mercoledì 31 luglio 2013

Galassie ultra-compatte

Si parla spesso di materia oscura in questo blog, ma oggi il suggerimento mi è stato posto su un vassoio d'argento!
Infatti stamane su arxiv.org è uscito un articolo scientifico di astrofisica in cui sia afferma di aver scoperto la galassia più densa dell'universo. L'oggetto in questione è M60-UCD1, la quale è una galassia nana ultra-compatta nei pressi della galassia ellittica gigante M60 nell'ammasso della Vergine.

[Clicca qui per il link dell'articolo]

Prendiamo spunto da questo articolo per chiederci: cosa vuol dire galassia nana ultra-compatta?


Le galassie nane ultra-compatte sono una categoria di galassie caratterizzate da una popolazione stellare vecchia e in generale sono più grandi e brillanti di un ammasso globulare (cliccate qui per capire cos'è e come è grande un tale oggetto) della Via Lattea ma contemporaneamente molto più compatte di una galassia nana (con nana si intende più piccola di una galassia "normale") con la stessa luminosità. Nella figura qui sopra potete ammirare il confronto tra le dimensioni di una galassia ultra-compatta e della Via Lattea.
Detto ciò, perché le nane ultra-compatte sono importanti?
Perché si è scoperto che tali galassie hanno un rapporto Massa-Luminosità molto più elevato di quello che ci si aspetta. Ora, senza entrare nei dettagli, diciamo almeno cos'è il rapporto Massa-Luminosità (d'ora in poi M/L).
Le galassie sono fatte di stelle, si sa. Se si contano le stelle e si misura la massa uno si aspetta una certa corrispondenza tra numero di stelle e massa totale. Per esempio assumendo che la maggior parte delle stelle è simile al nostro Sole, misurando tutto in unità solari, ci aspettiamo che ogni stella in media abbia luminosità e massa pari a quella solare. Quindi, per questo ci aspettiamo un M/L dell'ordine dell'unità. Invece, causa la nostra amatissima materia oscura, quello che si ottiene è una massa maggiore di quella che si misura contando le stelle e perciò M/L in generale è più grande dell'unità. Ad esempio per la Via Lattea M/L è circa 10.
Per le nane ultra compatte tale rapporto è invece molto più grande di 10! Per questo è molto importante studiare questo tipo di galassie in quanto esse potrebbero essere molto utili e importantissime per capire meglio la natura della materia oscura. Infatti dalle osservazioni di tali galassie nane ultra-compatte è possibile porre dei vincoli sulla massa di ipotetiche particelle di materia oscura.
Ma in questo blog vogliamo essere giusti e quindi diamo spazio anche all'altra possibilità, ovvero che l'elevato valore di M/L sia dovuto anche alla presenza di materia oscura barionica. Con quest'ultimo termine si indicano solitamente quei oggetti che non sono stelle ma che hanno una massa cospicua tale da alterare il valore di M/L. Per esempio stiamo parlando di buchi neri o stelle di neutroni, oggetti che sono abbastanza massivi e per niente luminosi. Questa potrebbe essere una spiegazione dell'elevato valore M/L misurato e, ad esempio, questa ipotesi viene testata in quest'articolo scientifico.
Dunque, come vedete ci sono diverse questioni aperte riguardo la presenza o meno di materia oscura nell'universo e vi sono parecchi astrofisici coinvolti in questa ricerca con differenti metodi di investigazione.
C'è ancora tanto da capire, da scoprire e da studiare. Nel frattempo ci teniamo un po' aggiornati con notizie come questa che offrono lo spunto per affrontare argomenti di carattere più generale e che permettono di inquadrare un particolare studio in un contesto più ampio. Perché qualcuno potrebbe chiedersi: ma perché gli astrofisici misurano la densità delle galassie? La realtà è che lo studio, nel suo contesto generale, riguarda la ricerca sulle galassie nane ultra-compatte dalla quale poi si è arrivati a trovare la galassia più densa dell'universo.
Insomma, questa è scienza in diretta ragazzi!

