Le Scienze, n. 396

32 Pages·2001·13.1 MB·Italian

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di Thérèse Encrenaz
Allo stato liquido o solido, e in quantità più o meno abbondante,
l'acqua è presente pressoché in tutti i corpi del sistema solare,
dai pianeti agli anelli planetari, fino alle comete. Le ultime
scoperte riportano alla ribalta il ruolo che essa potrebbe avere
avuto nel favorire lo sviluppo di vita extraterrestre
marziani erano là - nel canale - riflessi nell'acqua. Ricambiarono i loro sguardi per un lungo, lun-
ghissimo momento di silenzio nelle increspature dell'acqua...». Nelle sue poetiche Cronache
marziane, Ray Bradbury descrive un Pianeta Rosso su cui l'acqua abbonda. Gli astronomi, dal
canto loro, da tempo sospettavano la presenza di acqua su Marte. Nel 18?? Giovanni Schiaparel-
li, direttore dell'Osservatorio di Brera a Milano, scoprì linee diritte che solcavano la superficie del
pianeta. Le chiamò canali, termine che fu tradotto in inglese con canals (che indica i canali arti-
ficiali) anziché con channels (canali naturali). Questo infortunio linguistico contribuì alla nasci-
ta di un mito tenace: esseri intelligenti avrebbero costruito canali per trasportare l'acqua dalle regioni
polari a quelle equatoriali del Pianeta Rosso. «Se non fosse artificiale, il sistema di irrigazione non mo- L'ACQUA SI PUÒ FORMARE DOVE SI TROVANO ATOMI DI IDROGENO E DI OSSIGENO, vale a dire più o meno
strerebbe configurazioni matematiche così meravigliose...» affermò l'astronomo americano Percival ovunque nell'universo. Presente in tutti gli angoli del sistema solare, si concentra soprattutto sui pianeti
e sui loro satelliti. Così la Terra (qui accanto) è in gran parte ricoperta d'acqua, circostanza determinante per lo
Lowell agli inizi del XX secolo. Si dovette attendere il 1965 perché la missione Mariner 4 rivelasse che,
sviluppo della vita. Marte (pagina a fronte) e Venera (in alto in questa pagina) in passato contenevano probabilmente quantità
fotografate da poche migliaia di chilometri di distanza, le «linee diritte » di Schiaparelli non erano che rilevanti d'acqua. Uno dei satelliti di Giova, Europa (qui sopra), è una sfera di ghiaccio solcata da fenditure e scavata
file di piccoli crateri... da crateri. È stato ipotivato che un oceano si estenda sotto il ghiaccio di Europa. È possibile che contenga forme di vita?
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UN SISTEMA FLUVIALE
OGGI PROSCIUGATO?
Questo potrebbe
essere l'immenso
solco sulla superficie
di Marte
fiancheggiato
da una sviluppata
rete di gole che si
ramificano in valli
secondarie e altri
canyon. Quale fluido
ha eroso in questo
modo la superficie?
Perché è scomparso?
I planetologi
pensano che
si trattasse di acqua,
che probabilmente
esiste ancora
al di sotto della
superficie.
L'ATMOSFERA DI VENERE è bjossiu. .LUIL,L11n1U, ,. L SOT1LnJUULU Dl MARTE? Sembra che in passato il pianeta Questa ipotesi
e tracce d'acqua e di biossido di zolfo. Benché presenti in piccola quantità, possedesse un oceano. La forma di alcuni crateri è sostenuta anche
questi due costituenti svolgono un ruolo essenziale, poiché dà l'impressione che le meteoriti che li hanno originati abbiano colpito da osservazioni
determinano la formazione delle nubi di acido solforico che impediscono un suolo intriso d'acqua. Nei più recenti rilevamenti, recenti in altre zone
di osservare direttamente il pianeta dallo spazio. il pianeta mostra anche due calotte di ghiaccio che ricoprono i poli. del pianeta.
Chiarito l'incidente, la ricerca di acqua extraterrestre si è in- confrontabili, poiché questi pianeti sono relativamente simili gli di Venere e di Marte, certamente a causa delle condizioni molto
tensificata. Gli astronomi hanno scrutato gli angoli più nascosti uni agli altri. Così, la densità, il diametro e la gravità di Marte diverse che regnano alla superficie degli altri due grandi pianeti
del sistema solare, e svelato in diversi punti la presenza del li- sono «solamente» da due a tre volte inferiori ai valori terrestri; terrestri. Così, la temperatura al suolo di Venere è pari a 460 °C,
quido della vita: hanno trovato acqua nell'atmosfera di Marte, quelli di Venere sono quasi uguali, al punto che questo pianeta è mentre non supera i -60 in media sulla superficie di Marte.
di Venere e dei pianeti giganti come Giove. Si ritiene anche che spesso definito «gemello della Terra». Invece, per quanto riguar- L'acqua è presente su Venere alla superficie o nel sottosuolo?
acqua liquida debba trovarsi sotto la superficie di altri corpi del da l'acqua tutto cambia da un pianeta all'altro, tanto drastica- L'osservazione a distanza di questo pianeta è difficile per lo
sistema solare, in particolare Europa, uno dei satelliti di Giove, e mente variano la composizione e le condizioni dell'atmosfera. spesso strato di nubi, situate a una cinquantina di chilometri di
Marte. Il ghiaccio d'acqua è a sua volta presente nei piccoli cor- Mercurio è troppo vicino al Sole e non abbastanza massiccio per quota, che mascherano la superficie. La composizione atmosfe-
pi del sistema solare esterno, come le comete, nonché nei satelli- trattenere stabilmente un'atmosfera. La Terra, Marte e Venere rica di Venere e le sue condizioni di temperatura e pressione ci
ti e negli anelli dei pianeti giganti. Che sia in grande o in picco- hanno atmosfere che differiscono sia per composizione chimica sono state rivelate dalle sonde Venera e Pioneer Venus. Benché
la quantità, l'acqua sembra onnipresente nel sistema solare. sia per le condizioni che vi regnano: dunque il comportamento le pressioni parziali del biossido di carbonio e dell'azoto moleco-
Come si spiega questa enorme diffusione dell'acqua? Beh, la dell'acqua su ciascuno dei tre pianeti terrestri è molto diverso. lare rappresentino rispettivamente il 96,5 per cento e il 3,5 per
cosa non sorprende se si considera quanto siano abbondanti gli Fatto notevole, sulla Terra l'acqua esiste in tutti e tre i suoi cento della pressione totale, l'atmosfera venusiana contiene an-
elementi che la costituiscono. Secondo il modello del big bang, stati: solido, liquido e gassoso. In tutti gli altri luoghi del sistema che biossido di zolfo (SO2) e vapore acqueo in quantità minime
l'esplosione primordiale creò gli atomi di idrogeno e di elio (in solare si trova solo sotto forma di ghiaccio o di vapore. E questo (meno di una parte su 10 000). Tuttavia questi costituenti svol-
proporzione di tre a uno). Carbonio, azoto, ossigeno e gli altri è un punto essenziale: è solo l'acqua liquida ad aver determina- gono un ruolo importante perché sono responsabili della forma-
elementi si formarono in seguito, dalle reazioni nucleari che av- to l'evoluzione del clima terrestre, per effetto delle precipitazio- zione dello strato di nubi, costituite da acido solforico (H2SO4).
vengono nelle stelle: il cosiddetto processo di nucleosintesi. Dopo ni, dei sistemi nuvolosi e delle correnti marine. La Terra è senza Dotata di una pressione e una temperatura estreme ed esposta a
idrogeno ed elio, carbonio e ossigeno sono gli elementi più co- dubbio ricca di acqua liquida fin dalla sua formazione, avvenu- piogge acide, la bassa atmosfera di Venere non ci appare davve-
muni dell'universo. Data la forte affinità fra gli atomi di ossigeno ta 4,5 miliardi di anni fa. Allora l'atmosfera era costituita so- ro un luogo ospitale...
e di idrogeno, le molecole d'acqua sono molto stabili: le si deve prattutto da biossido di carbonio, rapidamente intrappolato da- I PIANETI GIGANTI SONO IMMENSE SFERE DI IDROGENO ED ELIO, gas Nulla di simile su Marte. La sua superficie, direttamente osser-
riscaldare fino a 3000 kelvin perché comincino a dissociarsi. gli oceani sotto forma di carbonato di calcio (calcare). che formavano la maggior parte della nebulosa solare. Essi includono vabile nell'ottico, è stata abbondantemente cartografata dalle
Niente di strano, dunque, che l'acqua sia così comune nel si- La composizione chimica dell'atmosfera originaria della Ter- però tracce d'acqua e di costituenti più pesanti, apportati sonde planetarie (Viking nel 1975 e Mars Global Surveyor nel
stema solare. I corpi che lo compongono hanno le caratteristiche ra assomiglia a quella degli altri pianeti terrestri, costituita so- in particolare dalle comete. Tutti i pianeti giganti possiedono 1996) e dal telescopio Hubble. La composizione dell'atmosfera di
più varie: il loro diametro va da qualche micrometro per la pol- prattutto da biossido di carbonio (circa il 95 per cento in volume anelli composti da particelle di ghiaccio di varie dimensioni. Marte è simile a quella di Venere: 95 per cento di biossido di car-
vere interplanetaria a decine di migliaia di chilometri per i piane- su Venere e su Marte) e da azoto, con tracce di monossido di Anche alcuni dei loro satelliti sono coperti di ghiaccio. bonio, 3 di azoto e circa 2 di argo. Invece l'acqua è presente in
ti giganti; la densità varia dagli 0,7 grammi per centimetro cubo carbonio (CO), di ossigeno (02) e di acqua. L'atmosfera terrestre
di Saturno ai 5,4 di Mercurio; quanto alla pressione superficiale, non presenterebbe la stessa composizione globale attuale se il IN PILLOLE
si passa da 100 volte il valore terrestre (su Venere) a un centesi- biossido di carbonio non fosse intrappolato negli oceani e se la
mo dello stesso, alla superficie di Marte. A seconda delle condi- comparsa della vita non avesse provocato l'accumulo di ossige- III Al di là dell'incidente interpretativo, derivato dalle osservazioni di Schiaparelli, per cui alla fine dell'Ottocento si pensò che sulla
zioni, l'acqua adotta comportamenti diversi. no e ozono. La relativa costanza della temperatura terrestre, ga-
superficie di Marte fossero presenti canali artificiali, l'acqua è il liquido della vita. Perciò non è un caso che - per chiarire se la vita abbia
rantita da una parte dalla presenza di un'atmosfera permanente,
•po tuto svilupparsi su altri pianeti. gli astronomi siano andati alla ricerca di acqua e ghiaccio.
