Orologio ottico trasportabile misura per la prima volta la gravità terrestre

L’esperimento, condotto da un team internazionale, coordinato dall’Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica (INRIM), apre la strada a una misura di riferimento per la superficie terrestre

Le predizioni della relatività generale di Einstein, secondo la quale lo scorrere del tempo dipende dal campo gravitazionale, e lo sviluppo di orologi atomici sempre più precisi si compendiano in una nuova disciplina: la geodesia relativistica. Questi gli sviluppi promessi dall’orologio atomico ottico trasportabile, unico al mondo, con cui gli esperti dell’Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica (INRIM), del National Physical Laboratory (NPL) e del Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) – gli istituti metrologici nazionali di Italia, Regno Unito e Germania – hanno compiuto misure del potenziale gravitazionale. I risultati dell’esperimento, frutto di questa collaborazione internazionale, sono stati appena pubblicati sulla rivista scientifica Nature Physics.
È la prima volta che uno strumento così complesso come un orologio ottico, finora confinato nei maggiori istituti di ricerca, esce da un laboratorio per effettuare misure sul campo. Lo hanno reso possibile i ricercatori del PTB, sviluppando un orologio a reticolo ottico, funzionante con atomi di stronzio, completamente trasportabile.

L’orologio ha viaggiato su un rimorchio, a vibrazioni e temperatura controllate, fino a raggiungere il Laboratorio Sotterraneo di Modane (LSM), nel bel mezzo del tunnel stradale che collega la Francia all’Italia, a 1300 metri di altitudine sul livello del mare.

In questo centro di ricerca multidisciplinare, gestito dal Centre National de la Recherche Scientifique e dall’Università di Grenoble-Alpes, il team di ricercatori ha misurato la differenza tra il potenziale di gravità dell’orologio all’interno della montagna e quello dei migliori orologi atomici presenti all’INRIM, la fontana atomica al Cesio e un orologio ottico all’itterbio, situati a 90 km di distanza, a Torino, in Italia, a un dislivello di circa mille metri rispetto al laboratorio del Fréjus.

Il confronto accurato tra questi orologi è stato reso possibile mediante un collegamento in fibra ottica lungo 150 km, realizzato dall’INRIM su infrastruttura del Consorzio Top—IX, per il trasferimento di frequenza tra Torino e il laboratorio di Modane, e un pettine ottico di frequenza, fornito dall’NPL.

La differenza di gravità è stata quindi verificata mediante le tecniche geodetiche convenzionali dai ricercatori dell’Università Leibniz di Hannover e le due misurazioni sono risultate coerenti.

Grazie alla loro precisione gli orologi ottici si candidano a diventare ottimi sensori quantistici per la geodesia. Migliorando ancora le prestazioni dell’orologio trasportabile, si potranno rilevare differenze di altitudine fino a un centimetro sulla superficie terrestre. Uno dei punti di forza di questi dispositivi è la loro capacità di compiere misure del potenziale gravitazionale in un punto esatto della superficie terrestre, al contrario di quanto accade con le tecniche satellitari (come quelle dei progetti GRACE e GOCE), con cui si ottiene il valore medio su aree di centinaia di chilometri quadrati.

Misure ad alta risoluzione del potenziale di gravità potranno contribuire a migliorare la nostra comprensione degli effetti geodinamici associati ai cambiamenti di massa sotto la superficie terrestre e permetteranno di monitorare, con un’accuratezza senza precedenti, i cambiamenti del livello del mare in tempo reale. Tenendo traccia delle tendenze stagionali e di lungo termine delle masse di ghiaccio e delle variazioni globali della massa oceanica, sarà così possibile disporre di dati utili per studiare e prevedere gli effetti dei cambiamenti climatici.

Questa tecnologia permetterà infine di standardizzare i vari sistemi nazionali di misura dell’altitudine della superficie terrestre, mettendo al riparo da costosi errori di progettazione dovuti a misure eseguite nello stesso modo, ma basate su punti di riferimento differenti. Ne è un esempio il caso del ponte Hochrhein tra Germania e Svizzera, dove la costruzione su ogni lato ha condotto a una discrepanza di 54 centimetri tra le due parti a causa di un diverso valore attribuito all’altitudine del livello del mare.