La meccanica quantistica e la teoria della relatività generale formano il fondamento dell’attuale comprensione della fisica, eppure le due teorie sembrano non funzionare insieme. I fenomeni fisici si basano sulla relazione del moto tra l’osservato e l’osservatore. Alcune regole sono vere tra i tipi di oggetti osservati e quelli osservanti, ma quelle regole tendono a infrangersi a livello quantico, dove le particelle subatomiche si comportano in modo strano.

Un team internazionale di ricercatori ha sviluppato un framework unificato che spiegherebbe questo apparente contrasto tra fisica classica e fisica quantistica e lo hanno messo alla prova usando un satellite quantico chiamato Micius. Hanno pubblicato i loro risultati escludendo una versione della loro teoria il 19 settembre in Science.

Micius fa parte di un progetto di ricerca cinese chiamato Quantum Experiments at Space Scale (QUESS), in cui i ricercatori possono esaminare la relazione tra la fisica quantistica e classica facendo esperimenti con la luce. In questo studio, i ricercatori hanno usato il satellite per produrre e misurare due particelle intrecciate.

“Grazie alle tecnologie avanzate messe a disposizione da Micius, per la prima volta nella storia umana, siamo riusciti a eseguire un significativo esperimento ottico quantico testando la fisica fondamentale tra teoria quantistica e gravità“, ha spiegato Jian-Wei Pan, autore di articoli e direttore del centro CAS per l’eccellenza nell’informazione quantistica e nella fisica quantistica presso l’Università della Scienza e della Tecnologia della Cina.

La teoria che Pan e il team hanno testato comportava l’ipotesi che le particelle si sarebbero decorrelate l’una dall’altra attraversando regioni gravitazionali separate della Terra.

Le diverse spinte gravitazionali forzerebbero un’interazione quantistica che si comporta come il relativismo classico: la particella nella zona a minore gravità si muoverebbe con meno vincoli rispetto a quella posta in un’area a gravità maggiore.

Secondo Pan, questo “formalismo degli eventi” tenta di presentare una descrizione coerente dei campi quantistici come esistono nello spaziotempo esotico, che contiene curve simili alle curve temporali chiuse, e il tempo spaziale ordinario, che si comporta in termini di relatività generale. Il formalismo degli eventi ha standardizzato il comportamento tra la fisica quantistica e quella classica .

“Se osservassimo deviazione, significherebbe che il formalismo degli eventi è corretto e dobbiamo sostanzialmente rivedere la nostra comprensione dell’interazione tra teoria quantistica e teoria della gravità“, ha detto Pan. “Tuttavia, nel nostro esperimento, abbiamo escluso la versione forte del formalismo degli eventi, ma ci sono altre versioni da testare“.

I ricercatori non hanno visto le particelle deviare dalle interazioni attese, previste dalla comprensione quantistica della gravità, ma hanno in programma di testare una versione della loro teoria che consente un po’ più di flessibilità.

“Abbiamo escluso la versione forte del formalismo degli eventi, ma un modello modificato rimane una domanda aperta“, ha concluso Pan.

Per testare questa versione, Pan e il team lanceranno un nuovo satellite che orbiterà da 20 a 60 volte più in alto di Micius per testare un campo di gravità più ampio.

Ulteriori informazioni: “Test satellitari di un modello di decoerenza quantistica indotto gravitazionalmente” Science (2019). science.sciencemag.org/lookup/… 1126 / science.aay5820

Gli eventi su cala cosmica tendono ad accadere con tempi estremamente lenti, sopratutto in funzione delle nostre brevi vite, per cui raramente ci capita di poter osservare fatti straordinari in cielo. Però, non è sempre così.

Ad esempio, negli ultimi mesi, sei galassie hanno subito un’enorme quanto spettacolare trasformazione. In queste sei galassie si sono improvvisamente accesi altrettanti quasar trasformandole da relativamente pacifiche in oggetti estremamente luminosi che hanno iniziato ad espellere grandi quantità di radiazioni nell’universo.

Per carità, per chi ha la possibilità di osservarlo si tratta indubbiamente di un effetto spettacolare ma, in realtà, questi eventi potrebbero aiutarci a risolvere un dibattito di lunga data su ciò che produce la luce in un particolare tipo di galassia. In effetti, potrebbero indicare un tipo di attività del nucleo galattico precedentemente sconosciuto.

Le sei galassie in questione sono nate come galassie LINER (Regione nucleare a linee di emissione a bassa ionizzazione) a bassa ionizzazione; in termini di luminosità, stanno un po’ a metà tra il massimo ed il minimo.

Queste galassie costituiscono un terzo di tutte le galassie conosciute, sono più luminose di quelle con buchi neri supermassicci dormienti al centro, ma non brillanti come le galassie attive (note come galassie di Seyfert), i cui buchi neri supermassicci assorbono gas e altri materiali ad alti ritmi.

