Scritto: Mercoledì, 22 Settembre 2021 04:50 Ultima modifica: Mercoledì, 22 Settembre 2021 06:52

Un piccolo dispositivo potrebbe aver rilevato onde gravitazionali ad alta frequenza


Si tratta di un rilevatore di onde gravitazionali "da tavolo" eppure ha registrato due misteriosi segnali nei suoi primi 153 giorni di funzionamento.

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Il rivelatore di onde gravitazionali NIOBE in mostra al Gravity Discovery Centre, Western Australia. Il rivelatore di onde gravitazionali NIOBE in mostra al Gravity Discovery Centre, Western Australia. Crediti: Calistemon su Wikimedia Commons

Potrebbero provenire da una serie di fenomeni ma uno in particolare sembra riconducibile ad onde gravitazionali ad alta frequenza, proprio quelle per cui lo strumento è stato progettato.

 

Un rilevatore compatto

Il primo straordinario rilevamento di onde gravitazionali risale a sei anni fa: da allora, i rivelatori LIGO e Virgo e Virgo hanno continuato a registrare onde gravitazionali emergenti dalle collisioni tra buchi neri e stelle di neutroni. Questi rivelatori sono enormi, con bracci lunghi 4 chilometri. I laser che vi viaggiano all'interno, rimbalzano su dei specchi: quando si verifica un evento il fascio viene impercettibilmente disturbato, producendo schemi di interferenza nella luce ricombinata. Questi possono essere analizzati per rivelare la natura del fenomeno che ha causato le onde. Finora, la tecnologia è stata ottimizzata per il regime a bassa frequenza.
Le onde gravitazionali ad alta frequenza (quindi più corte) sono molto più difficili da ascoltare ma potrebbero celare informazioni sul Big Bang e sull'Universo all'inizio dei tempi. Le sorgenti potrebbero essere stelle di bosoni o buchi neri primordiali, oppure nuvole di materia oscura.

I fisici Michael Tobar e Maxim Goryachev della University of Western Australia hanno progettato un rilevatore "da tavolo" per onde gravitazionali ad alta frequenza nel 2014. Ed ora, insieme ad un team internazionale, hanno condotto diverse sessioni di osservazione.

Il rivelatore è un disco di cristallo di quarzo, con un lato leggermente convesso, chiamato risonatore di onde acustiche di massa (BAW). In teoria, le onde gravitazionali ad alta frequenza dovrebbero generare onde sonore stazionarie nel disco, intrappolate come fononi dal lato convesso. Il disco è raffreddato criogenicamente per ridurre il rumore termico, mentre due piastre conduttrici poste a distanze molto ridotte dal cristallo captano i minuscoli segnali piezoelettrici generati dai modi acustici che attraversano il materiale. Questo segnale è assolutamente minuscolo: quindi, viene impiegato un dispositivo di interferenza quantistica superconduttore (SQUID) come amplificatore.

Il dispositivo viene utilizzato in una camera sottovuoto, schermata dalle radiazioni, per evitare il maggior numero possibile di interferenze. Nonostante la tecnologia sia datata rispetto ai moderni rilevatori laser interferometrici, il sistema raggiunge una sensibilità confrontabile a quella di Ligo e Virgo, con uno "strain" di circa 10-20, sebbene solo in due strette finestre di frequenza (intorno ai 5,25 MHz, la frequenza di risonanza del cristallo).
Con questa configurazione, il team ha condotto due sessioni di osservazione, effettuando un rilevamento ciascuna: il primo il 12 maggio 2019 e il secondo il 27 novembre 2019.


GWquartz3

I due segnali registrati dal rivelatore; i colori indicano differenti modalità di oscillazione e i grafici sulla destra mostrano come l'intensità dei segnali (in nero) sovrasti il rumore di fondo (in grigio). - Credits: M. Goryachev et al., "Rare Events Detected with a Bulk Acoustic Wave High Frequency Gravitational Wave Antenna", Phisical Review Letters - Processing: Marco Di Lorenzo

 

 

Possibili spiegazioni

Le possibili spiegazioni per i segnali rilevati sono diverse, prima fra tutte il rilassamento delle sollecitazioni meccaniche all'interno del disco di quarzo. Oppure, potrebbe essersi verificato un evento interno causato da radiazioni ionizzanti esterne, sebbene non sia riconducibile a nulla di noto. Allo stesso modo, sebbene una pioggia di meteoriti possa produrre onde acustiche di questo tipo, il dispositivo dovrebbe essere ben protetto da questi falsi segnali. I colpevoli potrebbero anche essere i raggi cosmici. Ma altre possibili spiegazioni sono più emozionati: disturbi causati dalla materia oscura, o particelle massicce di materia oscura. Oppure, potrebbe effettivamente essersi trattato di onde gravitazionali ad alta frequenza. Anche se ciò richiederebbe molte più indagini, dal momento che la forma del segnale non mostra la caratteristica "cinguettio" di una fusione cosmica.

L'obiettivo delle prossime osservazioni è restringere il campo. Gli scienziati aggiungeranno, quindi, un secondo cristallo con il suo SQUID e un rivelatore di muoni per escludere i raggi cosmici.

È troppo presto per trarre conclusioni ma "è entusiasmante che questo evento abbia dimostrato che il nuovo rivelatore è sensibile e ci fornisce risultati, ora dobbiamo determinare esattamente cosa significano questi risultati", ha affermato Tobar.

La ricerca è stata pubblicata su Physical Review Letters.

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Elisabetta Bonora

Nella vita lavorativa mi occupo di web, marketing e comunicazione, digital marketing. Nel tempo libero sono un'incontenibile space enthusiast e mamma di Sofia Vega.
Mi occupo di divulgazione scientifica, attraverso questo web, collaborazioni con riviste del settore e l'image processing delle foto provenienti dalle missioni robotiche. Appassionata di astronomia, spazio, fisica e tecnologia, affascinata fin da bambina dal passato e dal futuro. Nel 2019 è uscito il mio primo libro "Con la Cassini-Huygens nel sistema di Saturno".
Amo le missioni robotiche inviate nel nostro Sistema Solare "per esplorare nuovi mondi, alla ricerca di nuove forme di vita, per arrivare là dove nessuno è mai giunto prima!" ...Ovviamente, è chiaro, sono una fan di Star Trek!

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