A un milione di miglia dalla Terra, un satellite dell'Agenzia spaziale europea che trasportava due cubi galleggianti di lega d'oro-platino ha mostrato che è possibile misurare il movimento sulla scala di un nucleo atomico, che potrebbe rivelare la natura di alcuni degli oggetti più massicci dell'universo .
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Chiamato LISA Pathfinder, il veicolo spaziale è il banco di prova per l'antenna spaziale per interferenze laser evoluta (eLISA). I risultati sono apparsi oggi in un articolo su Physical Review Letters .
La missione eLISA consisterà in tre veicoli spaziali in orbita attorno al sole. Uno dei veicoli spaziali spara un laser verso gli altri due, descrivendo una forma a L 621.000 miglia su un lato. I laser misureranno la distanza tra le masse di prova trasportate dalle sonde entro pochi trilioni di metri - più piccolo degli atomi. La misurazione precisa consentirà agli scienziati di osservare le onde gravitazionali - disturbi che allungano lo spazio stesso - che sono una conseguenza della teoria generale della relatività di Einstein. Quell'onda che passa cambierà la lunghezza di un lato della L rispetto all'altro, e permetterà agli scienziati di vedere l'effettiva curvatura dello spazio.
"Dimmi se hai avuto una messa a New York e una a Torino [Italia]", dice a Smithsonian.com Stefano Vitale, professore di fisica all'Università di Trento in Italia e ricercatore principale per LISA Pathfinder. "Stanno entrambi accelerando verso il centro della terra. Quando un'onda gravitazionale passa, iniziano a cadere in direzioni leggermente diverse."
Ma è difficile rintracciare movimenti così piccoli, ha affermato Fabio Favata, capo dell'ufficio di coordinamento della direzione scientifica dell'ESA in una conferenza stampa che annuncia i risultati. Ecco perché è stato lanciato LISA Pathfinder. "Abbiamo deciso che dovremmo imparare a camminare prima di poter correre", ha detto. "Questo è analogo al progetto Gemini per Apollo ... Non solo abbiamo imparato a camminare ma a fare jogging abbastanza bene."
All'interno di LISA Pathfinder, due cubi da 1, 9 kg di una lega in oro e platino galleggiano a una distanza di 14, 8 pollici. Un raggio laser viene riflesso da ciascun cubo e i laser sovrapposti misurano il loro movimento l'uno rispetto all'altro.
"Abbiamo preso i milioni di chilometri di LISA e li abbiamo ridotti in un veicolo spaziale", ha dichiarato Paul McNamara, scienziato del progetto ESA per LISA Pathfinder. LISA Pathfinder è troppo piccolo per misurare le onde gravitazionali, ma ha dimostrato che gli strumenti potevano misurare movimenti molto piccoli e che è possibile costruire un ambiente senza disturbi dall'ambiente esterno.
Il LISA Pathfinder ha dimostrato di essere in grado di rilevare il movimento su scala del femtometro, un milionesimo di miliardesimo di metro. Era ordini di grandezza migliori di quanto sperassero, ha affermato Martin Hewitson, scienziato senior di LISA Pathfinder. "Volevamo vedere i movimenti della scala picometrica", ha detto. Un picometro è 1.000 volte più grande di un femtometro. "È più di 100 volte migliore di [osservazioni] sul campo."
Le onde gravitazionali sono state rilevate in precedenza. Gli scienziati che lavorano al Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory (LIGO) hanno annunciato a febbraio di averli trovati. Le onde furono probabilmente prodotte dalla collisione di due buchi neri.
Ma LIGO è sulla Terra, il che significa che non può vedere i tipi di onde gravitazionali che potrebbero essere prodotte da altri fenomeni. I terremoti dall'altra parte del pianeta, il passaggio di camion e persino l'espansione termica dell'attrezzatura possono attutire i segnali che LIGO cerca. Un altro fattore è la dimensione. Qualsiasi rilevatore a terra può essere solo così grande; LIGO, che descrive anche una forma a L, è di 2, 5 miglia su un lato e fa rimbalzare il laser avanti e indietro tra gli specchi per ottenere una lunghezza effettiva di 695 miglia. È abbastanza grande per vedere efficacemente le onde gravitazionali con frequenze misurate da circa 100 Hz a 1.000 Hz, ha affermato Shane Larson, professore associato presso la Northwestern University e uno degli scienziati che hanno lavorato su LIGO. (Quando il team LIGO ha annunciato la sua scoperta, la frequenza più bassa "ascoltata" era di circa 35 Hz). Ciò si traduce in lunghezze d'onda da circa 300.000 a 8, 5 milioni di metri. (Le onde gravitazionali si muovono alla velocità della luce). Ciò significa che oltre a scontrarsi con i buchi neri, LIGO può ascoltare le stelle di neutroni mentre ruotano o quando coppie di loro si muovono a spirale l'una nell'altra.
eLISA, tuttavia, sarà in grado di vedere le onde gravitazionali che impiegano molti secondi per passare - circa da 0, 0001 a 1 Hz, che si traduce in onde gravitazionali fino a 3 miliardi di chilometri.
Larson ha affermato che la gamma di frequenze consente il rilevamento di oggetti e fenomeni che LIGO non può eguagliare. "Abbiamo potuto vedere stelle di neutroni che si stanno orbitando a vicenda, ma molto prima, prima che si avvicinassero", ha detto. "O stelle bianche nane. Le nane bianche entreranno in contatto e si fonderanno, ma lo faranno prima che LIGO possa vederle." eLISA, tuttavia, li raccoglierà.
Vitale ha aggiunto che eLISA risponderà ad alcune domande fondamentali sui buchi neri e sui centri galattici. "Sappiamo che ogni galassia ha un buco nero da centinaia di migliaia a miliardi di masse solari", ha detto. "[eLISA] può vedere la collisione di buchi posteriori di quella dimensione. Possiamo anche vedere un piccolo buco nero cadere in un grande buco nero; che invia un segnale che consente una sorta di mappatura del campo di gravità attorno al buco nero." La forma esatta di questi campi è un'importante domanda aperta in astrofisica. Potrebbe anche mostrare se i buchi neri hanno effettivamente orizzonti di eventi.
Larson ha detto che vedere le collisioni di buchi neri più grandi potrebbe anche far luce su come i buchi neri nei centri galattici siano diventati così grandi. "Vediamo enormi buchi neri molto presto nell'universo. Come si ingrandiscono così rapidamente? LISA può vederli al limite dell'universo osservabile."
eLISA è previsto per il lancio nel 2034 e dovrebbe iniziare a prendere i dati entro pochi mesi dal lancio.
