©ESA–Artist_s_impression_of_LISA_Pathfinder

LISA Pathfinder, missione compiuta

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Il principale obiettivo della missione della sonda LISA Pathfinder, realizzata dall’ESA con il fondamentale contributo dell’Agenzia Spaziale Italiana – ASI, dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare – INFN e dell’Università di Trento, è stato centrato, dimostrando la fattibilità tecnologica della costruzione di un osservatorio spaziale per onde gravitazionali.

Le fasi salienti della missione: il lancio, la separazione, la traiettoria di arrivo nel punto Lagrangiano Terra-Sole L1 e lo svolgimento dell'esperimento scientifico

Secondo quanto ha riferito il presidente ASI Roberto Battiston:

L’esperimento LISA è un nuovo messaggero che ci porterà notizie importanti sui meccanismi che regolano la vita dell’Universo come le onde gravitazionali. Ora resta da capire come la parte oscura dell’Universo, ossia materia ed energia oscura che ne compongono il 95%, ancora sconosciuto, agiscano sugli effetti gravitazionali. E’ una grande sfida per l’astrofisica e il sistema dello spazio italiani che ancora una volta si confermano ai massimi livelli. LISA ci indica che lo studio dell’Universo avverrà sempre di più con esperimenti nello spazio profondo, ed è un motivo in più per accelerare il lancio del prossimo satellite della costellazione e-LISA.

LISA Pathfinder è stato lanciata il 3 dicembre 2015. Il suo trasferimento verso l’orbita di riferimento L1, un punto virtuale nello spazio a 1,5 Km dalla terra in direzione del sole, si è completato il 22 gennaio 2016. Dopo i primi 3 mesi, dedicati alle fasi di calibrazioe e set-up, hanno potuto avere inizio gli esperimenti previsti dei quali si hanno i primi risultati in questi giorni.

La sonda LISA Pathfinder è stata progettata per sperimentare le tecnologie necessarie a costruire un osservatorio spaziale per la misura delle onde gravitazionali.

Le onde gravitazionali

Le onde gravitazionali, ipotizzate da Albert Einstein un secolo fa, sono oscillazioni del tessuto dello spazio-tempo, causate dall’accelerazione di corpi celesti di grande massa, che si propagano nello spazio alla velocità della luce.

Possono essere generate da fenomeni astronomici come le esplosioni di supernovae, stelle binarie che spiraleggiano l’una sull’altra o buchi neri che si fondono.

Tuttavia, anche le fluttuazioni prodotte dagli oggetti più grandi nel viaggio fino alla Terra diventano segnali estremamente deboli, più piccoli di una parte su 1020. Le tecnologie necessarie per registrare segnali così minuscoli sono estremamente sofisticate, come quelle degli interferometri gravitazionali Virgo e Ligo, le cui collaborazioni scientifiche hanno annunciato lo scorso febbraio di aver rivelato per la prima volta le onde gravitazionali. Il segnale osservato era stato generato da due buchi neri, ognuno con una massa pari a circa trenta volte quella del Sole, che hanno spiraleggiato l’uno verso l’altro prima di fondersi in un unico buco nero.

Infografica della missione LISA Pathfinder (Pdf)
Infografica della missione LISA Pathfinder (Download Pdf)

Per rivelare eventi di questo tipo e sfruttare pienamente il campo di esplorazione aperto dalla recente scoperta delle onde gravitazionali è cruciale riuscire a registrare anche le onde di bassa frequenza, tra 0,1 mHz e 1 Hz. Per fare questo è necessario registrare minuscole variazioni di distanza tra oggetti posti a milioni di chilometri l’uno dall’altro: una situazione realizzabile solo nello spazio, dove un osservatorio sarebbe anche libero dai disturbi sismici, termici e della gravità terrestre, che limitano necessariamente gli esperimenti a terra.

LISA Pathfinder doveva appunto confermare la fattibilità tecnologica di un tale futuro osservatorio. In particolare, LISA è stata progettata per sperimentare la possibilità di raggiungere il puro stato di “caduta libera” (il corpo è soggetto esclusivamente alla forza gravitazionale), una delle condizioni necessarie alla costruzione del futuro osservatorio. A questo scopo il team di progettisti ha posto all’interno della sonda due masse di prova identiche (due cubi di oro-platino di 2 kg ciascuna e di lato 46 mm) a una distanza di 38 cm, verificando che essi potessero muoversi esclusivamente per gli effetti gravitazionali.

