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Esopianeti che non dovrebbero esserci

17 Giu

Nell’ambito della ricerca della vita fuori dal sistema solare, diverse volte abbiamo parlato di esopianeti:

A caccia di vita sugli Esopianeti

Nuovi esopianeti. Questa volta ci siamo?

Come visto, questi corpi, orbitanti intorno ad una stella centrale, cosi’ come avviene nel nostro Sistema Solare, sono molto studiati perche’ consentono di aprire una finestra nell’universo a noi vicino. Lo studio di questi corpi e la loro posizione, consente dunque di determinare quali e quanti pianeti potrebbero esserci in grado di ospitare la vita. Come sottolineato diverse volte, dire che un pianeta e’ in grado di ospitare la vita, non significa assolutamente affermare che questa si sia veramente formata. In questi casi, parliamo di “fascia di abitabilita’”, appunto per indicare la presenza di pianeti ad una distanza tale dalla loro stella, adatta a creare le condzioni minime per lo sviluppo della vita. Molto lavoro e’ in corso su questi esopianeti, prima di tutto per studiare la tipologia dei corpi, ma soprattutto perche’ questi sistemi planetari offrono un laboratorio eccezionale per capire l’origine del nostro stesso sistema Solare.

Immagine pittorica del sistema Hydrae

Immagine pittorica del sistema Hydrae

In tal senso, il sistema TW Hydrae, e’ uno dei principali, trovandosi ad appena 180 anni luce da noi ma soprattutto perche’ e’ un sistema molto giovane. Il sistema planetario e’ costituito da una nana rossa centrale, con una massa solo di poco inferiore a quella del nostro sole (circa il 70%). Come detto, si tratta di un sistema molto giovane che si e’ formato “appena” 8 milioni di anni fa e proprio per questo motivo, i processi di formazione e aggregazione di materia sono ancora in corso.

Solo pochi giorni fa, e’ stato pubblicato un importante articolo che riguarda l’osservazione di un piccolo pianeta nel sistema TW Hydrae con una massa compresa tra le 6 e le 28 masse terrestri. Cosa ha di tanto speciale questo pianeta? La particolarita’ e’ che questo pianeta orbita ad una distanza di circa 12 milioni di kilometri dalla stella centrale, cioe’ in una zona dove, secondo gli attuali modelli, questo pianeta non dovrebbe esistere.

Da dove nasce questa affermazione?

Prima di tutto, come discusso in altri articoli, i pianeti vengono formati per aggregazione di materia dal disco orbitante intorno alla stella centrale. Per circa 3 milioni di kilometri prima del piccolo pianeta, non c’e’ materiale utile per l’accrescimento del corpo. Inoltre, dai modelli conosciuti, un corpo del genere avrebbe impiegato un tempo lunghissimo, molto piu’ lungo dell’intera vita del sistema planetario, per formarsi.

Per fare un esempio, Giove si e’ formato in un tempo di circa 10 milioni di anni. Il piccolo pianeta avrebbe richiesto un periodo circa 200 volte piu’ lungo per aggregare il materiale, contro una stima dell’eta’ del sistema planetario di soli 8 milioni di anni.

Capite dunque l’importanza di questa osservazione. Ovviamente, il tutto dovra’ poi essere verificato con ulteriori misurazioni. Ad oggi, l’osservazione in questione e’ stata possibile grazie all’uso della camera sensibile al vicino infrarosso e allo spettrometro presenti sul telescopio Hubble.

Per farvi capire l’importanza delle successive misurazioni, ad oggi, gli strumenti utilizzati non consentono, ad esempio, di visualizzare il disco di materiale intorno alla stella centrale. Il motivo di questo e’ di facile comprensione, le emissioni da parte dell’idrogeno vengono automatiamente riassorbite all’interno del disco non apparendo visibili all’esterno.

Esistono ovviamente teorie alternative gia’ formulate e che potrebbero in qualche modo spiegare la presenza del pianeta in quella posizione. Una delle piu’ discusse e’ quella che vorrebbe la possibilita’ che il disco di accrescimento diventi instabile in alcuni casi, portando dunque materiale in zone piu’ lontane dalla stella centrale e consentendo la formazione di pianeti molto periferici.

Concludendo, la presenza di questo piccolo esopianeta orbitante a distanza cosi’ elevata dalla stella centrale, non sarebbe spiegabile con i modelli attualmente accettati. Questa scoperta implica dunque una ridiscussione di alcuni meccanismi di formazione, appunto per capire come sia possibile formare oggetti massivi a distanza cosi’ elevata dal corpo centrale. Ovviamente, questo non significa assolutamente che i precedenti modelli siano da buttare. Cosi’ come avviene nelle scienze, l’osservazione di un fenomeno non aspettato, spinge ad una ridefinizione di alcuni modelli, dal momento che si potrebbero essere raggiunti i limiti di validita’ di quelli attualmente utilizzati. Sicuramente, per la sua piccola distanza e la giovane eta’, il sistema TW Hydrae ci offre un laboratorio senza eguali per comprendere e studiare i meccanismi di formazione dei pianeti del nostro universo, e, duqnue, anche del nostro sistema solare. Come vedete, il bello della scienza e’ anche questo; trovare qualcosa che non ci si aspettava e spingersi oltre per aumentare la conoscenza e la comprensione della natura.

 

Psicosi 2012. Le risposte della scienza”, un libro di divulgazione della scienza accessibile a tutti e scritto per tutti. Matteo Martini, Armando Curcio Editore.

Investire in un pezzo di telescopio

3 Giu

Per chi non lo conoscesse, il crowdfounding e’ quel sistema di raccolta fondi in cui chiunque puo’, con una donazione piccola o sostanziosa, contribuire a qualche progetto. Questa tecnica di raccolta fondi e’ molto in voga negli Stati Uniti e viene spesso utilizzata per raccogliere i soldi destinati alle piu’ svariate opere.

