La vorticità del campo elettromagnetico e i buchi neri rotanti

Partendo dai lavori del fisico italiano Ettore Majorana del 1932, “Teoria relativistica di particelle con momento intrinseco arbitrario” e da quello del 1937, “Teoria simmetrica dell’ elettrone e del positrone” e nelle note non pubblicate sulla quantizzazione del campo elettromagnetico, è stato possibile per Fabrizio Tamburini del Dipartimento di Astronomia dell’Università degli Studi di Padova e per il suo team scoprire una nuova proprietà del campo elettromagnetico: la vorticità. Ne abbiamo già parlato su questo Blog anche nei giorni scorsi e l’anno scorso.

L’esperimento è stato ideato da Fabrizio Tamburini con l’aiuto di Bo Thidé dell’Istituto di Fisica Spaziale Svedese di Uppsala e Visiting Professor CARIPARO della Scuola Galileiana di Studi Superiori a Padova fino alla fine di gennaio 2012.

Al centro della nostra Galassia, nella regione nucleare,  vi è un buco nero supermassiccio (SMBH), osservato da Chandra X Ray Observatory. Credit: NASA/CXC/MIT/F.K. Baganoff et al. Disponibile su: http://chandra.harvard.edu/photo/2010/sgra/

La parte operativa sia della preparazione, studio e realizzazione del progetto che dell’assemblaggio della strumentazione sono stati resi possibili grazie alla stretta collaborazione del gruppo di lavoro composto dal Professor Filippo Romanato del Dipartimento di Fisica dell’Università di Padova e Direttore del Laboratorio LaNN (Laboratorio per la Nanofabbricazione di Nanodispositivi) di Venetonanotech che ha sostenuto e sponsorizzato l’esperimento e dove si sono svolte le prima prove di trasmissione, dal Professor Antonio Bianchini del Dipartimento di Astronomia di Paodva, dalle Dottoresse Anna Sponselli ed Elettra Mari del Dipartimento di Astronomia e di Fisica dell’Università di Padova, rispettivamente. A questo progetto ha collaborato anche Gabriele Anzolin ora all’Istituto di Scienze Fotoniche (ICFO) a Barcellona.

Oggi vediamo una importante conseguenza della scoperta di questa proprietà nell’ambito dell’astronomia, in particolare sui buchi neri rotanti.

La luce ma anche le onde radio, i raggi ultravioletti e gli infrarossi, fanno tutti parte delle cosiddette onde elettromagnetiche scoperto nell’Ottocento e che hanno rivoluzionato il mondo in cui viviamo.

“Ci sono delle proprietà matematiche del campo elettromagnetico ancora da esplorare” ha affermato Fabrizio Tamburini durante l’esperimento a Venezia, il 24 giugno scorso, che ha mostrato alla sua città e a tutti coloro che sono intervenuti a Piazza San Marco che la vorticità del campo elettromagnetico è davvero reale.

Albert Einstein analizzò gli effetti di un buco nero rotante nelle sue equazioni della Relatività Generale che descrivevano come un ammasso di materia può distorcere lo spazio-tempo intorno a sé. Poiché lo spazio e il tempo vengono deformati dall’enorme campo gravitazionale, il buco nero crea una specie di vortice. Questo non lo si deve immaginare come un vortice in tre dimensioni (ossia nelle tre componenti spaziali), bensì in quattro dimensioni, dato che viene coinvolta anche la componente temporale.

Immagine nell’ottico e nell’X di Sagittarius A*, il centro della nostra Galassia dove risiede un buco nero supermassiccio (SMBH). Credit: NASA/CXC/MIT/F.K. Baganoff et al. Disponibile su: http://chandra.harvard.edu/photo/2010/sgra/sgra_opt_xray.jpg

Secondo i calcoli della Relatività Speciale, quando le onde elettromagnetiche, di cui fa parte anche la luce visibile, passano attraverso questa deformazione vorticosa dello spazio-tempo, subiscono una modifica: il vortice spazio-temporale imprime alle onde una sorta di torsione, ossia una “vorticità”.

Così, la radiazione elettromagnetica che passa attraverso uno di questi vortici spazio-temporali senza superare la linea di confine oltre la quale nulla più sfugge all’attrazione del buco nero (quello che viene chiamato “orizzonte degli eventi” [2]) acquisisce questa ulteriore proprietà che va ad aggiungersi a quelle che già conosciamo del campo elettromagnetico: la frequenza e la polarizzazione.

Quindi, per la prima volta nella storia della scienza, è possibile misurare la rotazione dei buchi neri  (chiamati Buchi Neri di Kerr)  che imprimono una sorta di “spin” o di torsione sulla radiazione elettromagnetica che passano vicino a un buco nero in rapida rotazione.

