I fisici creano “buchi neri per il suono”

I fisici creano “buchi neri per il suono”

di Rachel Courtland

17 Giugno 2009

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.

www.newscientist.com/article/dn17319-physicists-create-black-hole-for-sound.html

Tradotto da Richard per Altrogiornale.org

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