I pianeti terrestri e dall'altra dalla stabilità dell'asse di rotazione (dovuta alla pre-
L'acqua è ormai stata trovata nell'atmosfera di Marte, di Venere e dei pianeti giganti, e si ritiene che ve ne sia anche sotto la
senza della Luna), ha favorito l'esistenza costante di oceani li-
Il caso più interessante è senza dubbio quello dei pianeti ter- quidi e lo sviluppo della vita sulla Terra. Al contrario, l'asse di superficie di altri corpi del sistema solare, in particolare Europa, uno dei satelliti di Giove.
restri (rocciosi), vale a dire Mercurio, Venere, la Terra e Marte (in rotazione di Venere e di Mercurio ha subito grandi fluttuazioni, 111 Da 15 anni, poi, è certo che il ghiaccio d'acqua è il componente principale delle comete. E la scoperta di numerosi pianeti extrasolari
ordine di distanza crescente dal Sole). L'acqua vi è presente nel- il che non ha mancato di modificare notevolmente il loro clima. potrebbe schiudere le porte alla ricerca di acqua in altre regioni dell'universo, lasciando intravedere la possibilità di vita extraterrestre
l'atmosfera o nel suolo. In teoria, dovrebbe assumervi forme Onnipresente sulla Terra, l'acqua è minoritaria nell'atmosfera
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Il caso del ghiaccio lunare forma sia solida sia gassosa; le condizioni di pressione e di tem-
peratura alla superficie del pianeta non le permettono di esistere
allo stato liquido. L'acqua si trova soprattutto sotto forma di
ghiaccio nelle calotte polari, che condensano e sublimano ai poli
i 'ultimo posto dove ci si potrebbe aspettare di trovare dell'ac- del ghiaccio, ma successive osservazioni con il radiotelescopio
secondo un ritmo stagionale. A volte si osservano piccole forma-
qua, anche se sotto forma di ghiaccio, sono i deserti lunari su di Arecibo, effettuate nel 1997, smentirono il risultato. Entrambi i zioni di nubi d'acqua, in particolare in prossimità dei vulcani. Se
cui abbiamo visto passeggiare gli astronauti delle missioni Apollo. radar però erano sensibili solo a grandi frammenti di ghiaccio, e l'acqua delle calotte fosse distribuita su tutto il pianeta in forma
Qui le temperature di giorno superano i 100 gradi Celsius e, in as- quindi le osservazioni non permettevano di scartare l'idea che liquida, darebbe vita a un oceano globale della profondità di 20-
senza di atmosfera, il ghiaccio sublimerebbe. Inoltre, la radiazio- questo fosse presente in piccoli cristalli nella regolite, la polvere 30 metri; sulla Terra un analogo oceano sarebbe profondo 2,7
ne del vento solare spezzerebbe immediatamente le molecole che ricopre la superficie lunare. Il caso era ancora aperto. chilometri. Quanto alla pressione parziale del vapore acqueo
d'acqua, liberando nello spazio ossigeno e idrogeno. La situazio- Più di recente la sonda Lunar Prospector ha aggiunto molti da- marziano, non supera pochi decimillesimi della pressione atmo-
ne non è però uguale ovunque, sulla Luna. Poiché il suo asse di ro- ti interessanti, riguardo al «problema» del ghiaccio lunare. Le sferica totale; essa presenta forti fluttuazioni legate al ciclo sta-
gionale di condensazione e sublimazione delle calotte polari.
tazione è praticamente perpendicolare al piano dell'eclittica, con- osservazioni sono state compiute in modo indiretto, utilizzando
Dato che avevano condizioni iniziali alquanto simili, come è
tro i 23,5 gradi di inclinazione di quello terrestre, ai poli il Sole è uno spettrometro per neutroni, che la superficie della Luna
accaduto che i tre pianeti terrestri seguissero destini così diversi?
sempre bassissimo sull'orizzonte. Fin dal 1961 gli astronomi pro- emette in abbondanza per via del costante bombardamento di
La risposta riguarda da vicino la storia dell'acqua su Marte e su
posero che in prossimità dei poli lunari si potessero trovare «trap- particelle cariche provenienti dal Sole. Normalmente questi neu- Venere. Sembra che un tempo questi corpi fossero più ricchi
pole fredde», owero crateri perennemente in ombra in cui le tem- troni hanno una grande energia, ma se urtano contro atomi di d'acqua rispetto a oggi. Il rapporto fra l'abbondanza dell'acqua
perature non superano mai le poche decine di kelvin e dove il idrogeno, allora possono perderne una buona parte e rallentare. pesante (HDO) e di quella normale (H20) indica, per esempio, che
ghiaccio potrebbe resistere per miliardi di anni. Immaginare poi Sorvolando la Luna, la sonda ha rilevato lo spettro di neutroni, os- nell'atmosfera venusiana e marziana in origine vi sia stato mol-
l'origine di questo ghiaccio non è difficile, poiché deve essere ca- servando un abbassamento dell'energia media in prossimità dei to più vapore acqueo. Ricordiamo che, nella molecola dell'acqua
duto in quantità copiose sulla Luna sotto forma di comete. I cam- poli. Questi risultati indicano che il suolo del polo nord lunare po- pesante, uno degli atomi di idrogeno è sostituito da un deuterio
pioni riportati dalle missioni Apollo non rivelarono nessuna traccia trebbe contenere fino al 4,6 per cento di ghiaccio, mentre per il
di acqua, neppure intrappolata nei minerali, come spesso accade polo sud la quantità scende al 3 per cento. Il dato contraddice LA COMETA SHOEMAKER-LEVY 9 entrò in collisione con Giove nel luglio
sulla Terra. Questo non fu sorprendente né deludente, perché però sia le misurazioni precedenti sia le previsioni teoriche, che 1994; in precedenza si era separata in 21 frammenti, di cui metà circa è
visibile nella foto qui sotto. Cadendo l'uno dopo l'altro verso la superficie
indicavano il polo sud come il luogo più ricco di ghiaccio.
gioviana, hanno provocato tutti una grande esplosione e l'innalzamento
In realtà, ciò che la sonda ha trovato è un grande deposito di
di pennacchi fino a 3000 chilometri al di sopra della superficie. A destra, si
idrogeno, ma poiché si pensa che l'acqua sia la fonte più probabile
osserva il cratere d'impatto (di colore scuro) e il suo alone; questo, I
di questo elemento, la sua presenza è stata interpretata come
osservato circa 10 minuti dopo l'esplosione, è prodotto dalla ricaduta t:
una prova della presenza di ghiaccio. In alcune zone, poi, il ghiac- della materia scagliata nell'atmosfera da uno dei frammenti. L'astronomo 1>
cio potrebbe essere quasi puro, sepolto da uno strato di 40 centi- Cassini avrebbe osservato una collisione analoga nel XVII secolo.
metri di regolite. Purtroppo, la sonda non ha fornito informazioni
topografiche sull'ubicazione dei depositi più ricchi di ghiaccio, ma
ha fornito almeno una stima dell'estensione del deposito, che po-
trebbe interessare un'area compresa tra 10 000 e 50 000 chilo-
metri quadrati, al polo nord, e tra 5000 e 20000, al polo sud. La
maggior parte del ghiaccio è comunque concentrata in un'area
pari a circa 1800 chilometri quadrati attorno a ogni polo. Ma quan-
to ghiaccio è realmente presente? A questa domanda è difficile ri-
spondere, per mille motivi, a cominciare dall'incertezza dei model-
DUE IMMAGINI DEI POLI LUNARI, composte da varie riprese effettuate li fino al fatto che la sonda ha potuto «vedere» solo fino a una
dalla sonda Clementine. Le zone più scure della superficie sono
profondità di mezzo metro. Le stime variano da 1,3 a 44 miliardi di
quelle perennemente in ombra. Come si vede, il polo sud, a destra tonnellate, con un valore più probabile attorno a 7. (il quale è un isotopo di peso circa doppio rispetto all'idrogeno Valli marziane
presenta un'e-tensione di zone in ombra decisamente più vasta. Dopo questa prima conferma, alla NASA decisero di provare a normale, in quanto contiene un neutrone supplementare). Negli
oceani e nell'atmosfera terrestri, il rapporto HD0/1-120 è all'incir- Se un tempo l'acqua era nettamente più abbondante nell'at-
ottenerne una più diretta. L'idea era quella di far schiantare il Lu-
ca di 1,5 x 10-4, valore che i planetologi ritengono sia rimasto mosfera di Matte e di Venere, lo era anche nel suolo? Nel caso di
nessuna di queste missioni atterrò in prossimità dei poli. nar Prospector sul fondo di un cratere perennemente in ombra,
immutato fin dall'origine del nostro pianeta. Partendo dal pre- Marte, abbiamo indizi della presenza in superficie di grandi
Le prime prove a favore dell'esistenza di ghiaccio furono tro- sperando di sollevare abbastanza acqua da permettere di osser-
supposto che questo valore caratterizzasse tutti i pianeti terrestri quantità d'acqua (forse allo stato liquido) all'inizio della storia del
vate nel 1994 dalla sonda Clementine. Per prima cosa, ripren- varla da Terra. Secondo le stime, infatti, la sonda avrebbe potuto ai loro inizi, essi hanno misurato il rapporto HDO/F120 nell'at- pianeta. Il primo di essi è l'esistenza di valli ramificate che solca-
dendo immagini dei poli in vari tempi, la sonda dimostrò l'esi- sollevare alcuni chilogrammi di ghiaccio. Durante l'impatto, av- mosfera di Venere e di Mane; la misurazione si compie da terra, no i terreni antichi dell'emisfero sud di Mane e che risalgono a
stenza di crateri perennemente in ombra, condizione necessaria venuto nel 1999, molti osservatori terrestri cercarono di rilevare tramite spettroscopia infrarossa in fase gassosa. I risultati rivela- oltre 3 miliardi di anni fa; esse danno l'impressione che una gran
per la presenza di ghiaccio. In particolare, mediante misurazioni l'emissione ultravioletta del radicale ossidrile, OH, prodotto dalla no un notevole arricchimento in deuterio dell'atmosfera di que- quantità di acqua liquida scorresse sul pianeta, e quindi che a
altimetriche, la sonda scoprì anche che il polo sud lunare si trova dissociazione delle molecole di acqua. Purtroppo, anche se la sti due pianeti. Il vapore acqueo presente nell'atmosfera marzia- quell'epoca esistesse un'atmosfera densa e calda. Il secondo indi-
all'interno del bacino di impatto Aitken, un enorme cratere che si manovra è apparentemente riuscita, le osservazioni hanno avu- na conterrebbe cinque volte più deuterio di quello terrestre. E zio è la probabile presenza di un vasto oceano che avrebbe rico-
trova a una latitudine di 50 gradi ma ha un diametro di oltre 2500 to tutte esito negativo. Questo risultato però non permette di quello dell'atmosfera venusiana ne conterrebbe addirittura 120 perto le grandi pianure settentrionali 2-3 miliardi di anni fa. Le
chilometri. Poiché la depressione del bacino raggiunge una concludere nulla, poiché è possibile spiegarlo in moltissimi modi volte di più! Da queste osservazioni, i planetologi hanno dedot- recenti misurazioni radar della missione Mars Global Surveyor
profondità di 13 chilometri, una buona parte del polo si trova sot- diversi. Per esempio, poiché non è stato possibile neppure osser- to che in passato il vapore acqueo atmosferico fosse presente in hanno dato conferma a questa ipotesi, proposta in seguito alle
quantità ben superiore sia su Marte sia soprattutto su Venere. prime misurazioni della sonda Viking. Esse hanno rivelato strut-
to l'orizzonte solare e l'estensione delle regioni in ombra è note- vare una nuvola di polvere, non si sa dove la sonda sia esatta-
Come ha potuto sparire? L'arricchimento atmosferico in deute- ture lineari lunghe parecchie migliaia di chilometri e a quota co-
vole. In seguito si cercò di utilizzare i radar della sonda per cerca- mente caduta e, quindi, se abbia centrato il suo obiettivo. Il caso
rio si spiega con il meccanismo della fuga gravitazionale, che stante. Potrebbero essere antiche rive? Se un simile oceano fosse
re di dimostrare la presenza di ghiaccio. I composti volatili, infat- del ghiaccio lunare rimane quindi ancora aperto, con molte con- provoca la perdita nello spazio delle molecole più leggere. Esso esistito, l'acqua che vi era contenuta avrebbe formato un «oceano
ti, provocano un'eco particolare che permette di individuarli tra le traddizioni e in attesa di conferme più sicure e dirette. infatti favorisce l'espulsione dell'acqua ordinaria rispetto a quel- globale» dello spessore di un centinaio di metri.
