Le onde gravitazionali potrebbero essere studiate in un modo completamente nuovo, senza bisogno dei giganteschi interferometri laser che conosciamo. Un gruppo di scienziati ha proposto che queste perturbazioni nel tessuto dello spazio-tempo, generate dalla collisione di oggetti incredibilmente densi come coppie di buchi neri, siano capaci di modulare la frequenza della luce che gli atomi emettono in modo naturale. Lo studio, pubblicato il 19 marzo sulla rivista Physical Review Letters, arriva da ricercatori dell’Università di Stoccolma e dell’Università di Tubinga, e apre uno scenario piuttosto affascinante.
Il punto di partenza è un fenomeno che suona quasi controintuitivo. Gli atomi generano luce spontaneamente quando cambiano stato energetico, un processo che avviene di continuo su scala microscopica. La maggior parte di questa luce non si vede a occhio nudo e servono strumenti appositi per rilevarla. Se poi si entra nel territorio della fisica quantistica, la faccenda si complica ulteriormente. Le particelle non sono punti isolati, ma eccitazioni di campi che permeano lo spazio. Un atomo non emette luce perché contiene qualcosa che brilla, ma perché interagisce con il campo elettromagnetico. I campi quantistici, per farla semplice, rappresentano il contesto in cui tutte le interazioni avvengono.
Come le onde gravitazionali agiscono sul campo quantistico
Un’onda gravitazionale è, nella sua essenza, una distorsione dello spazio-tempo. Negli ultimi anni la loro esistenza è stata confermata grazie a potenti interferometri che inviano fasci laser lungo percorsi chilometrici e ne misurano le variazioni minime nel tragitto. Quando il tempo di percorrenza cambia, significa che il laser ha attraversato una regione dello spazio deformata da un’onda. Fin qui, la parte nota.
La novità sta in quello che succede al campo quantistico che circonda un atomo. Secondo la nuova teoria, un’onda gravitazionale può deformare quel campo. E attenzione: non cambia il numero di fotoni emessi, quindi l’atomo non diventa né più luminoso né più debole. Quello che cambia è la frequenza della luce, e lo fa in base alla direzione di emissione. Come spiegano gli autori dello studio: “L’onda modula il campo quantistico e questa modulazione si riflette nella luce emessa. Può quindi modificarne la frequenza rispetto al caso in cui l’onda non è presente”.
Atomi freddi come possibili rivelatori di onde gravitazionali
Quando i due fenomeni coincidono, emerge un pattern spettrale dalla struttura quadrupolare, una firma che richiama la geometria tipica delle onde gravitazionali. Le deformazioni dello spazio-tempo sono quasi impercettibili, è vero, ma agiscono sulla luce che oscilla a frequenze elevatissime. Questa differenza di scala genera un effetto amplificato, potenzialmente sufficiente per rilevare la presenza di un’onda gravitazionale osservando solo il comportamento della luce emessa da un atomo.
Il risultato apre la possibilità concreta di utilizzare nubi di atomi freddi o orologi atomici come rivelatori di onde gravitazionali a bassa frequenza, proprio quelle che gli osservatori terrestri attuali non riescono a intercettare. Secondo i calcoli del team, un sistema composto da un numero compreso tra uno e cento milioni di atomi potrebbe bastare per registrare il segnale. Lo studio evidenzia anche che l’informazione non resta confinata nell’atomo, ma si distribuisce nel campo quantistico circostante. L’atomo funziona, in pratica, come un trasduttore: un intermediario tra la curvatura dello spazio-tempo e la luce misurabile.
La teoria richiede naturalmente ulteriori verifiche sperimentali. “È necessaria un’analisi approfondita del rumore per valutare la fattibilità pratica, ma le nostre prime stime sono promettenti”, ha dichiarato Navdeep Arya, ricercatore post-dottorato dell’Università di Stoccolma.