LISA, un'antenna da 5 mln di km per onde gravitazionail

Se un'antenna "delta" con i lati di 5 milioni di chilometri vi sembra ecessiva, non avete tenuto conto dell'elusività delle onde che LISA, l'antenna spaziale che nascerà congiuntamente per iniziativa dell'ESA e della NASA, dovrà ricevere. La Laser Interferometer Space Antenna partirà ufficialmente tra qualche anno, gli orizzonti dell'esperimento sono anch'essi molto ampi. Ma in questo momento l'ESA sta preparando il lancio di una prima missione esplorativa, LISA Pathfinder e ieri ha comunicato i risultati molto positivi delle prove di misurazione laser effettuate a terra. Prove che se applicate al calcolo della distanza tra terra e luna ci permetterebbero di stabilirla con pochi millimetri di approssimazione. Si parla di capacità di discriminazione sulla scala dei nanoradianti. Un nanoradiante corrisponde grossomodo all'angolo sotteso dall'orma di un astronauta osservata dalla terra sulla luna.

LISA dovrà dimostrare l'esperimento mentale di Eintstein, che ha immaginato la possibilità di misurare le increspature nella curvatura relativistica dello spazio-tempo quando un oggetto molto massivo subisce accelerazioni molto elevate (per esempio quando un buco nero ingoia una stella di neutroni o si scontra con un altro buco nero). Sono increspature quasi impercettibili, che gli scienziati sperano di captare in uno spettro compreso tra le poche decine e le centinaia di Hertz.

Ci vorrà un'antenna molto lunga e questo è lo scopo di LISA, che nella sua dislocazione definitiva dovrebbe vedere tre satelliti in orbita intorno a un punto collocato unità astronomica, in una formazione che segue come un cagnolino - a cinquanta milioni di chilometri - il nostro pianeta. Ogni satellite sarà distante dall'altro 5 milioni di chilometri e un sistema laser sofisticatissimo misurerà la distanza tra due cubi di materiale riflettente sistemati a bordo delle sonde.

Picometre precision demonstrated by LISA Pathfinder tests

21 Oct 2010

A European team working on the LISA Pathfinder mission has completed an extensive series of ground tests on the spacecraft's optical payload. The tests successfully achieved - for the first time on a spacecraft instrument - the incredible precision that will be required to confirm the existence of gravitational waves.

The extremely precise measurements are realised by a laser interferometer that measures the distance between two free-floating heavy masses with reflective surfaces. In the case of LISA Pathfinder, the accuracy of the interferometer measurements is tested by the Optical Metrology Subsystem (OMS; managed, designed, and tested by Astrium GmbH) which comprises several units: a reference laser unit (developed by Tesat, Germany), a laser control unit (by Kayser Threde, Germany) with a laser modulator (developed by RUAG, Switzerland), an optical bench interferometer (built by the University of Glasgow, UK), a phase meter (University of Birmingham, UK), and a data management unit (NTE, Spain).

The OMS is used to monitor the changes in attitude of two test masses and the distance between them. These two test masses are small, highly polished cubes made of a gold-platinum alloy, situated 35 cm apart, with each located inside a dedicated vacuum enclosure within the satellite.

(continua)

GRB, quando le stelle trasmettono gravitoni

La NASA sta dedicando una serie di articoli affascinanti sull'astrofisica dei raggi gamma, in occasione del sesto simposio internazionale sui "brillamenti gamma" (Gamma Ray Burst), un fenomeno raro ed elusivo associato alla formazione dei buchi neri e a (ipotetiche) dinamiche tra stelle estremamente dense. L'ente spaziale americano nel 2004 ha messo in orbita un satellite dedicato allo studio dei GRB, una missione chiamata SWIFT cui hanno collaborato anche l'Agenzia Spaziale Italiana e il "nostro" Osservatorio di Brera.

Come viene spiegato in questo primo articolo, ci sono due tipi di GRB, uno di lunga, l'altro di breve durata. Il primo è il "sintomo" di una stella ultramassiva che sta collassando in un buco nero. Il secondo... Il secondo non si sa. Ma gli scienziati sospettano che possa avere a che fare con lo scontro tra stelle di neutroni, oggetti astronomici di densità fuori del comune: se potessimo raccoglierne un campione con un cucchiaino, una punta peserebbe qualche migliaio di miliardo di tonnellate. Il problema non sta tanto nel rilevare i GRB di breve durata (per quello c'è SWIFT), ma verificare la teoria dello scontro tra stelle neutroniche. Se l'ipotesi regge la traccia misurata con i raggi gamma potrebbe essere accompagnata da un fenomeno di tipo non elettromagnetico: lo scontro tra questi corpi produce una increspatura gravitazionale, un fenomeno mediato da particelle diverse. Per queste onde ci vogliono antenne gravitazionali come quella che gli italiani hanno costruito vicino a Pisa o come il Gravitational-wave Observatory (LIGO), una duplice struttura (stato di Washington e stato della Louisiana) basata, come quella di Cascina, sull'interferometria laser. In questo tipo di osservatori le "antenne" sono costituite da una complessa geometria lineare di raggi laser che viene perturbata dalle impercettibili variazioni di massa indotte, in un sistema di specchi, dalle famose increspature gravitazionali.
Potete leggere la serie di articoli sui GRB a questi indirizzi.

http://science.nasa.gov/headlines/y2008/20oct_briefmystery.htm
http://science.nasa.gov/headlines/y2008/21oct_oddballs.htm
http://science.nasa.gov/headlines/y2008/22oct_missinggrbs.htm
http://science.nasa.gov/headlines/y2008/17oct_gammaraypulsar.htm

