E’ stato creato un buco nero artificiale che intrappola il suono invece della luce, nel cercare di rilevare la teorica radiazione di Hawking.
La radiazione, proposta dal fisico Stephen Hawking più di 30 anni fa, porta i buchi neri ad evaporare nel tempo. I buchi neri astrofisici vengono creati quando la materia diviene così densa da collassare in un punto detto singolarità. La gravità del buco nero è così grande che nulla, persino la luce, può sfuggire da un confine attorno ad esso chiamato orizzonte degli eventi.
I fisici però hanno anche sviluppato dei “buchi neri” per il suono. Lo fanno portando un materiale a muoversi più rapidamente della velocità del suono in un medium, in modo che le onde sonore viaggiando in esso non possano mantenere il passo, come i pesci che nuotano in un rapido torrente. Il suono viene intrappolato nell’orizzonte degli eventi simile al torrente.
– Stato quantico
I fisici dei materiali si stanno concentrando sui cosiddetti condensati Bose-Einstein (BECs), uno stato quantico della materia dove un gruppo di atomi si comporta come un atomo singolo.
Sono stati creati dei condensati che si muovono a velocità supersonica, così i fisici hanno creato dei buchi neri acustici nel processo del lavoro con i BECs, dice Eric Cornell dell’Università del Colorado a Boulder, che ha condiviso un premio nobel nel 2001 per lo sviluppo dei condensati Bose-Einstein.
Però dice che il nuovo studio di Jeff Steinhauer del Technion-Israel Institute of Technology ad Haifa, effettuato insieme a colleghi, è il primo esperimento documentato, mirato direttamente a produrre la radiazione di Hawking in un BEC.
– Flusso supersonico
Il team ha raffreddato circa 100.000 atomi di rubidio, portandoli a qualche miliardesimo di grado sopra lo zero assoluto e li hanno intrappolati con un campo magnetico. Usando un laser, i ricercatori hanno quindi creato un potenziale elettrico che ha attratto gli atomi e li ha portati a correre più rapidamente della velocità del suono nel materiale.
Questa configurazione ha creato un flusso supersonico che è durato circa 8 millisecondi, formando un buco nero acustico capace di intrappolare il suono. Le implicazioni di tale lavoro potrebbero essere profonde, potrebbe portare alla prima rilevazione della radiazione di Hawking.
La meccanica quantistica dice che coppie di particelle possono apparire spontaneamente dallo spazio vuoto. Queste coppie, che consistono in particella e relativa antiparticella, dovrebbero esistere per un attimo prima di annientarsi tra loro e sparire.
Però negli anni ’70, Hawking propose che se la coppia venisse prodotta vicino al bordo di un buco nero, una particella potrebbe cadere dentro prima di essere distrutta, lasciando la partner fuori dall’orizzonte degli eventi. Per gli osservatori, questa particella apparirebbe come radiazione. Nei buchi neri acustici, la radiazione di Hawking prenderebbe la forma di pacchetti di energia vibrazionale chiamati fononi.
– Grande vantaggio
Scoprire la radiazione di Hawking sarebbe un grande vantaggio per i fisici, dice il cosmologo Sean Carroll del Caltech.
“Per prima cosa, Stephen Hawking vincerebbe il Premio Nobel“, ha detto Carroll a New Scientist. “Però soprattutto ci mostrerebbe che siamo sulla pista giusta”.
Questo perchè la teoria di Hawking fornisce alcune proposizioni fondamentali su come la meccanica quantistica funzioni nello spazio curvato per la gravità.
La matematica sottostante viene usata per calcolare come l’universo si sia comportato in un periodo chiamato inflazione, quando lo spazio si è espanso rapidamente subito dopo il big bang. Rilevare la radiazione di Hawking attraverso osservazioni astronomiche, comunque, è difficile, perchè l’evaporazione dei tipici buchi neri è oscurata da fonti energetiche di radiazione, incluso lo sfondo cosmico di microonde, lasciato dal big bang.
– Primo passo
I ricercatori hanno ancora del lavoro da fare prima di poter rilevare la radiazione di Hawking in un buco nero acustico. Il team di Steinhauer, per esempio, stima che l’aumento di velocità che gli atomi ottengono deve essere di 10 volte maggiore per creare una radiazione di Hawking rilevabile in forma di fononi.
“Rilevare veramente le onde sonore prodotte dal buco è davvero difficile. Però questo è un primo passo emozionante“,
dice Bill Unruh della University of British Columbia a Vancouver, Canada, che ha proposto per primo l’idea di usare fluidi quantici per creare orizzonti degli eventi artificiali.
Cornell concorda, aggiungendo che il team necessita di regolare il flusso del BEC per misurare la sottile radiazione di Hawking. “Quello che hanno fatto è come la parte più semplice”, ha detto a New Scientist. “La parte difficile è farlo in un modo tale da poter vedere tutte le piccole fluttuazioni sopra tutte le cose violente fatte al condensato (per farlo divenire supersonico)”.
Cornell e colleghi stanno costruendo il loro piccolo esperimento per produrre orizzonti degli eventi acustici.
– Impulsi laser
Altri sperano di produrre una radiazione di Hawking rilevabile in laboratorio usando la luce. Nel 2008, un team ha creato un orizzonte degli eventi artificiale in una fibra ottica, sfruttando il fatto che differenti lunghezze d’onda della luce si muovono a diverse velocità nella fibra.
Lo hanno fatto inviando un impulso relativamente lento lungo la fibra. Questo ha distorto le proprietà ottiche della fibra, in modo che quando un secondo impulso più veloce ha incontrato il primo, è stato rallentato ed effettivamente intrappolato dietro “l’orizzonte degli eventi” del primo impulso.
Una rilevazione astrofisica della radiazione di Hawking può ancora essere possibile. Più è piccolo un buco nero e maggiore è l’energia della sua radiazione di Hawking. Così l’evaporazione di buchi neri microscopici che, come alcuni ricercatori ipotizzano, sarebbero stati prodotti quasi immediatamente dopo il big bang, potrebbe essere rilevabile usando il Fermi Gamma-ray Space Telescope della NASA, lanciato nel 2008.
Rachel Courtland
newscientist.com
Traduzione a cura di Richard
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