26 febbraio 2011

Le meravigliose onde radio a cavatappo

Spunta anche una sigla radioamatoriale, SM5DFW, nel curriculum del professor Bo Thidè, un astrofisico svedese dell'Istituto di Fisica dello Spazio che si occupa, tra le altre cose, di emissioni radio dei plasmi e radioastronomia su basse frequenze ed è co-autore delle ricerche che hanno portato alla scoperta di nuove applicazioni della trasmissione di onde radio e alla moltiplicazione delle risorse spettrali esistenti. Ma c'è anche la firma di un astrofisico italiano dell'università di Padova, Fabrizio Tamburini, che già nel 2010, invitato a presentare queste ricerche al "Celsius Symposium 2010" aveva annunciato le potenziali applicazioni di tecniche sviluppate in campo radioastronomico per lo studio dei buchi neri rotanti.
Tutto nasce dallo studio degli effetti di grosse masse gravitazionali sulla luce, che passando radente a queste masse subisce un effetto di "vorticità" o "momento angolare orbitale" simile all'avvitamento di un cavatappi. Tamburini e Thidé hanno studiato il modo di osservare questi effetti e di riprodurli in trasmissione, utilizzando particolari tipi di array di antenne. In gioco non c'è solo la capacità di rilevare questa forma di spin ottico nell'osservazione dei buchi neri (possibilità comunque interessante perché consente di validare in modo più preciso le teorie einsteiniane della relatività generale). La vorticità ottica potrebbe essere applicata anche alla ricetrasmissione radio per incrementare la capacità di banda di una porzione di spettro. La vorticità o spin di una portante potrebbe diventare una nuova "dimensione" di multiplazione, insieme alla suddivisione di tempo, frequenza, polarizzazione, per trasmettere più informazione su uno stesso canale. Le onde radio a cavatappo (o "a fusillo" come titolava lo scorso anno TGR Leonardo) possono essere intrecciate tra loro, in modo che più portanti a frequenza identica ma a diversa vorticità, possano viaggare senza interferirsi a vicenda.
Secondo gli articoli apparsi in questi giorni su riviste scientifiche come Nature e Scientific American, si potrebbero ottenere incrementi di capacità di almeno nove volte. Come dire che i 20 programmi e rotti di un multiplex DAB+ potrebbero diventare quasi 200.
Un primo esperimento di trasmissione "vorticosa" si terrà tra pochi giorni a Venezia, in occasione di un simposio organizzato per la presentazione al grand pubblico dei due ricercatori. Dall'11 al 12 marzo l'evento che si terrà alla Fondazione Giorgio Cini prevede anche una sessione sperimentale con un tentativo di collegamento a onde vorticose tra Piazza San Marco e l'Isola San Giorgio. I dettagli di questo evento si trovano sul sito Vortici e Frequenze. Un articolo su Science News descrive in modo accurato il significato e la portata degli esperimenti italo-svedesi.
(Grazie a Renato per la segnalazione dell'articolo apparso in questi giorni su S.A.)

Black holes take light for a spin

Newly discovered effect could aid observations of Milky Way's monster
By Ron Cowen

Given how weird black holes are, it’s only fitting that researchers have found a screwy way to detect the rotation of these gravitational monsters. Existing telescopes could be equipped with special detectors to record the twist imprinted on light waves that pass near a rapidly spinning black hole, Bo Thidé of the Swedish Institute of Space Physics in Uppsala and his colleagues report online February 13 in Nature Physics.
The newly discovered effect that spinning black holes have on light waves is a consequence of Einstein’s theory of relativity and based on numerical simulations performed by his team, says Thidé. Researchers had already predicted and found some evidence that rotating black holes and neutron stars stir the fabric of surrounding space and time like pancake batter, an effect known as frame dragging (SN: 9/2/00, p. 150).
But researchers hadn’t explored in detail the possibility that rotating black holes could also take light for a spin, imparting angular momentum to the radiation, comments Martin Bojowald of Pennsylvania State University in University Park. “The black hole influences spacetime in such a way that light with net orbital angular momentum is automatically produced,” he says.
Light waves are made up of crests and troughs. Those light waves that travel in unison and unimpeded through space have wave fronts — the imaginary surface over which the crest of one wave lines up with the crest of another — that are planes. In contrast, when light passes near a black hole, each photon acquires a twist that alters the wave surface from a plane to a spiral staircase centered around the direction of travel of the light beam.
“What is new and exciting is the proposal that the effect is actually measurable for the black hole at the center of our galaxy,” says Saul Teukolsky of Cornell University.
Thidé says his team will review radio telescope observations of the Milky Way’s supermassive black hole to see if the twisted light effect has already shown up. Bojowald says the technique “will not be an immediate tool for actual observations of black holes, but it looks promising enough to suggest upgrading telescopes” so they can search for it.
In the meantime, he says, twisted light “gives us a new means to test general relativity and spacetime.”

3 commenti:

Massimiliano ha detto...

Non ho pero` capito se e come questa proprieta` delle onde ha a che fare con la polarizzazione circolare. Si tratta forse di variare la "velocita`" con cui l'onda ruota?

Andrea Lawendel ha detto...

Anch'io avevo pensato a una somiglianza con la polarizzazione, ma questa riguarda una proprietà diversa riferita all'orientamento del piano di una oscillazione o nel caso della polarizzazione circolare, la rotazione costante del vettore E. Come afferma uno degli scopritori, citato in un articolo su Scientific American:

"It is a strange, rotating type of light," says Bo Thidé of the Swedish Institute of Space Physics in Uppsala. "We call it twisted light, spiraling light—there's no good name for it." The orbital angular momentum is distinct from polarization, which relates to the orientation of a light wave.

La mia conoscenza dell'ottica dagli anni dei miei (incompleti) studi in fisica è alquanto lacunosa, ma qui abbiamo a che fare con il concetto di fronte di fase in un fascio di luce con un particolare tipo di distribuzione. Il momento angolare orbitale è diverso dallo spin e potrebbe consentire la trasmissione di stati potenzialmente infiniti (a patto di poterli distinguere) di fasci di onde di lunghezza d'onda uguale. A ciascun momento angolare corrisponderebbe un valore informativo diverso. Una spiegazione purtroppo molto complessa del concetto in ottica si trova in questo articolo sul sito dell'Università di Glasgow . Anche qui si fa la similitudine tra il fronte d'onda e il fusillo.

Anonimo ha detto...

Abbiamo dovuto reinviare l'esperimento per problemi organizzativi riscontrati durante la fase preparativa dell'evento. Si farà molto probabilmente in altra locazione più avanti.

Fabrizio Tamburini