Per la prima volta nella storia pero’, il crowdfounding e’ stato proposto come sistema di raccolta fondi per la costruzione di un telescopio, ma non un telescopio di quelli che potete mettere in casa o dentro un osservatorio, un telescopio da inviare nello spazio e da mettere in orbita intorno alla Terra.

L’idea della raccolta fondi e’ della societa’ americana Planetary Resources, per ci lo avesse dimenticato, e’ la stessa compagnia di cui avevamo parlato, insieme a tante altre, affrontando il discorso dell’interesse dei privati nell’esplorazione spaziale. In particolare, questa societa’ si era evidenziata per gli studi sull’estrazione mineraria dai meteoriti e ha gia’ collaborato diverse volte con la NASA nella ricerca per le missioni su Marte.

A cosa servirebbe la raccolta fondi? Come detto, i soldi servono per costruire il telescopio orbitante Arkyd-100, da mandare in orbita nel 2015. Si tratta di uno strumento lungo 425 mm e dal peso di 15 Kg. E’ la prima volta che viene lanciata una simile campagna per la costruzione di un telescopio. Il motivo, come riportato dalla Planetary Resources, e’ molto semplice, il telescopio sara’ di tutti quelli che lo finanzieranno. In particolare, si pensa alle applicazioni e all’utilizzo di questo strumento da parte di scuole, universita’ e poli museali che potranno scaricare tutte le immagini della Terra da diverse angolazioni e da una prospettiva senza dubbio interessante.

Costo del progetto, 1 milione di dollari americani da raccogliere entro il 30 giugno. Pensate sia impossibile? In realta’ la soglia e’ gia’ molto vicina. Il giorno stesso in cui e’ stata lanciata la raccolta fondi, l’azienda ha raccolto 300000 dollari. Vista la particolarita’ dell’iniziativa, non sono mancati tra i finanziatori divi di Hollywood e altre personalita’ di spicco degli Stati Uniti.

Facciamo pero’ una riflessione. Se ci colleghiamo con il sito della NASA, possiamo gia’ scaricare ed utilizzare tutte le foto che vogliamo raccolte dai tanti telescopi in orbita intorno alla Terra. Dunque? Che significa che Arkyd-100 sara’ di tutti e che ci saranno dei vantaggi nel finanziare il progetto?

Come potete immaginare, le risposte a queste domande sono molto commerciali, in classico stile americano. Le donazioni possono essere fatte direttamente sul sito internet della societa’:

Planetary Resources

ed in linea di principio potete donare da 1 dollaro a quanto volete. Attenzione pero’, per avere qualche vantaggio dovete donare almeno 10 dollari.

Perche’?

Con 10 dollari si puo’ entrare a far parte della comunita’ che verra’ formata dopo il lancio di Arkyd-100. Far parte di questa cerchia di persone vi permette di poter richiedere una foto specifica da scattare. Dunque, il telescopio fara’ foto “on demand” rispondendo alle richieste dei finanziatori.

Ma i vantaggi piu’ grandi, almeno a detta della Planetary Resources, si hanno donando almeno 25 dollari. Con questa cifra infatti, si avra’ la possibilita’ di inviare una propria foto al telescopio che la visualizzera’ su uno schremo esterno e la fotografera’ direttamente nello spazio. Eccovi un esempio che trovate sul sito:

La foto personale che Arkyd-100 scattera' con un contributo minimo di 25 dollari

La foto personale che Arkyd-100 scattera’ con un contributo minimo di 25 dollari

Avrete dunque una vostra foto con uno sfondo del tutto particolare, la Terra vista dallo spazio.

Se poi volete esagerare e creare il vostro piccolo album di famiglia spaziale, con 450 dollari, potete scattere ben 3 foto spaziali.

Come vedete, il progetto nasconde ovviamente un sano contributo commerciale utilizzato per far leva sui potenziali finanziatori ed offrire premi diversi in base all’investimento fatto. Come detto, si tratta della prima iniziativa di questo tipo in assoluto, anche se, gia’ da tempo, gli archivi NASA sono a libero accesso e qualsiasi materiale multimediale puo’ essere tranquillamente utilizzato e distribuito. A fronte del piccolo investimento richiesto, e’ comunque interessante pensare di aver contribito ad un’opera di questo tipo, ovviamente non pensando solo alla foto personale che Arkyd-100 promette di scattare.

 

Psicosi 2012. Le risposte della scienza”, un libro di divulgazione della scienza accessibile a tutti e scritto per tutti. Matteo Martini, Armando Curcio Editore.

Come misurare distanza e velocita’ di una stella

16 Mag

Diverse volte ci siamo trovati a parlare di stelle e molto spesso abbiamo fatto riferimento alla loro distanza dalla Terra. Questo parametro e’ di fondamentale importanza in tantissime misure fisiche che vengono fatte e, ad esempio, quando abbiamo studiato il caso della WR104. La distanza tra noi e questa stella risultava determinante nell’analisi dell’eventuale Gamma Ray Burst che potrebbe investirci:

WR104: un fucile puntato verso la Terra?

Ora, nella sezione:

Hai domande o dubbi?

Un nostro caro lettore, ragionando su questo parametro, ha espresso un dubbio molto interessante. In particolare, la domanda fatta era mirata a capire come mai, eventualmente, lo spostamento verso il rosso delle stelle poteva essere simultaneamente utilizzato sia per misurare la distanza che lo spettro di una stella. Detto in termini matematici, come facciamo a ricavare due incognite da una sola equazione?

Cerchiamo di rispondere a questa domanda, spiegando anche cosa sarebbe questo spostamento verso il rosso, o redshift, ma soprattutto come vengono misurate le distanze in astronomia.

Questi concetti sono molto interessanti ed in genere trascurati in contesti divulgativi. Quando sentiamo parlare qualche astronomo, vengono tranquillamente citate distanze di anni luce da noi, senza pero’ far capire come sia possibile misurare questi parametri.

Andiamo con ordine, partendo proprio da questa prima riflessione. Come si misurano distanze cosi’ grandi, ma soprattutto distanze di oggetti che non possiamo toccare con mano?