lunedì 29 luglio 2013

Record spaziali

Visto che l'Italia è stretta nella morsa del caldo ci vuole un post-relax.
Sulla Terra quasi ogni giorno si cerca di raggiungere ogni tipo di record. Come quello di velocità, ad esempio. Si costruiscono aerei, auto e treni sempre più veloci. Addirittura in grado di superare (anche di molto) il muro del suono (ovvero oltre i circa mille chilometri orari). E vi è anche qualcuno che si è buttato giù dalla stratosfera per tentare di raggiungere tali velocità in caduta libera. 
Inoltre vi sono i record di velocità sportivi, anche.
Ma tutto questo avviene sulla Terra. Ci sono record raggiunti sugli altri corpi celesti?
Ebbene sì e sul sito dello Jet Propulsion Laboratory (JPL) della NASA ho trovato un'infografica che mette a confronto le distanze percorse dei vari veicoli spediti sulla Luna o su Marte (finora abbiamo spedito roba solo da quelle parti!) aggiornata a Maggio 2013. 
Cosa si scopre? Che il record appartiene ad una sonda del 1973 che l'ex Unione Sovietica spedì sulla Luna. Il nome della sonda era Lonokhod 2 e ha percorso 37 chilometri sulla superficie lunare. L'unico veicolo in grado di avvicinarsi a questo imbattuto record è Opportunity della NASA che ha percorso i 35.76 km. Non abbastanza per insidiare il record di Lunokhod (ma ci siamo vicini!) 
Dunque si tratta quasi di una gara. Nello spazio perché si tratta di veicoli che hanno sfrecciato sia su Marte che sulla Luna. E inoltre nel tempo poiché si tratta di veicoli che hanno visto diverse epoche della nostra storia umana. Nel frattempo ecco la classifica:




domenica 28 luglio 2013

Perseidi, le meteore d'agosto

Nei prossimi giorni tutti con il naso all'insù per la solita pioggia di...stelle cadenti.
Infatti in questo periodo sarà visibile lo sciame delle Perseidi. Iniziamo con il dire perché si chiama così poi diremo qualche parolina riguardo le celeberrime stelle cadenti.
Il nome Perseidi è dovuto al fatto che il punto da cui sembrano provenire tutte le stelle cadenti si trova nella costellazione di Perseo. Questo punto é detto, in gergo tecnico, radiante.
Il massimo di stelle cadenti ci sarà, come ogni anno, intorno al 12 agosto. In realtà la pioggia inizia verso fine luglio e raggiunge il suo picco proprio intorno a metà agosto. Questa ricorrenza abbastanza precisa di questo fenomeno é dovuta al fatto che la Terra attraversa sempre la stessa zona in quel periodo dell'anno. Ma cosa c'è in quella zona? Ci sono i resti di una cometa! 

Prima, però, bisogna creare un pizzico di contesto.
La nostra storia comincia nel luglio del 1862. Il 16 luglio Lewis Swift e poi tre giorni dopo Horace P. Tuttle scoprirono una cometa periodica che al giorno d'oggi chiamiamo, appunto, cometa 109P/Swift-Tuttle.
L'aggettivo "periodica" indica che in un intervallo di tempo di circa 140 anni questa cometa torna a farci visita dopo aver descritto un'intera orbita attorno al Sole. L'ultimo passaggio della Swift-Tuttle è stato nel 1992:

La cometa Swift-Tuttle (Fonte: nasa.apod.gov).

Le comete in generale sono palle di ghiaccio e quando esse sono vicine al Sole, il calore proveniente dalla nostra stella favorisce la sublimazione dello strato di ghiaccio in modo tale da rendere visibile la famosa coda.
Le comete si trovano in una zona del sistema solare chiamata nube di Oort, ben oltre l'orbita di Plutone. Quando una stella vicina o un qualche altro oggetto perturba l'orbita di una cometa essa inizia a cadere verso il Sole. L'avvicinamento di una cometa al Sole non è indolore: ci sono sempre dei detriti che persi dalla cometa. Questo accade anche per la cometa Swift-Tuttle. Quando la Terra passa nella zona in cui sono presenti questi detriti ecco che possiamo osservare il fenomeno delle Perseidi, più comunemente chiamate stelle cadenti (mi rifiuto di chiamarle "lacrime di san Lorenzo"!). 
Ovviamente, visto ciò che abbiamo detto finora, non si tratta di stelle che cadono sulla Terra! Ma si tratta di piccolissimi, minuscoli detriti che si trovano a cadere nell'atmosfera della Terra. 
Ora nell'atmosfera c'è qualcosa che nello spazio non c'è: l'aria. Qui entra in gioco un fenomeno chiamato pressione d'ariete, che subito si mette all'opera. Mi spiego: quando un detrito entra nell'atmosfera e si lancia verso il suolo ad alta velocità, quello che fa è comprimere l'aria davanti a sé. Quest'aria compressa si riscalda e a sua volta riscalda il detrito: e alla fine ecco che questo produce la classica scia luminosa visibile nei cieli d'agosto. Tale scia luminosa è chiamata meteora (precisamente il corpo che produce una meteora è chiamato meteoroide).
Dunque, la cometa Swift-Tuttle passa periodicamente nei pressi del Sole. Ad ogni passaggio lascia dei detriti. Ogni anno la Terra passa nella zona in cui sono presenti questi meteoroidi ed ecco che abbiamo le meteore, ovvero le stelle cadenti. Guardate l'immagine qui sotto per capire meglio:

