Correlated and coincident noise in Einstein Telescope's triangular configuration

La gravità è la forza invisibile che tiene i nostri piedi incollati al suolo, ma essa increspa anche il tessuto dello spazio e del tempo quando oggetti massicci collidono. Queste increspature, note come onde gravitazionali, sono così deboli che rilevarle richiede strumenti di un'eccezionale precisione. Gli scienziati hanno trascorso decenni a costruire interferometri laser, dispositivi che misurano minuscole variazioni di distanza facendo rimbalzare la luce tra specchi. L'attuale generazione di questi rilevatori, come quelli negli Stati Uniti e in Italia, ha la forma della lettera L, con due lunghi bracci che si incontrano ad angolo retto. Questo design funziona bene, ma mentre gli scienziati pianificano la prossima generazione di osservatori, si trovano di fronte a una scelta critica su come costruire la macchina più potente possibile. Una proposta è quella di costruire due separati rilevatori a forma di L in posizioni diverse. Un'altra idea, più compatta, è quella di costruire un singolo, enorme triangolo sotterraneo, con tre bracci che collegano tre punti. Questo design triangolare, proposto per l'Einstein Telescope in Europa, offre un trucco matematico unico: poiché i tre bracci formano un ciclo chiuso, i segnali delle onde gravitazionali che rilevano non sono tutti indipendenti. Se si sommano i segnali di tutti e tre i bracci, le onde gravitazionali dovrebbero teoricamente annullarsi, lasciando dietro di sé uno "stream nullo" (null stream) che contiene solo rumore.

Per anni, questo stream nullo è stato visto come un potenziale superpotere. La speranza era che, osservando questo canale composto solo da rumore, gli scienziati potessero identificare e sottrarre i disturbi indesiderati dagli altri canali, pulendo efficacementamente i dati per ascoltare i deboli sussurri dell'universo con maggiore chiarezza. Tuttavia, un nuovo studio di Jan Harms mette in discussione questo ottimismo. La ricerca suggerisce che la configurazione triangolare affronta una trappola nascosta: l'ambiente stesso che circonda il rilevatore crea un rumore che non è casuale, ma condiviso. Proprio come un rumore forte in una stanza può essere sentito da tutti quelli all'interno, le vibrazioni del terreno e le fluttuazioni dei campi magnetici possono influenzare tutti e tre i bracci del triangolo contemporaneamente. Lo studio indaga se il rumore condiviso rovini l'utilità dello stream nullo, trasformando uno strumento di chiarezza in una fonte di confusione.

Per comprendere il problema, bisogna innanzitutto osservare come funzionano questi rilevatori. L'Einstein Telescope è progettato per essere una "xilofono" di strumenti, con diverse coppie di bracci sintonizzati per ascoltare suoni a bassa e alta frequenza provenienti dal cosmo. Nella configurazione triangolare, ci sono in totale sei tali interferometri. I ricercatori si sono concentrati sugli strumenti a bassa frequenza, che sono più sensibili ai lenti e pesanti rimbombi dell'universo, ma anche i più vulnerabili alla Terra stessa. Il suolo non è mai perfettamente immobile; vibra con le onde sismiche, e gli strumenti sono anche sensibili ai campi magnetici che possono tirare sulle componenti metalliche interne. Il team ha utilizzato dati reali provenienti da siti candidati per il telescopio, incluse misurazioni sotterranee nei Paesi Bassi e in Sardegna, per simulare come si comporterebbero questi disturbi ambientali. Hanno costruito un modello informatico che generava rumore realistico, inclusi improvvisi e netti picchi di interferenza noti come "glitch", che sono comuni nei rilevatori attuali e possono mimare i segnali che gli scienziati cercano di individuare.

