Avete mai pensato a come le onde gravitazionali possano interagire con la materia che ci circonda? Un gruppo di ricercatori dell’Università di Stoccolma, Nordita (Svezia) e Tubinga (Germania) lo ha fatto attraverso uno studio, puramente teorico, in cui ha calcolato quali sono gli effetti dell’interazione di onde gravitazionali con sistemi quantistici, nella fattispecie atomi di idrogeno.
Fino a questo momento, nonostante il grande interesse nei confronti del tema, non erano molte le previsioni note in un regime in cui siano osservabili sia gli effetti quantistici che quelli relativistici generali. Gli effetti della relatività generale testabili in esperimenti terrestri comprendono i test di redshift gravitazionale e la rilevazione di onde gravitazionali. Queste ultime sono increspature dello spaziotempo prodotte da eventi cosmici violenti, come la fusione di buchi neri o stelle di neutroni. Sono importanti perché le loro misurazioni confermano in modo diretto la natura dello spaziotempo – curvo e dinamico – così come descritto dalla relatività generale.
Le onde gravitazionali modificano la frequenza (il colore) della luce emessa dagli atomi a seconda della direzione di emissione. Misurazioni precise di queste variazioni di frequenza potrebbero offrire un nuovo metodo per rilevare le onde gravitazionali. Crediti: Jerzy Michal Paczos
Fino a oggi le onde gravitazionali sono state rilevate principalmente attraverso l’effetto della deviazione geodetica indotta dal passaggio dell’onda tramite interferometri come Ligo e Virgo. Il nuovo studio si occupa di analizzare un sistema atomo-campo (quantistico) in uno spaziotempo curvo (relativistico generale) attraverso l’emissione spontanea di un atomo colpito da un’onda gravitazionale.
Gli atomi quando vengono eccitati si rilassano naturalmente emettendo fotoni – luce – a una frequenza caratteristica. Il processo avviene attraverso la loro interazione con il campo elettromagnetico quantistico. Quello che succede quando un’onda gravitazionale interagisce con un atomo è che alcuni parametri dell’emissione possono cambiare. In particolare, si legge nello studio, l’onda gravitazionale si manifesta come una variazione nello spettro di emissione dell’atomo dipendente dalla direzione di propagazione. Inoltre, la dipendenza direzionale codificherebbe la direzione e la polarizzazione dell’onda, aiutando a distinguere il segnale cercato dal rumore.
«Le onde gravitazionali modulano il campo quantistico, che a sua volta influenza l’emissione spontanea», dice Jerzy Paczos, dottorando all’Università di Stoccolma e primo autore dell’articolo, pubblicato il 19 marzo su Physical Review Letters. «Questa modulazione può spostare le frequenze dei fotoni emessi rispetto al caso in assenza di onde».
Funzioni f(δk,T) e g(θ,φ) che determinano la dipendenza dalla frequenza e dall’angolo della correzione Gw all’emissione di fotoni. I loro valori sono indicati a colori, dove il blu e il rosso corrispondono rispettivamente a valori negativi e positivi. Da (a) si nota che la Gw dà origine a correzioni antisimmetriche positive e negative ai lati della frequenza portante. La funzione g(θ,φ) nel pannello (b), mostra che l’effetto è massimo lungo la direzione positiva di (direzione di propagazione delle onde gravitazionali) e svanisce nella direzione opposta. Esso presenta un andamento quadrupolare nel piano con segni opposti lungo gli assi. Fonte: Jerzy Paczos et al., Prl, 2026
D’altra parte si nota che non viene alterata la quantità di radiazione emessa dall’atomo: questo implica che nessuna informazione sulle onde gravitazionali viene impressa nell’atomo: è il campo quantistico a svolgere il ruolo di codificatore delle informazioni trasportate dall’onda.
Per valutare le informazioni estraibili, è stata esaminata la stima dell’ampiezza dell’onda ed è stata analizzata sia l’informazione di Fisher classica, associata al numero di fotoni, che l’informazione di Fisher quantistica codificata nello stato atomo-campo. I risultati dicono che l’effetto dovrebbe poter essere rilevabile, dato che i valori trovati sono già teoricamente alla portata di esperimenti esistenti. Il setup migliore è quello in cui vengono prese in considerazione nubi atomiche fredde, formate per esempio da stronzio-87, che hanno tempi di vita più lunghi.
«Le nostre scoperte potrebbero aprire la strada a rivelatori di onde gravitazionali compatti, dove l’insieme atomico che agisce da sensore è su scala millimetrica», spiega Navdeep Arya, ricercatore post-dottorato all’Università di Stoccolma. «È necessaria un’analisi approfondita del rumore per valutare la fattibilità pratica, ma le nostre prime stime sono promettenti».
Il metodo utilizzato in questa ricerca, sottolineano gli autori dell’articolo, si può applicare a qualsiasi metrica dello spaziotempo su cui sia già stata sviluppata una teoria quantistica dei campi; in questo modo si aprirebbe la possibilità di studiare congiuntamente gli effetti relativistici generali e quantistici in altre geometrie dello spaziotempo, aprendo nuove strade per lo studio della gravità quantistica.
Per saperne di più:
- Leggi su Physical Review Letters l’articolo “Gravitational Wave Imprints on Spontaneous Emission“, di Jerzy Paczos, Navdeep Arya, Sofia Qvarfort, Daniel Braun e Magdalena Zych