Crediti: http://www.astrocampania.it

Ora qualche informazione aggiuntiva: quanto sono grandi queste meteoroidi? Le dimensioni sono variabili; l'unione astronomica internazionale classifica meteoroidi (ecco il link all'articolo) tutto ciò compreso tra il decimillesimo di millimetro e i dieci metri. Quindi tranquilli non dovete preoccuparvi delle stelle cadenti ma piuttosto degli asteroidi.
Ancora qualcosa sulla cometa Swift-Tuttle. Per dovere di cronaca dobbiamo dire che il primo a capire il legame tra le Perseidi e tale cometa è stato Giovanni Virgilio Schiapparelli nel 1866. 
Sul sito del JPL (Jet Propulsion Laboratory) della NASA vi è una tabella con tutte le caratteristiche che riguardano la cometa: http://ssd.jpl.nasa.gov/sbdb.cgi?sstr=109P.
Ma attenzione: la cometa Swift-Tuttle rappresenta anche un potenziale pericolo per la Terra. Infatti vi è una certa probabilità di impatto per il futuro anche se piccola (come potete leggere, in inglese, qui). Comunque non vi preoccupate: anche in questo caso perché si parla di 2126 se non di 4479, quindi dormite tranquilli.
Dunque, anche quest'anno come negli scorsi anni, tutti a mettere il naso all'insù per goderci lo spettacolo delle Perseidi nelle belle notti estive italiane. E ora che conoscete tutta la scienza che c'è dietro questo fenomeno, vi è concesso anche essere abbastanza romantici, tanto poi sapete spiegare tutto.




giovedì 25 luglio 2013

Landau

Ogni tanto su Quantizzando vogliamo ricordare alcuni dei grandissimi fisici del secolo scorso. Oggi parleremo di Lev D. Landau.
Il motivo principale per cui vale la pena ricordare Landau è dovuto alla sua produzione scientifica (che gli ha fruttato il riconoscimento del Premio Nobel nel 1962) ma anche la realizzazione del corso di Fisica Teorica in 10 volumi, un'opera immensa a mio avviso.
Nel primo di questi volumi (Meccanica) come introduzione vi è una breve biografia scritta dal suo allievo e poi collega Evgeny Lifshitz in cui viene ripercorsa la vita di Landau con alcune note personali.  I volumi del corso di Fisica Teorica sono eccezionali, davvero strepitosi dal punto di vista propedeutico. Siccome magari non tutti hanno avuto la fortuna di imbattersi in questi fantastici volumi e in particolare nel primo contenente la biografia di cui ho appena parlato, proverò a fare un breve riassunto lasciando i dettagli a chi volesse approfondire nel volume di Meccanica. Più che altro questo post vuole essere un piccolo omaggio ad un grandissimo fisico del novecento
quale è stato Landau.





