Precisione al picometro
L'ESA ha appena presentato i risultati della missione LISA Pathfinder. Gli strumenti di misura e il sistema di controllo sviluppati dal gruppo del professor Domenico Giardini dell'ETH per LISA Pathfinder sono ancora più precisi del previsto. La tecnologia è pronta per essere utilizzata nell'osservatorio di onde gravitazionali LISA.
A dicembre è stato lanciato da Kourou un razzo con a bordo il satellite LISA Pathfinder dell'Agenzia spaziale europea (ESA). Per 12 mesi, LISA Pathfinder doveva testare le tecnologie di misurazione con cui gli scienziati vogliono rilevare le onde gravitazionali in futuro. Secondo la teoria della relatività generale di Einstein, le onde gravitazionali dovrebbero verificarsi quando nell'universo si verificano eventi estremamente energetici, come la fusione di due buchi neri.
Dopo soli due mesi, l'ESA ha potuto annunciare a Madrid il 7 giugno 2016: La tecnologia di misurazione si è dimostrata valida in esperimenti e test. Nell'ultimo numero della rivista scientifica Physical Review Letters, il consorzio LISA Pathfinder dimostra che le due masse di prova a bordo del satellite si muovono a malapena l'una rispetto all'altra: si accelerano a vicenda solo di una frazione inimmaginabilmente piccola (10-15) dell'accelerazione dovuta alla gravità (g=9,8 m/sec).2). In particolare, il sofisticato sistema di misurazione è in grado di determinare le piccolissime deviazioni di posizione dei cubi, con una precisione di un picometro. Il sistema di misurazione supera quindi nettamente i requisiti richiesti.
Il professor Domenico Giardini dell'ETH e il suo team hanno sviluppato gli strumenti di misura per LISA Pathfinder e l'elettronica di controllo che mantiene il satellite in orbita. In un'intervista con l'ETH News, il sismologo spiega cosa significano i risultati e come verranno studiate in futuro le onde gravitazionali nello spazio.
ETH News: ? soddisfatto dei risultati della missione LISA Pathfinder?
Domenico Giardini: Sì, sono molto soddisfatto. Il sistema di misurazione e controllo che abbiamo sviluppato all'ETH di Zurigo è estremamente preciso. I due cubi di massa si muovono l'uno rispetto all'altro solo di un picometro - 0,000000000001 metri. ? un valore inimmaginabilmente piccolo! Un atomo di elio, il più piccolo di tutti gli atomi, misura circa 32 picometri di diametro. Tali minuscoli spostamenti di posizione non possono più essere rilevati sulla Terra con i normali strumenti. Per questo motivo abbiamo dovuto sviluppare tutti gli strumenti da zero e testarli nello spazio".
Perché è necessaria un'elevata precisione?
La tecnologia testata con LISA Pathfinder è destinata a una missione molto più ampia: "LISA: Laser Interferometer Space Antenna", un osservatorio spaziale con cui l'ESA vuole misurare le onde gravitazionali. L'ESA prevede di lanciare nello spazio tre satelliti nel 2034 e di disporli a triangolo. Questi si troveranno a milioni di chilometri di distanza dalla Terra. Ognuno di essi trasporterà due corpi di tale massa; i raggi laser da satellite a satellite collegheranno le masse. Nel caso di LISA Pathfinder, la distanza tra le masse era di soli 48 centimetri. Con LISA sarà di almeno 1,5 milioni di chilometri, forse fino a 5 milioni di chilometri. Questo dato non è ancora stato determinato. La precisione richiesta per rilevare le deviazioni tra le masse deve quindi essere molto più elevata.
Lo scorso autunno, la fisica ha usato il pagina esternaEsperimento LIGO L'esistenza delle onde gravitazionali è stata dimostrata per la prima volta. Questo non ha avuto un impatto negativo su LISA? No, assolutamente no. La rilevazione delle onde gravitazionali con LIGO è stata positiva per LISA: ora tutto si muove molto più velocemente.
Perché?
