È stato scoperto che le onde gravitazionali create da buchi neri o stelle di neutroni nelle profondità dello spazio raggiungono la Terra. I loro effetti, però, sono così piccoli che possono essere osservati solo utilizzando strumenti di misurazione lunghi un chilometro. I fisici stanno quindi discutendo se i condensati di Bose-Einstein ultrafreddi e minuscoli con le loro proprietà quantistiche ordinate potrebbero anche rilevare queste onde. Il prof. Ralf Schützhold dell'Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) e della TU Dresden ha studiato la base di questi suggerimenti e scrive sulla rivista Revisione fisica D che tali prove sono ben oltre la portata dei metodi attuali.

Già nel 1916, Albert Einstein ha presentato un articolo all'Accademia delle scienze prussiana in cui ha dimostrato che le masse in movimento come le stelle giganti che orbitano l'una sull'altra lasciano un'ammaccatura nello spazio e nel tempo, che si diffonde alla velocità della luce. Queste ammaccature sono note come onde gravitazionali, e dovrebbe muoversi esattamente come le onde radio, luce e altre onde elettromagnetiche. Gli effetti delle onde gravitazionali, però, sono normalmente così deboli che Einstein era convinto che non avrebbero mai potuto essere misurati.

La ragione di questo scetticismo è che le onde gravitazionali sono deboli. Per esempio, anche la massa abbastanza grande della Terra, che orbita intorno al sole a quasi 30 chilometri al secondo, produce onde gravitazionali con una potenza di soli trecento watt. Non sarebbe nemmeno sufficiente per alimentare un aspirapolvere commerciale con un'etichetta Energy Star. L'influenza di queste onde gravitazionali è quindi impercettibile.

Quando i buchi neri si fondono

La situazione migliora quando sono coinvolte masse notevolmente maggiori. Quando due enormi buchi neri si sono fusi a una distanza di 1,3 miliardi di anni luce dalla Terra, di cui uno possedeva la massa di circa 36 soli e l'altro una massa di 29 soli, spazio e tempo tremavano. Durante questa fusione, una massa che misurava tre volte quella del nostro sole trasformata in una gigantesca onda gravitazionale, i cui resti raggiunsero la Terra 1,3 miliardi di anni dopo, il 14 settembre, 2015, alle 11:51 ora dell'Europa centrale. Poiché le onde si propagano in tutte le direzioni su distanze così enormi e si diffondono in uno spazio inimmaginabilmente grande, il loro potere era enormemente diminuito.

Sulla terra, è stato ricevuto solo un segnale estremamente debole, che è stato registrato utilizzando due tubi a vuoto perpendicolari lunghi quattro chilometri negli Stati Uniti. Due raggi laser speciali sparano avanti e indietro tra i punti finali di queste strutture. Dal tempo impiegato da un raggio di luce per raggiungere l'altra estremità, i ricercatori possono calcolare in modo molto preciso la distanza tra i due punti. "Quando le onde gravitazionali hanno raggiunto la Terra, hanno accorciato una delle due distanze di misurazione di una minuscola frazione di un trilionesimo di millimetro in entrambe le strutture, mentre l'altro tratto perpendicolare è stato esteso di una quantità simile, " afferma il ricercatore HZDR Ralf Schützhold, illustrando i risultati dei suoi colleghi. Perciò, l'11 febbraio, 2016, a seguito di un'analisi dettagliata dei dati, i ricercatori hanno riportato la prima rilevazione diretta delle onde gravitazionali prevista da Albert Einstein. Tre dei ricercatori che hanno contribuito hanno ricevuto il Premio Nobel per la fisica nel 2017.

Atomi in sincronizzazione

Gli astrofisici possono ora utilizzare queste onde per osservare enormi eventi nello spazio, come fusioni di buchi neri o supernove. I fisici ora si chiedono se sia possibile costruire strutture più facili da gestire rispetto ai tubi a vuoto perpendicolari lunghi quattro chilometri. Alcuni suggeriscono di utilizzare condensati di Bose-Einstein, una forma di materia che Satyendranath Bose e Albert Einstein avevano predetto nel 1924. "Tali condensati possono essere pensati come vapore fortemente diluito da singoli atomi che sono raffreddati all'estremo e quindi si condensano, " spiega Schützhold. I ricercatori negli Stati Uniti hanno creato un condensato di Bose-Einstein nel 1995.

A temperature estremamente basse, solo leggermente al di sopra dello zero assoluto di meno 273,15 gradi Celsius, la maggior parte degli atomi di metalli come il rubidio esiste nello stesso stato quantico, formando un miscuglio caotico sotto forma di vapore a temperature più elevate. "Simile alle particelle di luce laser, gli atomi di questi condensati di Bose-Einstein si muovono, per così dire, in sincronia, " dice Schützhold. Onde gravitazionali, però, può cambiare le particelle sonore o i quanti sonori, che i fisici chiamano fononi, all'interno di condensati atomici sincronizzati. "Questo è un po' simile a una grande vasca d'acqua in cui le onde generate da un terremoto cambiano le onde d'acqua esistenti, "dice Ralf Schützhold, descrivendo il processo.

La piccola prova è troppo piccola

Però, quando il capo del dipartimento di fisica teorica dell'HZDR ha esaminato più da vicino i fondamenti di questo fenomeno, ha accertato che tali condensati di Bose-Einstein dovevano essere diversi ordini di grandezza più grandi di quanto sia attualmente possibile per rilevare le onde gravitazionali emanate dalla fusione dei buchi neri. "Oggi, Bose-Einstein condensa con, Per esempio, 1 milione di atomi di rubidio si ottengono con grande fatica, ma ci vorrebbe molto più di un milione di volte quel numero di atomi per rilevare le onde gravitazionali, " dice Schützhold. Tuttavia, all'interno di un condensato di Bose-Einstein si forma una sorta di vortice in cui le onde gravitazionali generano direttamente fononi più facilmente osservabili. "Ma anche con condensati di Bose-Einstein così disomogenei, siamo ancora ordini di grandezza dalla rilevazione delle onde gravitazionali, "dice il fisico.

Il ricercatore dell'HZDR fornisce comunque un indizio su una possibile prova:se il gas nobile elio viene raffreddato a meno di due gradi sopra lo zero assoluto, si forma un liquido superfluido che non è un puro condensato di Bose-Einstein, ma contiene poco meno del 10% di tali atomi di elio sincronizzati. Poiché si possono produrre quantità molto maggiori di questo elio superfluido, molti ordini di grandezza più atomi di condensato di Bose-Einstein possono essere creati in questo modo rispetto alla produzione diretta. "Se l'elio superfluido è davvero un modo per rilevare le onde gravitazionali può essere dimostrato solo con calcoli estremamente complessi, " dice Schützhold. I mini-rivelatori per le onde gravitazionali si trovano quindi ancora nel futuro.