La prima semplice tecnica e’ basata su misure di parallasse. Cosa significa? Per spiegare questo importante concetto, partiamo subito con un esempio. Supponente di guardare qualcosa distante da voi qualche metro. Potete proprio realizzare questo esperimento guardando gli oggettti che avete intorno. Bene, adesso scegliamo un oggetto piccolo o grande a piacere e facciamo un eperimento. Mettete un dito davanti ad i vostri occhi, distante appena l’apertura del braccio, guardando sempre l’oggetto scelto come campione. Bene se adesso chiudete prima un occhio e poi l’altro, vedete che l’oggetto sembra sposarsi a destra e sinistra rispetto al vostro dito.

Non c’e’ nulla di magico in questo, si tratta solo della sovrapposizione della vista dei vostri occhi che forma poi il campo visivo. Sfruttiamo questa caratteristica per calcolare geometricamente la distanza dell’oggetto. Se volete, siamo di fonte ad uno schema del genere:

Triangoli simili

Triangoli simili

Geometricamente, misurando un lato e gli angoli dei due triangoli simili, siamo in grado di ricavare l’altezza, dunque la distanza del corpo da noi.

Attenzione pero’, se provate a ripetere l’eperimento per oggetti sempre piu’ lontani, vi accorgete che la loro dimensione spaziale diventa sempre piu’ piccola. Questo e’ il problema nel cercare di misurare la distanza delle stelle. Si tratta di corpi molto grandi, ma posti ad una distanza tale da noi da impedirci di essere sensibili alla loro estensione spaziale. Prorpio per questo motivo, le stelle ci appaiono come punti luminosi in cielo.

Per farvi capire questo concetto, vi mostro un’immagine:

Come apparirebbe il Sole a diverse distanze

Come apparirebbe il Sole a diverse distanze

Il numero 1 indica l’estensione spaziale del Sole come lo vediamo dalla Terra. Nel punto 2, ecco come ci apparirebbe invece la nostra stella se la distanza con noi sarebbe pari a quella Giove-Terra. Ancora piu’ spinto e’ il caso dei disegni 3 e 4, in cui, in quest’ultimo, viene riportato come ci apparirebbe il Sole se questo fosse ad una distanza da noi pari a quella Terra-Proxima Centauri, cioe’ circa 4 anni luce.

Concentriamoci ancora un secondo su questo ultimo disegno. Il nostro Sole e’ una stella, cosi’ come ce ne sono tantissime nell’universo. Il fatto che il Sole ci appaia cosi’ grande mentre le stelle in cielo sono solo dei punti, e’ dunque solo legato alla distanza dal nostro pianeta.

Per corpi cosi’ distanti, non e’ piu’ sufficiente fare misure di parallasse con gli occhi, ma c’e’ bisogno di aumentare a dismisura la distanza tra le osservazioni. Prorpio per questo motivo, si sfrutta il movimento della Terra intorno al Sole, sfruttando quindi la nostra traiettoria come punti in cui estrapolare la parallasse:

Parallasse lungo l'orbita terrestre

Parallasse lungo l’orbita terrestre

Conoscendo l’asse dell’orbita terrestre, e’ dunque possibile ricavare l’altezza del triangolo, quindi la distanza della stella dalla Terra.

Ovviamente, per costruzione, questo metodo e’ applicabile solo fino ad una certa distanza, in genere fissata a 300 anni luce da noi. Oltre questo limite, i lati del triangolo di parallasse non sono piu’ distinguibili e non si riesce ad estrapolare il dato sulla distanza.

Dunque? Come misurare distanze maggiori?

Ora, arriviamo al gia’ citato “Spostamento verso il Rosso”. Per capire di cosa si tratta, facciamo un esempio semplice. Tutti avranno ascoltato una sirena che si dirige verso di noi. Bene, la frequenza percepita dal nostro orecchio, risulta diversa se l’oggetto si sta avvicinando o allontanando. Perche’ avviene questo? Semplicemente, come mostrato da questa figura:

Fronti d'onda di un corpo in movimento

Fronti d’onda di un corpo in movimento

Nei due versi, il numero di fronti d’onda sonori che ascoltiamo dipende dalla velocita’ della sorgente. Anche se sembra difficile, questo effetto e’ facilmente comprensibile. Proviamo con un altro esempio. Immaginate di essere sulla spiaggia e di contare il numero di creste di onda che arrivano sulla battigia in una unita’ di tempo. Questo parametro e’ molto piu’ simile di quello che immaginate al discorso del suono percepito. Ora, se entrate in acqua e andate incontro alle onde, sicuramente conterete piu’ creste d’onda rispetto al caso precedente. Situazione opposta si ha se vi allontanate. Bene questo e’ quello che si chiama Effetto Doppler.

Lo spostamente veso il rosso e’ una diretta conseguenza dell’effetto Doppler, ma non si parla di onde sonore, bensi’ di onde elettromagnetiche. Equivalentemente al caso della sirena, lo spettro luminoso di un corpo puo’ risultare spostato rispetto al normale se il corpo in questione si avvicina o si allontana. Si parla di redshift perche’ per un oggetto che si allontana da noi, il suo spettro sara’ piu’ spostato verso le basse frequenze.

Immaginate di avere una stella di un certo tipo di fronte a voi. Ora, se la stella si allontana, siamo in grado di misurare il suo spostamento verso il rosso, proprio partendo dallo spettro di altri corpi della stessa famiglia ma a distanza minore. Da questa misura potete dunque ottenere informazioni sulla velocita’ relativa con cui voi e la stella vi state allontanando. Questo importante risultato e’ noto come Legge di Hubble. Questa equazione lega proprio, attraverso una costante detta appunto di Hubble, lo spostamento verso il rosso della sorgente e la sua velocita’. Sempre attraverso la legge di Hubble, siamo poi in grado di ricavare la distanza della sorgente e dunque di estrapolare la distanza della stella dall’osservatore.