(Riassunto dal volume Meccanica di Landau e Lifshitz)
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Lev Landau nacque il 22 gennaio del 1908 a Baku. Il padre era un ingegnere che lavorava nei pozzi di petrolio mentre la madre era un medico. Landau ha sempre mostrato fin da ragazzo spiccate doti per la matematica; pensate che egli stesso diceva di non ricordarsi un periodo della sua vita in cui non sapeva derivare e integrare!
Finalmente nel 1924 si iscrisse alla facoltà di fisica dell'università di Leningrado dopo che i genitori gli fecero frequentare per un anno una scuola tecnica di studi economici e addirittura nel 1922 egli ebbe studiato in due facoltà diverse (matematica-fisica e chimica) contemporaneamente.
Comunque da quando cominciò a studiare fisica lo fece con tutta la passione possibile tanto che, per il troppo lavoro, la notte non riusciva spesso a dormire perché perseguitato dalle formule.
Egli amava anche ricordare quanto fu estasiato dalla lettura degli articoli di Heisenberg e di Schrondiger. Landau ammetteva che la lettura di quei lavori gli permisero di godere a pieno della bellezza della fisica e del pensiero scientifico. Inoltre in quei anni Landau si laurea e inizia la sua carriera nel mondo accademico e pubblica alcuni suoi importanti lavori come ad esempio quelli sulla teoria delle intensità degli spettri di molecole biatomiche e sul problema dell'irraggiamento in meccanica quantistica. Ebbe anche, nel 1929, la possibilità di lavorare all'estero (Danimarca, Inghilterra, Svizzera) e soprattutto la possibilità di entrare in contatto con Niels Bohr a Copenaghen.
Anni dopo inizió ad insegnare in Ucraina, a Kharkov. 
Egli aveva sempre avuto a cuore le problematiche relative all'insegnamento della fisica teorica e per questo ideò il temutissimo "minimo teorico" a cui sottoponeva i suoi studenti; si trattava di un esame contenente le principale nozioni di cui doveva essere a conoscenza un fisico teorico per poter fare quel lavoro. Tanto per dare un'idea della difficoltà, solo 43 persone superarono questo "minimo teorico".
Prima di accedere al minimo teorico, comunque, Landau sottoponeva gli studenti ad un ulteriore prova di matematica, la quale se passata con esito positivo permetteva l'accesso al "minimo teorico".
I contributi di Landau alla fisica sono stati svariati e soprattutto importantissimi. Per dovere di cronaca citiamo almeno la motivazione con la quale ricevette il Premio Nobel: "Per i suoi lavori da pionieristici sulla materia condensata ed in particolare riguardo l'Elio liquido".
Nel seguito di questo post, tuttavia, vorrei concentrarmi sul Landau quotidiano. Poichè la sua grandezza come scienziato è assolutamente indiscutibile dunque credo valga la pena scoprire qualcosina in più del Landau uomo come viene descritto nel racconto del suo collega.
Ad esempio Landau si teneva sempre il diritto di fare il primo esame personalmente ad ogni giovane studente. Probabilmente voleva saggiare la bontà dello studente dal punto di vista della fisica teorica di persona per capire se si trattava di un buono studente o meno.
Come riporta Lifshitz, Landau era molto democratico nella vita scientifica come tra l'altro nella vita privata ("gli furono sempre estranei boria e servilismo"). Per qualunque consiglio o osservazione critica chiunque poteva parlargli indipendentemente dai suoi meriti scientifici. Però c'era una condizione: si doveva trattare di una cosa seria e non di "raziocinio cervellotico vacuo". Per avere un incontro con Landau non vi era alcun problema particolare: bastava fare una telefonata e, appunto, rispettare le condizioni appena dette
Il dibattito con Landau era roba seria. Egli era veemente ma non sgarbato, arguto e ironico ma non caustico. Comunque la targa sul suo ufficio a Kharkov riportava: "Lev Landau. Attenzione, morde!".
Lifshitz ci racconta di come egli partecipasse in maniera attiva ad ogni seminario e di come spesso i partecipanti e i relatori si trovassero in difficoltà a parlare con Landau; "non si calmava finché non veniva messa completamente in luce l'essenza di un lavoro".
Un'altra cosa importante da ricordare riguardo Landau era la sua dedizione totale per la semplicità. Questa è anche la caratteristica che rende i suoi libri sensazionali per ogni fisico. In particolare egli teneva molto a questo punto convinto che molte volte i suoi colleghi fossero di in grado di rendere complicate le cose semplici.
Era solito ripetere non appena poteva una semplice verità: "Mai occorre lavorare per scopi estranei, per fare una scoperta; in questo modo non si ottiene niente".
Questa sua sentenza dimostra quanta passione ci mettesse nel suo lavoro e soprattutto dimostra che il suo stimolo non fosse la gloria ma semplicemente la sete di conoscenza, inesauribile per lui.
Ancora Lifshitz ci racconta che Landau era solito fare degli scherzi e classificare qualunque cosa, dalle donne ai fisici: insomma "in sua compagnia non ci si annoiava mai".
Dal racconto di Lifshitz si può leggere tra le righe l'ammirazione e la stima che studenti e colleghi avevano nei confronti di Landau. Probabilmente questo è stato il premio più importante che Landau avesse potuto ricevere nella sua vita.
Purtroppo la vita di Landau subì una brusca frenata il 7 Gennaio 1962 quando mentre era alla guida della sua auto fu vittima di un grave incidente causato dallo scontro con un autocarro.
A causa di questo grave episodio Landau andò in coma.
In questa tragica occasione i suoi colleghi fisici dimostrarono pienamente tutto l'affetto e la stima che avevano per il loro amico e collega; "davanti la clinica c'erano pronte 8-10 auto per qualsiasi evenienza e in particolare in uno dei giorni più tragici durante il coma si rese necessario l'apparecchio per la respirazione artificiale e alcuni fisici andarono a prenderlo e lo trasportarono a mano da un altro istituto fino alla clinica dove giaceva Landau ansimante".
Quando dopo tre mesi si riprese non fu più la stessa persona di prima. Purtroppo l'attività scientifica di Landau non poté tornare quella precedente l'incidente. Il nostro si spense il 1 Aprile 1968.
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Landau è stato molto più di quello che ho riportato qui sopra. Probabilmente non basterebbe un blog per riassumere tutta la sua produzione scientifica e sarebbero necessari tutti i racconti dei suoi studenti e colleghi per rendere pieno e più completo il ricordo di questo grande fisico teorico.
Tuttavia la storia della fisica teorica del novecento annovera tanti grandi fisici e non è possibile dimenticare Lev Landau in questa schiera.


