Risolvere un problema tecnico in un progetto scientifico multimilionario di solito significa spendere milioni in più. O inventare qualcosa di nuovo.
Non questa volta.
Gli scienziati che lavorano sugli Osservatori delle onde gravitazionali dell’interferometro laser (LIGO) hanno trovato una soluzione a un persistente mal di testa ingegneristico utilizzando qualcosa che potresti acquistare online. Una termocamera pronta all’uso.
Sembra quasi troppo semplice per una struttura progettata per rilevare increspature nello spaziotempo causate dalla collisione di buchi neri. Ma questo è esattamente ciò che ha fatto un team guidato da Jonathan Richardson dell’Università della California, Riverside.
Come la termografia corregge le distorsioni dello specchio in LIGO
LIGO ascolta gli eventi più violenti dell’universo. Quando due buchi neri si scontrano, inviano onde d’urto attraverso lo spazio-tempo. Queste onde gravitazionali attraversano la Terra, allungando e comprimendo lo spazio stesso in quantità microscopiche.
All’interno delle strutture gemelle a forma di L di LIGO a Washington e in Louisiana, i raggi laser viaggiano lungo tunnel di 2,5 miglia. Rimbalzano sugli specchi in modo così perfetto da riflettere il 99,9997% della luce che li colpisce. La purezza di questi specchi è sconcertante. Sono tra i migliori componenti ottici mai realizzati.
Ma la perfezione ha un costo. Anche i migliori specchi assorbono una piccola frazione dell’energia laser. Quella energia si trasforma in calore.
Il calore deforma la superficie dello specchio di pochi nanometri. È una distorsione microscopica, ma confonde il raggio laser. Ciò limita la distanza che LIGO può “vedere”. O meglio, fino a che punto può “sentire”.
Il team di Richardson ha accoppiato termocamere commerciali con modelli di computer. Hanno creato una mappa delle distorsioni termiche sugli specchi. Immaginatelo come diagnosticare il motore di un’auto scansionando la sua temperatura. Vedi i punti caldi all’esterno. Deduci cosa sta succedendo dentro.
Con questa mappa, i fisici possono applicare calore mirato al retro dello specchio. Ciò contrasta la deformazione. Il raggio laser rimane libero. La sensibilità migliora.
“Non richiede alcuno sviluppo di nuove tecnologie. Il che è quasi inaudito per risolvere un problema con uno strumento LIGO.”
Perché questo aggiornamento espande la portata di LIGO di 33 milioni di anni luce
Perché è importante uno specchio migliore?
Lo spazio è tridimensionale. Quando estendi la tua portata in una direzione, il tuo volume di osservazione cresce in modo esponenziale.
La soluzione di Richardson estende la portata effettiva di LIGO di circa 33 milioni di anni luce.
Quel numero potrebbe sembrare piccolo rispetto alla scala del cosmo. Ma in termini di dati? È enorme. Una finestra leggermente più grande significa molti più eventi rilevabili. Gli astronomi cattureranno più fusioni di buchi neri. Altre collisioni di stelle di neutroni. L’universo diventa più rumoroso.
Questo non è solo un lavoro di riparazione per le apparecchiature esistenti. È un progetto per il futuro.
La tecnica è già stata integrata nella progettazione di Cosmic Explorer. Questo osservatorio di prossima generazione punta alla metà del 2030. Le sue braccia si estenderanno per 25 miglia, dieci volte di più di quelle di LIGO.
Se la correzione di LIGO aggiunge profondità, Cosmic Explorer punta a un aumento di dieci volte della sensibilità complessiva. Il nemico principale non è solo il caldo. È rumore quantistico. La confusione fondamentale della fisica che limita la precisione della misurazione. Ma tenere sotto controllo le distorsioni termiche è il primo passo.
La tecnologia commerciale è migliore per gli strumenti scientifici sensibili?
C’è conforto nel banale. Una termocamera standard costa pochi centesimi rispetto ai budget di ricerca e sviluppo. È disponibile. È dimostrato.
La dipendenza di LIGO dall’hardware standard ribalta la sceneggiatura dell’elitarismo high-tech. A volte lo strumento migliore non è quello costruito da zero in laboratorio. È quello già seduto su uno scaffale.
La correzione è pronta. Farà parte del prossimo ciclo di aggiornamento di LIGO. Quindi entra in Cosmic Explorer.
Gli specchi sono ancora caldi. I dati continuano ad arrivare. Ma ora sappiamo dove cercare il caldo. E una volta che vedi la distorsione, puoi correggerla.
Il che lascia una domanda. Quali altri segreti cosmici si nascondono dietro il rumore termico?