Notiamo prima di tutto una cosa, anche questo metodo ha un limite inferiore oltre il quale la distanza diviene  non misurabile, anche se in questo caso il limite e’ molto piu’ grande di quello ottenuto dalla parallasse.

Ritornando alla domanda iniziale, il metodo della parallasse ci consente di misurare distanze fino a qualche centinaio di anno luce da noi. Per distanze maggiori, ci viene in aiuto la legge di Hubble, attraverso la quale possiamo misurare non solo la distanza di un corpo lontano, ma anche la sua velocita’ di allontanamento da noi.

Inoltre, questa legge rappresenta un altro importante risultato a sostegno dell’ipotesi del Big Bang. Come visto in questo articolo:

E parliamo di questo Big Bang

il nostro universo e’ ancora in espansione e questo puo’ essere evidenziato molto bene dai risultati ottenuti mediante la legge di Hubble.

Concludendo, la misura delle distanze a cui si trovano le stelle rappresenta sicuramente un qualcosa di fondamentale negli studi del nostro universo. A tal proposito, abbiamo a disposizione diversi metodi e due di questi, parallasse e redshift, ci consentono, con limiti diversi, di poter estrapolare in modo indiretto questi valori. Oltre ad una mappa dei corpi a noi vicini, la legge di Hubble rappresenta un importante prova a sostegno dell’ipotesi del Big Bang. Ad oggi, il nostro universo e’ ancora in espansione e per questo motivo vediamo gli spettri spostati verso il rosso.

 

Psicosi 2012. Le risposte della scienza”, un libro di divulgazione della scienza accessibile a tutti e scritto per tutti. Matteo Martini, Armando Curcio Editore.

E parliamo di questo Big Bang

9 Apr

Dal momento che, in questo post:

Il primo vagito dell’universo

e in molti altri ancora, abbiamo parlato di nascita ed evoluzione del nostro universo, credo sia giunto il momento di dedicare un articolo apposito su questi concetti. Premetto, che cerchero’ di matenere un profilo piu’ semplice e divulgativo possibile, anche se ci stiamo addentrando in teorie, e spesso anche supposizioni, fisiche non del tutto banali. In questo senso, cerchero’ il piu’ possibile di utilizzare esempi anche volutamente forzati proprio per rendere il tutto maggiormente accessibile a tutti.

Partiamo dalle basi. Allo stato attuale della nostra conoscenza, la teoria maggiormente accettata all’orgine dell’universo e’ quella per cui il tutto si sarebbe formato da un’esplosione iniziale chiamata appunto Big Bang. Come visto nell’articolo precedentemente riportato, non dobbiamo immaginare questo evento come un classico boato, da cui tutti si sarebbe formato, bensi’ come un processo di espansione, anche non costante e molto veloce in alcuni istanti, ma che dura tutt’ora.

Perche’ e’ avvenuto il Big Bang?

Immaginiamo di fissare una scala temporale all’istante iniziale, cioe’ nel momento stesso in cui e’ iniziato il Big Bang. Per dirlo con parole semplici, immaginate di avere un cronometro e di farlo partire nel mometo in cui inizia questa espansione. Secondo la teoria, prima che iniziasse il big bang, materia e antimateria convivevano insieme in una singolarita’, cioe’ costituivano un volume, al limite occupante un punto, estremamemente denso e a temperatura elevatissima. Nella concezione fisica, in questa fase non esistevano le particelle, il tempo e le forze.

Poi cosa e’ successo?

Quando il sistema e’ divenuto instabile, dopo un tempo pari a 10^(-43) secondi, e’ avvenuta quella che si chiama la prima transizione di fase. Cosa significa? Le particelle si sono formate da questo plasma iniziale e ognuna di loro aveva un’energia molto elevata detta “energia di Planck”. In questa fase, detta di Grande Unificazione, tutte le forze, compresa quella gravitazionale, erano unificate, cioe’ si manifestavano come un’unica interazione.

Bene, fermiamoci un attimo e cerchiamo di capire meglio. Al punto in cui siamo arrivati, il big bang e’ gia iniziato. Le particelle cosi’ come le forze, anche se ancora unificate, si sono formate. Riprendiamo dall’inizio. Al tempo iniziale, cioe’ prima che iniziasse l’espansione, materia e antimateria convivano insieme. Dopo un tempo brevissimo, quando si formano le particelle, dopo 10^(-43) secondi, ci sono ancora materia e antimateria, appena 10^(-6) secondi dopo l’inizio, rimane solo materia.

Dove e’ finita l’antimateria?

Per chi lo avesse perso, abbiamo parlato in dettaglio di antimateria in questo post:

Due parole sull’antimateria

Il nostro attuale universo e’ formato solo da materia. L’antimateria e’ scomparsa. Perche’? Affiche’ questo sia possibile, e dunque sia iniziato il big bang, la fisica ci dice che devono essere state verificate le 3 condizioni di Sakharov. Senza entrare troppo nel dettaglio, in questa ipotesi, ci deve essere stata un’asimmetria tra materia e antimateria, che ha portato allo squilibrio che vediamo oggi. In particolare, in questo contesto si parla appunto di violazione di CP, cioe’ proprio di squilibrio della simmetria materia-antimateria nell’universo.

E’ possibile che siano rimaste delle sacche di antimateria da qualche parte oppure che l’universo sia formato da due distinte zone, una di materia ed una di antimateria?

La risposta e’ no. Capiamo il perche’. Quando entrano in contatto, materia e antimateria si annichilano, cioe’ ineragiscono distruggendosi a vicenda, e producendo radiazione gamma, cioe’, in linea di principio forzando l’esempio, luce. Se esistessero zone ben delimitate di materia e antimateria, nel punto di separazione tra di esse, si avrebbe annichilazione con la conseguente produzione di raggi gamma. Di questa radiazione non vi e’ nessuna evidenza ne’ dagli osservatori a Terra, ne’ dai satelliti, ne’ tantomeno dalle missioni esplorative che abbiamo mandato nello spazio.

