NUOVI INDIZI DALLO STUDIO DEI QUASAR

La struttura ‘schiumosa’ dello spaziotempo

Osservazioni X e gamma di quasar distanti rappresentano un banco di prova per studiare la struttura dello spaziotempo su scale estremamente piccole, impossibili da analizzare direttamente. I risultati, pubblicati su Astrophysical Journal, pongono un limite al grado di confusione dello spaziotempo su scale quantistiche e implicano che la sua struttura sia meno 'schiumosa' rispetto a quanto predetto dai modelli.

Una serie di osservazioni condotte con l’osservatorio spaziale Chandra, il telescopio spaziale Fermi e il telescopio terrestre VERITAS (Very energetic Radiation Imaging Telescope array) ha permesso ad un gruppo di astronomi di analizzare la luce dei quasar, alcuni degli oggetti più distanti nell’Universo, per meglio comprendere la natura dello spaziotempo. I loro risultati pongono un limite alla struttura “a forma di schiuma” dello spaziotempo su scale quantistiche. I risultati di questo studio sono pubblicati su Astrophysical Journal.

Mentre alcuni fisici e matematici ritengono di aver trovato una relazione importante tra l’entanglement quantistico e la struttura microscopica dello spaziotempo (vedasi il recente articolo Spaziotempo dall’entanglement quantistico su Media INAF), sull’altro fronte gli astronomi stanno cercando di ricavare indizi fondamentali sulla sua natura analizzando la radiazione elettromagnetica emessa da corpi celesti distanti e luminosi. Sappiamo che su scale estremamente piccole, quelle cioè che siamo ancora in grado di misurare in termini di lunghezza e di intervallo temporale, lo spaziotempo, cioè le tre dimensioni dello spazio più quella del tempo, appare regolare e senza una particolare struttura intrinseca. Tuttavia, alcune considerazioni che emergono dalla meccanica quantistica, la teoria di grande successo che i fisici hanno formulato per spiegare il mondo delle particelle elementari, implicano che lo spaziotempo non sia così regolare. In realtà, esso ha una struttura caotica, irregolare, a “forma di schiuma” e consiste di tante piccole regioni, dette “bolle quantistiche”, in perenne fluttuazione: a questo livello, lo spazio e il tempo non hanno più senso fisico.

Illustrazione del concetto di ‘schiuma quantistica’ dello spaziotempo caratterizzata da numerose ‘bolle’ le cui dimensioni sono quadrilioni di volte più piccole del nucleo atomico. Esse sono in continua fluttuazione e la loro vita media è solo una frazione infinitesima di secondo. Credit: NASA/CXC/M.Weiss

«Un modo di pensare alla struttura a forma di ‘schiuma’ dello spaziotempo è quello di immaginare di volare sopra l’oceano: la superficie dell’acqua apparirà decisamente regolare», spiega Eric Perlman del Florida Institute of Technology a Melbourne e primo autore dello studio. «Ad ogni modo, se si scende abbastanza verso la superficie dell’acqua appariranno le onde e man mano che ci avviciniamo sempre più vedremmo una struttura ‘schiumosa’ caratterizzata da tante piccole bolle che sono in continua fluttuazione. Ma la cosa ancora più strana è che queste ‘bolle quantistiche’ sono talmente piccole che persino su scale atomiche le osserveremmo come se volassimo su un aeroplano».

Secondo la teoria, la scala che caratterizza lo spaziotempo è circa dieci volte un miliardesimo del diametro del nucleo di un atomo di idrogeno, perciò non potrà mai essere misurata direttamente. Ma se lo spaziotempo ha davvero una struttura “a forma di schiuma”, allora esisteranno dei limiti al grado di accuratezza con cui possono essere misurate le distanze, dato che la dimensione delle numerosissime “bolle quantistiche” attraverso le quali si propaga la luce fluttuerà continuamente. Ora, queste incertezze relative alla misura della scala delle distanze dovrebbero accumularsi con tassi differenti, in funzione del modello utilizzato per descrivere lo spaziotempo, man mano che la luce si propaga nello spazio cosmico.

L’immagine mostra 6 quasar distanti osservati da Chandra che sono stati analizzati nel presente studio. L’osservazione della loro luce in banda X e gamma rappresenta un ottimo banco di prova per studiare la struttura dello spaziotempo su scale estremamente piccole. Credit: NASA/CXC/FIT/E.Perlman et al. 2015

I ricercatori hanno condotto una serie osservazioni in banda X e gamma di quasar molto distanti, sorgenti luminose la cui radiazione viene prodotta dall’accrescimento della materia attorno ai buchi neri supermassicci, per verificare i modelli che tentano di descrivere la natura dello spaziotempo. Secondo gli autori, la somma delle incertezze sulla misura delle distanze percorse dalla luce nel corso di miliardi di anni potrebbe causare una sorta di degrado della qualità delle immagini al punto che gli stessi oggetti non dovrebbero essere più osservati. La lunghezza d’onda dove l’immagine inizia a scomparire dipenderebbe dal modello. Tuttavia, il fatto che Chandra riveli quasar a distanze dell’ordine di miliardi di anni luce fa scartare un primo modello secondo cui i fotoni vengono diffusi in maniera casuale man mano che attraversano la struttura dello spaziotempo, un po’ come quando la luce viene diffusa attraverso la nebbia. Inoltre, l’osservazione di quasar a lunghezze d’onda più corte, osservati dal telescopio spaziale Fermi, e a lunghezze d’onda ancora più corte, rivelati dallo strumento VERITAS, dimostrano che un secondo modello, detto “olografico”, non sembra essere consistente con i dati.

«Ciò che troviamo è che i nostri dati escludono ben due modelli differenti della struttura del spaziotempo», afferma Jack Ng della University of North Carolina a Chapel Hill e co-autore dello studio. «Questo ci permette di concludere che lo spaziotempo ha ancora una struttura a forma di schiuma ma risulta meno accentuata rispetto a quanto predetto dai modelli». In definitiva, le osservazioni X e gamma sembrano confermare il fatto che lo spaziotempo appare regolare su una scala di lunghezze mille volte più piccole del nucleo di un atomo d’idrogeno.


The Astrophysical Journal: Eric Perlman et al. – NEW CONSTRAINTS ON QUANTUM GRAVITY FROM X-RAY AND GAMMA-RAY OBSERVATIONS

arXiv: New Constraints on Quantum Gravity from X-ray and Gamma-Ray Observations