rocce. Inizialmente i dati sembrarono confermare la presenza Amo CONTI la dell'acqua pesante, il che spiega come quest'ultima si sia con- Così, sembra che Mane e forse anche Venere ospitassero co-
centrata nelle atmosfere di Marte e di Venere. spicue masse d'acqua, forse in quantità non inferiore alla Terra.
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dotto di una «dinamo» planetaria, vale a dire di movimenti di ste il permafrost, alle latitudini elevate). La sua presenza su Mar-
Perché è sparita? In che modo le condizioni di temperatura e di nell'atmosfera è attestata dall'arricchimento in deuterio del va-
materia in seno a un nucleo fluido. Ne consegue che Marte dove- te è attestata dalla forma dei materiali espulsi da certi crateri da
pressione sulla superficie dei due pianeti sono a poco a poco di- pore acqueo residuo? Secondo i planetologi, il vapore acqueo
va avere un'energia interna superiore all'attuale, e il nucleo più impatto, i quali testimoniano che vi era un miscuglio fluido o li-
ventate così dissimili? Piccole differenze di temperatura possono sarebbe stato dissociato dalla radiazione solare e i prodotti gas-
fluido poteva dare origine a un campo magnetico significativo. quido nel sottosuolo. In altri termini, sembra proprio che alcune
avere conseguenze notevoli. Considerando la pressione che re- sosi sarebbero sfuggiti nello spazio.
Un'energia interna più elevata avrebbe anche incrementato l'at- meteoriti abbiano colpito una superficie fangosa. Non è escluso
gnava alla superficie dei tre pianeti all'inizio della loro storia, si Mane ha due caratteristiche: da una parte, è più lontano dal
tività vulcanica e quindi facilitato la formazione di un'atmosfera che acqua liquida sia ancora presente sotto il permafrost, a pa-
può dedurre che l'acqua esisteva in forma gassosa su Venere, li- Sole, e di conseguenza più freddo, degli altri pianeti terrestri;
per degassamento. I planetologi hanno stimato la densità di que- recchi chilometri di profondità: la sua ricerca sarà tra gli obiettivi
quida sulla Terra e solida su Marte. inoltre è notevolmente più piccolo e meno denso. La sua massa,
sta atmosfera misurando i rapporti isotopici dell'azoto e dei gas delle future missioni spaziali. Nel contempo, i planetologi cerche-
Su Venere, la presenza di una grande quantità di biossido di perciò, non è che un decimo di quella terrestre. Queste caratteri-
rari. Il rapporto azoto 15/azoto14, in particolare, è superiore di ranno eventuali indizi di forme di vita fossili, che possono forse
carbonio e di vapore acqueo ha provocato un effetto serra che si stiche implicano che all'origine Marte contenesse una quantità
un fattore 1,7 a quello dell'atmosfera terrestre; un simile valore essere comparse quando era ancora presente acqua liquida.
è rapidamente amplificato. La radiazione solare è in parte assor- assai minore di elementi pesanti e radioattivi suscettibili di dare
indica che l'atmosfera primitiva di Marte aveva una pressione vi- Anche i pianeti giganti contengono acqua. Giove, Saturno,
bita dalla superficie del pianeta, che si riscalda ed emette radia- un contributo alla sua energia interna (l'energia interna di un
cina a un decimo dell'atmosfera terrestre. Tuttavia, sembra che il Urano e Nettuno (in ordine di distanza dal Sole) sono corpi cele-
zione infrarossa, la quale a sua volta viene assorbita dall'acqua e pianeta deriva dal decadimento degli isotopi radioattivi). Questa
campo magnetico di Marte si sia estinto entro un miliardo di an- sti molto diversi dai pianeti interni, perché il loro diametro è su-
dal biossido di carbonio. Sottoposta a questa intensa irradiazio- energia condiziona in particolare l'intensità dell'attività vulcani-
ni, a causa della massa ridotta del pianeta. L'atmosfera marziana periore a 10 000 chilometri. Essi sono costituiti soprattutto da
ne infrarossa, la bassa atmosfera di Venere si è riscaldata, facen- ca e l'entità del degassamento che ha alimentato l'atmosfera pri-
sarebbe allora sfuggita più facilmente in assenza di campo ma- idrogeno ed elio, ma sono presenti in traccia anche componenti
do aumentare anche la temperatura della superficie. La concate- mitiva dei pianeti terrestri.
gnetico, poiché un simile campo si oppone alla perdita di gas più pesanti (CH4, NH, e così via) e acqua. A distanze dal Sole su-
nazione di questi fenomeni ha prodotto un surriscaldamento All'inizio della storia di Marte la pressione in superficie era in-
agendo sugli strati ionizzati delle regioni superiori dell'atmosfera. periori a 5 unità astronomiche (l'unità astronomica è pari al rag-
che non era attenuato da alcun effetto moderatore, di modo che feriore a quella instauratasi sulla Terra e su Venere; tuttavia l'at-
gio medio dell'orbita terrestre, ossia quasi 150 milioni di chilo-
la temperatura alla superficie di Venere si è a poco a poco innal- mosfera primitiva del Pianeta Rosso era più densa dell'attuale. La
metri), la temperatura era abbastanza bassa perché la maggior
zata fino ai 730 kelvin che si registrano oggi. In assenza di effet- probabile presenza di acqua liquida - come detto - è un indizio in !Acqua perduta di Marte
parte delle molecole d'acqua della nebulosa protosolare esistesse
to serra, tenendo conto della distanza di Venere dal Sole, la tem- proposito. Scoperte recenti ne forniscono altri. Il magnetometro
Che cosa è accaduto all'acqua di Marte nel corso di questa solo in forma di ghiaccio.
peratura alla superficie dovrebbe essere dell'ordine di 300 kel- del Mars Global Surveyor ha rivelato un campo magnetico fossi-
evoluzione? Una parte è stata intrappolata sotto la superficie del Presenti dunque allo stato solido, queste molecole hanno pre-
vin. Dato che la pressione del biossido di carbonio alla superficie le nei terreni dell'emisfero meridionale. Esso sarebbe la traccia la-
pianeta, in forma di «permafrost»: una mescolanza di ghiaccio, so parte alla formazione dei nuclei dei pianeti giganti, che
di Venere è probabilmente rimasta costante, come si può spiega- sciata da un campo bipolare esistito nelle prime centinaia di mi-
roccia e polvere permanentemente gelata (anche sulla Terra esi- avrebbero raggiunto una massa circa 10 volte superiore a quel-
re la scomparsa dell'acqua esistente in origine, e la cui presenza lioni di anni della storia del pianeta. Un simile campo era il pro-
la terrestre. Questi nuclei erano sufficien-
temente massicci per intrappolare con la
Individuare l'acqua nel cielo loro gravità il gas della nebulosa protoso-
lare, composto in gran parte da idrogeno
ed elio. È per questo che i pianeti giganti
er individuare e analizzare l'acqua nei corpi celesti, si usa la re acqueo è ardua perché l'atmosfera terrestre ne contiene in sono oggetti di enorme volume e ridotta
pspettroscopia in una regione di lunghezze d'onda che va dal- quantità notevole e altera il segnale di origine celeste. Un'altra dif- densità. Tuttavia, dato il valore relativa-
mente alto del rapporto fra l'abbondanza
l'infrarosso alle onde radio (di lunghezza d'onda maggiore dell'in- ficoltà è data dal biossido di carbonio, che assorbe radiazione in-
cosmica dell'ossigeno e quella dell'idroge-
frarosso). Moti rotazionali e vibrazionali agitano le molecole d'ac- frarossa, soprattutto intorno a 4 e a 15 micrometri. Questi disturbi
no, anche nella nebulosa protosolare do-
qua, come quelle che costituiscono il vapore acqueo atmosferico. rendono l'atmosfera terrestre opaca nella quasi totalità dell'infra- veva essere presente acqua. Essa fu quin-
Una molecola d'acqua ha tre modi fondamentali di vibrazione. rosso medio e lontano, e questo limite ha impedito a lungo la ricer- di fin dall'inizio un costituente dei pianeti
Quando si trova in uno di questi modi, può emet- ca di vapore acqueo nei corpi celesti distanti; ma le cose sono giganti. Notiamo che i meccanismi in a-
tere e assorbire radiazione la cui lunghezza cambiate da quando si possono collocare strumenti in orbita. zione nella formazione dei pianeti terre-
d'onda, nell'infrarosso vicino, è compresa fra •-...„ Il 17 novembre 1995 l'ESA ha lanciato il satellite ISO (Infrared stri furono molto diversi: nel loro am-
biente più vicino al Sole, e quindi più cal-
2,6 e 6,2 micrometri. Per questo la radiazione Space Observatory). Per aumentare la sensibilità dei rivelatori
do, solo i silicati e i metalli esistevano in
proveniente da un corpo celeste la cui atmosfe- di ISO si è dovuto trovare il modo per mantenerli in perma-
forma solida. Dato che le abbondanze co-
ra contiene acqua presenta una «firma spettro- nenza a una temperatura vicina allo zero assoluto (a circa smiche degli atomi che costituiscono que-
scopica» caratteristica di questo composto. due kelvin). Il complesso del satellite, telescopio sti composti sono inferiori a quelle degli
Quando la molecola d'acqua ruota, assorbe radia- compreso, deve essere a sua volta raffreddato a elementi più leggeri (come C, N, O), la
zione di lunghezza d'onda che va dall'infrarosso una decina di kelvin, affinché i segnali della radia- massa del nucleo iniziale dei pianeti in-
lontano (al di là di 20 micrometri) alle onde radio. zione infrarossa locale non perturbino i risultati. terni non poteva superare una massa ter-
restre: un valore di gran lunga insuffi-
Anche il ghiaccio d'acqua ha firme caratteristi- ISO ha funzionato ottimamente per oltre due
ciente per intrappolare gravitazionalmen-
che nell'infrarosso vicino (intorno a 1,5, 2 e 3 mi- anni, fino all'evaporazione completa dell'elio liqui-
te l'idrogeno e l'elio del gas protosolare.
