Un team di ricercatori ha appena dimostrato il miglioramento quantico in una macchina a raggi X, raggiungendo l’obiettivo di eliminare il rumore di fondo per il rilevamento di precisione.

Le relazioni tra coppie di fotoni su scala quantistica possono essere sfruttate per creare immagini più nitide e ad alta risoluzione rispetto all’ottica classica. Questo campo emergente si chiama imaging quantistico e ha un potenziale davvero impressionante – soprattutto perché, con la normale luce ottica, può essere usato per visualizzare oggetti che di solito non possono essere visti, come le ossa e gli organi.

La correlazione quantistica descrive una serie di relazioni diverse tra coppie di fotoni. L’Entanglement è una di queste, e si può applicare all’optical imaging quantistica.

Ma le sfide tecniche della generazione di fotoni aggrovigliati nelle lunghezze d’onda dei raggi X sono considerevolmente maggiori rispetto alla luce ottica, quindi nella costruzione di una radiografia quantistica, il team ha adottato un approccio diverso.

Hanno usato una tecnica chiamata illuminazione quantistica per ridurre al minimo il rumore di fondo, cioè i disturbi alla nitidezza dell’immagine. Di solito, per questo si utilizzano fotoni aggrovigliati, ma funzionano anche correlazioni più deboli. Usando un processo chiamato parametric down-conversion (PDC), i ricercatori hanno diviso un fotone ad alta energia – o “pompa” – in due fotoni a energia inferiore, chiamati fotone di segnale e fotone folle.

“La radiografia PDC è stata dimostrata da diversi autori e l’applicazione dell’effetto come fonte di imaging fantasma è stata recentemente dimostrata“, scrivono i ricercatori nel loro articolo.

“Tuttavia, in tutte le pubblicazioni precedenti, le statistiche sui fotoni non sono state misurate. In sostanza, ad oggi, non ci sono prove sperimentali che i fotoni, generati dal PDC a raggi X, mostrino statistiche sugli stati quantistici delle radiazioni. Allo stesso modo, le osservazioni della sensibilità di misura quantistica migliorata non è mai stata segnalata alle lunghezze d’onda dei raggi X “.

I ricercatori hanno raggiunto il loro PDC a raggi X con un cristallo di diamante. La struttura non lineare del cristallo suddivide il fascio di fotoni a raggi X della pompa in fasci di segnale e folle, ciascuno con metà dell’energia del raggio della pompa.

Normalmente, questo processo è molto inefficiente utilizzando i raggi X, quindi il team ne ha aumentato la potenza. Usando il sincrotrone SPring-8 in Giappone, hanno sparato un fascio di raggi X a 22 KeV sul cristallo, che si è diviso in due raggi, ciascuno con 11 KeV ciascuno.

Il raggio del segnale viene inviato verso l’oggetto da riprendere – nel caso di questa ricerca, un piccolo pezzo di metallo con tre fessure – con un rivelatore sull’altro lato. Il raggio folle viene inviato direttamente a un rivelatore diverso. Questo è impostato in modo tale che ogni raggio colpisca il rispettivo rivelatore nello stesso posto e allo stesso tempo.

“La perfetta relazione tempo-energia che abbiamo osservato poteva solo significare che i due fotoni erano correlati quanticamente“, ha detto il fisico Sason Sofer, dell’Università di Bar-Ilan in Israele.

Per il passo successivo, i ricercatori hanno confrontato i loro rilevamenti. Nell’immagine c’erano solo circa 100 fotoni correlati per punto nell’immagine e circa 10.000 altri fotoni di sfondo. Ma i ricercatori hanno potuto abbinare ogni minimo a un segnale, in modo da poter effettivamente dire quali fotoni nell’immagine provenivano dal raggio, separando così facilmente il rumore di fondo.

Hanno quindi confrontato queste immagini con quelle scattate usando fotoni regolari non correlati – e i fotoni correlati hanno chiaramente prodotto un’immagine molto più nitida.

Siamo ancora all’inizio, ma è sicuramente un passo nella giusta direzione per quello che potrebbe essere uno strumento molto eccitante. L’imaging a raggi X quantistici potrebbe avere un numero di usi al di fuori della gamma dell’attuale tecnologia a raggi X.

