Combattere il rumore

L’elevata sensibilità che Advanced Virgo deve raggiungere per osservare le minuscole variazioni dello spazio-tempo indotte dal passaggio delle onde gravitazionali rappresenta una vera sfida. Da un lato, Advanced Virgo è progettato per massimizzare la risposta a un’onda gravitazionale (vedi Schema Ottico). Dall’altro, numerose sorgenti di rumore devono essere eliminate o almeno fortemente attenuate. Queste includono: il moto termico degli atomi che compongono gli specchi e le fibre a cui sono sospesi; le fluttuazioni della frequenza, potenza e direzione del laser; le molecole d’aria presenti nel percorso del fascio laser; le deformazioni termomeccaniche indotte dall’energia del laser assorbita; le imperfezioni nella qualità ottica degli specchi; il rumore elettronico dei fotodiodi e dell’elettronica; i rumori dei sensori e degli attuatori dei numerosi sistemi di feedback necessari per mantenere Advanced Virgo nel suo punto di lavoro; i rumori fondamentali della luce stessa, come descritti nella meccanica quantistica.

Inoltre, l’ambiente naturale in cui si trova Advanced Virgo è esso stesso una sorgente di rumore che deve essere filtrato: il movimento sismico del suolo, le condizioni meteorologiche avverse, i disturbi elettromagnetici o persino le variazioni del campo gravitazionale locale dovute allo spostamento di masse attorno agli specchi di Virgo.
Aumentare il segnale e ridurre tutti i rumori, o come dicono gli scienziati, massimizzare il rapporto segnale-rumore, è una sfida enorme: le azioni intraprese per raggiungere questo obiettivo plasmano Advanced Virgo, rendendolo estremamente complesso e affascinante.

Rumori sismici

Virgo poggia sul suolo, che è in costante movimento. Gli esseri umani percepiscono questo fenomeno solo durante i terremoti (quando il movimento del terreno è abbastanza intenso da essere avvertito), ma anche le vibrazioni permanenti, per quanto piccole, rappresentano un problema per il rivelatore, data l’estrema precisione richiesta nel controllo della posizione degli specchi. Per ridurre drasticamente questo problema, ciascuno degli specchi di Virgo è sospeso tramite una lunga catena di pendoli chiamata Superattenuatore, ospitata in una torre alta 10 metri. Il loro effetto combinato è tale che l’ampiezza delle vibrazioni del terreno con periodicità di 0,1 secondi o inferiore (frequenze di 10 Hz o più) viene ridotta di un fattore 10¹², ovvero più di mille miliardi di volte! Questi Superattenuatori non sono solo passivi: vengono anche utilizzati per controllare attivamente la posizione degli specchi.
A frequenze più basse (movimenti più lenti), questi sistemi riducono progressivamente meno il rumore sismico, il cui contributo diventa predominante. Questo spiega perché gli attuali rivelatori di onde gravitazionali non riescono a rivelare segnali con frequenza inferiore a circa 10 Hz. Questo “muro sismico” rappresenta un limite fondamentale per tutti questi strumenti, anche se progetti futuri, come l’Einstein Telescope sotterraneo, mirano a ridurre questo limite a pochi Hz. L’uso di rivelatori spaziali (come il progetto LISA) è l’unico modo per eliminare completamente il rumore sismico.

Terremoti violenti

Terremoti di intensità sufficiente (la cui forza effettiva dipende dalla magnitudo e dalla distanza dell’epicentro dal sito di Virgo) mettono sotto stress il sistema di controllo di Virgo. La operatività del rivelatore può andare persa e l’acquisizione dei dati può essere interrotta. Queste interruzioni possono durare a lungo: prima di riacquisire il controllo dell’intero rivelatore, può essere necessario attendere che l’eccitazione, causata dalla perdita improvvisa di controllo o direttamente dall’eccessivo rumore sismico, si smorzi.
Per stimare se un terremoto possa compromettere il controllo del rivelatore e per ridurre al minimo le possibili interruzioni, Virgo riceve allerte sismiche anticipate dallo US Geological Survey (USGS). Per i terremoti abbastanza distanti dall’Osservatorio Gravitazionale Europeo (EGO), l’allerta è effettivamente “precoce”, cioè viene ricevuta prima che le onde sismiche raggiungano il sito. Sebbene non sia possibile schermare il rivelatore da questi eventi, questo tempo extra può essere utilizzato per mitigare gli effetti di eventuali onde sismiche particolarmente forti. Inoltre, una collaborazione con l’Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia (INGV) italiano dovrebbe portare all’implementazione di un secondo sistema di allerta precoce, a complemento di quello dello USGS. Questo fornirà una copertura più completa dei terremoti e dovrebbe permettere di ricevere più rapidamente le allerte sismiche per quelli più vicini all’Italia e quindi a Virgo.

