Nel 2017, gli astronomi hanno assistito per la prima volta alla nascita di un buco nero. I rilevatori di onde gravitazionali hanno rilevato le increspature nello spaziotempo causate da due stelle di neutroni che si scontrano per formare il buco nero, e altri telescopi hanno poi osservato l'esplosione risultante.

Ma il vero nocciolo di come si è formato il buco nero, i movimenti della materia negli istanti prima che fosse sigillata all'interno dell'orizzonte degli eventi del buco nero, passato inosservato. Questo perché le onde gravitazionali emesse in questi istanti finali avevano una frequenza così alta che i nostri attuali rivelatori non sono in grado di rilevarle.

Se potessi osservare la materia ordinaria mentre si trasforma in un buco nero, vedresti qualcosa di simile al Big Bang riprodotto al contrario. Gli scienziati che progettano i rilevatori di onde gravitazionali hanno lavorato duramente per capire come migliorare i nostri rilevatori per renderlo possibile.

Oggi il nostro team pubblica un documento che mostra come è possibile farlo. La nostra proposta potrebbe rendere i rilevatori 40 volte più sensibili alle alte frequenze di cui abbiamo bisogno, permettendo agli astronomi di ascoltare la materia mentre forma un buco nero.

Implica la creazione di strani nuovi pacchetti di energia (o "quanti") che sono un mix di due tipi di vibrazioni quantistiche. I dispositivi basati su questa tecnologia potrebbero essere aggiunti ai rilevatori di onde gravitazionali esistenti per ottenere la sensibilità extra necessaria.

Problemi quantistici

I rilevatori di onde gravitazionali come il Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) negli Stati Uniti utilizzano i laser per misurare variazioni incredibilmente piccole nella distanza tra due specchi. Poiché misurano i cambiamenti 1, 000 volte più piccolo della dimensione di un singolo protone, gli effetti della meccanica quantistica, la fisica delle singole particelle o quanti di energia, giocano un ruolo importante nel modo in cui funzionano questi rivelatori.

Sono coinvolti due diversi tipi di pacchetti quantistici di energia, entrambi previsti da Albert Einstein. Nel 1905 predisse che la luce arriva in pacchetti di energia che chiamiamo fotoni ; due anni dopo, predisse che il calore e l'energia sonora arrivano in pacchetti di energia chiamati fononi .

I fotoni sono ampiamente utilizzati nella tecnologia moderna, ma i fononi sono molto più difficili da sfruttare. I singoli fononi sono solitamente sommersi da un vasto numero di fononi casuali che sono il calore dell'ambiente circostante. Nei rivelatori di onde gravitazionali, i fononi rimbalzano negli specchi del rivelatore, degradando la loro sensibilità.

Cinque anni fa i fisici si sono resi conto che si poteva risolvere il problema dell'insufficiente sensibilità alle alte frequenze con dispositivi che combinare fononi con fotoni. Hanno dimostrato che i dispositivi in ​​cui l'energia è trasportata in pacchetti quantistici che condividono le proprietà sia dei fononi che dei fotoni possono avere proprietà piuttosto notevoli.

Questi dispositivi implicherebbero un cambiamento radicale di un concetto familiare chiamato "amplificazione risonante". L'amplificazione risonante è ciò che fai quando spingi un'altalena da parco giochi:se spingi al momento giusto, tutte le tue piccole spinte creano grandi oscillazioni.

Il nuovo dispositivo, chiamata "cavità a luce bianca", amplificherebbe tutte le frequenze allo stesso modo. Questo è come un'altalena che potresti spingere in qualsiasi momento e finire comunque con grandi risultati.

Però, nessuno ha ancora capito come realizzare uno di questi dispositivi, perché i fononi al suo interno sarebbero travolti da vibrazioni casuali causate dal calore.

Soluzioni quantistiche

Nel nostro giornale, pubblicato in Fisica delle comunicazioni , mostriamo come due diversi progetti attualmente in corso potrebbero fare il lavoro.

L'Istituto Niels Bohr di Copenaghen ha sviluppato dispositivi chiamati cristalli fononici, in cui le vibrazioni termiche sono controllate da una struttura cristallina tagliata in una sottile membrana. Il Centro australiano di eccellenza per i sistemi quantistici ingegnerizzati ha anche dimostrato un sistema alternativo in cui i fononi sono intrappolati all'interno di una lente di quarzo ultrapuro.

Mostriamo che entrambi questi sistemi soddisfano i requisiti per creare la "dispersione negativa", che diffonde le frequenze della luce in uno schema arcobaleno inverso, necessaria per le cavità di luce bianca.

Entrambi i sistemi, quando aggiunto al back-end dei rilevatori di onde gravitazionali esistenti, migliorerebbe la sensibilità alle frequenze di pochi kilohertz delle 40 volte o più necessarie per ascoltare la nascita di un buco nero.

Qual è il prossimo?

La nostra ricerca non rappresenta una soluzione istantanea per migliorare i rilevatori di onde gravitazionali. Ci sono enormi sfide sperimentali nel trasformare tali dispositivi in ​​strumenti pratici. Ma offre una strada per il miglioramento di 40 volte dei rilevatori di onde gravitazionali necessari per osservare la nascita dei buchi neri.

Gli astrofisici hanno previsto complesse forme d'onda gravitazionali create dalle convulsioni delle stelle di neutroni mentre formano i buchi neri. Queste onde gravitazionali potrebbero permetterci di ascoltare la fisica nucleare di una stella di neutroni in collasso.

Per esempio, è stato dimostrato che possono rivelare chiaramente se i neutroni nella stella rimangono come neutroni o se si disgregano in un mare di quark, le più piccole particelle subatomiche di tutte. Se potessimo osservare i neutroni trasformarsi in quark e poi scomparire nella singolarità del buco nero, sarebbe l'esatto contrario del Big Bang dove fuori dalla singolarità, sono emerse le particelle che hanno continuato a creare il nostro universo.

Questo articolo è stato ripubblicato da The Conversation con una licenza Creative Commons. Leggi l'articolo originale.