Le condizioni di Sakharov offrono dunque un modello teorico in grado di spiegare perche’ potrebbe essere avvenuto questo squilibrio e quindi sia iniziato il big bang. Dico “potrebbe” perche’ al momento non tutte le condizioni sono state verificate e grande aiuto in questo senso dovrebbe venire dallo studio della fisica delle particelle agli acceleratori. Aprendo una piccola parentesi, quando in un acceleratore facciamo scontrare due fasci, questi interagiscono tra loro ad altissima energia. Man mano che aumentiamo l’energia, utilizzando sistemi sempre piu’ potenti, e’ come se andassimo indietro nel tempo tendendo verso il big bang. Ovviamente le energie oggi disponibili sono ancora molto lontane da quella iniziale, ma questo genere di studi ci consentono di comprendere molte cose importanti sul mondo delle particelle elementari.

Dunque, ricapitolando, abbiamo un sistema iniziale materia-antimateria, intervengono le condizioni di Sakharov e il sistema inizia ad espandersi facendo scomparire l’antimateria. Inizialmente le forze erano tutte unificate e le particelle si scontravano tra loro ad altissima energia.

Dopo, cosa e’ successo?

Man mano che il tempo scorreva, si passo’ attraverso varie fasi, ognuna caratterizzata da una rottura di simmetria di qualche tipo. In tal senso, le forza si divisero tra loro, lasciando quelle che oggi indichiamo come forze fondamentali: forte, debole, elettromagnetica e gravitazionale. In particolare, quest’ultima fu la prima a separarsi non appena la temperatura inizio’ a scendere e le onde gravitazionali poterono propagarsi liberamente.

Qualche minuto dopo l’istante iniziale, le particelle, cioe’ protoni e neutroni, poterono iniziare a combianrsi formando nuclei di Deuterio ed Elio. Questa importante fase viene chiamata “nucleosintesi”.

La temperatura dell’universo era pero’ ancora troppo elevata. Per osservare la formazione dei primi atomi, si dovette aspettare ancora circa 379000 anni, quando materia e radiazione finalmente si separarono e quest’ultima pote’ viaggiare libera nel cosmo. Di questo preciso istante, abbiamo anche parlato in questo post:

Universo: foto da piccolo

in cui, come visto, si ebbe la formazione della radiazione di fondo che oggi, alla temperatura attuale, e’ di 2.7K con uno spettro nelle microonde.

Dopo questa fase, gli addensamenti di materia cominciarono ad attrarsi gravitazionalmente, formando poi le galassie, le stelle, i pianeti, ecc, cioe’ , quello che vediamo oggi osservando l’universo.

Ma esistono delle prove di tutto questo? E se in realta’ il big bang non fosse mai avvenuto?

Come visto in altri post, ma anche come comprensibile da quanto detto, proprio la radiazione di fondo costituisce una prova del big bang. Detto in altri termini, la CMB non sarebbe altro che un’eco di quanto avvenuto, cioe’ un reperto fossile dell’esplosione iniziale.

Inoltre, la velocita’ di espansione delle Galassie, misurata per la prima volta da Hubble, costituisce un’altra prova a sostegno di questa teoria.

Partendo da quest’ultimo concetto, una domanda lecita che chiunque potrebbe farsi e’: “dove e’ avvenuto il Big Bang?”

Modello dell'espansione dal Big Bang

Modello dell’espansione dal Big Bang

In tal senso, se inizialmente si aveva un punto da cui poi tutto si e’ espanso, immaginando un rewind dovremmo essere in grado di identificare il punto iniziale del big bang. In realta’, non e’ cosi’. I fisici sono soliti dire che il Big Bang e’ avvenuto ovunque o anche che ogni punto dell’universo e’ un centro di espansione.

Che significa?

L’espansione dello spazio tempo avviene in piu’ di tre dimesioni, per cui non e’ facile immaginare a mente cosa sia avvenuto. Per capire questo concetto, immaginate l’universo come un palloncino inizialmente sgonfio. Ora, prendendo un pennarello, fate dei puntini sulla superificie. Se le pareti del palloncino sono l’universo che si espande, mentre gonfiate il palloncino, ciascun punto, tra quelli che avete disegnato, vedra’ gli altri allontarsi da lui. In questo contesto, ciascun punto e’ centro dell’espansione, cioe’ ogni punto vede gli altri punti allontarsi da lui in tutte le direzioni. L’animazione riportata potra’ aiutarvi a capire meglio questo discorso. Fissando un punto, tutti gli altri si allontanano da questo, indipendentemente da quello che scegliete come vostro centro. Dunque, se osservate l’universo dalla Terra, vedrete tutti gli altri corpi allontarsi da noi, come se la Terra fosse il centro dell’espansione.

Concludendo, esistono diverse prove sperimentali a sostegno del Big Bang, cioe’ di questa esplosione iniziale da cui, partendo da uno stato di equilibrio materia-antimateria, tutto si e’ formato passando attraverso diverse rotture di simmetrie. Ad oggi, o forse mai, nessuno potra’ spiegare perche’ questa materia e antimateria erano li o cosa c’era prima di questo equilibrio. Se volete, ognuno, con il suo pensiero e la sua convinzione, puo’ dare la sua spiegazione. I processi di evoluzione dal tempo zero, sono ipotizzati, ma ancora molto lavoro resta da fare per verificare queste teorie e capire a fondo perche’, come e con che intensita’ sino avvenuti determinati meccanismi. Insomma, di lavoro da fare ce n’e’ ancora molto.

 

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Universo: foto da piccolo

24 Mar

In questi ultimi giorni, tutti i giornali, i telegiornali, i siti internet specializzati, sono stati invasi da articoli scientifici riguardanti le ultime scoperte fatte con il telescopio Planck. I dati di questo telescopio, gestito interamente dalla nostra Agenzia Spaziale Europea, hanno mostrato una foto dell’universo quando aveva solo 380000 anni. Ecco la foto che sicuramente vi sara’ capitato di vedere:

L'universo alla tenera eta' di 380000 anni

L’universo alla tenera eta’ di 380000 anni

Si parla anche di risultati sconvolgenti: l’universo e’ piu’ vecchio di quello che si pensava fino ad oggi. Inoltre, la radiazione cosmica di fondo presenta delle differenze tra i due emisferi oltre a mostrare una regione fredda piu’ estesa di quella che si pensava.

