LO STUDIO È PUBBLICATO SU NATURE ASTRONOMY

A caccia di materia oscura con due orologi

Mentre l’accuratezza e la portabilità degli orologi atomici continuano a migliorare, tre scienziati hanno pensato di inviare due di questi orologi di precisione nelle zone più interne del Sistema solare, alla ricerca di materia oscura ultraleggera che ha proprietà ondulatorie che potrebbero influenzarne il funzionamento, e in particolare la differenza nel ticchettio degli stessi

     07/12/2022
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La fisica dell’Università del Delaware Marianna Safronova e i suoi collaboratori affermano che gli orologi atomici e altri sensori quantistici potrebbero essere utilizzati per rilevare la materia oscura. Crediti: University of Delaware

Mentre l’accuratezza e la portabilità degli orologi atomici continuano a migliorare, Marianna Safronova dell’Università del Delaware, Yu-Dai Tsai dell’Università della California, Irvine, e Joshua Eby dell’Università di Tokyo e del Kavli Institute for the Physics and the Mathematics of the Universe, hanno pensato di mandare questi orologi di precisione nello spazio alla ricerca della materia oscura.

La loro proposta, pubblicata lunedì 5 dicembre su Nature Astronomy, prevede di inviare due orologi atomici nelle zone più interne del Sistema solare alla ricerca di materia oscura ultraleggera, che ha proprietà ondulatorie che potrebbero influenzare il funzionamento degli orologi e in particolare la differenza nel ticchettio degli stessi.

Tutti gli orologi segnano il tempo usando una sorta di processo ripetitivo, ad esempio un pendolo oscillante. L’orologio atomico utilizza la tecnologia laser per manipolare e misurare le oscillazioni degli atomi, oscillazioni che sono molto veloci. Un orologio basato su atomi di stronzio, ad esempio, “ticchetta” 430mila miliardi di volte al secondo, e gli orologi atomici sono molto più precisi e stabili di qualsiasi dispositivo meccanico.

Gli orologi atomici sono già al lavoro nello spazio, rendendo possibile il Global Positioning System (Gps), o sistema di posizionamento globale. I futuri orologi spaziali potrebbero aiutare i veicoli spaziali a navigare e fornire collegamenti agli orologi terrestri. Safronova ha fatto parte di altre proposte, inclusa una pubblicata a luglio che vuole collegare gli orologi terrestri agli orologi atomici in orbita, per fare test sulla gravità. Mettere orologi atomici nell’ambiente a gravità variabile dello spazio potrebbe produrre test di gravità molto più precisi – di quattro ordini di grandezza o 30mila volte più precisi – di quanto è possibile fare sulla Terra.

Lo studio in oggetto si propone di fare nello spazio – vicino al Sole, più di quanto non lo sia Mercurio, dove potrebbe esserci più materia oscura da rilevare – esperimenti che sono già stati eseguiti sulla Terra. Il lavoro sarebbe svolto da orologi atomici, nucleari e molecolari che sono ancora in fase di sviluppo, indicati spesso come “sensori quantistici”.

«Ci siamo ispirati alla Parker Solar Probe», racconta Safronova, riferendosi alla missione della Nasa, attualmente in corso, che ha inviato un veicolo spaziale più vicino al Sole di quanto qualsiasi altro veicolo spaziale sia mai stato prima. La sonda ha sorvolato la corona solare per la prima volta nel 2021 e continua a orbitare attorno alla nostra stella sempre più vicino. «Non ha nulla a che fare con i sensori o gli orologi quantistici», spiega la ricercatrice, «ma ha mostrato che si può inviare un satellite molto vicino al Sole, rilevando nuove condizioni e compiendo scoperte. È molto più vicino al Sole di quello che stiamo proponendo noi, nel nostro studio».

La missione Deep Space Atomic Clock della Nasa del 2019 ha impiegato il miglior orologio atomico nello spazio fino a oggi ma negli ultimi 15 anni sono stati sviluppati diversi tipi di orologi, basati su frequenze molto più elevate. Tali orologi “ottici” sono ordini di grandezza più precisi e non perderanno nemmeno un secondo di tempo in miliardi di anni. Con questo tipo di tecnologia ora disponibile sulla Terra, Safronova e i suoi collaboratori hanno iniziato a chiedersi quali aspetti sarebbe possibile studiare nello spazio che non potrebbero essere coperti altrettanto bene sulla Terra. Uno di questi è proprio lo studio della materia oscura ultraleggera, che secondo gli scienziati potrebbe trovarsi in una vasta regione simile a un alone, attorno al Sole. Tale materia oscura ultraleggera farebbe oscillare le energie degli atomi, spiega Safronova, e questo cambierebbe il ticchettio dei due orologi. Questo effetto dipende dagli atomi utilizzati dagli orologi stessi. Gli scienziati intendono monitorare le differenze osservate nel ticchettio degli orologi per cercare la materia oscura. «Ciò che è osservabile è il rapporto tra queste due frequenze di clock», dice Safronova. «Se questa materia oscura esiste, quel rapporto dovrebbe oscillare».

In un laboratorio, questi orologi atomici occupano lo spazio di un tavolo o anche più, ma ora sono stati sviluppati orologi atomici portatili che possono stare in un furgone. Addirittura, il Deep Space Atomic Clock della Nasa è molto più piccolo, delle dimensioni di un tostapane.

Gli orologi nucleari, che si basano sui livelli di energia nucleare piuttosto che sui livelli di energia atomica, sarebbero il miglior orologio per compiere questa ricerca, continua Safronova, coinvolta nel progetto per costruire un prototipo, finanziato dal Consiglio europeo della ricerca.

Man mano che la tecnologia avanza, emergeranno più proposte e opportunità. In particolare, gli orologi atomici sono importanti nello studio della geodesia, ad esempio nello studio della forma geometrica della Terra, della gravità e dell’orientamento nello spazio. «Questi ora possono percepire una differenza di altezza di un centimetro. E stanno migliorando sempre di più. C’è tutta una serie di grandi cose che possiamo fare nello spazio. Siamo solo all’inizio», conclude Safronova.

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