I ricercatori avevano già predetto e trovato alcune prove sul fatto che i buchi neri e le stelle di neutroni, stelle nella loro fase di finale di evoluzione, con la rotazione attorcigliassero lo spazio-tempo, un effetto noto come “Frame dragging” o “trasporto sequenziale”. Ma l’aspetto nuovo è che i buchi neri rotanti possono coinvolgere in questo processo di vorticità anche la luce, impartendo alla radiazione un momento angolare. Ciò significa che il buco nero influenza lo spazio-tempo in modo tale che la luce stessa è coinvolta automaticamente in questa vorticità a causa del momento angolare orbitale.

Le onde elettromagnetiche viaggiano nello spazio come tanti fronti d’onda, che rappresenta la superficie piana immaginaria. Quando la luce passa vicino ad un buco nero, ogni fotone di luce acquista una torsione che viene ad alterare la superficie piana dell’onda trasformandola in un un piccolo vortice, con centro attorno alla direzione di propagazione del fascio di luce. Quello che è davvero rivoluzionario è il fatto che ora effettivamente possiamo affermare che anche la radiazione luminosa può acquistare una vorticità, ossia un momento angolare orbitale (OAM).

Il centro della nostra Galassia osservato da Chandra. Image Credit: NASA/CXC/MIT/Frederick K. Baganoff et alDisponibile su Chandra X-Ray Observatory: http://chandra.harvard.edu/press/08_releases/press_041608.html

Ciò che è interessante da questo studio è che l’effetto appare effettivamente misurabile per il buco nero supermassiccio della nostra Galassia, Sagitarius A*. Fabrizio Tamburini ha già presentato un proposal per l’osservazione del centro galattico per poter applicare la tecnica appena trovata e quindi fare una determinazione della rotazione del SMBH in modo diretto, tecnica mai utilizzata prima e sicuramente innovativa. Attualmente si pensa che il SMBH della nostra Galassia presenta una rotazione estrema.

Al momento gli attuali telescopi, con opportuni strumenti olografici, permettono già di misurare il grado di vorticità di qualsiasi onda elettromagnetica.

“Come illustrato nel nostro articolo [1], abbiamo trovato il legame tra le equazioni della Relatività Generale di un buco nero rotante e la produzione di vorticità della radiazione elettromagnetica. Si possono così aprire nuove frontiere nello studio dei nuclei galattici attivi e della rotazione delle galassie” ha affermato Fabrizio Tamburini.

La vorticità di un’onda elettromagnetica permette di avere nuove informazioni sulla sorgente che l’ha indotta. Il grande sogno di Fabrizio Tamburini e del suo team farà sognare tutti noi portando grandi risultati nello studio dei buchi neri rotanti.

Un altro esperimento che Fabrizio Tamburini vorrebbe realizzare è l’esperimento con rimbalzo ionosferico. La ionosfera è lo strato atmosferico estremamente rarefatto e spesso centinaia di chilometri che si estende fra i 60 e 240 chilometri al di sopra della superficie terrestre. L’esperimento sarebbe utile per capire se il fascio preserva il verso della vorticità, oppure se essa viene invertita e per avere ulteriori informazioni sulla ionosfera stessa. La potenza del fascio potrebbe essere minima, 1 KW sparati in alta atmosfera. Il problema rimangono i finanziamenti, come sempre in Italia. Bo Thidé aveva sviluppato negli anni passati un esperimento analogo ma ora questo verrebbe esteso alla vorticità con risultati sicuramente interessanti.

Fabrizio Tamburini e Bo Thidé dell’Istituto Svedese di Fisica dello Spazio di Uppsala hanno pubblicato l’articolo lo scorso 13 febbraio su Nature Physics [1].

QUESTA SERA, ALLE ORE 21,00 FABRIZIO TAMBURINI PRESENTERA’ IL SUO LAVORO “VORTICITA’ OTTICHE IN ASTRONOMIA”  PRESSO IL GRUPPO ASTROFILI SALESE “GALILEO GALILEI” DI SANTA MARIA DI SALA (VENEZIA). SIETE TUTTI INVITATI ALL’OSSERVATORIO ASTRONOMICO DEL GRUPPO ASTROFILI SALESE IN VIA G. FERRARIS, 1.

SITO WEB DEL GRUPPO ASTROFILI: http://astrosalese.interfree.it/

[1] Twisting of light around rotating black holes, Fabrizio Tamburini, Bo Thidé, Gabriel Molina-Terriza e Gabriele Anzolin, Nature Phys.7:195-197,2011, disponibile su arXiv: http://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/1104/1104.3099.pdf scaricabile da: http://arxiv.org/abs/1104.3099

[2] Un evento rappresenta un fenomeno (uno stato che noi possiamo osservare nel mondo fisico) che si può identificare dalle quattro coordinate spazio-temporali. L’orizzonte degli eventi è una regione dello spazio-tempo oltre la quale non possiamo più osservare il fenomeno. Secondo una definizione del grande cosmologo Roger Penrose, l’orizzonte degli eventi in un buco nero rappresenta una particolare superficie dello spazio-tempo che separa i posti da cui possono sfuggire segnali da quelli da cui nessun segnale può sfuggire. Maggiori informazioni qui.