Il labirinto dei fotoni



A cura di Franco Palerno, ricercatore di fisica della particelle presso l’Università di Boston

Il Sole dona alla Terra luce e calore, la vita non sarebbe possibile senza di esso, ma l’argomento di cui voglio parlare oggi è più “leggero”, ovvero, quando osserviamo il Sole, in realtà cosa “vediamo”? La luce direte voi, vero, ma da cosa è composta la luce? Da Fotoni, particelle elementari mediatrici dell’interazione elettromagnetica (non discuterò qui sulla natura duplice del fotone, ondulatoria e corpuscolare, ne della massa del fotone).

Lo spettro elettromagnetico

Chiariamo che la luce visibile rappresenta una piccolissima parte dello spettro elettromagnetico.

Ricordate, dai raggi gamma, alle onde radio (e oltre) TUTTO lo spettro elettromagnetico è mediato (diciamo trasportato) dai fotoni. Ricordate poi che i fotoni si muovono SEMPRE alla velocità della “luce”, e non potrebbe essere altrimenti visto che i fotoni SONO la luce, qualunque frequenza o lunghezza d’onda essi possiedano (dai raggi gamma alle onde radio). Quello che cambia (semplificando) è l’energia che i fotoni “trasportano”, un fotone alla frequenza dei raggi gamma trasporta un’energia, mediamente, superiore di 200.000 volte all’energia della luce visibile, un’energia in grado di sterilizzare qualsiasi forma di vita. Quindi il Sole emette dei fotoni a diverse frequenze, fra cui la luce visibile, ma precisamente da dove vengono questi fotoni? Da tutte le parti che compongono il Sole? No, sebbene vengano “sparsi” nello spazio da tutta la superficie solare i fotoni vengono generati SOLAMENTE nel nucleo solare, nel suo centro. Infatti solo nel centro del Sole (e delle altre stelle) esistono le condizioni di calore, pressione, densità che permettono i fenomeni di fusione nucleare, ovvero solo nel nucleo atomi di idrogeno si fondono insieme generando atomi di elio ed energia, ovvero fotoni ad altissima energia, cioè raggi gamma (non specifico qui i passaggi attraverso cui ciò avviene). Ora, se questi fotoni gamma uscissero dal sole e raggiungessero la Terra, noi non riceveremo luce e calore, i doni che permettono la vita, ma solo una marea di radiazioni ad altissima energia, mortali e in grado di sterilizzare l’intero pianeta. Quindi, perché noi riceviamo (principalmente) luce e calore dai fotoni del Sole? Perché i fotoni che vengono diffusi nello spazio NON SONO GLI STESSI generati nel nucleo.

Il viaggio dei fotoni

Fortunatamente il viaggio dei fotoni gamma verso l’esterno è estremamente complicato. L’altissima densità del plasma nella parte interna del Sole (per circa un diametro di 1.000.000 di km) rappresenta per la radiazione elettromagnetica (fotoni) un intricatissimo labirinto. Mediamente un fotone gamma appena creato percorre circa 0,5 mm (mezzo millimetro) prima di terminare la propria “vita” collidendo con un elettrone o, più raramente con un nucleo atomico. Quando un fotone colpisce un elettrone gli trasferisce energia e momento modificandone velocità e traiettoria (effetto di Compton dal nome del fisico che per primo descrisse il fenomeno). Nell’urto il fotone viene “assorbito” dall’elettrone che successivamente emette un altro fotone dotato di minore frequenza e quindi minore energia e, inoltre di una traiettoria differente del fotone originale. Un po come nel gioco del bigliardo dove due bocce che collidono modificano le loro traiettorie perdendo inoltre energia. Rammento che i fotoni non possono perdere velocità ma solo energia.

Ricapitolando il primo fotone scompare nella collisione, ed il secondo emesso successivamente possiede un’energia minore ed una diversa traiettoria.

Dato l’enorme numero di elettroni e fotoni presenti le collisioni sono onnipresenti, secondo alcuni calcoli ogni singolo fotone gamma emesso nel nucleo collide mediamente 1,1 x 10^25 volte (11 quadrilioni di volte, ovvero 11 seguito da 24 zeri, provate a scriverlo), prima di uscire da questa regione solare. Osservando le traiettorie della catena di fotoni generati da un singolo fotone gamma iniziale in seguito alle innumerevoli collisioni, osserveremmo un tracciato super-contorto e lunghissimo, ricordo sempre, un percorso lunghissimo effettuato sempre alla velocità della luce. Rammento anche che dopo ogni collisione, il fotone riemesso possiede un’energia inferiore del precedente (per nostra fortuna oserei dire). Dunque pur viaggiando alla velocità della luce i fotoni impiegano un tempo lunghissimo prima di poter “lasciare” il Sole.

Ma quale è la durata del viaggio di un fotone prima che possa viaggiare “libero” nello spazio? Beh in realtà nessuno può affermarlo con precisione, per saperlo sarebbe necessario “sezionare” il Sole e osservarne densità, opacità ed altro alle varie profondità, ma, non essendo (ovviamente) possibile farlo dobbiamo limitarci ai dati teorici, anche se supportati da conferme ricavate con vari metodi come la “eliosismologia”.

Definizione di eliosismologia

Branca della fisica solare che studia le onde che agitano la superficie del Sole. Queste onde, scoperte nel 1960 da R. Leighton, sono di tipo acustico e hanno periodi caratteristici dell’ordine di 5 minuti. Dalla loro osservazione si deducono importanti informazioni sulla struttura interna del Sole. (cit.)

Nel corso del tempo le cifre sono variate molto, secondo le ipotesi più estreme da un minimo di 5000-6000 anni fino ad un massimo di 20 milioni di anni.
Secondo uno studio (forse il più accurato e riportato) pubblicato nel 1992 da The Astrophysical Journal il tempo medio necessario ad un fotone per “fuggire” dal Sole è di 170.000 anni.
In altre parole noi saremmo illuminati da una luce che ha iniziato a viaggiare quando sulla Terra vivevano i primi Homo Sapiens della lontanissima preistoria.

Pensateci un momento la prossima volta che osserverete il Sole.

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