Il raggiungimento di questo obiettivo è tutt’altro che banale: anche nello spazio, infatti, diverse forze – come il vento solare o la pressione di radiazione della luce solare – disturbano le masse di prova ed il movimento stesso della navicella.

Una panoramica dell'esperimento realizzato: porre 2 masse di prova in quasi perfetto stato di caduta libera e misurare il loro moto con una accuratezza mai raggiunta prima

I risultati

I risultati dei primi due mesi di attività scientifica della missione dimostrano che le due masse di prova a bordo della navicella sono in caduta libera nello spazio sotto l’azione della sola gravità, del tutto indisturbate da altre forze esterne, e quindi praticamente immobili l’una rispetto all’altra.

In un articolo pubblicato da Physical Review Letters, il team scientifico di LISA Pathfinder mostra che l’accelerazione relativa tra le due masse di prova è più piccola di dieci milionesimi di un miliardesimo (10-14) dell’accelerazione di gravità sulla Terra.

Credit: ESA/ATG medialab
Il cuore di LISA Pathfinder con le 2 masse di prova. Credit: ESA/ATG medialab

Questa straordinaria dimostrazione delle tecnologie-chiave della missione apre le porte allo sviluppo di un grande osservatorio spaziale, capace di rivelare le onde gravitazionali di bassa frequenza, tra 0,1 mHz e 1 Hz, emesse da un’ampia varietà di esotici oggetti astronomici. L’osservatorio eLISA (Laser Interferometer Space Antenna), già nel programma delle future grandi missione ESA, sarà composto da tre masse di prova analoghe a quelle testate da LISA Pathfinder, ma tenute a 1 milione di chilometri l’una dall’altra e connesse da un raggio laser, che ne misura la distanza relativa. Il triangolo costituito dalle tre masse si muoverà lungo un’orbita attorno al Sole, viaggiando a 50 milioni di chilometri dalla Terra.

Come spiega Stefano Vitale dell’Università di Trento e dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, responsabile scientifico del LISA Technology Package, il cuore tecnologico della missione:

Non solo abbiamo verificato che le masse di prova sono sostanzialmente immobili, ma abbiamo anche identificato la gran parte delle debolissime forze che le disturbano e con precisione mai raggiunta prima.

I primi due mesi di dati mostrano infatti che, nel range di frequenze tra 60 mHz e 1 Hz, la precisione di Lisa Pathfinder è limitata solo dal rumore dei sensori del sistema ottico, usato per monitorare la posizione e l’orientamento delle masse di prova.

Alle frequenze più basse, comprese tra 1 e 60 mHz, il controllo delle masse è invece limitato dal piccolo numero di molecole di gas rimaste nel vuoto intorno ai cubi e che rimbalzano sulla loro superficie. Questo effetto è diminuito rendendo ancora più spinto il vuoto esistente e ci si aspetta possa essere ridotto ulteriormente nei prossimi mesi.

Infine, a frequenze ancora più basse, inferiori a 1 mHz, gli scienziati hanno misurato una forza centrifuga che agisce sui cubi e dovuta alla forma dell’orbita di LISA Pathfinder, combinato con l’effetto del rumore nel segnale dello strumento usato per orientare la sonda. Questa forza che disturba lievemente il moto delle masse nella sonda, non sarebbe però un problema per un futuro osservatorio spaziale, dove ogni massa sarebbe collocata nella sua navicella e collegata con un laser alle altre, distanti milioni di chilometri.

I risultati di oggi mostrano quindi che LISA PAthfinder ha provato la fattibilità tecnologica e aperto la strada alla realizzazione di un osservatorio per onde gravitazionali nello spazio, che sarà realizzato come terza missione di grande scala (L3) nel Cosmic Vision programme dell’ESA. L’attività scientifica dell’intero LISA Technology Package continuerà fino alla fine di giugno 2016.