Ora, le galassie quasar sono le più brillanti tra le galassie attive; in effetti, sono tra gli oggetti più luminosi dell’Universo. Le emissioni di luce e radio che vediamo sono causate dal materiale in orbita attorno al buco nero centrale, chiamato disco di accrescimento.

Quel disco contiene polvere e gas che turbinano a velocità tremende, generando un attrito immenso mentre vengono trainato dall’enorme forza gravitazionale del buco nero al centro. Questo attrito produce calore e luce intensi; vasti getti emessi dalle regioni polari del buco nero emettono onde radio.

Da tempo va avanti un lungo dibattito su ciò che produce esattamente luce nelle galassie LINER. Alcuni astronomi credono che sia prodotta dai buchi neri; altri pensano che sia il risultato di una copiosa attività da starburst, cioè che vi nascono molte stelle.

Ma, quando un gruppo di astronomi guidato dall’astronoma Sara Frederick, dell’Università del Maryland, ha esaminato i dati dei primi nove mesi del rilevamento automatico del cielo della struttura transitoria di Zwicky, hanno scoperto che sei galassie LINER stavano facendo qualcosa di… Strano.

“Per uno dei sei oggetti, inizialmente pensavamo di aver osservato un evento di interruzione delle maree, che si verifica quando una stella passa troppo vicino a un buco nero supermassiccio e viene distrutta“, ha detto Frederick.

“In seguito, però, abbiamo scoperto che si trattava di un buco nero precedentemente dormiente in fase di transizione che gli astronomi chiamano di ‘aspetto mutevole’, risultante in un quasar luminoso. Osservare sei di queste transizioni, tutte in galassie LINER relativamente silenziose, suggerisce che abbiamo identificato una classe totalmente nuova di nucleo galattico attivo“.

Le transizioni mutevoli non sono rare, ma di solito non sono così drammatiche. Il primo quasar dall’aspetto mutevole, infatti, è stato scoperto solo nel 2015, e poi è andato nella direzione opposta: un quasar che si è oscurato in una galassia di Seyfert.

Inoltre, di solito transizioni di questo tipo si osservano tra diversi tipi di galassie di Seyfert, che producono diversi tipi di luce. Questa luce di solito dipende dall’orientamento della galassia, edge-on o con l’intero disco rivolto verso di noi, quindi queste transizioni sono un mistero di per sé stesse (e si spera che un giorno possano essere spiegate).

Il team stava studiando le transizioni di Seyfert, “Invece, abbiamo trovato un’intera nuova classe di nucleo galattico attivo in grado di trasformare una galassia wimpy in un quasar luminoso“, ha detto l’astronomo Suvi Gezari dell’Università del Maryland. “La teoria suggerisce che un quasar dovrebbe impiegare migliaia di anni per accendersi, ma queste osservazioni suggeriscono che può accadere molto rapidamente. Questo ci dice che la teoria è tutta sbagliata. Pensavamo che la trasformazione di Seyfert fosse il puzzle principale. Ma ora abbiamo un problema più grande da risolvere“.

Nessuna delle galassie ha una formazione stellare particolarmente attiva (la più attiva sta producendo l’equivalente di 1,27 soli ogni anno). Altri analisi hanno rivelato che molte (ma certamente non tutte) galassie LINER non sembrano avere alti tassi di formazione stellare.

Ciò non significa che queste sei galassie siano indicative di tutte le galassie LINER con bassa formazione stellare. Potrebbe significare che sono proprio una diversa classe di galassie.

Ma i risultati indicano anche che ciò che sapevamo sui quasar potrebbe essere sbagliato. Il fatto che queste galassie possano cambiare in modo così drammatico così rapidamente non è coerente con l’attuale teoria dei quasar. Qualunque cosa possa causare un cambiamento così estremo, deve essere piuttosto intensa.

“Queste sei transizioni sono state così improvvise e drammatiche, che dobbiamo necessariamente pensare che c’è qualcosa di completamente diverso in queste galassie”, ha spiegato la Frederick. “Vogliamo sapere perché tali enormi quantità di gas e polvere possano improvvisamente iniziare a cadere in un buco nero. Dato che abbiamo colto queste transizioni nell’atto, si aprono molte opportunità per confrontare l’aspetto dei nuclei prima e dopo la trasformazione”.

La ricerca è stata pubblicata su The Astrophysical Journal.

“Non sappiamo cosa sia la materia oscura, ma se ha qualcosa a che fare con eventuali particelle scalari come gli assioni, potrebbe essere più vecchia del Big Bang“. È quanto affermato dall’astrofisico della Johns Hopkins University Tommi Tenkanen, commentando la pubblicazione di un nuovo studio dell’università degli studi di Tokyo che propone l’assione come candidato per la materia oscura.

Da anni ormai i fisici si lambiccano con il mistero della materia oscura, arrivando ad ipotizzare nuovi tipi di materia che vanno da particelle delle dimensioni di un pianeta a particelle praticamente invisibili come gli assioni, cercando di restare in accordo con le leggi conosciute dell’universo.