Maltempo

Un’altra fonte di disturbo per il rivelatore Virgo è il maltempo, in particolare venti forti e intensa attività marina: le onde che si infrangono sulla costa tirrenica generano rumore sismico che si propaga fino al sito dell’EGO, a circa 10 chilometri di distanza. Questo tremore della superficie terrestre è ben noto ai geofisici e viene chiamato microsisma marino. I periodi di alta attività marina corrispondono a una minore sensibilità di Virgo a causa dell’aumento del rumore sismico nel sito. Inoltre, i microsismi marini inducono brevi rumori transitori (glitch) che influenzano la qualità dei dati e possono generare segnali erroneamente interpretati come onde gravitazionali (falsi allarmi). I microsismi marini possono anche influenzare i componenti del rivelatore in generale, aumentando, ad esempio, il rumore dovuto alla luce diffusa, riducendo la precisione del controllo del rivelatore e quindi la sua sensibilità alle onde gravitazionali.
I fulmini possono anch’essi disturbare Virgo: sia come interferenza elettromagnetica sia, con un ritardo, come onde di pressione sonora che inducono vibrazioni nel terreno e nelle componenti meccaniche del rivelatore.

Rumore termico

Il rumore termico è un’intera classe di rumori legati all’agitazione termica casuale degli atomi e delle molecole che costituiscono tutte le componenti del rivelatore: maggiore è la temperatura e le perdite meccaniche, più intensa è tale agitazione e quindi maggiore è il rumore. Virgo opera a temperatura ambiente e la principale strategia per ridurre il rumore termico è l’uso di materiali di altissima qualità, con basso attrito interno. Il principale rumore termico che limita la sensibilità del rivelatore proviene dagli specchi e dalle loro sospensioni: l’effetto indotto è una vibrazione casuale della superficie dello specchio che potrebbe mascherare i segnali delle onde gravitazionali.
Non solo gli specchi e le loro fibre di sospensione sono realizzati con materiali con un rumore termico intrinsecamente basso, ma vengono anche preferiti ampi spot laser: questo aiuta a ridurre l’effetto del rumore termico mediando le vibrazioni casuali della superficie dello specchio su una grande area di misura. Per i rivelatori di nuova generazione, gli specchi saranno inoltre raffreddati a temperature criogeniche.

Rumore quantistico

Ai livelli di sensibilità impressionanti di un rivelatore interferometrico come Advanced Virgo, la natura quantistica della luce impone il limite ultimo. Nel mondo quantistico, la luce può essere considerata come un flusso di pacchetti di energia discreti, i fotoni. Questi vengono “contati” dai fotorivelatori utilizzati per misurare la potenza della luce e generano una pressione di radiazione sugli specchi su cui vengono riflessi. Poiché il flusso di fotoni fluttua, si originano due contributi di rumore: il rumore di conteggio dei fotoni (o shot noise, dominante alle alte frequenze) e il rumore di pressione di radiazione (dominante alle basse frequenze); insieme, vengono definiti rumore quantistico.
Questi due tipi di rumore variano in modo inverso con la potenza del laser: il rumore di shot noise si riduce aumentando la potenza del laser, mentre il rumore di pressione di radiazione aumenta con la stessa potenza. Pertanto, è necessario trovare un equilibrio tra questi due effetti per minimizzare il loro impatto sulla sensibilità del rivelatore, che deve essere ottimale sia alle basse che alle alte frequenze. Per ogni frequenza dell’onda gravitazionale che si desidera rivelare, esiste una potenza laser ottimale che minimizza la combinazione di questi due rumori. Questa condizione di equilibrio è chiamata Limite Quantistico Standard (SQL, Standard Quantum Limit).

Sistema di Vuoto

Il sistema di vuoto è una parte fondamentale dell’infrastruttura di Virgo. Tutte le componenti più critiche, come gli specchi dei bracci, il beam splitter e gli specchi di riciclo, sono ospitati all’interno di torri a vuoto per eliminare i rumori dovuti alla presenza delle molecole d’aria. Per lo stesso motivo, i fasci laser si propagano nel vuoto: le camere a vuoto che ospitano le ottiche principali sono quindi collegate da tubi a vuoto nei quali circola il fascio laser. I tubi più grandi di Virgo, che collegano le due torri delle cavità Fabry-Perot, sono lunghi 3 chilometri e hanno un diametro di 1,2 metri. La pressione del gas residuo deve essere estremamente bassa, circa mille miliardi di volte inferiore a quella atmosferica! Questo fa di Virgo una gigantesca camera a ultra-alto vuoto di 6800 m³, il più grande sistema a ultra-alto vuoto in Europa.

Per raggiungere questo livello di vuoto così basso, i tubi in acciaio inossidabile sono stati costruiti seguendo un particolare processo metallurgico che prevede la desorbizione dell’idrogeno a 400°C. Inoltre, dopo l’installazione e la prima fase di pompaggio del vuoto, i tubi sono stati riscaldati a 100°C per diversi giorni, in modo da eliminare le molecole d’acqua aderenti alla superficie metallica. Infine, trappole criogeniche sono state installate a ciascuna estremità dei tubi per impedire la migrazione delle molecole d’acqua dalle torri non sottoposte a trattamento termico verso i tubi.

