Solo un anno fa, l'Osservatorio sulle onde gravitazionali dell'interferometro laser finanziato dalla National Science Foundation, o LIGO, raccoglieva sussurri di onde gravitazionali ogni mese circa. Ora, una nuova aggiunta al sistema consente agli strumenti di rilevare queste increspature nello spazio-tempo quasi ogni settimana.

Dall'inizio della terza corsa operativa di LIGO ad aprile, un nuovo strumento noto come spremiagrumi quantistico ha aiutato gli scienziati a individuare dozzine di segnali di onde gravitazionali, inclusa una che sembra essere stata generata da una stella binaria di neutroni:la fusione esplosiva di due stelle di neutroni.

Lo spremiagrumi, come lo chiamano gli scienziati, è stato progettato, costruito, e integrato con i rilevatori di LIGO dai ricercatori del MIT, insieme ai collaboratori del Caltech e dell'Australian National University, che ne dettagliano il funzionamento in un articolo pubblicato sulla rivista Lettere di revisione fisica .

Ciò che lo strumento "comprime" è il rumore quantistico, fluttuazioni infinitamente piccole nel vuoto dello spazio che entrano nei rivelatori. I segnali rilevati da LIGO sono così piccoli che questi quanti, altrimenti piccole fluttuazioni possono avere un effetto contaminante, potenzialmente confondendo o mascherando completamente i segnali in arrivo di onde gravitazionali.

"Dove entra in gioco la meccanica quantistica si riferisce al fatto che il laser di LIGO è fatto di fotoni, " spiega l'autore principale Maggie Tse, uno studente laureato al MIT. "Invece di un flusso continuo di luce laser, se guardi abbastanza da vicino è in realtà una rumorosa sfilata di singoli fotoni, ciascuno sotto l'influenza delle fluttuazioni del vuoto. Considerando che un flusso continuo di luce creerebbe un ronzio costante nel rilevatore, i singoli fotoni arrivano al rivelatore con un piccolo "pop"."

"Questo rumore quantico è come un crepitio di popcorn in sottofondo che si insinua nel nostro interferometro, ed è molto difficile da misurare, "aggiunge Nergis Mavalvala, il Marble Professor di Astrofisica e capo associato del Dipartimento di Fisica del MIT.

Con la nuova tecnologia di spremitura, LIGO ha abbattuto questo sconcertante crepitio quantico, estendendo la portata dei rilevatori del 15 percento. In combinazione con un aumento della potenza del laser di LIGO, questo significa che i rivelatori possono rilevare un'onda gravitazionale generata da una sorgente nell'universo fino a circa 140 megaparsec, o più di 400 milioni di anni luce di distanza. Questa gamma estesa ha consentito a LIGO di rilevare le onde gravitazionali su base quasi settimanale.

"Quando il tasso di rilevamento aumenta, non solo capiamo di più sulle fonti che conosciamo, perché abbiamo altro da studiare, ma il nostro potenziale per scoprire cose sconosciute entra in gioco, "dice Mavalvala, membro di lunga data del team scientifico di LIGO. "Stiamo gettando una rete più ampia".

Gli autori principali del nuovo documento sono gli studenti laureati Maggie Tse e Haocun Yu, e Lisa Barsotti, un ricercatore principale presso il Kavli Institute for Astrophysics and Space Research del MIT, insieme ad altri nella collaborazione scientifica LIGO.

Limite quantico

LIGO comprende due rilevatori identici, uno situato a Hanford, Washington, e l'altro a Livingston, Louisiana. Ogni rivelatore è costituito da due tunnel lunghi 4 chilometri, o armi, ciascuna sporgente dall'altra a forma di "L".

Per rilevare un'onda gravitazionale, gli scienziati inviano un raggio laser dall'angolo del rilevatore a forma di L, giù per ogni braccio, al termine della quale è sospeso uno specchio. Ogni laser rimbalza sul rispettivo specchio e torna indietro lungo ciascun braccio fino al punto in cui è iniziato. Se un'onda gravitazionale passa attraverso il rivelatore, dovrebbe spostare una o entrambe le posizioni degli specchietti, che a sua volta influenzerebbe la tempistica dell'arrivo di ciascun laser alla sua origine. Questa tempistica è qualcosa che gli scienziati possono misurare per identificare un segnale di onde gravitazionali.