Finora, purtroppo, non si è riusciti a rilevarla né a confermarne l’esistenza. “La natura della materia oscura è uno dei più grandi misteri della scienza e dobbiamo utilizzare tutte le informazioni correlate disponibili per affrontarla“, ha affermato l’astronomo Avi Loeb, del Centro di astrofisica di Harvard-Smithsonian.

Purtroppo la materia oscura è “oscura“, nel senso che, finora, non siamo riusciti a scoprire con cosa interagisce, non lo fa nemmeno con la luce.

Apparentemente, in alcuni scenari potrebbe avere un leggero effetto sul passaggio delle onde luminose. Ma altri scenari non prevedono alcuna interazione tra il nostro mondo e la materia oscura, oltre a quelli mediati dalla gravità. Ciò la rende molto difficile da individuare, non sappiamo bene che tipo di particelle cercare.

Potrebbe, però, esserci una possibilità: mentre la materia oscura è troppo sfuggente per essere individuata con i classici esperimenti sulle particelle, può rivelare la sua presenza nelle osservazioni astronomiche. Impareremo di più sull’origine della materia oscura quando il satellite Euclid dell’ESA sarà lanciato nel 2022. Questo satellite è stato concepito con lo scopo di sondare l’eone prima del Big Bang e capire perché l’espansione dell’Universo sta accelerando e qual è la natura di quella che i fisici chiamano energia oscura, qualcosa che, secondo i ricercatori, dovrebbe essere la principale responsabile dell’espansione accelerata dell’universo.

Ora, c’è questa nuova ricerca che ci arriva dai fisici giapponesi: “Non conosciamo la massa degli assioni, ma riteniamo che abbia una massa inferiore a quella degli elettroni. Per quanto ne sappiamo, l’universo è pieno di materia oscura e ci sono delle stime secondo le quali la Terra ne conterrebbe almeno 500 grammi”, ha affermato uta Michimura del dipartimento di Fisica dell’Università di Tokyo, presentando lo studio. “Siamo partiti dal presupposto che l’assione sia una particella molto leggera che interagisce a malapena con i tipi familiari di materia. Pertanto, lo consideriamo un buon candidato per la materia oscura“.

Se non riusciamo a vederla o a rilevarla, come facciamo ad essere sicuri che la materia oscura esiste?

Si pensa che la materia oscura debba esistere per via del suo effetto su enormi corpi astronomici ma, appunto, non siamo ancora riusciti ad osservarla o identificarla direttamente. Ora c’è questa teoria seconda la quale la materia oscura potrebbe essere composta di assioni, particelle teoriche non ancora rilevate ma che si pensa possano essere individuate con esperimenti basati su laser che già esistono. Questi esperimenti laser sono gli osservatori di onde gravitazionali come LIGO e Virgo.

Altre teorie sul modo in cui la materia oscura potrebbe rivelarsi, sostenuta da molti fisici, implica l’esistenza di una particella voluminosa teorica o WIMP che interagisce debolmente con la materia ordinaria. Sappiamo che questo è vero perché non è stata ancora vista direttamente, ma deve anche essere dotata di una certa massa in quanto la sua presenza può essere dedotta dalla sua attrazione gravitazionale.

Insomma, i ricercatori suggeriscono che gli osservatori di onde gravitazionali esistenti come il Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) negli Stati Uniti, Virgo in Italia o KAGRA in Giappone potrebbero essere modificati con poca spesa per cercare gli assioni senza pregiudicare le loro funzioni esistenti.

Questo grafico confronta la sensibilità dei rivelatori di onde gravitazionali adatti alla caccia agli assioni. Il progetto è in corso presso l’Institute for Cosmic Ray Research dell’università di Tokyo.

“Con il nostro nuovo schema, abbiamo potuto cercare assioni aggiungendo alcune ottiche di polarizzazione davanti ai sensori a fotodiodo nei rivelatori di onde gravitazionali“, ha spiegato Michimura. “Il prossimo passo che vorrei vedere è l’implementazione dell’ottica su un rivelatore di onde gravitazionali come KAGRA“.

Questa idea è promettente perché gli aggiornamenti alle strutture delle onde gravitazionali non ridurrebbero la sensibilità su cui si basano per la loro funzione primaria, che è, appunto, quella di rilevare le onde gravitazionali. Sono stati fatti tentativi con esperimenti e osservazioni per trovare l’assione, ma finora non è stato trovato alcun segnale positivo. Il metodo proposto dai ricercatori potrebbe essere molto più preciso.

Esistono prove astrofisiche e cosmologiche schiaccianti dell’esistenza della materia oscura, ma la domanda è ancora: cos’è la materia oscura? “È uno dei maggiori problemi in sospeso nella fisica moderna“, ha affermato Nagano. “Se riusciremo a rilevare gli assioni e accertare che sono materia oscura, sarebbe davvero un evento epocale per la fisica e l’astrofisica”.