Perdite ottiche e sistema di compensazione termica

Poiché il principio di rivelazione delle onde gravitazionali si basa sulla luce, la perdita di luce nel rivelatore equivale alla perdita di parte del segnale delle onde gravitazionali. Per questo motivo, le perdite ottiche sono un elemento critico nell’esperimento e devono essere ridotte al minimo.

Per evitare di perdere luce, è necessario utilizzare solo ottiche all’avanguardia con prestazioni eccezionali. Le ottiche sono realizzate con il miglior vetro disponibile, completamente trasparente e privo di difetti. La lucidatura viene eseguita a livello atomico per ottenere una superficie perfettamente liscia, che riduca al minimo la dispersione della luce. Infine, viene applicato un rivestimento speciale in grado di riflettere più del 99,999% della luce laser.

L’intero processo di fabbricazione delle ottiche e la loro installazione in Virgo devono avvenire in “camere pulite”, per evitare contaminazioni da polvere e altre particelle.
Anche con ottiche eccellenti, in Virgo esiste comunque una piccola componente di assorbimento residuo della luce (nell’ordine di poche parti per milione). Questa,combinata con la grande potenza del laser circolante (oltre 100.000 Watt di luce nei bracci), può comunque avere effetti dannosi sul funzionamento del rivelatore. Per compensare questi effetti, è stato implementato un sistema di compensazione termica che permette di modificare dinamicamente la forma di alcune componenti ottiche: è come aggiungere delle lenti correttive ad alcune ottiche per ripristinare le condizioni ottimali di funzionamento del rivelatore.

Rumore da luce diffusa

Perché l’esperimento funzioni correttamente, il fascio laser di Virgo deve seguire un percorso ben definito e mantenere le proprietà spaziali previste dal progetto. Tuttavia, una parte della luce si disperde inevitabilmente in direzioni indesiderate in vari punti del rivelatore. Questo può accadere a causa della rugosità residua delle superfici ottiche, di imperfezioni nella massa delle ottiche trasmissive o persino dell’interazione della luce con le molecole di gas residuo presenti nelle camere e nei tubi a vuoto di Virgo. Inoltre, la propagazione della luce in direzioni indesiderate può essere causata dalla trasmissione o riflessione residua da parte delle ottiche.

La luce diffusa può diventare problematica se, dopo essere stata riflessa da strutture in vibrazione, si ricombina con il fascio principale dell’interferometro: questo fenomeno genera un rumore aggiuntivo che può falsare i segnali di controllo necessari per mantenere Virgo nel suo punto operativo o, nei casi peggiori, simulare un falso segnale di onda gravitazionale.

Per contrastare la luce diffusa, Virgo impiega componenti ottiche di altissima qualità e a basse perdite, fa propagare i fasci laser nel vuoto e utilizza schermature assorbenti vicino a tutti gli specchi sospesi, all’interno dei tubi a vuoto dei bracci e sui banchi che supportano le ottiche.

Rumore Newtoniano

Il rumore Newtoniano è un’ulteriore possibile fonte di rumore che influisce su un interferometro per onde gravitazionali come Virgo. Questo rumore ha origine dalle variazioni locali e temporali del campo gravitazionale vicino agli specchi dei bracci dell’interferometro: tali variazioni generano un’interazione Newtoniana (ossia descritta dalla teoria classica della gravità) che provoca lo spostamento dello specchio, compromettendo così la sensibilità del rivelatore alle onde gravitazionali. Le variazioni locali del campo gravitazionale possono essere causate, ad esempio, da fluttuazioni di densità che si propagano nel suolo circostante il rivelatore a causa di onde sismiche. Anche le perturbazioni della densità atmosferica possono essere fonti di rumore Newtoniano: esse possono derivare, ad esempio, da onde di pressione (nella regione degli infrasuoni) e da fluttuazioni di temperatura. In geofisica, queste fluttuazioni sono di grande interesse perché trasportano informazioni su processi come le rotture di faglie e le perturbazioni della densità atmosferica.
La sorgente del rumore Newtoniano è rilevante alle basse frequenze, ossia influisce sulla nostra capacità di rivelare onde gravitazionali con frequenze comprese tra circa 1 e 20 Hz. Il rumore Newtoniano è un’interazione diretta dell’ambiente con il rivelatore: non esiste alcun filtro che possa essere applicato per cancellarne l’effetto.
La principale strategia adottata per mitigare il rumore Newtoniano consiste nel monitorare le perturbazioni locali del campo gravitazionale utilizzando una rete di sensori posizionati strategicamente, come microfoni e sismometri, per poi sottrarre il rumore Newtoniano misurato dai dati. Advanced Virgo implementerà tale sistema nei prossimi periodi di osservazione.