Astrocuriosità | febbraio 2024 – Più veloce della luce? Scopriamo Cherenkov a teatro!

La curiosità del mese a cura di Anna Wolter e Laura Paganini

La velocità della luce è una costante e vale trecentomila chilometri al secondo. Chiunque abbia studiato un po’ di fisica lo sa, no?

In realtà il valore esatto della velocità della luce è di 299.792.458 m/s, viene chiamata “c”, l’iniziale della parola latina celeritas che vuol dire velocità, ed è stata scelta come una delle costanti del sistema internazionale di riferimento delle unità di misura (SI), da cui si deriva la lunghezza del metro.

Il fatto che sia una costante e che non sia mai sorpassabile non dipende dall’avere un motore sufficientemente potente, ma è scritto proprio nelle equazioni della Relatività di Einstein, le equazioni finora più verificate di tutta la storia della fisica, per ora ce le teniamo così.

E allora come si fa ad andare “più veloce della luce”? Ci vuole Superman con i suoi poteri di Krypton?

No, il trucco sta nel (fare finta di) dimenticarsi che la definizione data sopra è quella della velocità della luce nel vuoto.

Nei mezzi trasparenti, come l’acqua, l’atmosfera, o alcune plastiche, per esempio, accade che la luce rallenta un poco rispetto alla sua velocità nel vuoto, e tanto di più quanto più il mezzo è denso. Diventa così possibile trovare quei “motori” abbastanza potenti da accelerare una particella e farle superare la velocità della luce in quel mezzo.

Cosa succede quando questo accade? Una cosa simile a quando un aereo supera la velocità del suono: in quel caso abbiamo il cosiddetto “boom sonico”, in questo caso un “boom luminoso” (Figura 1).

L’effetto di cui stiamo parlando si chiama effetto Cherenkov, dal nome del fisico russo che lo ha studiato: per un brevissimo tempo le particelle corrono più veloci della velocità della luce nell’aria (o nell’acqua) ed emettono una luce blu. Proprio quel colore blu che possiamo vedere con i nostri occhi (fa parte della banda ‘visibile’).

È quello che accade, per esempio, nei reattori nucleari in cui l’acqua della vasca che li contiene si colora di luce blu, ben visibile anche a occhio nudo grazie alla continua sovrapposizione di tanti piccoli lampi prodotti dall’interazione dei neutroni con l’acqua di “frenamento” (Figura 2).

Quello che ci interessa sono i raggi gamma, i fotoni (la luce) più energetici che esistano. Infatti, la luce che vediamo con i nostri occhi (che con molta fantasia si chiama “visibile”) è una fetta molto piccola di tutta la luce che esiste in Natura e che costituisce il cosiddetto “spettro elettromagnetico”. Oltre al visibile esistono per esempio i raggi X (li conosce bene Superman), le microonde (con cui vi scaldate il cibo) e così via. In figura vedete lo spettro elettromagnetico con le onde che diminuiscono di lunghezza e oggetti descrittivi della dimensione delle onde stesse (Figura 3).

I raggi gamma sono emessi da alcune sorgenti nel cielo (esplosioni di stelle, galassie particolari, stelle che vivono in coppia, buchi neri e così via) e alcuni arrivano fino a Terra. Quando questo succede, non passano indisturbati fino al suolo, ma entrano in collisione con le particelle della nostra atmosfera. Ogni scontro produce altre particelle che a loro volta si scontrano con altre particelle e producono altre particelle ancora e così via, a cascata. Se potessimo vederle con i nostri occhi, ogni cascata ci apparirebbe come nell’immagine artistica rappresentata nella Figura 4.

Le più energetiche tra queste particelle prodotte nelle cascate atmosferiche causate dai raggi gamma riescono a viaggiare a una velocità maggiore della luce nell’atmosfera.

La luce Cherenkov fu osservata per la prima volta da Marie Curie – come riportato nel libro Madame Curie, scritto dalla figlia Eve – ma i primi a studiarla furono Pavel Cherenkov, insieme al suo professore Sergei Vavilov (purtroppo deceduto prima che potesse essergli assegnato il Premio Nobel) negli anni ‘30 del Novecento. Successivamente Patrick Blackett ebbe l’intuizione di osservare gli sciami dell’atmosfera per studiare il cielo gamma.

Riusciamo dunque a vederli a occhio questi lampi blu? No. Il colore andrebbe anche bene, ma è proprio la durata il problema: questi lampi durano pochi nanosecondi. Contate qualche secondo, ci siete? 1, 2, 3… Ora prendetene uno solo e dividetelo in un miliardo di pezzettini: ecco, la durata del lampo blu è di un miliardesimo di secondo. Troppo veloce perché il nostro occhio possa vederlo. E allora che si fa? Si costruiscono strumenti molto più veloci dei nostri occhi, capaci di vedere i singoli lampi. A quel punto, il gioco è fatto: per vedere i fotoni gamma che entrano in atmosfera, aspettiamo che l’atmosfera ci metta del suo e poi cerchiamo i singoli lampi blu.

Tutta la luce Cherenkov prodotta da un fotone gamma che forma uno sciame in atmosfera ha anche la caratteristica di essere emessa tutta all’interno di un cono di qualche grado. Per raccoglierla, mettiamo perciò i nostri strumenti veloci su telescopi con specchi grandi che raccolgono questa pioggia di luce e li puntiamo nella direzione della sorgente che vogliamo osservare.