La principale fonte di incertezza nelle misurazioni di LIGO deriva dal rumore quantistico nel vuoto circostante di un laser. Mentre un vuoto è generalmente pensato come un nulla, o vuoto nello spazio, i fisici lo intendono come uno stato in cui le particelle subatomiche (in questo caso, fotoni) vengono costantemente creati e distrutti, appaiono e poi scompaiono così rapidamente che sono estremamente difficili da rilevare. Sia il tempo di arrivo (fase) che il numero (ampiezza) di questi fotoni sono ugualmente sconosciuti, e altrettanto incerto, rendendo difficile per gli scienziati individuare i segnali di onde gravitazionali dallo sfondo risultante del rumore quantistico.

E ancora, questo crepitio quantico è costante, e mentre LIGO cerca di rilevare più lontano, segnali più deboli, questo rumore quantistico è diventato più che altro un fattore limitante.

"La misurazione che stiamo facendo è così sensibile che il vuoto quantistico è importante, "Note Barsotti.

Mettere la pressione sul rumore "spettrale"

Il team di ricerca del MIT ha iniziato più di 15 anni fa a progettare un dispositivo per ridurre l'incertezza nel rumore quantistico, per rivelare segnali di onde gravitazionali più deboli e più distanti che altrimenti sarebbero sepolti dal rumore quantistico.

La spremitura quantistica era una teoria proposta per la prima volta negli anni '80, l'idea generale è che il rumore del vuoto quantistico può essere rappresentato come una sfera di incertezza lungo due assi principali:fase e ampiezza. Se questa sfera fosse schiacciata, come una palla antistress, in modo da restringere la sfera lungo l'asse dell'ampiezza, questo in effetti ridurrebbe l'incertezza nello stato di ampiezza di un vuoto (la parte schiacciata della palla di stress), aumentando l'incertezza nello stato di fase (spostamento della palla di stress, porzione distesa). Poiché è prevalentemente l'incertezza di fase che contribuisce al rumore a LIGO, rimpicciolirlo potrebbe rendere il rivelatore più sensibile ai segnali astrofisici.

Quando la teoria fu proposta per la prima volta circa 40 anni fa, una manciata di gruppi di ricerca ha cercato di costruire strumenti di spremitura quantistica in laboratorio.

"Dopo queste prime manifestazioni, è andato tranquillo, "dice Mavalvala.

"La sfida con la costruzione di spremitori è che lo stato di vuoto schiacciato è molto fragile e delicato, " Tse aggiunge. "Prendendo la palla schiacciata, in un pezzo, da dove viene generato a dove viene misurato è sorprendentemente difficile. Qualsiasi passo falso, e la palla può tornare subito al suo stato non schiacciato."

Quindi, intorno al 2002, proprio come i rivelatori di LIGO hanno iniziato a cercare le onde gravitazionali, i ricercatori del MIT hanno iniziato a pensare alla compressione quantistica come un modo per ridurre il rumore che potrebbe mascherare un segnale di onde gravitazionali incredibilmente debole. Hanno sviluppato un progetto preliminare per uno spremiagrumi sottovuoto, che hanno testato nel 2010 presso il sito di Hanford di LIGO. Il risultato è stato incoraggiante:lo strumento è riuscito ad aumentare il rapporto segnale-rumore di LIGO, la forza di un segnale promettente rispetto al rumore di fondo.

Da allora, Il gruppo, guidati da Tse e Barsotti, ha affinato il suo design, e spremiagrumi costruiti e integrati in entrambi i rilevatori LIGO. Il cuore dello spremiagrumi è un oscillatore parametrico ottico, o OPO, un dispositivo a forma di papillon che contiene un piccolo cristallo all'interno di una configurazione di specchi. Quando i ricercatori dirigono un raggio laser sul cristallo, gli atomi del cristallo facilitano le interazioni tra il laser e il vuoto quantistico in un modo che riorganizza le loro proprietà di fase rispetto all'ampiezza, creando un nuovo, vuoto "spremuto" che poi continua lungo ciascun braccio del rilevatore come farebbe normalmente. Questo vuoto schiacciato ha fluttuazioni di fase minori rispetto a un normale vuoto, permettendo agli scienziati di rilevare meglio le onde gravitazionali.

Oltre ad aumentare la capacità di LIGO di rilevare le onde gravitazionali, il nuovo spremiagrumi quantistico può anche aiutare gli scienziati a estrarre meglio le informazioni sulle sorgenti che producono queste onde.

"Abbiamo questo spaventoso vuoto quantico che possiamo manipolare senza violare le leggi della natura, e possiamo quindi effettuare una misurazione migliore, " Dice Mavalvala. "Ci dice che a volte possiamo fare un giro intorno alla natura. Non sempre, ma a volte."