Una promessa interessante di questa nuova metodologia sta nel fatto che potrebbe ridurre la quantità di radiazioni richieste per l’imaging a raggi X. Ciò significherebbe che potrà essere utilizzata su campioni facilmente danneggiati dai raggi X o su campioni che richiedono basse temperature; meno radiazioni significherebbe meno calore. Potrebbe anche consentire ai fisici di radiografare i nuclei atomici per vedere cosa c’è dentro.

Ovviamente, poiché questi raggi X quantistici richiedono un acceleratore di particelle hardcore, le applicazioni mediche sono attualmente escluse. Il team ha dimostrato che può essere fatto, ma il ridimensionamento sarà complicato.

Ora, il passaggio successivo è determinare se i fotoni sono aggrovigliati. Ciò richiederebbe che l’arrivo dei fotoni ai rivelatori sia misurato su scale di attosecondi, che è al di là della nostra attuale tecnologia.

Tuttavia, questo è un risultato sorprendente.

“Abbiamo dimostrato la capacità di utilizzare le forti correlazioni tempo-energia delle coppie di fotoni per la fotorilevazione quantistica avanzata. La procedura che abbiamo presentato possiede un grande potenziale per migliorare le prestazioni delle misurazioni dei raggi X“, scrivono i ricercatori.

“Prevediamo che questo lavoro aprirà la strada a più schemi quantistici di rilevamento del regime di raggi X, tra cui l’area di diffrazione e spettroscopia“.

La ricerca è stata pubblicata in Physical Review X.

Quando gli oggetti più imponenti dell’universo si scontrano tra di loro esplodendo, inondano lo spazio circostante di metalli preziosi quali oro e platino.
Le esplosioni da fusione di questa portata sono così violente da scuotere il tessuto dello spazio-tempo, generando onde gravitazionali che si muovono attraverso lo spazio come increspature su uno stagno.

Un nuovo studio ha stabilito che queste esplosioni cataclismiche creano metalli pesanti in un istante, inondando lo spazio nei loro dintorni di oro e platino sufficiente per centinaia di pianeti.

Alcuni scienziati sospettano che tutto l’oro e il platino sulla Terra siano nati in esplosioni come queste, grazie alle antiche fusioni di stelle di neutroni avvenute nella nostra galassia.

Gli astronomi del Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) hanno ottenuto prove concrete che tali fusioni si sono verificate durante il rilevamento di onde gravitazionali da un sito stellare individuato nel 2017. Sfortunatamente, tali osservazioni sono iniziate solo circa 12 ore dopo l’iniziale collisione, lasciando un’immagine incompleta dell’aspetto della kilonova.

Nel nuovo studio, un team internazionale di scienziati ha confrontato il set di dati parziale della fusione del 2017 con osservazioni più complete di una sospetta kilonova che si è verificata nel 2016 osservata da più telescopi spaziali.

Osservando l’esplosione del 2016 in tutte le lunghezze d’onda della luce (inclusi raggi X, radio e ottica), il team ha scoperto che questa misteriosa esplosione era quasi identica a quella dell 2017.
“È stata una partita quasi perfetta“, ha affermato in una nota l’autrice dello studio Eleonora Troja, ricercatrice associata presso l’Università del Maryland (UMD). “I dati a infrarossi per entrambi gli eventi hanno luminosità simili e esattamente la stessa scala temporale”.

Quindi, ha confermato: l’esplosione del 2016, era dovuta a una massiccia fusione, probabilmente tra due stelle di neutroni, proprio come la scoperta fatta dal LIGO del 2017. Inoltre, poiché gli astronomi hanno iniziato a osservare l’esplosione del 2016 pochi istanti dopo l’inizio, gli autori del nuovo studio sono stati in grado di intravedere i detriti stellari lasciati dall’esplosione, che non era visibile nei dati LIGO del 2017.

“Il residuo potrebbe essere una stella di neutroni iper magnetizzata chiamata magnetar che è sopravvissuta alla collisione e poi è collassata in un buco nero“, ha dichiarato il co-autore dello studio Geoffrey Ryan. “Questo è interessante, perché la teoria suggerisce che una magnetar dovrebbe rallentare o addirittura arrestare la produzione di metalli pesanti“, tuttavia, grandi quantità di metalli pesanti erano chiaramente visibili nelle osservazioni del 2016.

