Forza di corpo nero

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Un corpo nero è, in fisica, un oggetto ideale che assorbe tutta la radiazione elettromagnetica incidente senza rifletterla, ed è perciò detto “nero” secondo l’interpretazione classica del colore dei corpi.

Assorbendo tutta l’energia incidente, per la legge di conservazione dell’energia il corpo nero re-irradia tutta l’energia assorbita (coefficiente di emissione uguale a quello di assorbimento e pari a uno). Si tratta di una idealizzazione fisica, dal momento che in natura non esistono corpi che soddisfano perfettamente tale caratteristica.

La radiazione emessa da un corpo nero viene detta radiazione del corpo nero e la densità di energia irradiata spettro di corpo nero. Lo spettro (intensità o densità della radiazione emessa in funzione della lunghezza d’onda o della frequenza) di un corpo nero è uno spettro dalla caratteristica forma a campana (più o meno asimmetrica e più o meno schiacciata) dipendente unicamente dalla sua temperatura T e non dalla materia che lo compone. La differenza tra lo spettro di un oggetto reale (per esempio il sole) e quello di un corpo nero ideale permette di individuare la composizione chimica di tale oggetto (nel caso del sole, idrogeno ed elio). Tale analisi viene realizzata nell’ambito della spettroscopia.

Quindi, oggetti perfettamente non riflettenti, detti corpi neri, producono radiazione di corpo nero quando sono ad una temperatura uniforme. Sebbene le proprietà di radiazione di corpo nero dipendono dalla temperatura del corpo nero, questa radiazione è sempre stata pensata avere un effetto repulsivo netto.

Nel 2013 gli scienziati, M. Sonnleitner, dell’Università di Innsbruck e Innsbruck Medical University in Austria, M. Ritsch-Marte, dell’Innsbruck Medical University, e H. Ritsch dell’Università di Innsbruck, in una pubblicazione su Physical Review Letters, hanno dimostrato teoricamente che la radiazione di corpo nero induce una seconda forza su atomi e molecole vicine che di solito è attrattiva, e, sorprendentemente, anche più forte della pressione di radiazione respingente. Di conseguenza, gli atomi e le molecole sono attratti verso la superficie del corpo nero con una forza attrattiva  che può essere ancora più forte della gravità. La nuova forza, che gli scienziati hanno chiamato “forza di corpo nero“, suggerisce che una varietà di scenari astrofisici dovrebbero essere rivisitati.

La base teorica sottostante alla nuova forza è effettivamente conosciuta da almeno mezzo secolo: la radiazione di corpo nero sposta i livelli energetici atomici di atomi e molecole nelle vicinanze. In questi “spostamenti Stark,” lo stato fondamentale dell’atomo o molecola viene spostato ad un’energia inferiore di una quantità che è approssimativamente proporzionale alla quarta potenza della temperatura del corpo nero.

In sostanza, più è caldo il corpo nero, più è grande il lavoro. Anche se questo era già noto, le potenziali ripercussioni di questi cambiamenti energetici sono stati trascurati fino ad ora. Nello studio del 2013, gli scienziati hanno per la prima volta dimostrato che gli spostamenti Stark indotti dalla radiazione di corpo nero possono combinarsi per generare una forza ottica attraente che domina la propria pressione di radiazione repulsiva del corpo nero. Ciò significa che, nonostante l’uscita radiativa del flusso di energia, una sfera calda di dimensioni finite, attira piuttosto che respingere atomi e molecole neutre, sotto la maggior parte delle condizioni. Gli scienziati hanno poi calcolato la forza della forza attrattiva, e hanno scoperto alcune cose interessanti. In primo luogo, la forza decresce con la terza potenza della distanza dal corpo nero. Inoltre, la forza è più forte per gli oggetti più piccoli e la forza è più forte per gli oggetti più caldi, fino a un certo punto. Al di sopra di un qualche migliaio di gradi Kelvin, la forza si modifica da attrattiva a repulsiva.

                                    Illustrazione di un corpo nero cilindrica e un atomo nelle vicinanze. Credit: Muniz et al. © 2017 EPL

Ora, in un nuovo studio pubblicato su EPL, una squadra diversa di fisici, CR Muniz et al., della Ceará State University e l’Università Federale del Ceará, in Brasile, hanno teoricamente dimostrato che la forza di corpo nero non dipende solo dalla geometria dei corpi stessi, ma anche dalla geometria dello spazio-tempo circostante e dalla topologia. In alcuni casi, i valori di questi ultimi fattori aumentano significativamente la forza della forza di corpo nero. I risultati hanno implicazioni per una varietà di scenari di astrofisica, come pianeti e formazione stellare, e per gli esperimenti basati in laboratorio. “Questo lavoro mette la scoperta della forza di corpo nero, nel 2013,  in un contesto più ampio, che coinvolge forti sorgenti gravitazionali e oggetti esotici come  stringhe cosmiche e quelle più prosaiche trovate nella materia condensata“, ha detto Muniz.

Nel nuovo studio, i fisici hanno studiato corpi neri sferici e cilindrici, e mostrano come la topologia e la curvatura locale dello spazio-tempo influenzino le forze sul corpo nero. Essi hanno dimostrato che corpi neri sferici ultradensi, come una stella di neutroni (attorno alla quale lo spazio-tempo è molto curvo), generino una forza di corpo nero più forte dovuta alla curvatura, rispetto ai corpi neri in uno spazio-tempo piatto.

I ricercatori hanno spiegato che questo succede perché la gravità modifica sia la temperatura del corpo nero che l’angolo solido in cui gli atomi e molecole vicine “vedono” il corpo nero. D’altra parte, un corpo nero meno denso come il nostro Sole (dove lo spazio-tempo è meno curvo) genera una forza di corpo nero che è molto simile a quella del caso dello spazio-tempo piatto.

I ricercatori hanno poi considerato il caso di un monopolo globale, un oggetto sferico che modifica le proprietà globali dello spazio, e hanno riscontrato un diverso tipo di influenza. Mentre per altri corpi neri sferici, l’influenza dello spazio-tempo è gravitazionale e diminuisce con la distanza dal corpo nero, per il monopolo globale l’influenza è di natura topologica, decrescente con la distanza, ma fino a raggiungere un valore costante.

Infine, nell’esaminare la forza di corpo nero nei corpi neri cilindrici attorno ai quali lo spazio-tempo è localmente piano, gli scienziati non hanno trovato alcuna correzione gravitazionale alla temperatura, ma, sorprendentemente, un effetto sugli angoli con oggetti vicini. E quando un corpo nero cilindrico diventa infinitamente sottile, trasformandosi in una stringa cosmica ipotetica, la forza di corpo nero svanisce completamente. Nel complesso, gli scienziati si aspettano che queste influenze geometriche e topologiche di recente scoperta sulla forza di corpo nero contribuiscano a chiarire il ruolo di questa forza insolita su oggetti in tutto l’universo.

Riteniamo che l’intensificazione della forza di corpo nero dovuta alle sorgenti ultradense può influenzare in modo rilevabile fenomeni associati con esse, come l’emissione di particelle molto energetiche, e la formazione di dischi di accrescimento attorno ai buchi neri“, ha detto Muniz. Questa forza può anche aiutare a rivelare la radiazione di Hawking emessa da questi ultimi, poiché sappiamo che tali radiazioni obbediscono allo spettro del corpo nero. In futuro, vorremmo studiare il comportamento di questa forza in altri tipi di spazio-tempo, così come l’influenza delle dimensioni extra su di esso.”

Fonte: Phys.org

Stefania de Luca è owner del gruppo facebook Astrofisica, cosmologia e fisica particellare