Fantastico, direi io, questi risultati mi hanno veramente impressionato. Ora pero’, la domanda che mi sono posto e’ molto semplice, anche su giornali nazionali, ho visto articoli che commentavano questa foto parlando di CMB, anisotropie, fase inflazionistica. In pochissimi pero’, si sono degnati di spiegare in modo semplice il significato di questi termini. Purtroppo, spesso vedo molti articoli che ripetono a pappagallo le notizie senza neanche chiedersi cosa significano quei termini che stanno riportando.

Cerchiamo, per quanto possibile, di provare a fare un po’ chiarezza spiegando in maniera completamente divulgativa cosa significa: radiazione cosmica di fondo, periodo inflazionistitico, ecc.

Andiamo con ordine. La foto da cui siamo partiti ritrae l’universo quando aveva 380000 anni ed in particolare mostra la mappa della radiazione cosmica di fondo.

Prima cosa, come facciamo a fare una foto dell’universo del passato? In questo caso la risposta e’ molto semplice e tutti noi siamo in grado di sperimentarla facilmente. Quando alziamo lo sguardo e vediamo il cielo stellato, in realta’ e’ come se stessimo facendo un viaggio nel tempo. Se guardiamo una stella distante 100 anni luce da noi, significa che quell’immagine che osserviamo ha impiegato 100 anni per giungere fino a noi. Dunque, quella che vediamo non e’ la stella oggi, bensi’ com’era 100 anni fa. Piu’ le stelle sono lontane, maggiore e’ il salto indietro che facciamo.

Bene, questo e’ il principio che stiamo usando. Quando mandiamo un telescopio in orbita, migliore e’ la sua ottica, piu’ lontano possiamo vedere e dunque, equivalentemente, piu’ indietro nel tempo possiamo andare.

Facciamo dunque un altro piccolo passo avanti. Planck sta osservando l’universo quando aveva solo 380000 anni tramite la CMB o radiazione cosmica a microonde. Cosa sarebbe questa CMB?

Partiamo dall’origine. La teoria accettata sull’origine dell’universo e’ che questo si sia espanso inizialmente da un big bang. Un plasma probabilmente formato da materia e antimateria ad un certo punto e’ esploso, l’antimateria e’ scomparsa lasciando il posto alla materia che ha iniziato ad espandersi e, di conseguenza, si e’ raffreddata. Bene, la CMB sarebbe un po’ come l’eco del big bang e, proprio per questo, e’ considerata una delle prove a sostegno dell’esplosione iniziale.

Come si e’ formata la radiazione di fondo? Soltanto 10^(-37) secondi dopo il big bang ci sarebbe stata una fase detta di inflazione in cui l’espansione dell’universo ha subito una rapida accelerazione. Dopo 10^(-6) secondi, l’universo era ancora costituito da un plasma molto caldo di  fotoni, elettroni e protoni, l’alta energia delle particelle faceva continuamente scontrare i fotoni con gli elettroni che dunque non potevano espandersi liberamente. Quando poi la temperatura dell’universo e’ scesa intorno ai 3000 gradi, elettroni e protoni hanno cominciato a combianrsi formando atomi di idrogeno e i fotoni hanno potuto fuoriuscire formando una radiazione piu’ o meno uniforme. Bene, questo e’ avvenuto, piu’ o meno, quando l’universo aveva gia’ 380000 anni.

Capiamo subito due cose: la foto da cui siamo partiti e’ dunque relativa a questo periodo, cioe’ quando la materia (elettroni e protoni) hanno potuto separarsi dalla radiazione (fotoni). Stando a questo meccanismo, capite anche perche’ sui giornali trovate che questa e’ la piu’ vecchia foto che potrebbe essere scattata. Prima di questo momento infatti, la radiazione non poteva fuoriuscire e non esisteva questo fondo di fotoni.

Bene, dopo la separazione tra materia e radiazione, l’universo ha continuato ad espandersi, dunque a raffreddarsi e quindi la temperatura della CMB e’ diminuita. A 380000 anni di eta’ dell’universo, la CMB aveva una temperatura di circa 3000 gradi, oggi la CMB e’ nota come fondo cosmico di microonde con una temperatura media di 2,7 gradi Kelvin. Per completezza, e’ detta di microonde perche’ oggi la temperatura della radiazione sposta lo spettro appunto su queste lunghezze d’onda.

Capite bene come l’evidenza della CMB, osservata per la prima volta nel 1964, sia stata una conferma proprio del modello del big bang sull’origine del nostro universo.

E’ interessante spendere due parole proprio sulla scoperta della CMB. L’esistenza di questa radiazione di fondo venne predetta per la prima volta nel 1948 da Gamow, Alpher e Herman ipotizzando una CMB a 5 Kelvin. Successivamente, questo valore venne piu’ volte corretto a seconda dei modelli che venivano utilizzati e dai nuovi calcoli fatti. Dapprima, a questa ipotesi non venne dato molto peso tra la comunita’ astronomica, fino a quando a partire dal 1960 l’ipotesi della CMB venne riproposta e messa in relazione con la teoria del Big Bang. Da questo momento, inizio’ una vera e propria corsa tra vari gruppi per cercare di individuare per primi la CMB.