Tutto questo per dire che, quando si tratta di comprendere le collisioni tra gli oggetti più massicci nell’universo gli scienziati hanno ancora più domande che risposte.

Fonte: Live Science

I buchi neri sono sicuramente tra i fenomeni più potenti e affascinanti del nostro Universo, ma, al momento, a causa dei nostri limiti tecnologici ci risulta impossibile poterli studiare da vicino per effettuare analisi dettagliate.

Per ovviare a questo inconveniente, alcuni scienziati hanno pensato di di modellare questi enormi e complessi oggetti in laboratorio – usando ologrammi.

Esperimenti in questo senso non ne sono ancora stati condotti, ma i ricercatori hanno avanzato una struttura teorica per un ologramma di buco nero che permetterebbe di testare alcune delle proprietà più misteriose e sfuggenti di questi oggetti – in particolare per tentare di capire cosa succede alle leggi della fisica oltre l’orizzonte degli eventi.

Uno degli obiettivi finali sarebbe quello di conciliare le due teorie della relatività generale (fisica su larga scala) e della meccanica quantistica (fisica su piccola scala), entrambe di fondamentale importanza per la scienza e che, tuttavia, non sono pienamente d’accordo su come l’Universo funziona.

Un problema straordinario è il fatto che la meccanica quantistica non può spiegare la gravità – ma sia la gravità che la meccanica quantistica sono necessarie per spiegare i buchi neri. In particolare, i buchi neri emettono una forte attrazione gravitazionale, ma per spiegare esattamente cosa succede oltre l’orizzonte degli eventi, gli scienziati devono usare una fisica quantistica molto strana.

È per questo motivo che i fisici sono impazientemente alla ricerca di modi per unire i due in una potenziale “teoria del tutto” chiamata gravità quantistica.

“L’immagine olografica di un buco nero simulato, se osservata da questo esperimento da tavolo, può servire come entrata nel mondo della gravità quantistica“, afferma il fisico Koji Hashimoto, dell’Università di Osaka in Giappone.

La chiave della nuova idea di realizzare un ologramma di un buco nero è la teoria delle stringhe: l’idea che le particelle elementari che compongono l’Universo, come quark e leptoni, siano costituite da stringhe unidimensionali che vibrano a frequenze diverse.

Una versione della teoria delle stringhe è conosciuta come dualità olografica e suggerisce sostanzialmente che qualunque cosa accada all’interno di quello spazio della “teoria delle stringhe” può anche essere tradotta in uno “spazio” più semplice con meno dimensioni, come l’orizzonte degli eventi.

Questo si lega all’idea che i buchi neri non siano altro che ologrammi: superfici bidimensionali che vengono proiettate in tre dimensioni (proprio come un ologramma).

Se così fosse, sarebbe possibile risolvere una parte (ma non tutta) la tensione tra relatività generale e meccanica quantistica, perché significherebbe che tutto ciò che cade in un buco nero in realtà non entra da nessuna parte ma rimane impacchettato sulla sua superficie. Non sarebbe più necessario cercare di capire cosa accade “oltre l’orizzonte degli eventi“.

Ed è qui che entrano in gioco gli ologrammi. Secondo i ricercatori una sfera bidimensionale potrebbe modellare un buco nero tridimensionale, con la luce emessa in un punto e misurata in un altro per “vedere” ciò che sta accadendo.

Ciò che rimarrebbe, supponendo che vengano utilizzati i giusti materiali e le condizioni di laboratorio, è un anello di Einstein – la deformazione della luce che può accadere attorno a un buco nero a causa della sua forte attrazione gravitazionale, come previsto dalla teoria della relatività generale. Si tratta di un fenomeno noto come lente gravitazionale.

Questo anello di luce deformato è in realtà ciò che abbiamo visto quando è stata pubblicata la prima immagine di un buco nero.

(Collaborazione EHT)

Sfortunatamente, poiché questo è ancora un framework teorico che richiede una configurazione di laboratorio super specifica, non sarai ancora in grado di proiettare un buco nero sul tavolo della tua cucina. I ricercatori sperano ora di trovare un materiale quantico che permetta loro di testare la loro teoria.

Tuttavia, se potessimo eseguire l’esperimento, ciò potrebbe aiutare gli scienziati ad abbinare le nostre comprensioni su larga scala e su piccola scala del modo in cui l’Universo funziona.