crometri) e oltre, sempre nell'infrarosso (intorno a do che lo raffreddava, e ha realizzato parecchie
44 micrometri). Le firme del ghiaccio sono diffe- scoperte rilevanti. La più importante è il riconosci- EUROPA È UN SATELLITE DI GIOVE coperto da uno strato di ghiaccio L'acqua dei pianeti giganti
renti a seconda che esso sia cristallino (organizza- mento del fatto che l'acqua è presente ovunque nel- le cui strutture irregolari ricordano quelle delle banchise terrestri.
to in reticoli atomici) o amorfo (senza organizzazio- l'universo. Gli strumenti di ISO l'hanno rilevata in Tutta la superficie è striata da fratture lineari recenti Questo meccanismo di formazione spiega come l'acqua si
ne). Il ghiaccio che ricopre gli oggetti del sistema lontane regioni di formazione stellare, in stelle evo- (meno di 10 milioni di anni), che sembrano prodotte da movimenti trovi sui pianeti giganti. La sua presenza in forma di vapore è
solare è sovente cristallino, il che indica che tempe- Iute e in galassie distanti. ISO ha anche cercato ac- di uno strato liquido o viscoso presente nel sottosuolo. Questa immagine stata individuata nella bassa troposfera (la zona più profonda
è stata realizzata dalla sonda Galileo il 20 dicembre 1996: dell'atmosfera) di Giove e di Saturno, grazie alle osservazioni
ratura e pressione erano relativamente elevate al qua in numerosi siti del sistema solare, e l'ha indi-
essa mostra una superficie di 13 per 18 chilometri. A sinistra il suolo nell'infrarosso. Nel dicembre 1995 è stata identificata acqua su
momento della sua formazione; quello del mezzo in- viduata nei pianeti giganti e nelle comete. Le infor- appare meno rugoso che a destra. Sembra che qui l'acqua sia fuoriuscita Giove anche grazie allo spettrometro di massa della sonda Gali-
terstellare tende invece a essere amorfo. mazioni raccolte completano le osservazioni effettua- da una frattura e, gelando, abbia creato una superficie liscia. leo, penetrata nell'atmosfera gioviana. Si sperava di poter misu-
La spettroscopia alle lunghezze d'onda infrarosse e radio ser- te dalle sonde planetarie come Voyager per i pianeti giganti, Gali- rare il rapporto ossigeno/idrogeno per confrontarlo con gli altri
ve per studiare l'acqua nei pianeti e nelle comete, o in oggetti leo e Cassini per Giove, Giotto e Vega per la cometa di Halley. Esse L'AUTORE rapporti di abbondanza relativi a Giove e ottenere informazioni
esterni al sistema solare. L'atmosfera terrestre è abbastanza tra- integrano anche le esplorazioni dei pianeti terrestri effettuate sulla genesi del pianeta. Purtroppo non è stato possibile, perché
sparente all'infrarosso vicino perché si possano osservare le fir- dalle sonde Mariner 9, Viking, Phobos e Mars Global Surveyor per THÉRÈSE ENCRENAZ è astrofisica presso il Dipartimento di ri- l'abbondanza del vapore acqueo nell'atmosfera gioviana varia
cerche spaziali (DESPA) dell'Osservatorio di Parigi a Meudon. notevolmente a causa di complessi fenomeni meteorologici.
me spettroscopiche del ghiaccio. Invece l'individuazione del vapo- Marte e PioneerVenus, Venera e Galileo per Venere.
Se era abbastanza plausibile che i pianeti giganti contenesse-
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LE SCIENZE 396 / agosto 2001
ro acqua, nessuno tuttavia immaginava la sua esistenza nella
IL NUCLEO DELLA COMETA DI HALLEY è stato fotografato dalla sonda Giotto
stratosfera (al di sopra della troposfera). È ciò che invece ha sco-
nel marzo 1986. Benché la cometa sia composta soprattutto da ghiaccio,
perto nel 1997, con sorpresa generale, il satellite ISO. Radiazio-
riflette scarsamente la luce perché la sua superficie è coperta
ne infrarossa di lunghezza d'onda corrispondente al vapore ac-
da una sostanza carbonacea. Le osservazioni nell'infrarosso hanno
queo è stata osservata nello spettro dei quattro pianeti giganti
confermato che la molecola d'acqua è di gran lunga la più abbondante.
nonché in quello di Titano, il satellite maggiore di Saturno e l'u-
Nella pagina a fronte, un'immagine artistica dello Herschel
nico a essere dotato di un'atmosfera stabile. Fatto notevole, è
Space Telescope europeo che dovrebbe essere pronto nel 2007.
stato misurato un flusso incidente di molecole d'acqua quasi co-
stante su tutti i cinque oggetti, nonostante la grande varietà del-
Gli astrofisici hanno tentato di confrontare questi valori con
le loro distanze dal Sole e delle loro masse.
quelli misurabili nelle comete. Per valutare il rapporto fra deute-
Da dove viene quest'acqua? Il profilo di temperatura dei pia-
rio e idrogeno nella cometa di Halley è stato utilizzato lo spet-
neti giganti presenta un minimo in corrispondenza di una pres-
trometro di massa della sonda Giotto; più recentemente, sono
sione di 0,1 bar (104pascal); una simile pressione denota la tro- state eseguite misurazioni da terra della transizione submillime-
popausa, vale a dire il limite fra la troposfera e la stratosfera che,
trica della molecola di HDO nel caso delle comete Hyakutake e
come abbiamo detto, contengono entrambe acqua. La tempera-
Hale-Bopp. In tutti i casi, il rapporto ottenuto è vicino a 3 x 10-4,
tura della tropopausa è pari a 110 kelvin su Giove, 90 su Saturno
ossia pari a circa 10 volte il valore protosolare e 20 volte quello
e circa 50 su Urano e Nettuno. Anche nel caso di Giove, è troppo
del mezzo interstellare locale. Un valore così elevato indica che
bassa perché l'acqua possa esistervi in forma di vapore. Se ne
la composizione chimica delle comete è simile a quella del
conclude che l'acqua entro i pianeti giganti non può risalire ver-
ghiaccio e della polvere dell'ambiente interstellare lontano.
so l'esterno e passare dalla troposfera alla stratosfera perché la
Questo risultato fa sorgere una nuova domanda: come si può
tropopausa agisce come «trappola fredda». Da dove viene allora il
spiegare la discrepanza fra i valori del rapporto deuterio-idroge-
vapore acqueo della stratosfera? Necessariamente deve essere di
no nelle comete e negli oceani terrestri (quest'ultimo pari a 1,5 x
origine esterna. Sono state avanzate due ipotesi: secondo la pri-
10-4)? La differenza fornisce nuovi indizi sull'origine dell'atmo-
ma, l'acqua stratosferica proverrebbe da un flusso ininterrotto di
sfera terrestre. In effetti, se questa fosse stata generata interamen-
polvere meteoritica o di micrometeoriti che spazzerebbe il siste-
te in seguito a impatti cometari, come è stato ipotizzato, il suo
ma solare esterno; secondo l'altra ipotesi, sarebbe originata dagli cio, di un componente viscoso, o addirittura liquido. Per la vici- tre comete, in particolare sulla Hale-Bopp, grazie al satellite ISO. rapporto deuterio/idrogeno dovrebbe essere almeno uguale a
anelli e dai satelliti ghiacciati. A tutt'oggi la questione resta aper- nanza a Giove e ad altri satelliti galileiani (Io e Ganimede) Euro-
L'individuazione dell'acqua nelle comete è importante perché quello delle comete. Non si conosce infatti alcun meccanismo in
ta. Nuove osservazioni, in particolare quelle dello Herschel Space pa è sottoposto a forti effetti di marea, ossia a forze differenziali
fornisce informazioni sulle condizioni di nascita di questi corpi grado di abbassare questo rapporto, mentre è possibile, come ab-
Telescope europeo (in precedenza battezzato FIRST e previsto per che si applicano in punti diversi del globo. Queste «maree» gene-
di origine remota. Ricordiamo che, in funzione dello di spin de- biamo visto per Marte e Venere, che esso aumenti a causa della
il 2007), dovrebbero dare qualche risposta. rano una considerevole energia interna che potrebbe bastare a
gli atomi di idrogeno, la molecola d'acqua assume due forme (la fuga gravitazionale. Questa osservazione indica che l'acqua del-
Conosciamo un'altra circostanza in cui si è avuto apporto di mantenere allo stato liquido una parte dell'acqua di Europa. Po-
forma orto e quella para), le cui caratteristiche spettrali sono lie- l'atmosfera terrestre non deriva interamente dalle comete, ma al-
acqua nella stratosfera di Giove: nel luglio 1994 la cometa Shoe- trebbe esservi un oceano sotto la superficie del satellite? E se sì,
vemente diverse. A ogni temperatura, l'acqua possiede un rap- meno in parte è stata generata per degassamento del globo.
maker-Levy 9 entrò in collisione con il pianeta. Durante l'evento, potrebbe essersi sviluppata qualche forma di vita primitiva? La
porto orto/para ben definito. È dunque possibile, dal rapporto
una ventina di frammenti cometari precipitò nell'atmosfera, pro- questione ha suscitato enorme interesse fra gli esobiologi, il che
vocando enormi esplosioni che proiettarono materia a oltre 3000 ha indotto la NASA a inserire l'esplorazione di Europa fra le orto/para cometario, ricavare il valore di una certa «temperatura Dal sistema solare ai pianeti di altre stelle
di spin», che può essere indicativa della temperatura dell'epoca
chilometri di quota. Dopo la vaporizzazione, l'ossigeno della co- priorità per il prossimo decennio.
