STUDIO DI UN PROTOTIPO DI ANTENNA MULTIMODALE PER LA REALIZZAZIONE DI UN ARRAY GRAVITAZIONALE

L'analisi dei dati della pulsar PSR1913+16 ha dimostrato l'esistenza delle onde gravitazionali e verificato le caratteristiche previste per esse dalla Teoria della Relativita` Generale. Il premio Nobel per la fisica e` stato assegnato lo scorso anno a R.A.Hulse e J.H.Taylor proprio per questo risultato.

Rimane invece ancora irrisolto il problema della rivelazione diretta di tali onde mediante antenne gravitazionali e del loro utilizzo per scopi fisici e astrofisici.

Tra gli eventi gravitazionali piu` interessanti rivelabili con antenne gravitazionali, vi e` il collasso di stelle con formazione di un buco nero. In questo genere di processo i modi normali del buco nero vengono eccitati e si puo` avere emissione di radiazione gravitazionale. La densita` spettrale della energia emessa, nei casi piu` probabili, presenta un massimo a frequenze di poco inferiori a 10 kHz. La rivelazione di segnali gravitazionali a frequenza cosi` alta rappresenterebbe la prima prova diretta dell'esistenza di tali oggetti. La teoria della Relativita` Generale e` stata verificata in molti casi in cui la curvatura dello spazio-tempo non e` molto elevata. I buchi neri, viceversa, sono una previsione di questa teoria relativa a condizioni di forte curvatura spazio-temporale. Cio` rende la loro rivelazione un fatto di grande importanza.

I rivelatori di onde gravitazionali attualmente in sviluppo sono di due tipi:

La sensibilita` dei primi e` particolarmente elevata nel range delle centinaia di Hz, soprattutto per la loro grande larghezza di banda, ma e` fortemente limitata a frequenze superiori. Pertanto nel range dei kHz presentano potenzialita` inferiori rispetto a quelle dei rivelatori risonanti.

Le antenne risonanti, d'altro canto, hanno una sezione d'urto indipendente dalla frequenza e proporzionale alla massa e quindi per aumentare la sensibilita` bisogna aumentarne le dimensioni, ottenendo cosi` delle frequenze operative relativamente basse (intorno a 1 kHz). Attualmente sono in progetto antenne risonanti di nuova concezione, di forma sferica e di grandi dimensioni, che hanno una sensibilita` in h di circa un ordine di grandezza migliore delle attuali antenne cilindriche.

Al fine di ottenere alte sensibilita` e alte frequenze operative, oltre a una serie di vantaggi di cui si parlera` in seguito, e` stata proposta la realizzazione di un array di "piccole" antenne, di nuova concezione.

Tali antenne dovrebbero avere la forma di un cilindro tozzo, in modo da avere sensibilita` alle onde gravitazionali non solo nel modo longitudinale, ma anche nel modo quadrupolare discoidale (doppiamente degenere). Le vibrazioni di questi modi possono essere osservate tramite tre trasduttori posti sulla superficie del cilindro. Da una singola antenna quindi si ottengono tre linee di segnale che contengono informazioni non solo sull'ampiezza dell'onda ricevuta, ma anche sulla direzione di provenienza e lo stato di polarizzazione.

Date le piccole dimensioni di queste antenne, e` possibile realizzarle in materiali che offrono una maggiore sezione d'urto per le onde gravitazionali come, per esempio, il molibdeno.

L'uso contemporaneo di piu` antenne opportunamente disposte ("array") non solo aumenta la sezione d'urto, ma anche la reiezione ai disturbi locali. Infatti e` estremamente improbabile che un disturbo locale o una fluttuazione del rumore ecciti i modi delle varie antenne (che possono essere alcune decine) con un "pattern" simile a quello di un'eccitazione gravitazionale.

Inoltre l'elaborazione dei dati di un array puo` fornire le coordinate celesti della sorgente e le informazioni sullo stato di polarizzazione e la forma dell'evento rivelato.

Le stime di sensibilita` di questo tipo di rivelatore gravitazionale superano ampiamente quelle degli altri rivelatori attualmente allo studio e le tecnologie necessarie per realizzarli sono quasi tutte gia` sviluppate.

Altri vantaggi dell'array proposto rispetto ad altri tipi di rivelatori sono essenzialmente dovuti all'elevato numero di antenne utilizzate e alla loro dimensione, e si possono sintetizzare nei seguenti punti:

Per realizzare questo progetto pensiamo preliminarmente di studiare e realizzare un prototipo di antenna singola e di sviluppare la metodologia di analisi dati. Questo avverra`, in particolare, tramite:

  1. lo studio, con il metodo degli elementi finiti, delle caratteristiche ottime dei trasduttori, del sistema di sospensioni, del sistema criogenico.
  2. lo studio del fattore di merito e delle caratteristiche a bassa temperatura di alcuni materiali e strutture, tramite specimen e modelli in scala.
  3. lo sviluppo di elettroniche compatte per sistemi multi-squid.
  4. lo studio teorico dell'ottimizzazione dell'orientazione delle antenne dell'array e dei metodi di filtraggio dei dati, con realizzazione di un completo programma di simulazione.