Penzias e Wilson davanti all'antenna dei Bell Laboratories

Penzias e Wilson davanti all’antenna dei Bell Laboratories

Con grande sorpresa pero’ la CMB non venne individuata da nessuno di questi gruppi, tra cui i principali concorrenti erano gli Stati Uniti e la Russia, bensi’ da due ingegneri, Penzias e Wilson, con un radiotelescopio pensato per tutt’altre applicazioni. Nel 1965 infatti Penzias e Wilson stavano lavorando al loro radiotelescopio ai Bell Laboratories per lo studio della trasmissione dei segnali attraverso il satellite. Osservando i dati, i due si accorsero di un rumore di fondo a circa 3 Kelvin che non comprendenvano. Diversi tentativi furono fatti per eliminare quello che pensavano essere un rumore elettronico del telescopio. Solo per darvi un’idea, pensarono che questo fondo potesse essere dovuto al guano dei piccioni sull’antenna e per questo motivo salirono sull’antenna per ripulirla a fondo. Nonostante questo, il rumore di fondo rimaneva nei dati. Il punto di svolta si ebbe quando l’astronomo Dicke venne a conoscenza di questo “problema” dell’antenna di Penzias e Wilson e capi’ che in realta’ erano riusciti ad osservare per la prima volta la CMB. Celebre divenne la frase di Dicke quando apprese la notizia: “Boys, we’ve been scooped”, cioe’ “Ragazzi ci hanno rubato lo scoop”. Penzias e Wilson ricevettero il premio Nobel nel 1978 lasciando a bocca asciutta tutti gli astronomi intenti a cercare la CMB.

Da quanto detto, capite bene l’importanza di questa scoperta. La CMB e’ considerata una delle conferme sperimentali al modello del Big Bang e quindi sull’origine del nostro universo. Proprio questa connessione, rende la radiazione di fondo un importante strumento per capire quanto avvenuto dopo il Big Bang, cioe’ il perche’, raffreddandosi, l’universo ha formato aggreggati di materia come stelle e pianeti, lasciando uno spazio quasi vuoto a separazione.

Le osservazioni del telescopio Planck, e dunque ancora la foto da cui siamo partiti, hanno permesso di scoprire nuove importanti dinamiche del nostro universo.

Prima di tutto, la mappa della radiazione trovata mostra delle differenze, o meglio delle anisotropie. In particolare, i due emisferi presentano delle piccole differenze ed inoltre e’ stata individuata una regione piu’ fredda delle altre, anche detta “cold region”. Queste differenze furono osservate anche con la precedente missione WMAP della NASA, ma in questo caso si penso’ ad un’incertezza strumentale del telescopio. Nel caso di Plack, la tecnologia e le performance del telescopio confermano invece l’esistenza di regioni “diverse” rispetto alle altre.

Anche se puo’ sembrare insignificante, l’evidenza di queste regioni mette in dubbio uno dei capisaldi dell’astronomia, cioe’ che l’universo sia isotropo a grande distanza. Secondo i modelli attualmente utilizzati, a seguito dell’espansione, l’universo dovrebbe apparire isotropo, cioe’ “uniforme”, in qualsiasi direzione. Le differenze mostrate da Planck aprono dunque lo scenario a nuovi modelli cosmologici da validare. Notate come si parli di “grande distanza”, questo perche’ su scale minori esistono anisotropie appunto dovute alla presenza di stelle e pianeti.

Ci sono anche altri importanti risultati che Planck ha permesso di ottenere ma di cui si e’ parlato poco sui giornali. In primis, i dati misurati da Planck hanno permesso di ritoccare il valore della costante di Hubble. Questo parametro indica la velocita’ con cui le galassie si allontanano tra loro e dunque e’ di nuovo collegato all’espansione dell’universo. In particolare, il nuovo valore di questa costante ha permesso di modificare leggermente l’eta’ dell’universo portandola a 13,82 miliardi di anni, circa 100 milioni di anni di piu’ di quanto si pensava. Capite dunque perche’ su alcuni articoli si dice che l’universo e’ piu’ vecchio di quanto si pensava.

Inoltre, sempre grazie ai risultati di Planck e’ stato possibile ritoccare le percentuali di materia, materia oscura e energia oscura che formano il nostro universo. Come saprete, la materia barionica, cioe’ quella di cui siamo composti anche noi, e’ in realta’ l’ingrediente meno abbondante nel nostro universo. Solo il 4,9% del nostro universo e’ formato da materia ordinaria che conosciamo. Il 26,8% dell’universo e’ invece formato da “Materia Oscura”, qualcosa che sappiamo che esiste dal momento che ne vediamo gli effetti gravitazionali, ma che non siamo ancora stati in grado di indentificare. In questo senso, un notevole passo avanti potra’ essere fatto con le future missioni ma anche con gli acceleratori di particelle qui sulla terra.

Una considerazione, 4,9% di materia barionica, 26,8% di materia oscura e il resto? Il 68,3% del nostro universo, proprio l’ingrediente piu’ abbondante, e’ formato da quella che viene detta “Energia Oscura”. Questo misterioso contributo di cui non sappiamo ancora nulla si ritiene essere il responsabile proprio dell’espansione e dell’accelerazione dell’universo.

Da questa ultima considerazione, capite bene quanto ancora abbiamo da imparare. Non possiamo certo pensare di aver carpito i segreti dell’universo conoscendo solo il 5% di quello che lo compone. In tal senso, la ricerca deve andare avanti e chissa’ quante altre cose strabilinati sara’ in grado di mostrarci in futuro.

 

Psicosi 2012. Le risposte della scienza”, un libro di divulgazione della scienza accessibile a tutti e scritto per tutti. Matteo Martini, Armando Curcio Editore.

Un nuovo UFO nello spazio?

24 Feb

Tramite la pagina facebook di Psicosi 2012, un nostro affezionato lettore mi ha chiesto di esprimere il mio punto di vista su un presunto UFO che sarebbe stato fotografato dalla Stazione Spaziale Internazionale. Questa notizia e’ presente in diversi siti di appassionati ufologi e ha fatto discutere per diverso tempo.