di formazione della cometa, ovvero di quella degli embrioni co- La recente scoperta di numerosi pianeti esterni al sistema sola-
meta si ricombinò con il gas dell'atmosfera gioviana formando L'acqua si trova anche nelle regioni più esterne del sistema so-
metari da cui essa ha avuto origine. ISO ha così misurato la tem- re apre una nuova prospettiva allo studio dell'acqua nell'univer-
acqua e monossido di carbonio nella stratosfera. In questo am- lare, al di là di Nettuno. Qui si trova la nube di Oort, un vasto ser-
peratura di spin di due comete: Hale-Bopp e Hartley-2. so. Come è noto, l'acqua liquida ha avuto un ruolo fondamenta-
biente, la molecola d'acqua ha una vita piuttosto breve, sicché il batoio di comete situato a circa 40 000 unità astronomiche dal
Di grandi dimensioni, dato che era visibile a occhio nudo du- le nello sviluppo della vita sulla Terra. È dunque naturale iniziare
vapore acqueo è stato osservato solo in concomitanza degli im- Sole. Eccezionalmente, l'azione delle perturbazioni gravitaziona-
rante la primavera 1997, Hale-Bopp è una nuova arrivata nel la ricerca di eventuali forme di vita extraterrestre nei luoghi dove
patti. Viceversa, le molecole di monossido di carbonio sono mol- li legate alle stelle vicine e all'ambiente interstellare locale modi-
cielo, ed è particolarmente massiccia e brillante. La sua tempera- l'acqua liquida può esistere oggi (Europa per esempio) o può es-
to persistenti, e si è continuato a rilevarle nella stratosfera giovia- fica la traiettoria di una di queste comete facendola penetrare nel
tura di spin è pari a 25 kelvin. Hartley-2 è una cometa periodica sere esistita in passato (Matte). La stessa cosa vale per i pianeti
na per più di un anno. Simili avvenimenti sono rari; si ritiene che sistema solare. Altre perturbazioni, dovute alla presenza dei pia-
di dimensioni più ordinarie, la cui temperatura di spin è valuta- extrasolari che si scopriranno in futuro: gli astrofisici si interesse-
se ne verifichino uno o due per millennio. Secondo gli archivi neti giganti, possono alterare di nuovo l'orbita della cometa e
ta a 35 kelvin. Questi bassi valori indicano che le comete in que- ranno maggiormente di quelli che, in linea teorica, possono di-
dell'Osservatorio di Parigi, la precedente collisione di una come- renderla periodica. Alcune di queste visitatrici abituali sono cele-
stione si sarebbero formate a grande distanza dal Sole. sporre di acqua liquida. Questa possibilità esiste solo se l'orbita
ta con Giove sarebbe stata osservata da Cassini, nel XVII secolo. bri: è il caso della cometa di Halley, nota fin dall'antichità e os-
La misura del rapporto fra deuterio e idrogeno nelle comete del pianeta non è troppo vicina alla stella, affinché l'acqua non
servata nel 1986, in occasione del suo ultimo avvicinamento.
fornisce un'altra informazione sul modo in cui si sono formati sfugga dopo essere stata vaporizzata dalla radiazione troppo in-
Il ghiaccio degli anelli e dei satelliti esterni Due nuove comete, inattese questa volta, sono comparse più re- gli oggetti del sistema solare. Gli astrofisici cercano in particola- tensa. Finora i metodi di individuazione disponibili limitano la
centemente: Hyakutake nel 1996 e Hale-Bopp nel 1997.
re di scoprire l'origine della materia di cui sono costituite le co- ricerca ai soli pianeti giganti; non siamo ancora in grado di sco-
Anche lo spazio circostante i pianeti giganti contiene acqua.
mete. Proviene forse dal mezzo interstellare? Dalla nebulosa vare «altre Terre». Forse una simile scoperta sarà effettuata dalla
Con l'eccezione di Io, i satelliti galileiani di Giove mostrano nel-
Le comete: palle di neve sporche protosolare? Il deuterio venne sintetizzato agli inizi dell'univer- missione COROT, il cui lancio a opera del Centre national d'étu-
lo spettro infrarosso la «firma» spettrale del ghiaccio d'acqua;
so per nucleosintesi primordiale, contemporaneamente all'idro- des spatiales è previsto per il 2004; oppure bisognerà attendere le
hanno anche un'albedo elevata, vale a dire che, come la neve e Le comete sono oggetti di dimensioni molto ridotte (meno di
geno e all'elio; da allora, viene continuamente distrutto nelle successive e più ambiziose missioni che l'ESA e la NASA stanno
il ghiaccio, riflettono o diffondono la maggior parte della radia- 10 chilometri di diametro), costituiti essenzialmente da ghiaccio
stelle, dove la nucleosintesi stellare lo converte in elio 3 (che preparando per la fine del decennio. Se si scoprirà acqua liquida
zione visibile che ricevono. La stessa cosa vale per i piccoli sa- e polvere, che si muovono su orbite eliocentriche e trascorrono
contiene tre nucleoni invece dei quattro dell'elio ordinario). Mi- sui pianeti esterni al sistema solare, la biologia troverà un nuovo
telliti e gli anelli di Saturno. A più grande distanza dal Sole, l'al- la maggior parte della propria esistenza a grande distanza dal
surazioni compiute sulle meteoriti e sul vento solare ci fornisco- campo di speculazione sulla vita in condizioni estreme.
bedo dei piccoli corpi è inferiore. I satelliti di Urano e gli anelli Sole. Quando la loro traiettoria si avvicina all'astro, la loro su-
no il valore del rapporto fra deuterio e idrogeno nella nebulosa
di Urano e Nettuno sono costituiti da una miscela di ghiaccio perficie si riscalda: il ghiaccio subisce degassamento e la polve-
d'acqua, clatrati (idrati cristallini) e silicati; per di più la loro su- re sfugge. È così che si forma la coda delle comete. solare primitiva: circa 2,5 x 10-5. Lo stesso rapporto è stato mi- BIBLIOGRAFIA
surato anche nel mezzo interstellare locale (fra il Sole e le stelle
perficie sembra contaminata da un composto contenente carbo- Già all'inizio degli anni cinquanta Fred VVhipple aveva previ-
nio, generato dal bombardamento della superficie da parte della sto che le comete fossero costituite soprattutto da ghiaccio d'ac- vicine) a partire dalle transizioni nell'ultravioletto del deuterio e COSTARD F., La planète Mars, Presses Universitaires de France, 2000.
dell'idrogeno, e il valore così trovato è confrontabile, ma legger- ENCRENAZ TH. e COX P., L'eau dans l'Univers, Resoconti dell'Acadé-
radiazione ultravioletta solare o di particelle di alta energia. qua. Si dovette però attendere l'avvicinamento della cometa di
mente inferiore: 1,5 x 10-5. mie des Sciences di Parigi, volume I, serie IV, pp. 981-993, 2000.
Il caso di Europa, uno dei satelliti di Giove, è notevole. Le im- Halley nel 1986 per avere la conferma sperimentale del modello
Viceversa, si è osservato che questo valore è più elevato nel PAPPALARDO R. T., HEAD J. W. e GREELEY R., L'Oceano nascosto di
magini delle sonde Voyager e Galileo hanno messo in evidenza della «palla di neve sporca», allorché la banda di fluorescenza
mezzo interstellare lontano, dove alcuni tipi di molecole, in par- Europa in «Le Scienze» n. 377, gennaio 2000, p. 26.
non solo una superficie ghiacciata, ma serie di fratture lineari dell'acqua fu rivelata nella regione infrarossa dello spettro della
ticolare HCN e H20, «concentrano» il deuterio, in seguito a rea- Altre informazioni sul sito: www.sat-net.com/spnews/syssol.html
che sarebbero dovute alla presenza, sotto la superficie di ghiac- cometa. Più di recente, questa osservazione è stata ripetuta su al-
zioni chimiche a bassa temperatura.

4-2
LE SCIENZE 396 / agosto 2001 43
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Rallentare un fascio di luce fino a bloccarlo
è un esercizio di abilità che potrebbe aprire
la strada a una nuova tecnologia per
,Olt
comunicazioni ottiche e computer quantistici ur. • 4,i",-1,1"'
44.'4
Fermare la
LUCE
di Lene Vestergaard Hau
Fotografie di Chip Simons
a velocità della luce è una delle più incrollabili certezze dell'universo. Lo
sanno tutti. Non deve sorprendere, perciò, se un esperimento volto ad al-
terarne radicalmente il valore richiede una strumentazione piuttosto
complicata e un durissimo lavoro. Tanto per cominciare, occorre un'at-
tentissima regolazione e ottimizzazione degli strumenti e poi un'intermi-
nabile, straziante raccolta di dati per ricavare un significativo in-
sieme di misure. Il nostro esperimento di rallentamento della lu-
ce, al Rowland Institute for Science di Cambridge, nel Massachusetts, ha richie-
sto periodi di lavoro di 2? ore senza interruzioni. Non potendo trascorrere una ri-
lassante pausa pranzo in mensa, abbiamo imparato a bilanciare una fetta di
pizza su una sola mano, per lasciare l'altra libera di spostare specchi avanti e
indietro lungo il banco ottico durante i 38 secondi di buio totale che si verifica-
vano nel momento cruciale di ciascun esperimento.
Il nostro obiettivo era quello di ridurre drasticamente la velocità della luce,
che viaggia, nel vuoto, alla ben nota velocità di quasi 300 000 chilometri al se-
IL CONGELAMENTO DELLA LUCE
condo. I primi segni di rallentamento degli impulsi luminosi si sono manifestati ha inizio con un processo in cui un fascio
nel marzo 1998. E come spesso accade in fisica sperimentale - dato che ci vuo- laser accuratamente accordato
rende trasparente a un secondo fascio laser
le sempre un sacco di tempo per mettere a punto tutti gli elementi dell'apparec-
un materiale altrimenti opaco.
