Lisa Pathfinder, un laboratorio spaziale perfettamente immobile

La sonda LISA Pathfinder ha cominciato la sua missione scientifica. Lanciata in orbita il 3 dicembre dello scorso anno, Lisa Pathfnder ha raggiunto la sua operazione posizione operativa lo scorso 22 gennaio e, dopo una lunga serie di test, può ora cominciare l’esperimento scientifico e tecnologico, per cui è stata progettata. La sonda, realizzata dall’ESA con il fondamentale contributo dell’ASI, in collaborazione con l’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare e l’Università di Trento, punta infatti a dimostrare la fattibilità tecnologica del rilevamento di onde gravitazionali nello spazio. Predette da Albert Einstein un secolo fa, le onde gravitazionali sono fluttuazioni nel tessuto dello spazio-tempo, generate eventi astronomici estremi, come l’esplosione di supernovae o la fusione di buchi neri.

L’era dell’astronomia gravitazionale è stata inaugurata recentemente con l’annuncio della loro prima rivelazione, da parte delle collaborazioni scientifiche LIGO e VIRGO. Un futuro osservatorio spaziale rivelerà onde gravitazionali con lunghezze d’onda maggiori di quelle rilevate a Terra e sarà quindi uno strumento essenziale per sviluppare questo nuovo campo di ricerca e indagare alcuni degli oggetti astronomici più massivi e violenti dell’Universo.

Scienziati e ingegneri con LISA Pathfinder puntano proprio a verificare la possibilità di estendere la ricerca delle onde gravitazionali allo spazio. In particolare la sonda è stata progettata per raggiungere una ‘caduta libera’ assolutamente priva di disturbi esterni: una condizione, estremamente difficile da ottenere, che è  però necessaria alla costruzione di un osservatorio gravitazionale spaziale.

Per ottenerla i ricercatori hanno liberato nella navicella  due masse di prova – una coppia di cubi identici di oro e platino, pesanti 2 kg e con un lato di 46 mm –e ora stanno verificando che effettivamente si muovano unicamente sotto l’effetto della gravità.

L’ obiettivo non è affatto scontato, poiché anche nello spazio ci sono forze , ad esempio il vento di radiazione proveniente dal Sole, che potrebbero disturbare il moto dei cubi, che devono essere completamente isolati da ogni influenza non gravitazionale. Per questo dentro la sonda la posizione dei cubetti è monitorata costantemente e  eventuali manovre sono effettuate con micropropulsori per evitare ogni contatto con i cubi.

«Per cadere liberamente nello spazio le due masse di prova devono essere perfettamente immobili, in modo che nessun altra forza disturbi il loro moto gravitazionale: e quindi solo un’onda gravitazionale potrà farli oscillare», spiega Stefano Vitale dell’Università di Trento e INFN, Coordinatore scientifico del LISA Technology Package, il cuore tecnologico della missione.

La sonda comunque non sarà in grado essa stessa di rivelare le onde gravitazionali. Ai fini della prova tecnologica i due cubi sono posti a una distanza di soli 38 cm, troppo piccola per registrare le miniscole oscillazioni dello spazio-tempo. Le variazioni in distanza indotte dal passaggio di un’onda gravitazionale sono così piccole che un osservatorio gravitazionale nello spazio dovrà tenere le masse di prova a una distanza di circa un milione di kilometri l’una dall’altra, misurando così variazioni dell’ordine di un milionesimo di milionesimo di metro.

«La precisione necessaria a fare future osservazioni di onde gravitazionali nello spazio è così alta, che richiede una comprensione senza precedenti delle forze che agiscono sulle masse di prova», ha dichiarato Paul McNamara, scienziato del progetto Esa.

In sostanza, dopo aver liberato i cubetti dal meccanismo che li racchiudeva ed essersi assicurati che sono nella posizione di caduta libera più precisa mai ottenuta, i ricercatori della collaborazione di LISA Pathfinder nei prossimi sei mesi condurranno una serie di esperimenti, ‘spingendo’ le masse per verificare quanto realmente siano ferme rispetto alla sonda e libere da forze non gravitazionali.

Il team di ricerca proverà a interferire con il moto dei cubi, studiandone la reazione all’applicazione di diverse forze. Ad esempio un esperimento farà crescere la temperatura dell’ambiente ad alto vuoto che li contiene, riscaldando le poche molecole di gas rimaste, per misurare se questo produce qualche effetto sulle masse. Oppure verranno applicate ai cubi forze magnetiche ed elettriche via via crescenti per stimare il punto in cui le masse deviano dalla caduta libera.

LISA svolgerà sei mesi di attività scientifica e i suoi risultati apriranno la strada alla missione L3, il prossimo progetto di ESA, dedicato alla esplorazione dell’Universo gravitazionale.

L’osservazione nello spazio infatti allargherà la finestra sull’Universo gravitazionale, che abbiamo appena aperto, essendo sensibile alle onde generate da buchi neri supermassivi, con masse pari a milioni di miliardi quella del Sole, posti al centro delle galassie più grandi. Negli scontri e fusioni di galassie, i mostri cosmici che racchiudono si fondono lentamente e producono onde gravitazionali.

Questi dati ci forniranno indizi unici sulla formazione delle grandi strutture cosmiche e soprattutto sull’evoluzione dell’Universo primordiale, quando si generarono le prime stelle e galassie.

(Fonte: Ufficio Stampa ASI – Agenzia Spaziale Italiana, 8 marzo 2016)

(EdP-mb)