Gli interferometri sono strumenti di indagine usati in molti campi della scienza e dell’ingegneria. Sono chiamati interferometri perché funzionano unendo due o più fonti di luce per creare un modello di interferenza, che può essere misurato e analizzato; da qui ‘Interfere-o-metro’, o interferometro. I modelli di interferenza generati dagli interferometri contengono informazioni sull’oggetto o sul fenomeno studiato. Sono spesso usati per fare misure molto piccole che non sono ottenibili in nessun altro modo. Questo è il motivo per cui sono così potenti per rilevare le onde gravitazionali – gli interferometri di LIGO sono progettati per misurare una distanza pari a 1/10.000 della larghezza di un protone!

Oggi ampiamente utilizzati, gli interferometri sono stati effettivamente inventati alla fine del XIX secolo da Albert Michelson. L’interferometro di Michelson fu usato nel 1887 nell’esperimento “Michelson-Morley”, che si proponeva di provare o confutare l’esistenza dell'”etere luminifero” – una sostanza che all’epoca si pensava permeasse l’universo. Tutti i moderni interferometri si sono evoluti da questo primo esperimento, poiché ha dimostrato come le proprietà della luce possono essere utilizzate per effettuare le misure più piccole. L’invenzione dei laser ha permesso agli interferometri di fare le più piccole misurazioni concepibili, come quelle richieste da LIGO.

Sorprendentemente, la struttura di base degli interferometri di LIGO differisce poco dall’interferometro che Michelson ha progettato più di 125 anni fa, ma con alcune caratteristiche aggiunte, descritte in LIGO’s Interferometer.

Come è fatto un interferometro?

A causa della loro ampia applicazione, gli interferometri sono disponibili in una varietà di forme e dimensioni. Sono usati per misurare tutto, dalle più piccole variazioni sulla superficie di un organismo microscopico, alla struttura di enormi distese di gas e polvere nel lontano Universo, e ora, per rilevare le onde gravitazionali. Nonostante i loro diversi design e i vari modi in cui vengono utilizzati, tutti gli interferometri hanno una cosa in comune: sovrappongono fasci di luce per generare un modello di interferenza. La configurazione di base di un interferometro laser di Michelson è mostrata a destra. Consiste in un laser, un divisore di fascio, una serie di specchi e un fotorilevatore (il punto nero) che registra il modello di interferenza.

Cos’è un modello di interferenza?

Per capire meglio come funzionano gli interferometri, è utile capire meglio l'”interferenza”. Chiunque abbia lanciato dei sassi in uno stagno piatto e vetroso o in una piscina e abbia osservato cosa è successo, conosce l’interferenza. Quando i sassi colpiscono l’acqua, generano onde concentriche che si allontanano dalla fonte. E dove due o più di queste onde concentriche si intersecano, interferiscono tra loro. Questa interferenza può risultare in un’onda più grande, un’onda più piccola o nessuna onda. Il modello visibile che si verifica dove le onde si intersecano è semplicemente un modello di “interferenza”.

I principi dell’interferenza sono semplici da capire. Due o più onde interagiscono. Si sommano le altezze delle onde separate mentre interagiscono, e l’onda risultante è il modello di ‘interferenza’. La figura a destra mostra due tipi specifici di interferenza: interferenza costruttiva totale e interferenza distruttiva totale. L’interferenza costruttiva totale avviene quando i picchi e le depressioni di due (o più) onde si incontrano perfettamente. Quando si sommano, si “costruisce” un’onda più grande, la cui dimensione è uguale alla somma delle altezze (e delle profondità!) delle due onde in ogni punto in cui stanno fisicamente interagendo. L’interferenza distruttiva totale si verifica quando i picchi di una o più onde si incontrano e corrispondono alle depressioni di un’onda identica. Sommando questi risultati, essi si annullano a vicenda (cioè, si “distruggono” a vicenda).

In natura, i picchi e le depressioni di un’onda non incontreranno sempre perfettamente i picchi o le depressioni di un’altra onda come mostra l’illustrazione. Convenientemente, indipendentemente da quanto siano in sincronia quando si fondono, l’altezza dell’onda risultante dall’interferenza è sempre uguale alla somma delle altezze delle onde che si fondono lungo ogni punto dove stanno fisicamente interagendo. Così, quando le onde si incontrano un po’ fuori sincrono, può verificarsi un’interferenza parziale costruttiva o distruttiva. L’animazione qui sotto illustra questo effetto. L’onda nera mostra il risultato della somma dei picchi e delle depressioni delle onde rosse e blu mentre si muovono attraverso (interferiscono con) l’altra. Sommando le altezze/profondità di ogni onda in ogni punto mentre si muovono l’una attraverso l’altra si ottiene l’onda nera. Nota che sperimenta una gamma completa di altezze dal doppio dell’altezza/profondità (interferenza costruttiva totale) al piatto (interferenza distruttiva totale). In questo esempio, l’onda nera è il modello di interferenza (il modello che risulta dall’interferenza continua dell’onda rossa e blu). Notate come continua a cambiare finché le onde rosse e blu continuano a interagire.

