Misurazioni satellitari su lampi di raggi gamma emessi da sorgenti distanti miliardi di anni luce dalla Terra hanno posto un nuovo limite sull'energia dei fotoni oltre cui gli effetti di gravità quantistica diventerebbero importanti e farebbero variare la velocità della luce nel vuoto(red)

Illustrazione di un lampo di raggi gamma. (Cortesia Crediti: ESO/L. Calçada/M. Kornmesser)

La teoria della relatività di Albert Einstein, che ha rivoluzionato la fisica all'inizio del Novecento, si basa su un postulato fondamentale: la velocità della luce nel vuoto è costante. Ha cioè lo stesso valore – circa 300.000 chilometri al secondo – qualunque sia la velocità dell'osservatore che effettua la misura. Questo è contrario a qualunque intuizione e alle leggi della fisica classica, perché ogni corpo che si muove, ogni onda che si propaga nello spazio (come il suono) ha una velocità che dipende dallo stato di moto dell'osservatore. Per quanto assurdo questo dato possa sembrare, è confermato da innumerevoli prove sperimentali condotte per più di un secolo, e nessun fisico ormai sarebbe disposto a metterla in discussione.E rientra benissimo anche nelle leggi della meccanica quantistica, un'altra grande teoria fisica, che si occupa dei fenomeni alle scale microscopiche. Secondo questa teoria, la luce ha una duplice natura, ondulatoria e corpuscolare: associato all'onda luminosa c'è infatti un pacchetto discreto di energia, il quanto di luce, chiamato fotone. Ora, in questo quadro concettuale, non ci sono particolari problemi per la velocità della luce, che vale sempre 300.000 chilometri al secondo circa nel vuoto, sia che la si consideri come un'onda sia che la si consideri come una particella.Dunque la velocità della luce è una costante fondamentale della natura. O almeno così potrebbe essere fino a una certa soglia dell'energia associata all'onda luminosa: oltre tale limite, come per esempio nel caso dei lampi di raggi gamma (gamma-ray burst, GRB), brevi ma potentissime emissioni di radiazioni elettromagnetiche da sorgenti cosmiche dovute alla fusione di stelle di neutroni, la velocità dei fotoni potrebbe variare in funzione della loro energia, secondo alcuneteorie.E' per verificare la possibile esistenza di questo effetto che un gruppo di ricerca guidato da Maria Grazia Bernardini, dell’Università di Montpellier, in Francia, e associata dell'Istituto nazionale di astrofisica (INAF) in collaborazione con la sezione INAF di Milano, ha condotto uno studio, illustrato sulla rivista "Astronomy&Astrophysics" che ha avuto come oggetto proprio lampi di raggi gamma.L'ipotesi che la velocità di un fotone possa dipendere dalla sua energia nasce dal tentativo di formulare una teoria della gravità quantistica, per far rientrare in un unico quadro teorico coerente la teoria quantistica, che si occupa dei fenomeni alla scala di atomi e particelle, con la teoria della relatività nella sua forma generale, che spiega la gravità come deformazione che le masse producono sul “tessuto” dello spazio-tempo, e quindi riguarda le interazioni tra i corpi dotati di massa su scale molto grandi.Ora, secondo alcune proposte teorie di gravità quantistica, il vuoto in cui si propaga la luce non sarebbe letteralmente "vuoto" ma avrebbe una struttura su una scala estremamente piccola, chiamata scala di Planck, dieci miliardi di miliardi di volte più piccola del diametro di un protone. E proprio questa struttura potrebbe alterare il moto del fotone fino a cambiarne la velocità.“Se effettivamente fosse così, due fotoni emessi nello stesso momento con energia diversa e che si propagano nel vuoto quantistico, accumulano un ritardo l'uno rispetto all'altro”, ha spiegato Bernardini. “Questo ritardo, se misurato, può essere usato per studiare le proprietà dello spazio-tempo e della gravità quantistica”.Per accumulare un ritardo di un millesimo di secondo circa è però necessario che i fotoni viaggino per miliardi di anni. Ciò significa che per poter osservare un effetto di questo tipo, gli astrofisici devono osservare una sorgente molto luminosa, distante da noi almeno qualche miliardo di anni luce e che emetta fotoni ad alta energia.“Ma si deve anche comportare bene: vorremmo che emettesse i fotoni allo stesso istante, quindi processi intrinseci che comportino che alcuni fotoni partano prima o dopo altri non andrebbero bene”, ha aggiunto Bernardini. “Un modo per andare sul sicuro, è selezionare sorgenti astrofisiche che abbiano processi di emissione elettromagnetica di durata il più breve possibile e di avere molti oggetti, in modo da contaminare poco la nostra misura con eventuali ritardi dovuti a processi intrinseci”.La scelta dei ricercatori è caduta sui GRB corti, che hanno energie di decine o centinaia di chiloelettronvolt (migliaia di elettronvolt; l'elettronvolt unità di misura dell'energia usata in ambito atomico e in fisica delle particelle) rilevati dal satellite Swift, una missione NASA con partecipazione del Regno Unito e dell’Italia grazie al contributo dell’INAF e dell’Agenzia spaziale italiana (ASI). Sottraendo l’effetto intrinseco dovuto al ritardo di emissione, gli autori non hanno potuto né convalidare né escludere le previsioni delle teorie della gravità quantistica, ma stabilire un nuovo limite sull'energia oltre la quale gli effetti di gravità quantistica diventano importanti.“Il lavoro mette in luce quanto sia necessario, per misurare un effetto così piccolo, avere satelliti che misurano con precisione energia e tempo di rivelazione dei fotoni emessi da queste sorgenti”, ha concluso Bernardini.Gli occhi dei ricercatori sono quindi puntati su una nuova generazione di osservatori, sia a Terra sia nello spazio, che entreranno in funzione nei prossimi anni; in particolare sul Cherenkov Telescope Array, un progetto internazionale per l’osservazione da Terra di raggi gamma di altissima energia, e sulla rete di microsatelliti HERMES, un progetto che vede coinvolte diverse sezioni INAF, università italiane e centri di ricerca europei e statunitensi.