TENDERE UN AGGUATO ALLA LUCE: prima che l'impulso luminoso [in giallo]
chiatura - il fatidico evento ha avuto luogo alle 4 del mattino...
raggiunga la nube di atomi (in viola) che lo congelerà, tutti gli spin degli
Sulle ali dell'entusiasmo, nel mese di luglio avevamo portato la
atomi (piccole frecce) sono allineati e un fascio laser di accoppiamento
luce alla velocità di un aereo di linea, e dato che all'epoca dove- • La velocità della luce nel vuoto è un limite insuperabile, ma
(in rosso) rende la nube trasparente all'impulso (1 e 2). La nube rallenta
vo recarmi al Niels Bohr Institute di Copenaghen per un ciclo di
la luce viene rallentata dai mezzi che attraversa durante il suo
e comprime l'impulso (3), e gli stati atomici cambiano in un'onda che
lezioni, ricordo chiaramente di essermi seduta soddisfatta sul-
cammino. Trattando una nube di atomi in modo opportuno accompagna la luce lenta. Quando l'impulso è completamente dentro la
l'aereo pensando che stavo viaggiando «più veloce della luce».
mediante fasci laser è possibile fare in modo che gli impulsi di nube (4), il fascio di accoppiamento viene spento (5), fermando l'onda e
Avrei battuto uno dei nostri impulsi lenti di una buona ora, nel
tragitto verso la capitale danese. luce che la attraversano si propaghino a una velocità pari a un la luce; a velocità zero, la luce sparisce. Poi (6), il fascio di accoppiamento
Nemmeno a dirlo, durante la settimana a Copenaghen non ventimilionesimo di quella ordinaria, ovvero a circa 60 viene nuovamente acceso, rigenerando l'impulso luminoso e rimettendo
in moto tanto l'onda quanto la luce.
riuscivo a prendere sonno, ansiosa com'ero di tornare a Cam- chilometri all'ora.
bridge per continuare gli esperimenti. Nel mese successivo, arri- • Utilizzando una tecnica simile, è possibile anche bloccare
so si chiama velocità di gruppo, proprio perché un impulso è
vati a un record di 60 chilometri all'ora, decidemmo che era ve-
completamente gli impulsi (congelarli), trasformandoli in costituito da un gruppo di fasci di frequenze diverse.
nuto il momento di pubblicare i nostri risultati. Prima di quel
un'impronta quantistica impressa sugli atomi della nube. Poi, Questo processo differisce dal rallentamento ordinario della
momento fatidico, la sola ricompensa per tanto lavoro era sede-
con un altro fascio laser, si può riconvertire l'impulso congelato luce in un mezzo con indice di rifrazione maggiore di 1 per di-
re in laboratorio nel cuore della notte a osservare quei lenti im-
pulsi luminosi, sapendo che eravamo i primi al mondo a vedere in un impulso luminoso in movimento, ripristinando tutte le versi aspetti: prima di tutto, qui è la velocità di gruppo a ral-
lentare, e non la velocità di fase; poi è la variazione improvvi-
la luce procedere così lentamente che si sarebbe potuto comoda- caratteristiche dell'impulso originario.
sa dell'indice di rifrazione a causare il rallentamento, e non il
mente sorpassarla in bicicletta. • II processo di rallentamento e di congelamento della luce ha
valore assoluto dell'indice stesso; e infine, il fascio laser di ac-
L'anno scorso, finalmente, siamo riusciti a portare il nostro moltissime potenziali applicazioni. Tra le più curiose, la
coppiamento deve essere acceso per tutto il tempo.
lavoro fino alla sua logica ma stupefacente conclusione: abbia-
possibilità di costruire buchi neri «artificiali»: inviando impulsi
mo fermato completamente un impulso luminoso all'interno di
una minuscola nube di gas raffreddato vicino allo zero assoluto. luminosi in condensati atomici rotanti, si può pensare di Atomi ultrafreddi per congelare la luce
studiare fenomeni molto simili a quelli che si suppone possano
Per breve tempo siamo riusciti a congelare, per così dire, gli im-
pulsi e a rispedirli indietro sul loro cammino. avvenire nei buchi neri reali. Quanto più rapidamente cambia l'indice di rifrazione in
funzione della frequenza, tanto più lentamente viaggia l'im-
Oltre ad avere un grande interesse intrinseco, il rallentamen-
pulso. La velocità di variazione dell'indice è però limitata dal-
to e il congelamento della luce sono fenomeni che potrebbero
accordato alla differenza di energia tra gli stati 2 e 3. Gli atomi l'effetto Doppler: l'incessante moto degli atomi del gas «spor-
dischiudere un gran numero di applicazioni. A temperature suf- minano come l'atomo interagisce con la luce, quali frequenze
nello stato I non possono assorbirlo. Quando arriva la luce ca» ciascuno stato, disperdendolo in un piccolo intervallo di
ficientemente basse, le nubi ultrafredde di atomi usate nei nostri assorbe e così via. Inoltre, tanto l'elettrone di valenza quanto il
dell'impulso di sonda, accordata sullo stato 3, i due fasci spo- energie. L'effetto Doppler è il noto fenomeno che produce il
esperimenti formano condensati di Bose-Einstein, sistemi dalle nucleo si comportano come magneti. Il magnetismo dell'elettro-
stano gli atomi in una sovrapposizione tra gli stati I e 2, il che cambiamento di suono di una sirena a seconda che si avvicini
proprietà considerevoli in cui tutti gli atomi si trovano in un so- ne è associato al suo momento angolare intrinseco, lo spin, un
significa che ogni atomo si trova contemporaneamente nei o si allontani dall'osservatore. Immaginatevi dunque che ca-
lo stato quantico e agiscono in sincronia. Così si potranno com- po' come l'asse di rotazione terrestre è associato al nord magne-
due stati. Lo stato 1, da solo, assorbirebbe la luce di sonda, cofonia di suoni sentireste se un centinaio di ambulanze si
piere nuovi esperimenti su queste entità, per esempio inviando tico, ma nel caso dell'elettrone l'allineamento è perfetto. Le
mentre lo stato 2 assorbirebbe il fascio di accoppiamento, e in muovessero verso di voi a diverse velocità...
un impulso luminoso rallentato alla velocità del suono su un energie degli stati eccitati di un atomo dipendono così dall'alli-
entrambi i casi si avrebbe l'eccitazione degli atomi nello stato Per ridurre al minimo l'allargamento di banda dovuto all'ef-
condensato di Bose-Einstein. In queste condizioni, ci aspette- neamento tra gli spin del nucleo e dell'elettrone di valenza.
3, tornando poi alla riemissione della luce in direzioni casuali. fetto Doppler, il mio gruppo di ricerca usa atomi estremamente
remmo di vedere un'onda di atomi galleggiare sulla superficie Sebbene un atomo possa assumere una moltitudine di questi
dell'impulso luminoso. stati, per rallentare la luce ne sfruttiamo solo tre. Nei nostri Insieme, invece, i due processi si cancellano, per effetto di un freddi, che si muovono lentamente. Di conseguenza, gli stati
fenomeno che prende il nome di interferenza quantistica. Lo energetici sono chiaramente definiti, e l'intervallo di frequenze
La luce lenta, o congelata, spalanca anche nuove possibilità esperimenti, quando finiamo di preparare e raffreddare la nube
stato di sovrapposizione è detto «stato di buio» (dall'inglese in cui avviene la cancellazione può essere reso molto stretto. Il
per le comunicazioni e le memorie ottiche, nonché per l'elabora- di atomi, ogni atomo si trova nello stato 1, quello fondamenta-
zione dell'informazione quantistica, ovvero per computer che le: l'elettrone di valenza è nell'orbita più vicina al nucleo, e il dark state) poiché gli atomi, di fatto, non possono vedere i fa- rallentamento della luce in un gas a temperatura ambiente è sta-
sci (sono, appunto, «al buio»). Gli atomi appaiono trasparenti to realizzato dal gruppo di Marlan O. Scully, della Texas AEtM
sfruttino i fenomeni quantistici per polverizzare le prestazioni suo spiri è allineato in direzione opposta rispetto a quello del
al fascio di sonda perché nello stato di buio non possono as- University, da quello di Dmitri Budker all'Università della Ca-
dei computer tradizionali. Essenzialmente, il sistema di congela- nucleo. E anche la magnetizzazione totale di ciascun atomo è
sorbire fotoni. Il rapporto necessario tra gli stati 1 e 2 perché si lifornia a Berkeley e dal gruppo dello Harvard-Smithsonian
mento della luce è una conversione tra forme immobili di infor- anti-allineata rispetto al campo magnetico che usiamo per tene-
abbia il buio è un parametro che varia in funzione del rappor- Center for Astrophysics di Cambridge, in Massachusetts, coordi-
mazione quantistica e fotoni che si muovono all'usuale velocità re la nube al suo posto. Lo stato 2 è molto simile al primo, a par-
to tra l'intensità dei due fasci luminosi in ciascun punto. Ma nato da Ronald L. Walsworth e Mikhail D. Lukin. L'uso di atomi
della luce. te il fatto che gli spin del nucleo e dell'elettrone sono allineati, il
una volta che il sistema parte in uno stato di buio (in questo caldi libera questi gruppi dall'incombenza di dover raffreddare il
che aumenta - seppure di poco - l'energia dell'atomo. Lo stato 3
caso, il 100 per cento di fascio di accoppiamento e il 100 per gas, ma ne limita la capacità di rallentamento.
Portare gli atomi in uno stato ha invece un'energia circa 300 000 volte superiore allo stato 2, e
cento di stato 1) si mostra in grado di aggiustarsi in un nuovo Raffreddiamo i nostri atomi di sodio con una combinazione
si ottiene stimolando l'elettrone di valenza a saltare in uno stato
stato di buio anche quando viene acceso il fascio di sonda. di fasci laser, campi magnetici e onde radio. I primi atomi emer-
Molti materiali ordinari rallentano la luce. L'acqua, per eccitato. La diseccitazione degli atomi dallo stato 3 a uno degli
Un simile processo di elisione fa sì che l'indice di rifrazione gono da una sorgente calda sotto forma di un intenso fascio che
esempio, la rallenta a circa il 75 per cento della sua velocità altri due genera la caratteristica luminescenza gialla che vedia-
sia esattamente uguale a 1, come quello del vuoto, quando il fa- si muove a circa 2600 chilometri all'ora. Un fascio laser si scon-
nel vuoto. Ma questo tipo di riduzione della velocità, associato mo anche nelle lampade al sodio dei lampioni stradali.
scio di sonda è accordato esattamente sullo stato 3. Per frequen- tra frontalmente con gli atomi rallentandoli, in un millisecondo,
all'indice di rifrazione di un materiale, concede possibilità li- L'impulso di luce che desideriamo rallentare è accordato esat-
ze appena diverse la cancellazione è meno precisa e l'indice di ad appena 160 chilometri all'ora: una decelerazione pari a
mitate. Il diamante, che ha uno degli indici di rifrazione più al- tamente alla differenza di energia tra gli stati 1 e 3. Se inviassi-
rifrazione cambia. Un breve impulso di luce avverte questa va- 70 000 volte la forza di gravità ottenuta con un laser che non
ti per un materiale trasparente, rallenta la luce appena di un mo un impulso di questa luce nella nube senza alcuna prepara-
riazione dell'indice di rifrazione, poiché un impulso contiene un basterebbe a bruciacchiarvi un dito. Un ulteriore raffreddamen-
fattore 2,4. Per diminuirne la velocità decine di milioni di vol- zione, gli atomi assorbirebbero i fotoni e salterebbero immedia-
piccolo intervallo di frequenze. Ciascuna di queste frequenze, to, in una melassa ottica - sei fasci diretti verso gli atomi da sei
te rispetto al normale, occorre sfruttare fenomeni quantistici. Il tamente nello stato eccitato. Poco dopo, gli atomi si diseccite-
perciò, vede un indice di rifrazione diverso e quindi tutte viag- direzioni diverse - raffredda gli atomi fino a 50 milionesimi di
nostro gruppo di ricerca è in grado di produrre le condizioni rebbero, riemettendo la luce a caso in tutte le direzioni. La nube
giano a velocità differenti. Questa velocità, la velocità di un fa- kelvin. In pochi secondi, riusciamo a raccogliere nella melassa
necessarie perché questi fenomeni avvengano in una nube di brillerebbe di un bel giallo, ma tutta l'informazione relativa al-
scio continuo monocromatico, è la velocità di fase. L'impulso di 10 miliardi di atomi. Poi spegniamo i fasci laser, facendo piom-
atomi di sodio a forma di sigaro lunga 0,2 millimetri e di 0,05 l'impulso originario sarebbe irrimediabilmente perduta.