Prima di tutto, vi riporto le due foto incriminate presenti nell’archivio NASA. Questa e’ la prima:

Prima immagine dell'UFO triangolare

Prima immagine dell’UFO triangolare

e questa la seconda:

Seconda immagine dell'UFO triangolare

Seconda immagine dell’UFO triangolare

Come potete vedere, nelle immagini e’ presente un oggetto quasi perfettamente triangolare e dal colore molto scuro. Proprio la regolarita’ dell’oggetto ha fatto discutere per diverso tempo, attirando l’attenzione di molte persone, intente a cercare di capire l’origine di questo apparente UFO.

Di cosa si tratta?

Su molti siti trovate scritto che molto probabilmente potrebbe essere un detrito rimasto attaccato al vetro della Stazione Spaziale. Questo non e’ pero’ possibile e per rendervene conto, basta confrontare appunto le due foto per notare come la posizione dell’oggetto nell’area dell’oblo’ vari tra le due immagini.

Cerchiamo dunque di andare con ordine e di capire meglio.

Prima di tutto, dobbiamo smentire subito una convinzione dilagante su internet. Queste immagini non sono state prese dalla Stazione Spaziale Internazionale, ma in realta’ sono molto meno recenti. Le foto che stiamo discutendo risalgono al 1986 e sono state scattate durante una missione dello shuttle Columbia.

Come possiamo affermare questo con tante sicurezza?

In realta’, invece di prendere per buone tutte le informazioni che vengono date da siti pseudo-scientifici, basta andare a vedere le pagine dell’archivio NASA da cui sono state scaricate le due immagini:

NASA foto 1

NASA foto 2

Se andate nella parte bassa delle pagine, trovate tutte le informazioni relative alla posizione da cui sono state prese, alla fotocamera utilizzata, ma soprattutto data e ora dello scatto. Come potete facilmente verificare entrambe le immagini sono del 1986. In questa data, la Stazione Spaziale Internazionale non era nemmeno in orbita.

Premesso questo, cos’e’ lo strano oggetto che si vede nelle foto?

Per rispondere, possiamo rifarci al caso del Black Knight che abbiamo discusso in questo post:

Black Knight e segnali dallo spazio

Cosi’ come in questo caso, il misterioso triangolo fotografato dallo Shuttle Columbia e’ un detrito spaziale in orbita intorno alla Terra e appartente chissa’ a quale missione.

A riprova di questo, sempre nella parte in basso delle pagine della NASA, trovate nella descrizione dell’oggetto “Space Debris”, cioe’ “Spazzatura Spaziale”.

A questo punto pero’, e’ d’obbligo fare qualche considerazione in piu’. E’ possibile che cosi’ spesso si parli di detriti spaziali orbitati intorno alla Terra? Quanti sono questi detriti in orbita? Esiste un rischio di collisione con la Stazione Spaziale o con qualche satellite utilizzato al momento?

Purtroppo, come forse sapete o avete sentito dire, lo spazio intorno alla Terra e’ diventato praticamente un discarica. Molte missioni del passato restano in orbita e rappresentano un vero e proprio pericolo, in primis per il rischio di cadere a Terra, ma anche e soprattutto per il rischio di collisione con altri satelliti.

Nel 2011 ad esempio, la Stazione Spaziale Internazionale ha veramente rischiato di essere colpita da un detrito appartente ad un vecchio satellite cinese. In particolare, gli occupanti della ISS furano costretti a rifugiarsi all’interno della Soyuz, agganciata alla Stazione, per avere una maggiore protezione in caso di scontro. Fortunatamente, il detrito passo’ poi a circa 250 metri dalla ISS evitando la collisione, ma il pericolo resta sempre alto.

Per curiosita’, vi mostro una mappa di un anno fa realizzata prendendo soltanto i dati dei detriti ufficiali in orbita:

Mappa dei detriti spaziali intorno alla Terra

Mappa dei detriti spaziali intorno alla Terra

Come vedete, lo spazio sopra la nosta testa e’ veramente pieno di spazzatura creata dalle tante missioni mandate in orbita nel corso degli anni.

Pensate che, da alcune simulazioni condotte dalla NASA, e’ stato calcolato che la probabilita’ di scontro con un detrito mandando una missione verso la ISS e’ di una su 300. Ora, la stazione spaziale si trova ad un’altezza di circa 370 Km da terra. Se invece volete mandare qualcosa verso il telescopio Hubble, che si trova ad un’altezza di circa 560 Km, la probabilita’ aumenta drasticamente a una su 150. Capite bene che la presenza di tutti questi detriti comincia a divenire un rischio importante da considerare per le missioni spaziali.

La foto che vi ho mostrato prima rappresenta appunto un catalogo dei detriti spaziali. Mappe del genere sono fondamentali per avere sotto controllo quasi tutti gli oggetti orbitanti sopra la Terra. Dico “quasi” tutti perche’ questi sono solo quelli ufficiali. Tra questi, pensate che il piu’ antico e’ quello che rimane del satellite Vanguard lanciato in orbita dagli Stati Uniti nel 1958. Alla mappa dei detriti mancano poi tutti quegli oggetti persi durante le attivita’ extraveicolari, almeno un paio di macchinette fotografiche solo da astronauti americani, i sacchetti dell’immondizia lanciati dalla MIR ma anche chiavi inglesi, tubi, spazzolini, insomma tutti oggetti molto piccoli, non atalogati ufficialmente, ma che prima o poi potrebbero rischiare di urtare satelliti funzionanti.

Concludendo, per prima cosa il misterioso triangolo scuro che abbiamo visto non e’ stato ripreso dalla ISS bensi’ del Columbia nel 1986. Questo strano oggetto altro non e’ che un detrito spaziale rimasto in orbita intorno alla Terra. Questa spazzatura spaziale comincia ormai a rappresentare un pericolo sia per il rischio di caduta a terra che per la probabilita’ di collisione con satelliti. Proprio per questo motivo, la NASA aggiorna di continuo i database dei detriti spaziali per evitare che questi possano rappresentare un pericolo per altre missioni spaziali.

 

Psicosi 2012. Le risposte della scienza”, un libro di divulgazione della scienza accessibile a tutti e scritto per tutti. Matteo Martini, Armando Curcio Editore.