Un italiano alla ricerca della radiazione di Hawking

Stephen Hawking durante un'esperienza di volo a gravità zero. Imagecredit: Wikimedia Commons

Pensate a quanto sia frustrante per un curioso della scienza (come me), cercare in rete la notizia del giorno nel campo dell’astrofisica, e scoprire che in italiano c’è un assordante nulla assoluto (al momento in cui scrivo), mentre nell’immenso panorama degli articoli scientifici stranieri c’è solo l’imbarazzo della scelta.

Ma lo sdegno più antipatico mi assale quando, leggendo uno dei tanti articoli che ho trovato, scopro che la paternità del primo annuncio sulla riproduzione e l’osservazione della radiazione di Hawking (o, per i pignoli, radiazione di Bekenstein-Hawking) è  stata condotta da un team italiano guidato dal dottor Franco Belgiorno (per esteso, Francesco Domenico Belgiorno) dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare sezione di Milano (INFN).

Dunque, cos’è la radiazione di Hawking? Non mi arrogherei mai l’onere di spiegare in maniera spicciola e inevitabilmente dilettantistica i principi che regolano gli effetti quantistici di quelle particolari radiazioni elettromagnetiche chiamate radiazioni termiche, emesse dai buchi neri. Per quello c’è Wikipedia, diffusamente linkata nei miei articoli.

Tuttavia si potrebbe disquisire parecchio sulla predizione che lo spettro di emissione del corpo nero che viene rilasciato da un buco nero, sia stata ipotizzata da Stephen Hawking nientemeno che nel 1974, e a tutt’oggi rimane una congettura controversa e ancora priva di dimostrazione.

Di fatto è noto che un buco nero è una potentissima “calamita” gravitazionale, talmente forte da risucchiare verso di se anche la luce (figuriamoci la materia), quando questa oltrepassa un confine critico chiamato orizzonte degli eventi. Quindi, si potrebbe supporre che da questo oggetto astronomico nulla possa sfuggire, ma non è proprio così.

Infatti ciò che il buco nero rilascia nello spazio è l’energia termica trasferita in quantità inversamente proporzionale alla sua massa, il che provoca una sorta di evaporazione dell’oggetto sorgente. Questo accade perché il buco nero in realtà non è del tutto nero. Immaginate una scala da zero a cento, in cui 100 è il bianco assoluto e 0 corrisponde al nero assoluto. Notare che questi valori assoluti sono assolutamente teorici, ideali, e in pratica del tutto irraggiungibili fisicamente. Ecco, supponiamo che un buco nero si posizioni ad un valore, che possiamo chiamare Y, di 0,05. Bene, se questo ipotetico buco interagisce con un altro buco vicino, avente una Y di 0,04 (cioè leggermente più nero), il primo cederà la sua energia, evaporando completamente nel tempo, mentre arricchisce la massa del suo spietato aguzzino.

Diagramma del dispositivo utilizzato per la riproduzione della radiazione di Hawking. Imagecredit: arXiv blog

Ieri, 27 settembre, Franco Belgiorno e collaboratori sostengono di aver riprodotto la radiazione di Hawking, sparando un intenso impulso laser attraverso un materiale cosiddetto “non lineare“, cioè un mezzo in cui la luce passando modifica il suo stesso indice di rifrazione, in termini esageratamente semplicistici.

Quando l’impulso attraversa il materiale alterando l’indice di rifrazione, crea una sorta di eco, un’onda di ritorno in cui l’indice di rifrazione è molto più alto rispetto al materiale circostante.

Questa dovrebbe essere un'immagine della radiazione di Hawking. Imagecredit: The reference frame

Questo aumento dell’indice di rifrazione induce ogni raggio luminoso ad un repentino rallentamento. “Scegliendo le condizioni opportune, è possibile portare le onde luminose  a un punto di stallo“, dice Belgiorno. Questo crea un orizzonte oltre il quale la luce non riesce a penetrare, quello che i fisici chiamano orizzonte degli eventi di un buco bianco, l’inverso di un buco nero.

I buchi bianchi non sono poi così differenti dai buchi neri (in realtà Hawking sostiene che essi siano formalmente equivalenti). E non è neppure difficile immaginare cosa succeda alle coppie di particelle (particella e antiparticella) che si formano in questo tipo di orizzonte. E qui si apre anche una possibile spiegazione all’enigma dell’antimateria, ancora aperto.

Coppie di particelle alle prese con un buco nero. Imagecredit: abyss.uoregon.edu

Se una sola delle due attraversa l’orizzonte, non potendo continuare a muoversi, rimane intrappolata, mentre l’altra è libera di andarsene. Quindi l’orizzonte dovrebbe essere considerato come un generatore di particelle quantiche.

E’ proprio queste particelle, altrimenti dette radiazioni, che Belgiorno e il suo team affermano di aver osservato, mentre un impulso di un laser infrarosso ad alta energia si faceva strada attraverso un blocco di silice fusa. L’impulso laser inviato era caratterizzato da una lunghezza d’onda di 1055 nanometri, ma la luce emessa dall’effetto polarizzante è risultata con una lunghezza d’onda di circa 850 nm.

Naturalmente, la domanda principale è se la luce riemessa è stata generata da qualche altro meccanismo come la radiazione di Čerenkov, per un effetto chiamato scattering (o dispersione ottica) o, in particolare, dal fenomeno della fluorescenza, in cui la luce assorbita viene riemessa ad una differente lunghezza d’onda caratteristica, la quale è la più difficile da escludere.

Tuttavia, Belgiorno e compagni dicono che si possono escludere tutte queste spiegazioni alternative. In particolare, affermano che la luce fluorescente è ben caratterizzata e che si differenzia in diversi modi significativi a seconda delle emissioni rilevate.

Perché è questo risultato è importante? Una ragione è che la radiazione di Hawking è l’unico sistema conosciuto per cui i buchi neri possano evaporare, quindi una prova della sua esistenza produrrebbe effetti rilevanti per la cosmologia e per la previsione dell’evoluzione dell’universo.

E adesso che è stato osservato per la prima volta, sicuramente non si faranno attendere numerosi annunci di altri ricercatori in una virtuosa gara nel tentativo di ripetere e confermare il risultato che, almeno per questa volta è tutto italiano. La scoperta, non la news.