L’onda nera che cambia è il modello di interferenza creato dalle onde rosse e blu mentre passano attraverso/interagiscono tra loro.

Paralleli con la luce

Si dà il caso che le onde della luce si comportino proprio come le onde dell’acqua. Quando due fasci di luce laser si fondono, anch’essi generano un modello di interferenza che dipende da quanto le onde luminose sono ben allineate quando si combinano. Proprio come l’acqua, quando i picchi delle onde di un raggio incontrano perfettamente le depressioni di un altro, si verifica un’interferenza distruttiva totale. In acqua, il risultato è nessuna onda. Nella luce, il risultato è nessuna luce! Al contrario, quando i picchi di un raggio incontrano perfettamente i picchi di un altro, si verifica un’interferenza costruttiva totale. Di nuovo, in acqua, l’altezza dell’onda risultante è uguale alla somma delle altezze delle due onde; nella luce, il risultato è una luce uguale alla somma delle intensità dei due fasci di luce separati. Portando questa analogia fino alla fine, in acqua, quando le onde passano l’una attraverso l’altra, possono sperimentare una gamma completa di interferenza da parziale a totale costruttiva e distruttiva (onda più grande, onda più piccola, nessuna onda). Nella luce, il risultato è una gamma completa di luminosità, dal buio alla somma delle intensità dei fasci che interagiscono.

Paralleli tra interferenza costruttiva e distruttiva in acqua e con la luce. (Adattato da www.explainthatstuff.com)

Ritornando agli interferometri di LIGO, ciò che determina il buon allineamento dei fasci quando si fondono è la distanza che percorrono prima di fondersi. Se i raggi percorrono esattamente la stessa distanza, le loro onde luminose saranno perfettamente allineate in modo da risultare in un’interferenza distruttiva totale (LIGO è deliberatamente progettato per far sì che questo accada se non passano onde gravitazionali). Ma se per qualche motivo i laser non viaggiano alle stesse distanze, le loro onde luminose non sono più in sincronia mentre si fondono, il che significa nessuna luce, poca luce, o una luce brillante come il raggio laser originale raggiunge il fotorilevatore. E se i bracci cambiano lunghezza nel tempo, appare uno sfarfallio poiché i raggi sperimentano una gamma di interferenze a seconda di come si incontrano in un dato momento.

Come le onde gravitazionali influenzano l’interferometro di LIGO?

Le onde gravitazionali fanno sì che lo spazio stesso si allunghi in una direzione e contemporaneamente si comprima in una direzione perpendicolare. In LIGO, questo fa sì che un braccio dell’interferometro si allunghi mentre l’altro si accorcia, e poi viceversa, avanti e indietro finché l’onda passa. Il termine tecnico per questo movimento è “Differential Arm” motion, o differential displacement, poiché i bracci stanno simultaneamente cambiando lunghezza in modi opposti, o in modo differenziale.

Come descritto sopra, come le lunghezze dei bracci cambiano, così anche la distanza percorsa da ogni raggio laser. Un raggio in un braccio più corto tornerà al beam splitter prima del raggio in un braccio più lungo, poi la situazione cambia quando i bracci oscillano tra l’essere più lunghi e più corti. Arrivando in tempi diversi, le onde di luce non si incontrano più bene quando si ricombinano al beam splitter. Invece, si spostano dentro e fuori dall’allineamento o “fase” mentre si fondono mentre l’onda fa oscillare le lunghezze dei bracci. In termini semplici, questo si traduce in uno sfarfallio di luce che emerge dall’interferometro. Questo processo è illustrato nella clip a destra da Einstein’s Messengers.

Anche se in linea di principio l’idea sembra quasi semplice, in pratica, rilevare quello sfarfallio non lo è. Il cambiamento della lunghezza del braccio causato da un’onda gravitazionale può essere piccolo come 1/10.000 della larghezza di un protone (cioè 10-19 m)! Inoltre, trovare uno sfarfallio di un’onda gravitazionale tra tutti gli altri sfarfallii che LIGO sperimenta (causati da qualsiasi cosa che possa scuotere gli specchi, come terremoti o traffico sulle strade vicine) è un’altra storia. LIGO Technology descrive in dettaglio come LIGO filtra gran parte di quel “rumore” al fine di rilevare l’evidente “sfarfallio” di luce causato da un’onda gravitazionale.