sempre in caduta libera. Per fare questo, la sonda deve sempre conoscere la posizione esatta dei cubi. Il nostro gruppo lavora a questo progetto da 10 anni insieme all'industria svizzera e con il supporto dell'Ufficio Spaziale Svizzero. Ora abbiamo consegnato l'elettronica e attendiamo con ansia il lancio della sonda nello spazio l'anno prossimo. Anche l'ETH di Zurigo sarà coinvolto nell'analisi dei dati.
E la missione su larga scala eLISA?
Non appena la missione LISA Pathfinder sarà stata completata con successo, inizieranno i preparativi per eLISA, anche se devono ancora essere sviluppate altre tecnologie. Insieme ai colleghi dell'Università di Zurigo, chiederemo il sostegno dell'Ufficio spaziale svizzero per partecipare a questa entusiasmante missione. All'ETH intendiamo concentrarci sul rilevamento e sulla caratterizzazione delle onde gravitazionali, oltre che sull'Umwelt und Geomatik, l'elettronica di controllo del satellite. Il team dell'Università di Zurigo, guidato da Philippe Jetzer, professore di fisica teorica, si concentrerà sulle applicazioni astrofisiche e sui test della teoria generale della relatività. Come tutte le altre missioni su larga scala dell'ESA, eLISA è un progetto generazionale con un orizzonte di 15-20 anni. Questo sarà più che altro un progetto per il mio successore.
Azzardare una previsione: sarà davvero possibile misurare le onde gravitazionali per la prima volta?
Se eLISA volerà come previsto - e se la teoria della relatività generale di Einstein è corretta, come presumo che sia - allora sarà certamente possibile misurare le onde gravitazionali. Ma resta da vedere se questa sarà la prima volta, o se sarà già possibile rilevare le onde gravitazionali da una sorgente particolarmente forte - come un buco nero vicino nello spazio - utilizzando nuove tecnologie da un osservatorio sulla Terra. eLISA sarà così preciso che sarà possibile misurare non solo alcune sorgenti particolarmente forti, ma migliaia di sorgenti, che contribuiranno a sviluppare una nuova comprensione dell'universo.
Domenico Giardini è professore dell'Istituto di geofisica. ? stato capo del Dipartimento di scienze Terrestri dal 2004 al 2005 e direttore del Servizio sismologico svizzero dal 1997 al 2011.
Onde gravitazionali
La teoria della relatività generale di Albert Einstein prevede che ogni volta che le masse vengono accelerate, si creano onde gravitazionali che viaggiano nello spazio alla velocità della luce. Il concetto è simile alla radiazione elettromagnetica, che si verifica quando le cariche elettriche vengono accelerate. Tuttavia, a differenza della radiazione elettromagnetica, le onde gravitazionali non sono mai state misurate in un esperimento. Il rilevamento di queste ultime è considerato difficile. Il progetto eLISA sta cercando di misurare le onde gravitazionali prodotte, ad esempio, dalla fusione di due buchi neri utilizzando un interferometro laser nello spazio (vedi intervista).