LIGO ha rilevato un solo episodio della durata di una frazione di secondo. Questo è stato prodotto dalla collisione di due buchi neri. Ognuno di essi aveva una massa trenta volte superiore a quella del nostro Sole e si trovavano a 1,3 miliardi di anni luce di distanza. L'ESA è quindi ancora più convinta della necessità di LISA. Perché ora sappiamo che le onde gravitazionali esistono e possiamo vedere gli eventi più energetici. In precedenza, abbiamo dovuto convincere finanziatori, altri scienziati e partner industriali che Einstein aveva ragione, che questa ricerca era necessaria per dimostrare le sue teorie. ? chiaro che questa ricerca costa molto, ma grazie ai risultati di LIGO, le basi per LISA sono più solide che mai.
Ma LIGO non rende la missione LISA un po' ridondante?
No. LIGO continuerà a cercare le onde gravitazionali e l'infrastruttura sarà ulteriormente sviluppata. Tuttavia, queste installazioni rileveranno solo pochissimi episodi all'anno perché il "rumore" sulla Terra è molto alto. Inoltre, LIGO può misurare solo lunghezze d'onda di pochi chilometri, che corrispondono alle dimensioni della struttura. Il sistema di misurazione nello spazio previsto nell'ambito di LISA, invece, sarà lungo milioni di chilometri. Questo ci permetterà di registrare frequenze completamente diverse di onde gravitazionali e decine di migliaia di eventi ogni anno. Il "rumore" che vedremo non sarà più quello della Terra, ma i segnali dei più grandi eventi dell'universo!
La tecnologia di LISA Pathfinder può essere trasferita alle enormi dimensioni di LISA?
Il principio dell'esperimento è identico. La maggior parte degli strumenti, come i cubi di massa, i loro contenitori e i sensori che misurano la posizione della massa, possono essere utilizzati tutti. Tuttavia, dobbiamo decuplicare la precisione. Anche il sistema laser sarà diverso per LISA; abbiamo bisogno di laser più potenti che possano coprire la grande distanza da un satellite all'altro.
Anche voi sarete coinvolti in LISA?
Il mio gruppo e quello del professore Philippe Jetzer dell'Università di Zurigo continueranno a partecipare. I nostri gruppi sono complementari: noi lavoriamo sull'elettronica di misura e controllo, mentre il gruppo di Jetzer si occupa dei fondamenti astrofisici. La prima riunione presso l'ESA ha già avuto luogo. Attualmente stiamo preparando le specifiche per questa missione. Speriamo di lanciare LISA tra qualche anno.
Torna a LISA Pathfinder. Cosa succederà al satellite?
L'ESA condurrà esperimenti su questa piattaforma per altri tre mesi. Questi serviranno a comprendere meglio gli effetti che influenzano la precisione. Dopodiché, il satellite volerà gradualmente verso il Sole. Non ne vedremo la fine.
Perché un sismologo è coinvolto in una missione spaziale per studiare le onde gravitazionali?
Il cuore dell'esperimento consiste nel riuscire a misurare la posizione di una massa all'interno dello strumento con un'elevata precisione. Questo corrisponde al principio di un sismometro! Le onde gravitazionali sono in definitiva onde e i sismologi sono specializzati nella misurazione delle onde.
Quando si guarda indietro a questo progetto: ? una delle cose più difficili e significative che ha fatto nella sua carriera?
In termini di durata e difficoltà tecnica del progetto, la risposta è sì. L'idea di misurare le onde gravitazionali nello spazio è nata 40 anni fa. All'epoca fallì a causa delle possibilità tecniche. L'ESA decise quindi di effettuare una missione di prova, LISA Pathfinder. Solo questo progetto ha richiesto 15 anni della mia carriera. Ora mi aspettano altri 15 anni con LISA. ? un progetto di vita. Non capita spesso di collaborare a un progetto che dura 30 anni. ? quindi un grande onore per me farne parte!
Informazioni sulla persona
Domenico Giardini è professore di sismologia e geodinamica all'ETH di Zurigo dal 1997. ? co-PI della missione Pathfinder dell'ESA, che sta testando tecnologie per la misurazione delle onde gravitazionali, e della missione InSight della NASA, che installerà un sismometro su Marte.