Scritto: Venerdì, 10 Luglio 2020 17:46 Ultima modifica: Sabato, 11 Luglio 2020 09:21

Alla ricerca di NEMO


Progetto australiano per un interferometro di nuova generazione, specializzato nella rivelazione di onde gravitazionali ad alta frequenza per studiare stelle di neutroni che si fondono.

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Rappresentazione artistica del rivelatore proposto Rappresentazione artistica del rivelatore proposto Credits: OZGRAV

  Per gli attempati come me, Nemo è il capitano del sommergibile Nautilus  in "20000 leghe sotto i mari" mentre, per le nuove generazioni, è il pesce protagonista del film che dà il titolo all'articolo. In realtà, il NEMO di cui parliamo qui è l'acronimo per "Neutron star Extreme Matter Observatory" e si tratta di una proposta ambiziosa ma anche "furba" per costruire a costi contenuti un'antenna gravitazionale di nuova generazione, appositamente progettata per lo studio delle stelle di neutroni e del corrispondente stato estremo della materia di cui esse sono costituite, stato sul quale sappiamo ancora troppo poco.

 Il progetto è esposto in un articolo firmato da numerosi ricercatori, per la maggior parte australiani. Il principio di funzionamento è lo stesso delle antenne di seconda generazione già esistenti, LIGO e Virgo, che sono attualmente in fase di potenziamento e che dovrebbero riprendere a funzionare nel 2021 nella versione Advanced + (indicata come A+ nell'articolo per brevità). Come si vede nello schema seguente, ci sono sempre due bracci di 4 km, esattamente come LIGO, ciascuno con all'estremità due masse in silicio sospese su cavi d'acciaio, che riflettono il raggio laser (due ETM o "End Test Mass" e due IMS o "Inpul Test Mass").  

NEMO Schematic

 Anche questo interferometro farà uso, a monte del rivelatore, di un dispositivo di squeezing (spremitura) che sfrutta il principio di indeterminazione per migliorare il rapporto segnale/rumore. Inoltre, le masse sospese sono raffreddate criogenicamente, anche se non a temperature estreme come nel caso di Kagra; qui si parla di 150/123 Kelvin, ovvero circa -123/-150 °C (ITM/ETM rispettivamente), al fine di ridurre il rumore termico ed anche per contenere le distorsioni dovute alla dilatazione termica; il sistema utilizzerà infatti un laser infrarosso ad alta potenza (2 μm di lunghezza d'onda e 500 W di potenza).

 Tutto il design è finalizzato alla rivelazione di onde gravitazionali a frequenza elevata, nella regione 0,5÷4 kHz, e questo riduce notevolmente la complessità del rivelatore e del sistema di isolamento sismico. La scelta delle alte frequenze deriva dal fatto che le stelle di neutroni hanno masse inferiori di almeno un ordine di grandezza rispetto a quelle dei tipici buchi neri binari, quindi orbitano una intorno all'altra molto più rapidamente prima di fondersi. In pratica, le forze mareali responsabili dell'emissione di onde gravitazionali poco prima della fusione diventano importanti solo quando la frequenza sale sopra i 500 Hz, mentre il segnale emesso dopo la fusione ricade prevalentemente oltre 1 kHz.

NEMO Strain

Credits: K.Ackley et al./ Neutron Star Extreme Matter Observatory: A kilohertz-band gravitational-wave detector in the global network - Processing/improvement by Marco Di Lorenzo

