Interferometria

 

Per osservare le onde gravitazionali abbiamo bisogno di strumenti estremamente precisi in grado di misurare distanze su scale incredibilimente piccole. Un'onda gravitazionale modifica le lunghezze su scale dell'ordine del miliardesimo di miliardesimo di metro, quindi abbiamo bisogno di uno strumento estremamente sensibile per osservare queste lunghezze!

Un interferometro Michelson

Un interferometro Michelson è in linea di principio uno strumento decisamente semplice; esso consiste di tre elementi ottici, detti specchi, un rivelatore di luce, come una videocamera o un fotodiodo, e ovviamente una sorgente di luce, che di solito è un laser! Gli specchi riflettono la luce prodotta dalla sorgente, mentre il rivelatore ne misura l'intensità dopo ciascuna riflessione. Ovviamente nelle mani degli scienziati anche cose veramente semplici possono diventare estremamente complesse, ma possiamo comunque cercare di capire i principi alla base del funzionamento di un interferometro Michelson.

La luce emessa dalla sorgente colpisce il primo specchio ad un angolo di circa 45 gradi. Poichè questo specchio è per metà trasparente, metà della luce è riflessa dallo specchio in una direzione, mentre l'altra metà lo attraversa. Questo specchio è comunemente chiamato 'beam-splitter' (separatore di fascio) perchè per l'appunto separa il fascio laser in due.

Ora, i due fasci laser prodotti viaggiano lungo due distinte direzioni lontano dal beam-splitter: i differenti percorsi lungo cui viaggiano i fasci laser sono detti 'bracci' dell'interferometro. Alla fine dei bracci sono presenti altri due specchi, questi totalmente riflettenti, perciò tutta la luce dei due fasci viene riflessa all'indietro in direzione del beam-splitter.

E' qui che viene la parte più interessante! Quando i due fasci si ri-incontrano al beam-splitter, come prima metà della luce viene riflessa, metà viene trasmessa, e quando i due fasci si sovrappongono INTERFERiscono l'uno con l'altro... è proprio per questo motivo che li chiamiamo INTERFERometri.

L'interferenza avviene ogni qual volta le onde si sovrappongono l'una sull'altra. Se le creste (massimi) delle due onde che si sovrappondono coincidono e lo stesso avviene per i ventri (minimi), l'onda prodotta e' ancora piu' grande: in questo caso si parla di interferenza costruttiva, perchè `costruisce' un'onda ancora più grande. Quando invece la cresta di un'onda è esattamente sovrapposta al ventre dell'altra e viceversa, le due onde si annullano a vicenda e le onde scompaiono: in questo caso si parla di 'interferenza distruttiva', perchè l'onda che ne risulterebbe viene distrutta. Quindi quando si sommano due o più onde, le dimensioni dell'onda finale dipendono dalla differenza tra le posizioni delle varie onde originali.

Interferenza

Anche la luce può essere descritta come un'onda, perciò se sovrapponiamo due raggi di luce ci dobbiamo aspettare di osservare dei fenomeni di interferenza cosi come descritti sopra. Questo è ciò che accade quando i due fasci laser vengono ricombinati al beam-splitter: otterremo un nuovo fascio di luce la cui luminosità dipenderà dalla differenza tra le creste e i ventri delle onde luminose nei due bracci dell'interferometro. Ma le posizioni di creste e ventri dipendono dall'esatta lunghezza di ciascun braccio, perciò misurando la potenza del fascio di luce in uscita dall'interferometro possiamo osservare quanto siano sovrapposti le creste ed i ventri nei due bracci, e di conseguenza possiamo dire se vi sia qualche differenza nella lunghezza dei due bracci.

La potenza della luce emessa dall'interferometro Michelson dipende dalla differenza di lunghezza tra i suoi bracci. Dai un'occhiata alla nostra animazione Michelson Interferometer per vedere come funziona !