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Il Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) è una coppia di enormi strutture di ricerca negli Stati Uniti dedicate alla rilevazione delle increspature nel tessuto di questo tempo Web note come onde gravitazionali . Tali segnali provengono da oggetti massicci nell'universo, come buchi neri e stelle di neutroni , e forniscono agli astronomi una finestra completamente nuova per osservare i fenomeni cosmici.

I meccanismi alla base di LIGO si basano sul lavoro del famoso fisico Albert Einstein, che nella sua teoria della relatività predisse l'esistenza delle onde gravitazionali, analoghe alle onde elettromagnetiche, più di un secolo fa. Einstein credeva che tali onde fossero troppo deboli per essere rilevate in modo fattibile, secondo una storia del progetto del California Institute of Technology (Caltech) di Pasadena.

Come LIGO ha rilevato le onde gravitazionali

A partire dagli anni '60 e '70, i ricercatori hanno costruito prototipi di rivelatori di onde gravitazionali utilizzando specchi a sospensione libera che facevano rimbalzare un laser tra di loro. Se un'onda gravitazionale passasse attraverso l'apparato, farebbe oscillare il tessuto di questo tempo Web e farebbe muovere leggermente gli specchi. Questo dispositivo, noto come interferometro, è ancora l'unità di base all'interno dei rilevatori di onde gravitazionali odierni.

Sebbene quei primi modelli non avessero la sensibilità necessaria per catturare un segnale di onda gravitazionale, i progressi continuarono per diversi decenni e, nel 1990, la National Science Foundation approvò l'assemblaggio di due rivelatori LIGO; uno a Hanford, Washington e un altro a Livingston, Louisiana.

La costruzione di entrambi i rivelatori è stata completata nel 1999 e la ricerca delle onde gravitazionali è iniziata alcuni anni dopo. Per più di un decennio, i rivelatori hanno continuato a essere vuoti, poiché i fisici hanno imparato a gestire gli strumenti altamente sensibili e tutte le cose che potrebbero andare storte. Qualsiasi numero di cose può rovinare le strutture, incluso qualcosa di banale come i corvi che beccano i tubi che vi conducono.

Il progetto LIGO gestisce due siti di rilevamento: uno vicino a Hanford, nella parte orientale di Washington, e un altro vicino a Livingston, in Louisiana (mostrato qui). (Credito immagine: collaborazione LIGO)

LIGO è stato completamente riprogettato per una maggiore sensibilità tra il 2010 e il 2014. Il duro lavoro ha dato i suoi frutti. Entro pochi giorni dall'accensione degli strumenti nel settembre 2015, l'osservatorio ha iniziato a raccogliere la firma delle sue prime onde gravitazionali, secondo una pagina informativa LIGO del Caltech.

Questo segnale storico è stato tenuto segreto per mesi mentre gli scienziati lavoravano per capirne i dettagli. L'11 febbraio 2016, la scoperta è stata resa pubblica, con i fisici che hanno annunciato di aver rilevato la collisione di due buchi neri rispettivamente 29 e 36 volte più massicci del Sole, avvenuta quasi 1,3 miliardi di anni fa.

I risultati sono stati accolti con gioia dalla comunità dei fisici e hanno ricevuto ampia attenzione dai media. L'osservazione non solo ha confermato la secolare previsione di Einstein, ma ha anche fornito ai ricercatori un modo nuovo di zecca per scrutare l'universo. Un anno dopo, gli astrofisici Kip Thorne e Barry Barish del Caltech e Rainer Weiss del MIT hanno condiviso il Premio Nobel per la fisica per il loro lavoro pionieristico sul rilevamento delle onde gravitazionali.

La collaborazione LIGO attualmente consiste nei due rilevatori con sede negli Stati Uniti e in un terzo strumento entrato in linea nel 2017 chiamato Virgo. Si trova vicino a Pisa, in Italia, ed è gestito da un gruppo europeo. Ogni struttura include una camera a vuoto a forma di L con gambe lunghe 2,5 miglia (4 chilometri) contenenti un interferometro. I laser dei rivelatori possono discernere i movimenti tra i loro specchi con un'incredibile precisione di 1/10.000 della larghezza di un protone.

Lavorando in tandem, le tre strutture aiutano a confermare che qualsiasi segnale raccolto da una struttura è un vero rilevamento di onde gravitazionali e non un rumore casuale. I ricercatori hanno creato alcuni dei punti più silenziosi del mondo intorno ai rilevatori di onde gravitazionali, rallentando il traffico nelle vicinanze, monitorando ogni minuscolo tremore nel terreno e persino sospendendo l'apparecchiatura di rilevamento da un sistema a pendolo che riduce al minimo le vibrazioni.

Gli altri più grandi successi di LIGO

Alcuni dei risultati più spettacolari di LIGO e Virgo includono il primo rilevamento di due stelle di neutroni cadaveri stellari estremamente densi che si schiantano l'uno contro l'altro. La scoperta, annunciata nell'ottobre 2017, è stata accompagnata da osservazioni dello stesso evento utilizzando telescopi radio, infrarossi, ottici, raggi gamma e raggi X, consentendo agli scienziati di trarre informazioni da più canali, un'impresa nota come astrofisica multi-messaggero. I dati hanno aiutato a dimostrare che tali collisioni sono la fonte di gran parte dell'oro, del platino e di altri elementi pesanti dell'universo.

Nel gennaio 2020, LIGO ha rilevato una seconda distruzione di una stella di neutroni che ha coinvolto oggetti colossali con una massa combinata 3,4 volte quella del sole. Stelle di neutroni così pesanti non sono mai state viste prima nei telescopi e spingono il limite delle dimensioni di ciò che dovrebbe essere teoricamente possibile per tali entità, lasciando gli scienziati a grattarsi la testa su come potrebbero essere state create quelle stelle.

Nello stesso anno, i ricercatori hanno annunciato che LIGO e Virgo avevano rilevato il segnale della fusione di due buchi neri behemoth . Le entità, che avevano rispettivamente massa 66 e 85 volte quella del sole, formavano un unico buco nero con una massa totale di 142 volte quella solare. Questa è stata la prima prova inequivocabile di quelli che sono noti come buchi neri di massa intermedia, con un peso compreso tra 50 e 100.000 volte il sole, che gli scienziati sapevano doveva esistere ma non avevano mai visto prima.

Nel 2020, LIGO e Virgo sono stati raggiunti da uno strumento giapponese chiamato Kamioka Gravitational Wave Detector (KAGRA), anche se tutte le strutture hanno dovuto essere temporaneamente chiuse a causa della pandemia mondiale di COVID-19. Si prevede che un rilevatore indiano si unirà alla rete a metà degli anni '20. Con queste strutture aggiuntive e gli aggiornamenti alle strutture attuali, i fisici saranno in grado di osservare le onde gravitazionali da più lontano e con maggiore frequenza, consentendo loro di fare ancora più scoperte in futuro.

Link aggiuntivi:

  • Trova maggiori informazioni sulla collaborazione internazionale LIGO sul sito web della LIGO Scientific Collaboration.
  • Scopri di più sulle onde gravitazionali dalla NASA Science.
  • Leggi le fonti e i tipi di onde gravitazionali che LIGO ha scoperto, dal sito web LIGO-CalTech.
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