Un sensore di vibrazione all'avanguardia potrebbe migliorare la prossima generazione di rilevatori di onde gravitazionali per trovare le più piccole onde cosmiche dal ronzio di fondo del movimento della Terra.

Durante il suo dottorato di ricerca, ricercatore post-dottorato Joris van Heijningen del Centro di eccellenza ARC per la scoperta delle onde gravitazionali (OzGrav), ha sviluppato il sensore di vibrazione inerziale più sensibile al mondo. Ora, propone un disegno simile, ma 50 volte più sensibile, a frequenze inferiori a 10 Hz, utilizzando temperature criogeniche.

Questo nuovo sensore misura vibrazioni di pochi femtometri (un milionesimo di miliardesimo di metro) con un periodo da 10 a 100 millisecondi (da 10 Hz a 100 Hz). Il documento recentemente pubblicato su IOP's Journal of Instrumentation rivela un prototipo della prossima generazione di sistemi di isolamento sismico con sensibilità fino a 1Hz, utilizzando temperature criogeniche, inferiori a 9,2 gradi e superiori allo zero assoluto.

Anche se non possiamo sentirlo, il nostro pianeta vibra sempre un pochino a causa di molti eventi diversi, sia cosmico che terreno; Per esempio, dalle onde gravitazionali (minuscole increspature nello spaziotempo); onde dell'oceano che si infrangono sulla riva; o attività umana. Secondo il dott. van Heijningen, alcuni luoghi vibrano più di altri e, se tracci queste vibrazioni, si trovano tra due linee chiamate Peterson Low and High Noise Models (LNM/HNM).

I migliori sensori di vibrazione commerciali sono stati sviluppati per avere una sensibilità che si trova al di sotto del LNM. Sono sufficientemente sensibili per misurare tutti i luoghi della Terra con un discreto rapporto segnale-rumore, "dice van Heijningen.

Ad oggi, il Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO), con le sue braccia lunghe quattro chilometri, utilizza sistemi di isolamento sismico per prevenire le vibrazioni terrestri che influiscono sulle misurazioni scientifiche; però, i futuri rilevatori di onde gravitazionali richiedono sensori di vibrazione più avanzati e precisi.

Gli scienziati stanno già lavorando a una terza generazione di rivelatori che avranno il potere di rilevare centinaia di fusioni di buchi neri ogni anno, misurando le loro masse e gli spin, anche più di LIGO, o il suo equivalente europeo, Vergine, può misurare.

Negli Stati Uniti, ci sarà il Cosmic Explorer:un osservatorio di 40 chilometri che sarà in grado di rilevare centinaia di migliaia di fusioni di buchi neri ogni anno. Altrettanto impressionante sarà il telescopio Einstein in Europa, con i suoi 10 chilometri armati, configurazione triangolare costruita nel sottosuolo.

I futuri rivelatori saranno in grado di misurare le onde gravitazionali a frequenze inferiori all'attuale cut-off ~10 Hz, perché è lì che si nascondono i segnali delle collisioni di buchi neri, " spiega van Heijningen. Ma uno dei problemi principali di questi enormi rilevatori è che devono essere estremamente stabili:la più piccola vibrazione può ostacolare i rilevamenti.

"Essenzialmente, portare il sistema vicino a zero gradi Kelvin (che è 270 gradi sotto zero Celsius) riduce drasticamente il cosiddetto rumore termico, che è dominante alle basse frequenze. La temperatura è una vibrazione degli atomi in un certo senso, e questa minuscola vibrazione causa rumore nei nostri sensori e rilevatori, "dice van Heijningen.

I rivelatori futuri dovranno raffreddarsi a temperature criogeniche, ma non è un'impresa facile. Una volta che gli scienziati lo raggiungono, lo sfruttamento dell'ambiente criogenico migliorerà le prestazioni del sensore seguendo questo progetto di proposta. Nella sua nuova posizione di ricercatore presso l'UCLouvain in Belgio, van Heijningen prevede di prototipare questo design del sensore e testarne le prestazioni per il telescopio Einstein.