martedì 23 luglio 2013

Un proiettile di materia oscura

In questo blog abbiamo un debole per la materia oscura, ormai è chiaro (scusate il gioco di parole!).
Oggi parleremo brevemente di una delle evidenze recenti dell'esistenza della materia oscura. Naturalmente ci sono tantissime altre prove riguardo la materia oscura: innanzitutto, ci sono le curve di rotazione delle galassie a spirale e poi possiamo aggiungere anche la radiazione cosmica di fondo. Comunque, oggi parliamo del Bullet Cluster (ammasso proiettile, in italiano). Si tratta di due ammassi di galassie che si stanno scontrando. Perché questo oggetto rappresenta una prova dell'esistenza di materia oscura? Innanzitutto vediamo una bella foto con una sovrapposizione artificiale di colori:

Fonte: nasa.apod.gov
Nell'immagine di sopra vi è una sovrapposizione di tre osservazioni: ottico, in cui possiamo osservare le galassie luminose; emissione di raggi-X (in rosso) dovuta al gas caldo (cento milioni di gradi circa) presente nel Bullet cluster; lensing gravitazionale (in blu) che è sensibile alla materia indipendentemente dal fatto che si tratti di materia oscura o barionica (quella luminosa, per intenderci). Poi magari un giorno parleremo un attimo di come si fanno queste misurazioni.
Allora, dopo aver visto la foto del Bullet Cluster, perché diciamo che tutto ciò rappresenta una prova dell'esistenza di una componente oscura? Proviamo a spiegare.
Abbiamo detto che il Bullet Cluster è formato da due ammassi di galassie che si stanno scontrando. Prima dello scontro avevamo due ammassi separati ognuno con la sua componente di gas che gravitava in tutto il resto (galassie + materia oscura). Tuttavia la componente di gas caldo contiene la maggior parte della materia barionica in un ammasso di galassie. Quindi alla fine possiamo considerare solo il gas caldo e la materia oscura per i nostri discorsi. Ora, durante lo scontro tra ammassi il gas viene rallentato dall'impatto con conseguente formazione di un'onda d'urto dovuta all'interazione dei due ammassi. Dunque, se non vi fosse materia oscura, allora dati osservativi ottenuti tramite lensing gravitazionale dovrebbero mostrare una distribuzione di materia che rispecchierebbe la distribuzione del gas caldo.
Però non è quello che osserviamo! Infatti i dati ci mostrano che la maggior parte della materia rivelata dal lensing (ovvero la parte blu della figura di sopra) sembra passare indenne lo scontro senza essere rallentata in alcun modo. Quindi non solo la prova che esiste un'altra componente di materia ma anche la prova che tale materia si comporta diversamente dal gas; in particolare la materia oscura sembra essere non collisionale.
Tutte le parole dette finora possono essere condensate nel seguente video:


L'universo è pieno di materia oscura e questo ne è solo un esempio.



venerdì 19 luglio 2013

Simulare l'universo

La cosmologia studia le proprietà dell'universo nel suo insieme e inoltre si occupa della sua storia evolutiva.
Probabilmente c'è stato un Big Bang, probabilmente si parla di un periodo di espansione accelerata nei primi istanti dell'universo (teoria dell'inflazione), si sono formati i primi elementi come idrogeno ed elio, eccetera eccetera fino ai giorni nostri in cui abbiamo le stelle che formano le galassie le quali a loro volta formano strutture più grandi come gli ammassi di galassie.
I calcoli con l'andare avanti della evoluzione dell'universo diventano sempre più complicati  e allora carta e penna non bastano più: ecco che arrivano i supercomputer.
Attenzione, non è un film di animazione! Stiamo parlando davvero di computer con una potenza di calcolo eccezionale grazie ai quali, adottando un certo insieme di condizioni iniziali, è possibile simulare la storia dell'universo.
Non ci credete? Allora vi fornisco qualche esempio.
Vi lascio qualche istante in compagnia di questo video:



Si tratta di una visualizzazione grafica dei risultati ottenuti dalla Millennium Simulation sviluppata al Max Planck Institute fur Astrophysik di Garching in Germania.
Ho detto visualizzazione grafica perché effettivamente quando una simulazione (propriamente, simulazione a N-corpi, poiché coinvolge un numero finito, N appunto, di particelle) finisce di girare su un supercomputer, i risultati sono i cosiddetti cataloghi di oggetti, ovvero dei file pieni di numeri in cui ogni riga elenca le caratteristiche di un oggetto (cioè massa, posizione, velocità per esempio).
Avendo a disposizione queste informazioni, alla fine della fiera, utilizzando qualche bel programma di grafica risulta possibile creare video come quello che avete appena visualizzato.
Ma cosa sono questi "oggetti" che si trovano nei cataloghi di una simulazione? Tecnicamente il loro nome è aloni di materia oscura. Bene, proviamo a capire un po' in dettaglio di cosa stiamo parlando.
Come vi ho già detto, quando si crea una simulazione si impostano alcune condizioni iniziali tali per cui  i risultati dovrebbero riprodurre ciò che attualmente osserviamo o, se ci va, altri modelli di universo con lo scopo di testarli.
Ma cosa si simula? Si simula l'interazione gravitazionale tra "particelle" di materia oscura. Ovvero si inseriscono nella simulazione un certo numero di particelle che interagiscono tra loro solo tramite forza di gravità e si vede, con il passare del tempo, come queste particelle creano gruppi di particelle e così via. Esistono anche simulazioni che contengono la materia barionica (ovvero quella che compone di tutti noi e tutto ciò che riusciamo a vedere nell'universo) ma bisogna aggiungere anche altre leggi fisiche e quindi inevitabilmente si finisce con il complicare le cose. Comunque quello che si assume in cosmologia è che la materia oscura piano piano con il tempo si è "ammassata" fino a formare queste strutture chiamate "aloni" nelle quali poi successivamente si sono formate le galassie che oggi osserviamo. Quindi diciamo che, in un certo senso, la disposizione degli aloni di materia oscura in un catalogo che fuoriesce da una simulazione ci fornisce un'indicazione sulla distribuzione delle galassie (è più complicato ma va bene così per ora).
In sostanza, in questo post ci accontenteremo delle simulazioni che contengono solo materia oscura. Quindi le strutture che avete visto nel video di prima sono aloni di materia oscura (in cui, come abbiamo detto, si trovano le galassie).
Ora potreste chiedervi: come si arriva a quelle strutture? Come si fa a simulare l'universo se non sappiamo se esso è infinito o meno? Ottime domande.
In ogni simulazione si ha un certo numero di particelle di materia oscura che è deciso all'inizio. Inoltre, tra le condizioni iniziali si ha un parametro che descrive numericamente la densità dell'universo. Siccome la densità è massa diviso volume allora fissando le dimensioni del nostro universo da simulare otterremo la massa totale contenuta nella nostra simulazione e, siccome abbiamo il numero di particelle, ecco che finalmente siamo in grado di assegnare una massa ad ogni particella.
Un momento: fissiamo le dimensioni dell'universo? In un certo senso sì. Quello che si fa è simulare un universo di forma cubica. Ma questo non vuol dire che si suppone che l'universo sia cubico. Piuttosto si suppone che il cubo prodotto con la simulazione sia solo una porzione di universo e che se vogliamo avere tutto l'universo per intero allora non dobbiamo fare altro che affiancare al nostro cubo altri cubi uguali a quest'ultimo. Insomma, in fin dei conti si tratta di un modo pratico per tentare di riprodurre l'universo. Infatti potrebbe capitare di essere interessati a volumi più grandi di quelli prodotti dalla simulazione e quindi ecco che nasce la necessità di attribuire al nostro universo delle condizioni di periodicità. Non dimentichiamoci che stiamo parlando di una simulazione, mica di dati reali!
Ora, non ci addentreremo nei dettagli tecnici delle simulazioni (per esempio come trovare gli aloni all'interno di una simulazione, ovvero come definire i gruppi di particelle). Vi basti sapere per ora che ci sono ancora dei problemi da risolvere ovviamente visto che si tratta di un tentativo di simulazione.
Tuttavia le simulazioni rappresentano uno strumento eccezionale per studiare l'universo dal punto di vista teorico. Per esempio si può provare a cambiare le condizioni iniziali per cercare di capire quale tipo di universo riproduce meglio quello che osserviamo. Oppure si possono testare delle teorie effettuando "misure" sulle simulazioni.

