La parola a LISA Pathfinder, l’apripista

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L’inizio della storia di questa missione spaziale risale a molti anni fa. Il suo nome era SMART-2 e avrebbe dovuto prendere il largo nel 2006. Il progetto, frutto della collaborazione tra ESA e NASA, prevedeva che i dati ottenuti dalla missione avrebbero permesso entro il 2011 di dare il via a una missione ben più impegnativa, dedicata a individuare - finalmente - le onde gravitazionali. Prima uno slittamento di qualche anno, poi il mutare degli scenari di collaborazione tra gli enti spaziali hanno fatto sì che SMART-2 diventasse una missione esclusivamente europea, imponendo una sua profonda riprogettazione. Nacque così LISA Pathfinder, il progetto apripista per la più sofisticata caccia alle onde gravitazionali mai tentata finora: la missione eLISA (Evolved Laser Interferometer Space Antenna), che si confida potrà decollare nel 2037.

Nel frattempo ha finalmente preso il volo LISA Pathfinder. Il vettore VEGA con a bordo il suo prezioso carico si è staccato dalla base di lancio di Kourou in Guyana francese lo scorso 3 dicembre, alle 5:04 (ora italiana). Lancio perfettamente riuscito, con la sonda immessa con successo nella prevista orbita di parcheggio. Da lì, nelle successive settimane, i suoi propulsori la condurranno alla destinazione finale. La destinazione non è come quelle cui ci hanno abituato altre sonde: non prevede l’immissione in orbita intorno a un corpo celeste e neppure un rapido passaggio nelle sue vicinanze, bensì un delicato e preciso parcheggio nello spazio interplanetario. Un parcheggio nel bel mezzo del nulla, si potrebbe dire, nel punto tecnicamente conosciuto con il nome di Punto Lagrangiano L1 - un parcheggio non così deserto, per dirla tutta, dato che da quelle parti si libra anche l’Osservatorio solare SOHO (SOlar and Heliospheric Observatory).
L1 dista circa un milione e mezzo di chilometri dalla Terra ed è caratterizzato dal perfetto equilibrio tra l’azione gravitazionale del nostro pianeta e quella del Sole, un equilibrio indispensabile per gli esperimenti che LISA Pathfinder dovrà compiere. Il piano di volo prevede che la destinazione verrà raggiunta intorno al prossimo 13 febbraio. Poi per la sonda comincerà il delicato lavoro per il quale è stata concepita.

Il trucco che si sono inventati i cacciatori di onde gravitazionali - le elusive contrazioni ed espansioni del tessuto spazio-temporale previste dalla Relatività generale - si basa sul costante controllo della posizione relativa di due oggetti in caduta libera. Se si riesce a ridurre ogni altro disturbo (questo spiega la scelta di un punto di perfetto equilibrio gravitazionale), il passaggio di un’onda gravitazionale potrebbe influenzare la distanza che li separa e risultare dunque rilevabile. A LISA Pathfinder spetta il delicato compito di verificare se sia possibile collocare e mantenere due masse di prova in una situazione di pressoché perfetta caduta libera.
A parole sembra tutto molto facile, ma persino nello spazio è un’autentica impresa. A disturbare la quiete delle due masse di prova, infatti, possono concorrere numerose forze non gravitazionali, quale per esempio la pressione della luce solare, l’impatto di micrometeoroidi, le particelle cariche che compongono il vento solare e - non ultime - le cause imputabili alla stessa sonda e alla sua strumentazione. Quando la sonda è stata progettata, dunque, non solo si è pensato a modalità di misurazione della distanza tra le due masse di prova con precisioni finora impensabili, ma si sono anche implementate tecnologie innovative in grado di evitare ogni possibile influenza esterna. Ci limitiamo a segnalare alcuni dettagli.

Cominciamo dalle due masse di prova, due cubi perfettamente uguali il cui lato misura 46 mm, realizzati con lega metallica (73% oro e 27% platino) e pesanti 1,96 kg ciascuno. Benché identici, i due cubi non hanno lo stesso ruolo. Uno dei due, infatti, viene designato come “master” e l’intera sonda è costruita in modo da potersi muovere per rimanere centrata su quel cubo.
La distanza tra i due cubi è di 38 cm, costantemente misurata grazie all’Optical Metrology Subsystem, un sistema di interferometria laser montato su un banco ottico incredibilmente stabile e affidabile. Facendo rimbalzare un raggio laser sulle superfici riflettenti dei cubi, il sistema riesce a misurarne la separazione con precisioni che, nei test effettuati prima del lancio, sono risultate dell’ordine di due picometri, vale a dire due miliardesimi di millimetro. Non meno sbalorditiva l’accuratezza con cui il sistema laser ha mostrato di riuscire a controllare la deviazione angolare del raggio laser: un centesimo di miliardesimo di grado. Significativo il paragone con il quale Paul McNamara, project scientist della missione, ha provato a rendere meno astratta la misura: «Si tratta dell’angolo sotteso dall’impronta di un astronauta sulla Luna.»
Cruciale anche il sistema di controllo inerziale, responsabile della pronta e corretta risposta dell’intera sonda al movimento del cubo “master”. Quasi maniacali le misure previste per non compromettere il sistema. Fino al momento di iniziare il loro delicato lavoro, i sensori inerziali di cui sono dotati i due cubi saranno protetti in un involucro sottovuoto. Si vuole infatti evitare che anche le minuscole forze imputabili alle residue molecole di gas rimaste nei pressi delle masse di prova possano disturbare le loro rilevazioni. Questi incredibili sensori sono frutto della tecnologia italiana e hanno richiesto ben 15 anni di studio. Sono stati realizzati dalla Compagnia Generale per lo Spazio (CGS) con il finanziamento dell’Agenzia Spaziale Italiana su progetto scientifico dei ricercatori dell’Università di Trento guidati da Stefano Vitale e con il supporto dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare.

Le rilevazioni dei sensori permetteranno all’intero sistema di mantenersi costantemente centrato sul cubo “master”. Le correzioni di assetto, necessarie soprattutto per contrastare la pressione della radiazione solare, verranno garantite da un sistema di micropropulsori capace di effettuare dieci di queste manovre di centratura ogni secondo. La spinta dei propulsori è dell’ordine di 5-30 micronewton (un micronewton è un milionesimo di newton), paragonabile al peso di una zanzara.
Una volta raggiunto il punto L1, dunque, inizierà per LISA Pathfinder - ma soprattutto per i ricercatori che seguono questo ambizioso progetto - un intenso anno di lavoro (tale è la durata prevista per la missione principale). Solamente se i suoi delicati e innovativi sistemi faranno correttamente il loro dovere e le tecnologie impiegate garantiranno il grado di affidabilità richiesto, eLISA diventerà realtà. E, con eLISA, diventerà concreta la possibilità di svelare finalmente le onde gravitazionali.
Curiosamente, l’inizio del viaggio di LISA Pathfinder coincide quasi esattamente con l’anniversario dei 100 anni trascorsi dalla prima presentazione della Relatività Generale come serie di letture tenute presso l'Accademia Prussiana delle Scienze a partire dal 25 novembre 1915. Dicono che la scaramanzia non appartiene al mondo scientifico, ma non v’è dubbio che la coincidenza sia davvero molto promettente.

Per approfondire:
http://www.cosmos.esa.int/web/lisa-pathfinder/overview

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