Alcuni degli eventi più catastrofici e misteriosi nel cosmo si rivelano solo attraverso le loro onde gravitazionali. Abbiamo rilevato alcuni di essi con i nostri rilevatori terrestri, ma le dimensioni di questi strumenti sono limitate. Il prossimo passo nell’astronomia delle onde gravitazionali (GW) è un rilevatore spaziale: LISA, l’Antenna Spaziale a Interferometro Laser.

Quando oggetti densi come i buchi neri e le stelle di neutroni ruotano l’uno attorno all’altro e si fondono, generano onde gravitazionali. Queste increspature nello spazio-tempo, previste da Einstein nel 1915, sono state osservate per la prima volta nel 2015 da LIGO (Osservatorio delle Onde Gravitazionali a Interferometro Laser). Attualmente, abbiamo osservato dozzine di esse.
I rilevatori terrestri come LIGO hanno due lunghe “braccia” disposte ad angolo retto l’una rispetto all’altra. Un potente raggio laser viene diviso in due raggi identici che viaggiano lungo ciascuna braccio, o tunnel, distanti diversi chilometri. I raggi vengono riflessi avanti e indietro da specchi all’estremità delle braccia, e quando si combinano, interferiscono tra loro. Ogni volta che una GW attraversa la Terra, deforma lo spazio-tempo. Ciò rende una braccio più lungo dell’altro, cambiando il pattern di interferenza nei raggi.
L’Osservatorio delle Onde Gravitazionali a Interferometro Laser è composto da due rilevatori, questo situato a Livingston, La., e uno vicino a Hanford, Wash. I rilevatori utilizzano grandi braccia a forma di “L” per misurare piccole increspature nel tessuto dell’universo. Credito: Caltech/MIT/LIGO Lab.
La lunghezza delle braccia limita le dimensioni delle GW che LIGO può rilevare e il tipo di fusioni che può osservare. Può rilevare solo GW ad alta frequenza da 10 a 1.000 Hertz, provenienti da coppie di buchi neri (BH), coppie di stelle di neutroni (NS) e coppie miste di BH e NS.
LISA sarà molto diversa. Non avrà la stessa limitazione di lunghezza delle braccia. LISA sarà il primo osservatorio spaziale dedicato alle GW e sarà composto da tre veicoli spaziali separati disposti a triangolo equilatero. Ogni veicolo spaziale sarà distante 2,5 milioni di km, il che significa che le braccia di LISA saranno lunghe 2,5 milioni di km.
Un concetto artistico di come LISA funzionerà per rilevare onde gravitazionali dall’orbita spaziale. Cortesia ESA.
La missione LISA dell’ESA/NASA rappresenta il prossimo passo nell’astronomia delle onde gravitazionali (GW). Con le sue braccia molto più lunghe, LISA rileverà onde a bassa frequenza da 0,1 mHz a 1 Hz e allargherà la nostra ricerca di GW e degli eventi che le generano. Rileverà GW da altre fonti, come fusioni di buchi neri supermassicci (SMBH), sistemi binari di nane bianche e Ispirali a Rapporto di Massa Estremo (EMRIs). (EMRIs sono sistemi in cui oggetti come un buco nero di massa stellare o una nana bianca spiraleggiano verso un SMBH.)
Come LIGO, LISA sarà anche un interferometro laser. Qualsiasi cambiamento nel suo pattern di interferenza laser può essere attribuito a una GW. Tuttavia, LISA farà di più che semplicemente rilevare le GW. Potrà determinare altre caratteristiche nei complessi waveform delle GW, come la rotazione del buco nero.
La NASA è attivamente al lavoro sulla missione, che non è programmata per il lancio fino al 2035. Ci hanno mostrato la prima immagine di un prototipo a grande scala delle sei fotocamere su cui LISA farà affidamento.
“Telescopi gemelli a bordo di ciascun veicolo spaziale trasmetteranno e riceveranno fasci di laser infrarossi per tracciare i loro compagni, e la NASA fornirà tutti e sei per la missione LISA,” ha affermato Ryan DeRosa, un ricercatore presso il Goddard Space Flight Center della NASA a Greenbelt, Maryland. “Il prototipo, chiamato Telescope Engineering Development Unit, ci guiderà mentre lavoriamo per costruire l’hardware di volo.”
Il 20 maggio, il telescopio prototipo a grande scala per la missione LISA (Antenna Spaziale a Interferometro Laser), ancora nel suo telaio di spedizione, è stato spostato all’interno di una camera pulita presso il Goddard Space Flight Center della NASA a Greenbelt, Maryland. Sono realizzati in una ceramica di vetro di colore ambra chiamata Zerodur, che resiste ai cambiamenti in un ampio intervallo di temperature. I telescopi presentano anche uno strato sottile d’oro sulla loro superficie. Credito Immagine: NASA/Dennis Henry
I telescopi sono progettati per essere stabili su un ampio intervallo di temperature, poiché la precisione è fondamentale per il successo. Devono rilevare cambiamenti di dimensioni picometriche, o un trilionesimo di metro, tra ciascun veicolo spaziale. A differenza di LIGO, i tre veicoli spaziali che compongono il sistema non possono essere mantenuti a distanze precise l’uno dall’altro. Nel corso dell’orbita annuale, la distanza tra di essi cambia significativamente, e il sistema deve tenere traccia di queste variazioni per garantire precisione.
Lo strato sottile d’oro è altamente riflettente nella gamma infrarossa che i laser di LISA utilizzeranno. Minimizza anche l’assorbimento termico e fornisce una riflettività costante nel tempo. L’oro resiste anche alla corrosione, protegge lo strato sottostante dalla degradazione ed è termicamente stabile.
LISA ha un altro trucco nella manica: cubi o masse di prova flottanti. Questi riflettono i laser avanti e indietro tra i veicoli spaziali e sono una parte cruciale del suo sistema di rilevamento. Sono cubi solidi di 46 mm realizzati in lega d’oro e platino che pesano circa 2 kg ciascuno. I cubi sono estremamente puri e avranno una composizione materiale omogenea. Flotteranno liberamente all’interno delle custodie degli elettrodi in ciascun veicolo spaziale. I cubi fungono da punti di riferimento per la misurazione delle GW.
L’ESA e la NASA hanno già testato alcuni dei componenti di LISA nello spazio. Nel 2015, l’ESA ha lanciato la missione LISA Pathfinder. Ha testato una versione molto più piccola di una delle braccia di LISA e ha anche testato i cubi. Ha posizionato due masse di prova in una caduta libera gravitazionale quasi perfetta e ha controllato e misurato il loro movimento con un’impareggiata precisione.
Questa immagine mostra il layout interno del modulo scientifico di LISA Pathfinder. Le masse di prova sono visibili al centro dell’immagine. Credito Immagine: ESA/ATG medialab. LICENZA: Licenza Standard ESA
Abbiamo fatto molta strada da quando Einstein ha previsto le onde gravitazionali. Quando la prima è stata rilevata nel 2015, si è aperta una nuova finestra sul cosmo.
LISA allargherà quella finestra e rivelerà eventi definitivi delle galassie, come le fusioni di buchi neri supermassicci.