0498. Effetti di Marea per Onde Gravitazionali

Sono uno studente di Astronomia a Padova, stavo per approcciarmi agli argomenti di tesi e tra i tanti ero interessato a quello sullo studio della gravità. Mi è presto balzata in mente una domanda piuttosto banale forse causata dalla mia scarsa conoscenza nel campo ma a cui al momento non sono riuscito a rispondere. Mi chiedevo, visti gli strumenti che abbiamo a disposizione (Virgo e Ligo), se sia mai stata effettuata una ricerca per dimostrare l'influenza della Luna sulla contrazione delle lunghezze qui sulla Terra. Inoltre, nel caso si teorizzasse una natura corpuscolare della gravità, anche una sua bassa interazione con la materia è possibile che attraversando l'intero pianeta nel momento in cui si trova nel lato opposto potrebbe risentirne e questa misura diventare rilevabile dando origine ad un'ottima prova di ciò. Mi interessava sapere se esiste nulla in merito e nel caso dove potrei trovare i dati analizzati.

La domanda non è affatto banale e riguarda un aspetto importante dei rivelatori di onde gravitazionali. Il fenomeno è stato studiato a fondo e il suo controllo è necessario al fine di garantire il corretto funzionamento dei rivelatori di onde gravitazionali terrestri, come ad esempio LIGO, Virgo e KAGRA. Come tu stesso noti, le forze di marea della Luna (ma anche quelle del Sole) hanno un effetto non trascurabile sui 3 o 4 km di lunghezza dei bracci degli interferometri. La Terra viene deformata dalle forze di marea e di conseguenza, come ordine di grandezza, l’effetto sui rivelatori LIGO e Virgo è, nella situazione peggiore, 100-200 μm e pertanto molto maggiore delle ampiezze dei segnali gravitazionali (ampiezza adimensionale < ~ 10^-21). Questo comporta che sia necessario utilizzare accurate procedure di compensazione dell’effetto che, ti faccio notare, modifica non solo la distanza ma anche l’inclinazione degli specchi degli interferometri. Il controllo non è troppo complesso a causa del fatto che i fenomeni di deformazione associati alle forze di marea sono molto lenti (periodicità di circa 12 o 24 ore). Gli studi sulla entità del fenomeno sui rivelatori sono stati condotti ormai diversi anni fa e, qualora volessi avere informazioni più tecniche, ti segnalo in particolare l’articolo di F. Raab e M. Fine “The effect of Earth Tides on LIGO”, https://dcc-lho.ligo.org/public/0028/T970059/000/T970059-01.pdf.

Per utilizzare i rivelatori al fine di avere informazioni per lo studio del fenomeno occorrerebbe rimuovere i meccanismi di controllo che sono per noi fondamentali al fine della misura delle onde gravitazionali. Nel segnale di controllo ci sono comunque le informazioni relative a tutte le correzioni fatte (non solo legate agli effetti di marea). Campagne di misura sono state comunque fatte in passato, sia in LIGO che in Virgo, e sono anche stati messi a punto dei software per confrontare previsioni e misure.  

Per quanto riguarda invece possibili aspetti corpuscolari della gravità, i nostri rivelatori non sono in grado di misurarli, in quanto lavorano sul principio della misura dell’interferenza fra le onde luminose che viaggiano nei due bracci. Una misura basata su singoli gravitoni, qualora questi esistano, non è attualmente possibile e non rientra negli obbiettivi scientifici della collaborazione LIGO/Virgo. Ti confermo però, a proposito del suo dubbio sulla trasparenza della Terra, che l’effetto delle onde gravitazionali è (quasi) trasparente rispetto alla presenza della Terra e, per poter individuare la direzione di provenienza di un segnale di origine astrofisica, bisogna combinare le informazioni di almeno 3 rivelatori, opportunamente dislocati sulla superficie della Terra. Inoltre, sempre ipotizzando che il gravitone esista, se ne possono dare limiti sulla massa dalla misura della evoluzione in frequenza di alcune tipologie di segnali gravitazionali (ad esempio lo si è fatto per il segnale GW150914), qualora questa si discosti da quanto previsto dalla relatività generale, o dal confronto dei tempi di ritardo fra la ricezione di segnali gravitazionali e segnali elettromagnetici (con la complicazione legata alle inevitabili incertezze sui tempi di emissione di un segnale rispetto all’altro), nei fenomeni in cui questo sia possibile (ad es per il segnale GW170817, coalescenza di 2 stelle di neutroni).

 Pia Astone e Sergio Frasca, fisici 

-A. Melissinos, “The effect of the Tides on the LIGO Interferometers”, https://arxiv.org/abs/1001.0558;

-A. Melissinos, “On the Possible Detection of Low Frequency Periodic Signals in Gravitational Wave Interferometers”, https://arxiv.org/abs/1410.0854;

-A. Effler et al., 2015 Class. Quantum Grav. 32 035017, “Environmental influences on the LIGO gravitational wave detectors during the 6th science run” https://arxiv.org/abs/1409.5160v1;