La simulazione ha rivelato che l'ambiente crea una complessa rete di connessioni tra i tre bracci. Quando un'onda sismica o una fluttuazione magnetica colpisce il sito, non colpisce ogni braccio in isolamento. Al contrario, il rumore è correlato, il che significa che la perturbazione in un braccio è matematicamente legata al rumore negli altri. I ricercatori hanno scoperto che questa correlazione è particolarmente forte per gli strumenti a bassa frequenza. Nelle loro simulazioni, hanno osservato che queste forze ambientali produrrebbero centinaia di migliaia di glitch ogni anno in ciascuno strumento. Molti di questi glitch apparirebbero contemporaneamente in più bracci, non perché siano onde gravitazionali, ma perché la Terra e il campo magnetico stanno scuotendo l'intero sito simultaneamente. Ciò crea un ostacolo significativo al rilevamento di reali eventi cosmici, poiché il rumore può sommergere il segnale o creare falsi allarmi.

Il risultato più sorprendente riguarda lo stream nullo, il canale in cui i segnali delle onde gravitazionali dovrebbero scomparire. L'ipotesi originale era che questo canale avrebbe agito come un riferimento perfetto per il rumore, permettendo agli scienziati di sottrarlo dagli altri canali. Tuttavia, lo studio mostra che questo non funziona per i glitch ambientali. Poiché il rumore viaggia attraverso il terreno e i campi magnetici, raggiunge i diversi bracci con lievi ritardi e cambiamenti di forma. Una vibrazione potrebbe colpire un braccio per primo, poi viaggiare verso il successivo, alterando il proprio modo lungo il percorso. Di conseguenza, il glitch che appare nello stream nullo non assomiglia al glitch presente nei singoli bracci. È come cercare di cancellare un suono riproducendo una sua registrazione, ma la registrazione è leggermente distorta e fuori sincrono. I ricercatori hanno scoperto che lo stream nullo non fornisce un modello accurato del rumore negli altri canali, rendendolo inefficace per la pulizia dei dati.

Lo studio ha anche esaminato come questo rumore correlato influenzi la capacità di rilevare un ronzio di fondo di onde gravitazionali, un segnale che proviene dal rumore combinato di innumerevoli buchi neri e stelle di neutroni in tutto l'universo. I risultati indicano che il rumore condiviso tra i bracci crea un limite fondamentale alla sensibilità del telescopio verso questo fondo. Anche con la migliore tecnologia, il rumore della Terra e dei campi magnetici stabilisce un pavimento al di sotto del quale il telescopio non può vedere. I ricercatori hanno calcolato che, senza miglioramenti massicci nella schermatura e nella cancellazione del rumore, la capacità del telescopio di ascoltare questi deboli segnali sarebbe significativamente ridotta. Hanno stimato che il numero di falsi allarmi causati da questi glitch ambientali potrebbe raggiungere centinaia di migliaia all'anno, creando una "foresta" di rumore che rende difficile trovare i rari segnali reali.

In definitiva, l'articolo conclude che la configurazione triangolare, pur essendo elegante in teoria, porta con sé un pesante carico di rumore ambientale che non può essere facilmente risolto dallo stream nullo. I ricercatori sostengono che il triangolo non è immune agli stessi problemi che hanno afflitto i rilevatori precedenti, dove le correlazioni di rumore tra strumenti vicini limitavano la loro sensibilità. Lo studio suggerisce che per far sì che l'Einstein Telescope funzioni come previsto, gli ingegneri dovranno sviluppare nuovi modi per schermare lo strumento dalle vibrazioni della Terra e dai campi magnetici, andando ben oltre quanto sia stato raggiunto finora. Lo stream nullo, un tempo visto come una scorciatoia intelligente per ottenere dati più puliti, si rivela inefficace contro il tipo specifico di rumore che il triangolo è più propenso a incontrare. La strada da seguire richiede di riconoscere che la Terra stessa è un partner rumoroso nella ricerca del silenzio cosmico, e che costruire un telescopio migliore significa prima di tutto imparare a mettere a tacere il terreno sottostante.