“La nostra speranza è che questo progetto mostri la strada da percorrere per una migliore comprensione di come il nostro Universo opera davvero a un livello fondamentale“, afferma il fisico Keiju Murata, dell’Università Nihon in Giappone.

La ricerca è stata pubblicata in Physical Review Letters.

Dato il grande numero di lune nel nostro sistema solare è probabile che anche gli esomondi siano accompagnati da questi corpi celesti. Anche se dobbiamo trovarne con certezza ancora una, gli astronomi hanno da poco scoperto un segnale che potrebbe indicare l’esistenza di una “esoluna“.

Tale segnale, potrebbe rivelare non una semplice esoluna, ma qualcosa di simile a una versione ingrandita di Io, la luna di Giove, l’oggetto vulcanicamente più attivo del sistema solare. Non solo, questa esoluna sarebbe ricoperta di vulcani attivi e orbiterebbe attorno a un gigante gassoso caldo, WASP-49b appartenente alla categoria di esopianeti soprannominati “Gioviani caldi”. WASP-49b orbita attorno alla sua stella madre, una nana gialla WASP-49 in soli 2,8 giorni.

Secondo l’astrofisico Apurva Oza, dell’Istituto di fisica dell’università di Berna: “Sembra essere un pericoloso mondo vulcanico con una superficie di lava fusa, una versione lunare di Super Terre come 55 Cancri-e”

Il team di astronomi non ha rilevato direttamente l’esoluna, ma ne ha dedotto la possibile presenza sulla base di alcuni dati raccolti dall’atmosfera superiore dal pianeta WASP-49b. I dati utilizzati provengono da un documento che descriveva l’atmosfera di WASP-49b pubblicato nel 2017. I ricercatori hanno notato la presenza di uno spesso strato di gas di sodio ad altitudini insolitamente libere da nuvole e il fatto ha destato il loro interesse come ha fatto capire Oza, che ha aggiunto: “Il gas di sodio neutro è così lontano dal pianeta che è improbabile che venga emesso solo da un vento planetario“.

Siamo a conoscenza, grazie alle osservazioni compiute nel nostro sistema solare che sulla luna di Giove Io, l’attività vulcanica produce quantità piuttosto elevate di potassio e sodio. Questi elementi non si depositano in quantità significative sulla superficie della luna, ma vengono trascinati nella complessa magnetosfera di Giove, creando un toro di materiale che avvolge il pianeta.

L’attività vulcanica di Io è generata dall’intensa interazione gravitazionale con Giove, dovuta all’orbita ellittica del satellite. Le forze mareali, generano attrito e di conseguenza riscaldano il satellite che altrimenti non sarebbe così attivo.

Già nel 2006, un’altro team di ricercatori ha ipotizzato la presenza di un anello di materiale attorno al pianeta gigante HD 209458b, che transitando davanti alla sua stella madre ha rivelato la presenza di sodio. Questo potrebbe significare che in orbita intorno a HD 209458b potrebbe esserci una esoluna.

Quindi, il team lavorando sui numeri ha scoperto che una esoluna vulcanicamente attiva potrebbe effettivamente rilasciare più potassio e sodio orbitando attorno al pianeta.
La squadra di Oza ha concluso che il sodio e il potassio attorno a WASP-49b, nelle quantità e alla strana altitudine rilevata, potrebbero essere stati espulsi plausibilmente da una luna vulcanica.

E’ anche plausibile che siano responsabili altri processi o fenomeni, ad esempio un anello di gas ionizzato.

Per ottenere una risposta chiara e definitiva occorreranno altre osservazioni più dettagliate. Le linee del sodio e del potassio sullo spettro sono entrambe molto forti; cercando più da vicino, i ricercatori sperano di trovare i segnali più deboli di altri gas vulcanici volatili nell’atmosfera del pianeta, come ad esempio, zolfo e ossigeno. Comprendere se altri sistemi extrasolari posseggono lune come il nostro sarà più semplice grazie alla prossima generazione di telescopi.

“Mentre l’attuale ondata di ricerca sta andando verso l’abitabilità e la biosignatura, la nostra firma è una firma di distruzione“, ha detto Oza. “La parte eccitante è che possiamo monitorare questi processi distruttivi in tempo reale, come i fuochi d’artificio“.

La ricerca è stata accettata su The Astrophysical Journal ed è disponibile su arXiv.