I telescopi Cherenkov, costruiti a partire dagli anni ‘80, vivono una fase di maturità: sono infatti in costruzione due nuovi strumenti, che sfruttano la possibilità di guardare la cascata in stereoscopia, con un grande numero di telescopi (Figura 5).

Il progetto ASTRI – Mini Array è un progetto italiano, a guida INAF, che dopo aver verificato un’innovazione tecnologica, con una struttura più compatta e con due specchi con il telescopio ASTRI-Horn sulle pendici dell’Etna, ora sta costruendo 9 telescopi a Tenerife (Figura 6). Il progetto CTAO è un grande progetto internazionale, con più di 1500 persone da 25 diversi paesi che porterà in due siti diversi, nord e sud, più di 60 telescopi (Figura 7).

Inoltre, CTA+, un programma PNRR a guida INAF, in cui l’OAB ha un ruolo importante, ha come scopo di completare la schiera di telescopi di CTAO con 5 telescopi di taglia piccola e 2 di taglia grande. Il progetto è partito a gonfie vele e comprende anche una parte di divulgazione con cui, tra le altre cose, abbiamo finanziato uno spettacolo teatrale, che ha debuttato in questi giorni (Figura 8).

Lo spettacolo teatrale

Echi di Luce. E l’Universo bussò alle porte dell’Aria è prodotto da PACTA . dei Teatri su commissione del gruppo INDACO. Lo spettacolo apre la rassegna ScienzaInScenaAttoSette, e sarà in scena dal 26 gennaio al 04 febbraio 2024 al PACTA Salone in via Dini a Milano.

Drammaturgia, danza, musica e luce sono combinate per esplorare le trame storiche, umane, fisiche e filosofiche legate all’effetto Cherenkov.

Spettacolo finanziato dall’Unione Europea – “NextGenerationEU progetto PNRR M4C2 IR0000012 CTA+”

INDACO è il gruppo di divulgazione dell’INAF che si occupa dei telescopi Cherenkov in costruzione per il progetto ASTRI, italiano, e CTAO, internazionale, per conto dell’Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF).

Figura 1: Il boom sonico è il suono prodotto dal cono di Mach generato dalle onde d’urto create da un oggetto (per esempio un aereo) che si muove in un fluido (per esempio l’aria) con velocità superiore alla velocità del suono. A sinistra la nuvola di condensa generata dagli effetti di aumento di temperatura e pressione - Crediti: Wikipedia.

Figura 2: Nocciolo con liquido di raffreddamento di un reattore a fissione nucleare nel quale si vede la luce bluastra caratteristica dell’effetto Cherenkov – Crediti Wikipedia

Figura 3: Lo spettro elettromagnetico - L'energia elettromagnetica viaggia sotto forma di onda con un vastissimo intervallo spettrale di lunghezze d'onda, dalle onde piu' lunghe, come le onde radio a quelle piu' corte, come i raggi X e Gamma. La luce visibile, i colori "dell'arcobaleno" che vediamo con i nostri occhi, rappresenta una porzione molto piccola di tutto questo spettro. Gli astronomi, a partire da Galileo, hanno costruito strumenti per osservare questa radiazione a tutte le diverse lunghezze d'onda - Crediti: Nasa

Figura 4: rappresentazione artistica di uno sciame - Pierre Auger Observatory - Crediti: ASPERA/G.Toma/A.Saftoiu.

Figura 5: Rappresentazione artistica di una schiera di telescopi che osserva durante la notte. Quando i raggi gamma colpiscono l'atmosfera terrestre, producono uno sciame di particelle secondarie che possono viaggiare più velocemente della velocità della luce nell'aria, creando lampi di breve durata di radiazione Cherenkov. I telescopi Cherenkov, come quelli di ASTRI e di CTAO possono rilevarli con i loro grandi specchi e le telecamere ad alta velocità - Crediti: CTAO.

Figura 6: a sinistra ASTRI-1 di notte. Il primo dei 9 telescopi dell'ASTRI Mini-Array montato sul Teide a Tenerife (Isole Canarie). Crediti: Tommaso Marchiori (EIE) – A destra un primo piano degli specchi di ASTRI-1. È ben visibile lo specchio secondario, che riflette il terreno circostante. La scelta di un sistema a due specchi permette di avere uno strumento più compatto, più leggero e con un più ampio campo di vista - Crediti: Tomaso Belloni.

Figura 7: il Large Size Telescope (LST) presente nel sito nord del Cherenkov Telescope Array Observatory (CTAO) presso l'osservatorio del Roque de los Muchachos sull'isola canaria di La Palma (Spagna). I telescopi LST sono i più grandi tra i telescopi Cherenkov, che saranno anche di media (MST) e piccola (SST) taglia. I telescopi di piccola taglia sono quelli che rivelano le energie più elevate, mentre i LST saranno in grado di catturare un range di energie più basse - Crediti: Victor Acciari.

Figura 8: una scena dello spettacolo teatrale dal titolo "Echi di Luce. E l’Universo bussò alle porte dell’Aria" prodotto da PACTA . dei Teatri su commissione del gruppo INDACO - Crediti: Fulvio Michelazzi.