Misurare le onde gravitazionali con il vetro

Ricercatori di Jena hanno prodotto per i sensori di vibrazione del Einstein-Teleskop dei risonatori altamente sensibili realizzati interamente in vetro per la prima volta. © Fraunhofer IOF / Researchers from Jena have manufactured highly sensitive resonators made entirely of glass for the vibration sensors of the Einstein Telescope. © Fraunhofer IOF

Visualizzazione: Le onde gravitazionali sono deformazioni dello spazio-tempo causate, ad esempio, dalla collisione di buchi neri. © Fraunhofer IOF / Visualizzazione: Le onde gravitazionali sono distorsioni dello spazio-tempo causate, ad esempio, dalla collisione di buchi neri. © Fraunhofer IOF

Il sensore di vetro come disegno: blu sono le molle a foglia, verde è la massa di prova, grigio è la cornice esterna, giallo è uno strato riflettente. © Fraunhofer IOF / Il sensore di vetro come disegno: blu sono le molle a foglia, verde è la massa di prova, grigio è la cornice esterna, giallo è uno strato riflettente. © Fraunhofer IOF

Il risonatore monolitico in vetro con molle a foglia sottilissime viene prodotto mediante un processo di assemblaggio speciale. © Fraunhofer IOF / The monolithic glass resonator with paper-thin leaf springs is manufactured using a special joining process. © Fraunhofer IOF

Visualizzazione del telescopio Einstein pianificato. © Marco Kraan / Nikhef / Visualizzazione del telescopio Einstein pianificato. © Marco Kraan / Nikhef

Il telescopio Einstein dovrebbe, a partire dal 2035, esplorare le onde gravitazionali con una precisione finora sconosciuta. Ricercatori di Jena hanno realizzato per il telescopio sensori altamente sensibili completamente in vetro per la prima volta.

Le onde gravitazionali sono distorsioni dello spaziotempo causate da eventi astrofisici estremi, come la collisione di buchi neri. Queste onde si propagano alla velocità della luce e trasportano informazioni preziose su tali eventi attraverso l'universo. Il telescopio Einstein dovrebbe in futuro misurare queste onde con una precisione senza precedenti, diventando così uno strumento di misurazione leader a livello mondiale per la rilevazione delle onde gravitazionali.

Per ridurre al minimo le interferenze nelle misurazioni, il telescopio sarà costruito fino a 300 metri sotto terra. Tuttavia, anche lì si verificano ancora vibrazioni meccaniche, causate ad esempio da terremoti lontani o dal traffico stradale sopraelevato. Sensori di vibrazione altamente sensibili dovranno misurare queste vibrazioni residue.

Ricercatori dell'Istituto Fraunhofer per l'ottica applicata e la microtecnica IOF di Jena hanno sviluppato e costruito, in collaborazione con l'Istituto Max-Planck per la fisica gravitazionale (Istituto Albert-Einstein AEI) di Hannover, questi sensori di vibrazione per il telescopio Einstein.

Risonatore per sensori di vibrazione, realizzato per la prima volta interamente in vetro di quarzo

«Un tale sensore di vibrazione è costituito da due componenti principali: un risonatore mobile e un laser che legge il movimento del risonatore», spiega il Dr. Pascal Birckigt, responsabile del progetto presso l'IOF di Jena. Il risonatore è stato realizzato a Jena, il laser a Hannover. «Il risonatore meccanico è la parte del sensore che trasforma le vibrazioni dall'ambiente in un movimento misurabile, simile a un diapason.»

In questo modo, i ricercatori dell'IOF hanno creato qualcosa che finora non esisteva: un delicato risonatore meccanico interamente in vetro di quarzo (>99,8% SiO2). Combina una bassa frequenza propria di 15 Hertz con un alto fattore di qualità (>100.000) e una dimensione compatta di appena cinque centimetri di diametro.

«In futuro, i sensori di vibrazione saranno collocati nelle immediate vicinanze degli specchi, ciascuno del peso di circa 200 chilogrammi, nei rivelatori di onde gravitazionali del telescopio Einstein», spiega Birckigt. Per ogni specchio ci saranno tre sensori. «La sensibilità dei sensori sarà così elevata grazie ai nostri risonatori che potranno rendere visibili le onde sottomarine nell'Atlantico, a circa 200 chilometri dalla posizione del telescopio, come picchi negli spettri sismici.»