A Brief Mystery: What are Short Gamma-ray Bursts?
10.20.2008

October 20, 2008: For decades it was baffling. Out of the still night sky, astronomers peering through their telescopes would occasionally glimpse quick bursts of high-energy light popping off like flashbulbs at the far side of the universe.
These bursts seemed impossibly powerful: to appear so bright from so very far away, they must vastly outshine entire galaxies containing hundreds of billions of stars. These explosions, called gamma ray bursts (GRBs), are by far the brightest and most energetic phenomena in the known universe, second only to the Big Bang itself. Scientists were at a loss to imagine what could possibly cause them.
Astronomers now know what the longer-lasting GRBs are: the collapse and explosion of an ultra-massive star to form a black hole at its core, an explanation first proposed by Stan Woosley of the University of California in San Diego. But there’s a second category of GRBs that still remains a mystery.
"The short-lived ones are very poorly understood. It's where the frontier [of research] is now," says Neil Gehrels, principal investigator for the GRB-detecting Swift satellite at NASA's Goddard Space Flight Center.
Gehrels and other researchers have gathered this week at the Sixth Huntsville Gamma Ray Burst Symposium in Huntsville, Ala., to discuss progress on this and other mysteries surrounding GRBs.

A Pisa l'antenna per ricevere onde gravitazionali

Un'antenna davvero particolare quella del progetto Virgo, a Cascina nei pressi di Pisa. L'antenna, descritta in un articolo che ho appena visto su Repubblica.it (la conferenza stampa di presentazione si è tenuta ieri, 22 maggio), è fatta da due bracci di 3 chilometri l'uno disposti a L. Due tubi di acciaio perfettamente isolati sismicamente, in cui due raggi generati da un laser purissimo rimbalzano da una quantità di specchi ad alta riflettività. Gli specchi sono appesi ai fili e si possono spostare, impercettibilmente, nella direzione longitudinale dei bracci della L. Rimbalzando di specchio in specchio i raggi percorrono centinaia di chilometri e confluiscono su un rivelatore determinando un pattern di interferenza. Quando l'antenna di Virgo riceve uno dei segnali per i quali è stata costruita, gli specchi si allontanano e questo pattern subisce una impercettibile variazione (in realtà nei tunnel di Virgo è un singolo fotorivelatore ad accorgersi delle minuscole variazioni subite dai raggi riflessi tra gli specchi in un percorso che le onde ricevute rende leggermente più breve o più lungo. Stiamo parlando di una variabilità rispetto alla lunghezza del braccio di un ordine di grandezza inimmaginabile. La proporzione è analoga a quella che c'è tra lo spessore di un capello e la distanza tra il sole e le stelle più prossime.

Che tipologia di onde può essere così elusiva e difficile da ricevere? Sono le onde gravitazionali, previste teoricamente da Einstein nel quadro della teoria della gravità relativistica. Così come le onde elettromagnetiche sono prodotte dall'oscillazione di particelle cariche, quelle gravitazionali vengono prodotte dalle masse in movimento e si propagano alla velocità della luce. Nel 1993 Joseph Taylor e Russel Hulse ricevettero il premio Nobel per la fisica per aver scoperto, nel 1974, un nuovo tipo di pulsar, poi rivelatasi una pulsar binaria costituita da due stelle di neutroni, resti di supernovae. Ancora i due premi Nobel non lo sapevano, ma durante le loro osservazioni della presunta pulsar (una pulsar è una stella di neutroni che ruota rapidamente su se stessa emettendo, come un faro nella notte, un impulso radio), gli impulsi che arrivavano al radiotelescopio di Arecibo avevano una periodicità a volte più lunga, a volte più breve. Questo portò a ipotizzare che la pulsar fosse in realtà costituita da due stelle uguali, addirittura due stelle di neutroni (uno delle quali non appariva come una pulsar) in orbita reciproca. Secondo le teorie di Einstein un sistema del genere doveva produrre forti radiazioni gravitazionali. Come la radiazione elettromagnetica si propaga perturbando il campo magnetico, quella gravitazionale perturba il campo gravitazionale, ma Taylor e Hulse non potevano misurarlo direttamente, non avendo gli strumenti adeguati. La loro verifica della validità della teoria avvenne indirettamente, misurando le impercettibili variazioni indotte dall'effetto delle onde gravitazionali sull'orbita reciproca dei due oggetti: emettendo questa radiazione il sistema perde energia e l'orbita degrada, diventa più piccola e frequente.
La conferma indiretta dell'esistenza delle onde gravitazionali spinse gli scienziati a cercare di sviluppare nuove tecniche per il rilevamento diretto di questa radiazione a terra. I giganteschi interferometri come Virgo non sono altro che le antenne di immani telescopi gravitazionali capaci di svelare la radiazione rilasciata da eventi davvero titanici, descrivendoci l'immagine del tutto inedita di un universo fatto di esplosioni e collassi stellari, di masse enormi che interagiscono tra loro. La "larghezza di banda" del telescopio gravitazionale di Cascina va da 10 a 6.000 Hertz e la sensibilità dovrebbe consentire di "osservare" gli effetti gravitazionali sulle supernovae e i sistemi binari della Via Lattea e di altre galassie. Il progetto Virgo, nasce da una collaborazione tra italiani e francesi ed è localizzato presso EGO, l'osservatorio gravitazionale europeo. Altri telescopi gravitazionali in funzione in questo momento nel mondo si sono federati per coordinare e combinare i risultati delle loro osservazioni, così come si fa per la radioastronomia. L'obiettivo e affinare la precisione delle misure e determinare meglio le direzioni e le distanze dei fenomeni osservati.