luce è situato dove tutte le sue componenti sono precisamente bare il laboratorio in un buio pesto, e accendiamo gli elettroma-
millimetri di diametro, intrappolata in un campo magnetico e Per prevenire questo assorbimento, sfruttiamo la trasparen-
sincronizzate, ovvero sono in fase. In un mezzo ordinario, come gneti, i cui campi combinati tengono intrappolata la nube ato-
raffreddata a un milionesimo di kelvin. za indotta per via elettromagnetica, un fenomeno scoperto nei
l'aria o l'acqua, tutte le componenti si muovono praticamente mica. Per 38 secondi raffreddiamo gli atomi per evaporazione,
Il sodio appartiene alla famiglia dei metalli alcalini, quelli che primi anni novanta dal gruppo di Stephen E. Harris alla
alla stessa velocità, e il punto in cui sono in fase si muove an- scartando quelli più caldi e lasciando i più freddi. Onde radio
hanno un solo elettrone di valenza responsabile di tutte le «atti- Stanford University. In questo fenomeno, un fascio laser di
ch'esso alla stessa velocità. Quando le componenti si muovono opportunamente accordate ci aiutano a eliminare gli atomi più
vità» dell'atomo: diversi stati eccitati di un atomo di sodio corri- frequenza accuratamente scelta illumina la nube e ne cambia
nell'intervallo di velocità che si ha solo negli atomi trasparenti, caldi. L'intero processo - dal fascio caldo agli atomi freddi e in-
spondono allo spostamento dell'elettrone di valenza in orbite le proprietà, rendendola trasparente come il vetro (da opaca
il punto in cui sono in fase si sposta progressivamente più indie- trappolati - avviene in una camera a vuoto preparata a 10-'4
via via più esterne rispetto al nucleo, corrispondenti a energie che era) per un'altra determinata frequenza.
tro. In altre parole, l'impulso è rallentato. La velocità dell'impul- volte il valore della pressione atmosferica.
più elevate rispetto allo stato fondamentale. Questi stati deter- Il fascio a trasparenza indotta, o fascio di accoppiamento, è
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LE SCIENZE 396 / agosto 2001
Quando raffreddiamo la nube a circa 500 miliardesimi di kel- 0,8
UN BUCO NERO DA TAVOLO:
vin, finalmente si forma il condensato di Bose-Einstein, un biz-
rallentando la luce inviata
zarro stato della materia in cui i diversi milioni di atomi rimasti 0,6
in una centrifuga di atomi,
nella trappola si dispongono tutti nello stesso stato quantico.
si potrebbero simulare fenomeni
Queste nubi di atomi ultrafredde, tenute sospese nel mezzo della
0,4 che ci aspetteremmo di incontrare
camera a vuoto da un campo magnetico, sono il luogo più fred-
nello spazio-tempo distorto
do dell'universo. Eppure il resto del nostro apparato sperimenta-
le, fino a un centimetro di distanza dalla nube, resta a tempera- 0,2 in prossimità di un buco nero.
tura ambiente. Le finestre sigillate della camera a vuoto ci per-
mettono di vedere gli atomi a occhio nudo durante il raffredda-
mento laser: una nube di atomi freddi in una melassa ottica so- —20 —10 0 +10 +20
miglia un po' a un piccolo Sole, del diametro di appena mezzo
centimetro. La facilità di osservazione dell'intero processo ci
1,005
permette poi di carezzare gli atomi con un fascio laser, costrin-
gendoli a fare ciò che vogliamo.
Quando il nostro sigaro di atomi freddi è al suo posto, lo il-
luminiamo da un lato con il fascio laser di accoppiamento; 1,000
quindi lanciamo l'impulso di sonda lungo l'asse del sigaro. Per
misurare la velocità della luce, eseguiamo la misurazione più
diretta che si possa immaginare: ci sediamo davanti alla nube 0,995
con un rivelatore di velocità e aspettiamo che l'impulso lumi-
noso ne esca, per vedere quanto tempo impiega. Subito dopo —20 —10 O +10 +20
che l'impulso ha attraversato la nube, misuriamo la lunghezza
Frequenza (megahertz, spostata da 5,1 x 108 megahertz]
della nube stessa con un altro fascio laser, che la illumina dal
basso per proiettarne l'ombra su una lastra fotografica. La lun-
ghezza, divisa per il tempo impiegato ad attraversare la nube, LE PROPRIETÀ OTTICHE INDOTTE in una nube di atomi da un fascio laser
ci dà la velocità. Né più né meno. I tempi misurati sono tipica- accuratamente accordato sono la chiave del rallentamento della luce. Un
mente dell'ordine di microsecondi o al più di millisecondi; può fascio di accoppiamento che attraversa la nube la rende trasparente alla
sembrare un tempo breve, ma è sufficiente, per la luce, a per- luce di una determinata frequenza (in alto) e provoca una netta variazione
correre chilometri di fibra ottica. del suo indice di rifrazione (in basso). La trasparenza permette alla luce
Quando rallentiamo un impulso di luce di un fattore 20 mi- della frequenza prescelta di attraversare la nube senza esserne assorbita,
lioni, accade molto più che un semplice cambiamento di velo- e la variazione dell'indice di rifrazione consente il rallentamento.
cità. All'inizio, il nostro impulso di luce è lungo un chilometro,
e corre nell'aria a 300 000 chilometri al secondo. (Naturalmen- L'AUTORE
te il nostro laboratorio non è lungo un chilometro, ma se po-
tessimo mettere il fascio all'aperto gli impulsi avrebbero esat- LENE VESTERGAARD HAU è professore di fisica applicata
tamente quella lunghezza.) L'estremo anteriore dell'impulso alla Harvard University e dirige l'Atom Cooling Group del
attraversa la finestra di vetro della camera a vuoto ed entra Rowland lnstitute for Science di Cambridge, Massachu-
nella nostra nube levitante di atomi di sodio. Al suo interno, la setts, dove sono stati realizzati gli esperimenti descritti in
luce viaggia a una velocità di 60 chilometri all'ora. Roba da questo articolo. Ha conseguito il Ph.D. in fisica teorica del-
farsi superare da un ciclista professionista. lo stato solido all'Università of Aarhus, in Danimarca.
L'autrice desidera ringraziare il meraviglioso gruppo di ri-
Al buio, dentro il gas cerca del Rowland lnstitute, di cui fanno parte Zachary
Dutton, Chien Liu, Cyrus H. Behroozi, Brian Busch, Chri-
Con il fronte dell'impulso luminoso che si muove così lenta- stopher Slowe e Michael Budde, nonché Stephen E. Harris
mente e la sua coda che ancora si trova completamente fuori della Stanford University, per la fruttuosa collaborazione
dalla camera, l'impulso si schiaccia nel gas come una fisarmo- che ha permesso di ottenere questi straordinari risultati.
nica. La sua lunghezza, compressa di un fattore 20 milioni, ar-
riva alla miseria di un ventesimo di millimetro. Ci si potrebbe
aspettare che l'intensità della luce aumenti smisuratamente, la frazione più elevata di stato 2 al centro, nel punto più inten-
visto che tanta energia si concentra in uno spazio così ridotto. so dell'impulso. E via via che la coda dell'impulso lascia una re-
E invece questa amplificazione non si verifica. Anzi, l'onda gione del gas, gli atomi tornano nello stato 1. La forma degli
elettromagnetica resta della stessa intensità. In altri termini, stati di buio nelle nubi imita quella dell'impulso compresso di
nello spazio libero l'impulso contiene 50 000 fotoni, ma l'im- luce lenta e lo accompagna attraverso il gas come un'onda.
pulso lento contiene I/400 di fotone (ecco di nuovo il fattore Quando quest'onda e l'impulso luminoso arrivano in fondo al-
20 milioni...). Che ne è stato di tutti gli altri fotoni e della loro la nube di gas, l'impulso luminoso risucchia l'energia ceduta
energia? Una parte dell'energia viene trasferita agli atomi di agli atomi e al fascio di accoppiamento per riprendere a viag-
sodio, ma la maggior parte di essa passa al fascio laser di ac- giare nell'aria a 300 000 chilometri al secondo, tornando ad as-
coppiamento. Abbiamo controllato l'intensità del fascio di ac- sumere la sua lunghezza originaria di un chilometro.
coppiamento per osservare direttamente il trasferimento di La velocità della luce lenta dipende da diversi parametri. Al-
energia. cuni di questi parametri si fissano una volta che scegliamo la
Questi trasferimenti di energia mutano anche gli stati degli specie atomica e gli stati eccitati da utilizzare, ma due di essi
atomi di sodio, in corrispondenza dei punti in cui passa l'im- possono essere variati: la densità della nube di atomi e l'inten-
pulso. Al passaggio del fronte dell'impulso, gli atomi vengono sità del fascio laser di accoppiamento. Aumentando la densità
eccitati dallo stato 1, originario, a una sovrapposizione di stati della nube si diminuisce la velocità della luce, ma non si può
1 e 2, lo stato di buio che abbiamo descritto. Lo stato di buio ha esagerare, anche perché le nubi di atomi molto dense spingo-
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no troppo rapidamente gli atomi fuori dalla trappola magneti-
Domande e risposte ca. La velocità dell'impulso si riduce anche se si indebolisce Una guida di laboratorio per fermare la luce
l'intensità del fascio di accoppiamento. Naturalmente, se il fa-
sulla velocità della luce
scio è troppo debole la nube non sarà trasparente, e dunque
assorbirà l'impulso. Ciò nondimeno, c'è un trucco che ci per- L'APPARATO SPERIMENTALE
mette di raggiungere il massimo del rallentamento senza che Impulso di ingresso
Tre fasci laser e una nube ultrafredda di atomi di sodio (qui le dimensioni sono
gni volta che compare un articolo in cui si discute della l'impulso finisca per essere assorbito: spegnere il fascio di ac-
Ovelocità della luce, i nostri lettori ci propongono coppiamento mentre l'impulso compresso rallentato si trova esagerate) in una camera a vuoto sono il cuore dell'esperimento. Il fascio di ac-
coppiamento interagisce con la nube, rendendola trasparente a un impulso del
interrogativi in materia. Ecco qui, allora, qualche risposta proprio in mezzo al gas. Impulso
alle domande più frequenti. In risposta a questo scherzetto, l'impulso luminoso si blocca fascio di sonda. Un tubo fotomoltiplicatore misura il tempo di arrivo dell'impulso rallentato Impulso
improvvisamente e si «spegne». Ma l'informazione che si tro- con una precisione superiore al microsecondo. Il fascio diretto dal basso verso i fermato
•Le particelle cariche che si muovono a velocità superiore a vava nella luce non è andata perduta. Quell'informazione era l'alto misura la lunghezza della nube proiettandone l'ombra su una lastra foto-
quella della luce emettono radiazione Cerenkov: ma come già impressa negli stati atomici, e quando l'impulso si ferma grafica. Non sono mostrati il sistema che emette e raffredda una nuova nube ul- 020 40 60 80
quell'impronta resta semplicemente congelata sul posto, un
può qualcosa muoversi più velocemente della luce? Non è po' come un suono registrato su un nastro magnetico. Il pro- trafredda per ciascun impulso, gli elettromagneti i cui campi combinati intrap-
vero che è un limite universale di velocità? cesso di arresto non comprime la struttura degli stati, poiché polano la nube di atomi e i dettagli dell'ottica.