Requisiti complessi per il sensore: il vetro è la soluzione

La produzione completa dei risonatori in vetro deriva dai requisiti complessi del sensore: «Nel telescopio Einstein, lo spazio a disposizione per i sensori è limitato», spiega Birckigt. «Allo stesso tempo, i sensori devono essere particolarmente potenti.» Solo con il vetro come materiale si potevano conciliare le esigenze di compattezza, bassa frequenza propria e alta sensibilità. La ragione di ciò sono le cosiddette molle a foglio all’interno del risonatore.

Le molle a foglio sono il cuore del risonatore. Consentono la sua bassa frequenza propria, cioè quella frequenza alla quale il sistema inizia a risuonare. Questo è necessario perché il telescopio Einstein vuole misurare onde a bassa frequenza tra 3 e 30 Hertz. «Per riuscirci, ci sono due possibilità tecniche», spiega Birckigt. «O si inserisce all’interno del risonatore una grande massa di prova che reagisce alle vibrazioni esterne, oppure si utilizzano lunghe aste elastiche e deformabili, chiamate molle a foglio, collegate alla massa di prova.»

Una grande massa di prova non può essere utilizzata a causa delle dimensioni compatte richieste dal sensore. Quindi, l’unica soluzione rimasta sono le molle a foglio, realizzate in vetro: «Il vetro si distingue per la sua elevata rigidità», spiega Birckigt. «Praticamente non mostra deformazioni plastiche. Perciò è possibile realizzare sottilissime molle a foglio in vetro.» Sottilissimo in questo caso significa: una singola molla ha uno spessore di 0,1 millimetri, una lunghezza di sette centimetri e un peso di appena 34 milligrammi. In totale, sei di queste molle tengono stabile e orientata la massa di prova di tre grammi all’interno del risonatore.

Procedura speciale di incollaggio per la produzione del risonatore in vetro

La produzione di un risonatore così delicato e potente allo stesso tempo è un processo complesso. Include lavorazioni di fresatura e lucidatura, oltre a tecniche di lavorazione laser. Inoltre, si utilizza una speciale procedura di incollaggio attivata dal plasma per creare un legame a livello atomico tra le superfici in vetro del risonatore. «I due componenti formano così un’unità monolitica e durevole», spiega Birckigt, che ha supervisionato in particolare il processo di incollaggio nel progetto. «Questo rende il risonatore estremamente stabile e preciso.» I ricercatori dell’IOF intendono sviluppare ulteriormente questa tecnica di incollaggio senza strati intermedi, con l’obiettivo di realizzare strutture ancora più complesse e tridimensionali.

Potenziali applicazioni nello spazio e nella produzione di semiconduttori

I nuovi risonatori in vetro potrebbero essere utilizzati ovunque siano necessari sistemi di monitoraggio con sensori di accelerazione o di orientamento compatti. Oltre alla ricerca sulle onde gravitazionali, tra le applicazioni ci sono i satelliti — ad esempio per determinare le loro traiettorie, misurare la superficie terrestre o per la navigazione inerziale. Inoltre, i sensori possono migliorare la precisione delle misurazioni con interferometri atomici e nelle apparecchiature di litografia EUV per la lavorazione dei semiconduttori.

Inizio delle operazioni del telescopio Einstein previsto per il 2035

Il telescopio Einstein è in fase di sviluppo continuo dal 2008. È un rivelatore di onde gravitazionali di terza generazione, altamente sensibile, con una sensibilità fino a 10 volte superiore rispetto ai rivelatori attuali. L’inizio della costruzione è previsto per il 2026, e le osservazioni dovrebbero iniziare a partire dal 2035. La posizione prevista per il telescopio è nell’Euregio Maas-Rhein, al confine tra Germania, Belgio e Paesi Bassi.

Lo sviluppo dei sensori è stato realizzato da ricercatori di Jena e Hannover nell’ambito del progetto «Glass Technologies for the Einstein Telescope» (GT4ET).