Conversione da Terahertz a Microhertz

Informazioni sul Terahertz (THz)

Il terahertz è un’unità di frequenza pari a mille miliardi di hertz. Il suo simbolo è THz. Occupa il varco fra le frequenze radio più alte e la luce infrarossa più bassa, una regione che per gran parte del Novecento fu tanto difficile da generare o rivelare da essere chiamata il divario dei terahertz.

La difficoltà era pratica e non teorica. Gli oscillatori elettronici perdono fiato oltre qualche centinaio di gigahertz perché i portatori di carica non rispondono abbastanza in fretta, mentre le sorgenti ottiche come i laser perdono rendimento al di sotto dell’infrarosso. La banda intermedia non aveva tecnologia comoda da nessuno dei due lati, e restò per decenni la porzione meno esplorata dello spettro elettromagnetico.

Ciò è cambiato con i laser ultrarapidi e le antenne fotoconduttive, che generano impulsi terahertz illuminando un semiconduttore con un impulso laser di pochi femtosecondi. La spettroscopia terahertz nel dominio del tempo misura oggi la risposta dei materiali su tutta la banda, e la tecnica è divenuta uno strumento corrente della scienza dei materiali.

Il controllo di sicurezza è l’applicazione più nota. La radiazione terahertz attraversa abiti, carta, plastica e ceramiche ma è fermata dal metallo e assorbita dall’acqua, e la sua energia per fotone è troppo bassa per ionizzare alcunché, sicché può formare immagini di oggetti nascosti senza i rischi dei raggi X. Gli scanner corporei degli aeroporti funzionano su questo principio.

La spettroscopia molecolare usa la banda perché molte molecole grandi vi possiedono modi di rotazione e vibrazione. Esplosivi e stupefacenti mostrano firme terahertz caratteristiche, e la tecnica serve al controllo di qualità farmaceutico per distinguere forme cristalline che altri metodi rendono identiche. Il restauro d’arte la applica per vedere sotto gli strati di colore senza toccare una tela.

L’astronomia osserva a queste frequenze da siti alti e secchi oppure dall’orbita, perché il vapore acqueo atmosferico assorbe fortemente la radiazione terahertz. La polvere fredda e il gas molecolare delle regioni di formazione stellare irradiano qui, ed è per questo che gli osservatori si costruiscono ad alta quota in Cile e al polo sud.

La ricerca nelle comunicazioni ha cominciato a entrare nella banda. Le velocità di trasmissione crescono con la larghezza di banda disponibile, e sopra i 100 gigahertz vi è assai più spazio che sotto, sicché i laboratori hanno dimostrato collegamenti senza fili capaci di centinaia di gigabit al secondo a frequenze prossime al terahertz. L’ostacolo è che il vapore acqueo assorbe fortemente queste onde, limitando un collegamento a poche centinaia di metri con aria limpida e a assai meno sotto la pioggia. Ciò confina la tecnica a salti brevi: collegamenti fra antenne sui tetti, tratte dentro un centro dati, o l’ultimo tratto fra un lampione e un edificio, e non qualcosa che somigli a una radiodiffusione.

Un terahertz equivale a mille miliardi di hertz, a 1000 gigahertz o a una lunghezza d’onda di circa 0,3 millimetri.

Informazioni sul Microhertz (µHz)

Il microhertz è un’unità di frequenza pari a un milionesimo di hertz. Il suo simbolo è µHz. Un microhertz è un ciclo per milione di secondi, poco più di undici giorni e mezzo, sicché l’unità misura cose che si ripetono su scale di settimane, mesi o anni.

L’asterosismologia è l’ambito in cui è più usata. Le stelle oscillano, e le frequenze di quelle oscillazioni dipendono dalla loro struttura interna come l’altezza di una campana dipende dalla forma e dallo spessore. Le stelle simili al Sole risuonano a qualche migliaio di microhertz, le giganti rosse a qualche decina, e le più grandi stelle evolute sotto l’unità. Telescopi spaziali come Kepler e TESS hanno misurato queste frequenze per centinaia di migliaia di stelle osservandone la luminosità variare di poche parti per milione.

La tecnica fornisce grandezze che nessun altro metodo può dare. Dallo spettro di oscillazione un astronomo ricava massa, raggio ed età di una stella, e l’età di una stella è altrimenti quasi impossibile da determinare. È così che oggi si stabiliscono le età delle stelle con pianeti e quindi dei loro sistemi planetari.

Anche l’astronomia delle onde gravitazionali ha rivendicato la banda. L’osservatorio spaziale previsto LISA sarà sensibile fra circa 100 microhertz e un hertz, intervallo che contiene buchi neri supermassicci in fusione e le molte migliaia di nane bianche binarie strette della nostra galassia. I rivelatori a terra non raggiungono queste frequenze perché il rumore sismico li sommerge.

La geofisica usa l’unità per le componenti di marea più lente, comprese le maree lunari quindicinale e mensile e quelle solari semestrale e annuale, che insieme producono le variazioni di lungo periodo che le previsioni di marea devono includere. Il moto polare, l’oscillazione dell’asse di rotazione terrestre, ha un periodo di quattordici mesi corrispondente a circa 0,8 microhertz.

Le scienze del clima e dell’oceano scendono ancora più giù. L’Oscillazione Australe di El Niño torna irregolarmente ogni due-sette anni, ben sotto il centesimo di microhertz, e le lunghe carote di ghiaccio risolvono cicli ancora più lenti.

La Terra stessa offre un esempio da manuale. Il suo asse di rotazione vaga in un piccolo cerchio con un periodo di circa 433 giorni, l’oscillazione di Chandler scoperta nel 1891, ossia una frequenza di circa 0,027 microhertz. Rilevarla richiese decenni di astronomia di posizione, perché un segnale così lento si separa dalla deriva solo osservando molti cicli. È il vincolo generale della banda: una misura a un microhertz richiede una registrazione di almeno qualche milione di secondi, e preferibilmente qualche decina di milioni, sicché gli strumenti devono restare stabili per anni prima che i loro dati siano leggibili. L’unità appartiene dunque alle scienze pazienti e non a quelle veloci.

Un microhertz equivale a 0,000001 hertz, a un ciclo per milione di secondi o a 1000 nanohertz.