Ecco una domanda che va al cuore di molti equivoci tutti rallentano all'unisono, a differenza del periodo iniziale in
riguardo alla velocità della luce. Il concetto di «velocità della cui l'impulso entrava gradualmente nel gas. lir Fdiascio
luce» ha due significati distinti. Uno è «la velocità a cui la La struttura congelata impressa sugli atomi contiene tutta accoppiamento
luce si muove», che varia secondo il mezzo: è più veloce nel l'informazione riguardante l'impulso luminoso iniziale. Per FOTOCAMERA A CCD I o
vuoto, un po' più lenta nell'aria, due terzi più lenta nel vetro. esempio, il rapporto tra gli stati 1 e 2 è legato all'intensità del- FOTOMOLTIPLICATORE O 20 40 60 80
l'impulso in ciascun punto. Abbiamo, a tutti gli effetti, un olo-
Il secondo significato, quello del limite universale di gramma dell'impulso scritto sugli atomi del gas. Questo olo- Tempo (microsecondi)
velocità, attiene alla «velocità della luce nel vuoto» ed è gramma si legge riaccendendo il fascio di accoppiamento. Co-
FASCIO DI ACCOPPIAMENTO CHE ASPETTO HA
rappresentato dalla lettera c. La velocità c è una quantità me per magia, l'impulso di luce ricompare e si rimette lenta-
LENTI
assoluta: un'invariante nei termini della teoria della mente in moto, sempre con l'onda di stati atomici al seguito, LA LUCE CONGELATA?
relatività. Ma la velocità della luce nel vuoto è solo una delle come se non si fosse mai interrotto. Gli istanti precisi di rilevamento degli impulsi
manifestazioni di c. Chiamiamo c velocità della luce solo per Riusciamo a tenere bloccata la luce fino a un millisecondo, rivelano il rallentamento e il congelamento della
un tempo abbastanza lungo perché, nell'aria, percorra qualco-
il contesto storico in cui questa costante universale fu luce. Se non è presente la nube di atomi, l'impulso
sa come 300 chilometri. Quanto più a lungo lo si tiene fermo,
incontrata per la prima volta, ovvero come velocità della luce tanto più l'impulso si degrada: gli atomi del gas continuano a kaNUBE DI SODIO iniziale viene rilevato al tempo «zero» (in alto).
e più in generale delle onde elettromagnetiche. Per evitare muoversi, provocando la lenta diffusione degli stati di buio. 1i~ Quando l'impulso è rallentato dalla nube, si
equivoci, alcuni fisici propongono di rinominarla «costante c Inoltre le collisioni tra gli atomi possono distruggere la so- misura il suo ritardo (curva a punti).
di Einstein». Una volta distinti i due significati, le condizioni vrapposizione di stati. Dopo un millisecondo, l'impulso d'usci- Per fermare l'impulso, si spegne il fascio
perché si verifichi l'effetto Cerenkov non sono assurde. ta risultante è decisamente più debole dell'originale. In realtà, di accoppiamento (in basso) quando tutto
Nell'acqua, la luce si muove a una velocità pari a circa 0,75 c. ci si può ancora appellare a qualche trucchetto: per esempio se Fa= l'impulso si trova nella nube. Il tempo in cui
il fascio di accoppiamento viene riacceso a un'intensità più al-
Perciò le particelle possono muoversi più velocemente della FASCIO DI SONDA (impulsi) l'impulso viene fermato (in questo caso circa 35
ta, l'impulso in uscita sarà più luminoso, ma risulterà più cor-
luce senza superare il limite universale c. microsecondi) si aggiunge al ritardo. Gli impulsi
to. Se si accende e si spegne rapidamente diverse volte il fascio
•Qual è il valore della velocità della luce? di accoppiamento, l'impulso luminoso si rigenera in diverse FASCIO DI MISURA rallentati perdono intensità perché la nube non è
c è esattamente pari a 299 792 458 metri al secondo. parti. Queste manipolazioni dimostrano il grado di controllo perfettamente trasparente, e gli impulsi congelati
•Esattamente? Come può essere pari a un numero intero? che si può avere sugli impulsi registrati, e potranno essere uti- si degradano via via, a causa della diffusione e
Dietro a questo numero intero c'è un trucco metrologico: li per esperimenti e applicazioni futuri. delle collisioni degli atomi che li trattengono.
oggi il metro è definito infatti come la distanza percorsa A
Buchi neri e computer
dalla luce in 1/299 792 458esimo di secondo. I metrologi
Un'altra applicazione per la luce lenta e congelata potrebbe loci in strutture di stati di buio e viceversa, offre un mezzo
indicano il metro in questo modo poiché questa definizione Il processo di rallentamento e di arresto della luce apre la trovarsi nei computer quantistici, in cui gli usuali bit binari O e 1 straordinario per convertire reciprocamente questi due tipi di
è più precisa di tutte le possibili alternative. strada a molti esperimenti interessanti. Per esempio, potremmo sono rimpiazzati da O e 1 quantistici che prendono il nome di qubit, un processo che sarebbe essenziale per la costruzione di
•Perché c è un limite di velocità? inviare un impulso luminoso attraverso un condensato di Bose- qubit. Questi computer, se potranno mai essere costruiti, potreb- computer quantistici su larga scala. Possiamo immaginare di
Questo punto è legato alla reale importanza di c, che Einstein con la velocità della luce calibrata in modo che abbia bero risolvere problemi che richiederebbero un tempo insosteni- imprimere due impulsi nella stessa nube atomica, permettendo
definisce una relazione fondamentale tra spazio e tempo. esattamente la velocità del suono nel condensato (circa un cen- bilmente lungo ai computer ordinari. Esistono due vaste catego- agli atomi di interagire, per poi leggere il risultato dell'«opera-
timetro al secondo). Gli atomi del condensato dovrebbero flut- rie di qubit: quelli che stanno in un posto e interagiscono l'uno zione» generando nuovi impulsi luminosi di uscita.
Una distanza di 299 792 458 metri equivale a un intervallo
tuare sulla superficie con l'impulso luminoso, provocando oscil- con l'altro rapidamente (come gli stati quantici degli atomi) e Anche se la luce congelata non dovesse dimostrarsi il mez-
di tempo di un secondo. Questo è il messaggio della relatività
lazioni dell'intero condensato. I condensati possono anche esse- quelli che viaggiano rapidamente da un luogo all'altro (fotoni), zo più conveniente e versatile per costruire un computer quan-
speciale di Einstein: lo spazio e il tempo sono aspetti diversi re prodotti in uno stato di vortice, in cui il gas ruota un po' co- ma difficilmente interagiscono nel modo utile per un computer tistico, ha aperto applicazioni a sufficienza da tenerci occupati
di un'unica entità che chiamiamo spazio-tempo. me l'acqua in un mulinello. Un impulso di luce lenta che viaggia quantistico. Il sistema della luce lenta, trasformando fotoni ve- per tutte le notti a venire...
Nello spazio-tempo, se si potesse muoversi più in un vortice si troverebbe trascinato con il gas, un fenomeno
velocemente di c, si potrebbe viaggiare nel passato. Il molto simile a quanto accade in prossimità della superficie di un LIOG RAFIA
buco nero. Con la luce lenta, potremmo studiare in laboratorio
viaggio nel tempo provocherebbe paradossi logici tra causa
ed effetto, il che convince molti fisici che un tale viaggio (e questo e altri fenomeni caratteristici dei buchi neri. HARRIS STEPHEN E., Electromagnetically lnduced Transpa- cond in an Ultracold Atomic Gas in «Nature», 397, pp. 594-598,
La luce lenta ci permette anche di avviare un nuovo tipo di rency in «Physics Today», 50, n. ?, luglio 1997. 18 febbraio 1999.
quindi anche la trasmissione dell'informazione a velocità
ottica non lineare, che si ha in particolare quando un fascio la- TOWSEND CRISTOPHER, KETTERLE WOLFGANG e STRINGARI SANDRO, LIU CHIEN, DUTTON ZACHARY, BEHROOZI CYRUS H. e VESTERGAARD
superiori a c) sia impossibile. Ma ci sono anche altre ragioni, ser altera le proprietà di un altro fascio. L'ottica non lineare è La condensazione di Bose-Einstein in «Le Scienze», n. 347, 1997. HAU LENE, Observation of Coherent Optical Information Stora-
non ultima la totale mancanza di prove sperimentali che un vastissimo campo di ricerca, sia per l'interesse teorico che VESTERGAARD HAU LENE, HARRIS S. E., DUTTON ZACHARY e BEH- ge in an Atomic Medium Using Halted Light Pulses in «Natu-
esistano oggetti in grado di viaggiare più veloci di c. suscita, sia per le applicazioni, dall'elaborazione di immagini ROOZI CYRUS H., Light Speed Reduction tu 17 Metres per Se- re», 409, pp. 490-493, 25 gennaio 2001.
alle telecomunicazioni.
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SO LE SCIENZE 396 / agosto 2001 www.lescienze.it
Clima tropicale e mancato accesso al commercio marittimo
hanno danneggiato le nazioni più povere. Solo
nuovi programmi di aiuto potranno avviarle alla prosperità
di Jeffrey D. Sachs,
Andrew D. Mellinger
e John L. Gallup
•Prodotto nazionale lordo
per chilometro quadrato
• 50 - $499
Tropico del Cancro •
51100 - 52999
53000 - 58099
• $8100 - $21 999
— 52 2 000 - 559 999
'560 000 - $162 999
LA DISTRIBUZIONE MONDIALE
$463 000 - $441 999
DEL SUCCESSO ECONOMICO è
$442 000 - $546 000 000
ben descritta da questa carta
- Vie d'acqua navigabili
del mondo che rappresenta
la densità del PNL,
il prodotto della densità
della popolazione
per il prodotto nazionale
lordo pro capite.
Il successo si concentra
lungo le coste e le vie
d'acqua navigabili
delle zone temperate.
Tropico del Capricorno
DELLA E DELLA
P0 VE TA RICCHEZZA'
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