 L'illustrazione qui sopra mostra la distribuzione in frequenza di un tipico segnale da merging tra stelle di neutroni (curva in rosso), supponendo una distanza di 40 Mpc, simile a quella della celebre "kilonova" di 3 anni fa (GW170817). La quantità sulle ordinate è lo "strain", una misura della variazione relativa delle lunghezze indotta dal passaggio dell'onda gravitazionale, perpendicolarmente alla sua direzione di propagazione. Come si vede, il rivelatore NEMO ha una curva di sensibilità comparabile a Ligo/Virgo A+ ma spostata verso frequenze più alte e addirittura confrontabile, nella regione dei KHz, con la sensibilità prevista dei grandi rivelatori di terza generazione, l'europeo Einstein Telescope (ET) e lo statunitense Cosmic Explorer (CE); questi rivelatori, ancora in fase di progettazione e che entreranno in funzione tra due decadi, avranno il loro massimo di sensibilità nella regione delle decine di Hertz, ottimale per lo studio di fusioni tra buchi neri a grandi distanze. A differenza di questi ultimi, però, il costo stimato è un ordine di grandezza inferiore, essendo stimato in 50-100 milioni di dollari; anche i tempi di realizzazione dovrebbero essere molto più rapidi, entro la fine del decennio corrente o l'inizio del prossimo. 

NEMO Signal

Credits: K.Ackley et al./ Neutron Star Extreme Matter Observatory: A kilohertz-band gravitational-wave detector in the global network

 L'illustrazione qui sopra mette a confronto la forma d'onda del segnale "post-merging" osservato dalle antenne A+ da sole (in alto) con il contributo decisivo di NEMO, che restituisce efficacemente il segnale ad alta frequenza altrimenti mascherato dal rumore. Questo segnale è di importanza essenziale perché, se il risultato della fusione è una stella di neutroni di massa maggiore, l'onda emessa per alcuni decimi di secondo ha uno spettro che contiene informazioni cruciali sulla struttura interna del nuovo astro. In particolare, è possibile ricollegare lo spettro di questo segnale alla cosiddetta Equazione di Stato (EoS) delle stelle di neutroni, che descrive il comportamento della materia in queste condizioni estreme non riproducibili sulla Terra, in termini di pressione, densità e temperatura.

NEMO EoS

Credits: K.Ackley et al./ Neutron Star Extreme Matter Observatory: A kilohertz-band gravitational-wave detector in the global network - Processing/improvement by Marco Di Lorenzo

  La figura qui sopra, più leggibile rispetto all'originale, mostra la relazione raggio-massa per le stelle di neutroni. Sono mostrate varie linee curve che corrispondono a diverse EoS e quella in rosso, indicata con la sigla SLy, è stata presa come riferimento per generare 40  eventi "sintetici" di merging. Da tali segnali sono state ricavate, a posteriori, altrettante curve di EoS; il 90% di esse cade nella zona grigia, che risulta parecchio allargata nella parte superiore. Se però le osservazioni sono condotte con il contributo di NEMO, ecco che la rosa del 90% di confidenza si restringe all'area verde, decisamente più compatta soprattutto nella regione di massa elevata, vicina al limite superiore di massa che, per una stella di neutroni, risulta tutt'ora incerto ma dovrebbe comunque cadere tra 2 e 2,5 masse solari.

 Gli autori dell'articolo fanno infine notare che la realizzazione di un simile interferometro avrebbe ricadute positive anche nello studio dei Gamma Ray Burst (GRB) e dei merging ibridi tra stelle di neutroni e buchi neri, sui quali gli attuali rivelatori non forniscono informazioni sufficientemente dettagliate. Del resto, anche sul residuo della kilonova del 2017 sappiamo ben poco per la mancanza di osservazioni ad alta frequenza. Ci auguriamo che l'idea trovi una realizzazione!

 

Riferimento:
https://phys.org/news/2020-07-nemo-future-gravitational-wave-astronomy.html
https://www.smh.com.au/national/funding-nemo-building-100m-black-hole-detector-not-pie-in-the-sky-20200707-p559oa.html

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Marco Di Lorenzo (DILO)

Sono laureato in Fisica e insegno questa materia nelle scuole superiori; in passato ho lavorato nel campo dei semiconduttori e dei sensori d'immagine. Appassionato di astronautica e astronomia fin da ragazzo, ho continuato a coltivare queste passioni sul web, elaborando e pubblicando numerose immagini insieme al collega Ken Kremer. E naturalmente amo la fantascienza e la fotografia!

https://www.facebook.com/marco.lorenzo.58 | Questo indirizzo email è protetto dagli spambots. È necessario abilitare JavaScript per vederlo.

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