Un "cubo" di universo simulato (Fonte: ned.ipac.caltech.edu).

Perché questo post? Perché anche le simulazioni fanno la loro parte nella ricerca astrofisica e quindi anche a livello divulgativo non devono essere trascurate affatto. Si tratta semplicemente di un modo pratico per studiare problemi teorici abbastanza complessi dal punto di vista analitico.
Riuscire a scrivere una simulazione in grado di riprodurre per bene i dati osservativi significherebbe essere in grado di capire molto sull'universo in cui viviamo. Non è facile, ma i ricercatori amano le sfide altrimenti non farebbero questo lavoro.


domenica 14 luglio 2013

Nell'attesa della cometa ISON

Quest'anno, probabilmente, avremo la possibilità verso gli ultimi mesi di questo 2013 di osservare nei nostri cieli la ormai celeberrima cometa ISON. Il Telescopio spaziale Hubble ha già catturato qualche dettaglio:


Nell'attesa vediamo un attimo cos'è una cometa. Probabilmente tutta il romanticismo o la delicatezza verranno distrutte in una sola frase ma del resto la verità è che una cometa non è altro che un pezzo di ghiaccio. La cosa sembra triste ma in realtà è proprio per questo che le comete ci offrono tale meraviglioso spettacolo.
Infatti la chiave di tutto è in un processo fisico chiamato sublimazione. 
La sublimazione si ha quando un qualcosa passa dallo stato solido direttamente allo stato gassoso. Pensiamo un attimo all'acqua. Sotto zero gradi Celsius (e in condizioni standard di pressione) l'acqua si trova allo stato solido (ghiaccio); al di sopra di tale temperatura abbiamo l'acqua liquida e infine sopra i 100 gradi l'acqua diventa vapore. 
Quello che accade nelle comete è che il passaggio allo stato liquido viene saltato completamente è il materiale di cui è composta la cometa passa direttamente da stato solido a vapore. Tutto ciò è dovuto alla radiazione proveniente dal Sole. Infatti l'aumentare della temperatura in prossimità della nostra stella fa sublimare il ghiaccio mentre la radiazione (ovvero i fotoni) esercita una pressione su questo gas tale che quest'ultimo assume la caratteristica forma "a coda" che punta nella direzione opposta a quella del Sole.
Tutto questo spiega in maniera fisica la meraviglia delle code delle comete ma spiega anche che vi è un'oggettiva difficoltà nel riconoscere le comete quando esse sono lontane dal Sole. Infatti alcune comete sono periodiche (cioè è possibile osservarle di nuovo dopo un certo intervallo di tempo) altre invece non lo sono e passano una volta sola e mai più. Inoltre, dopo un certo numero di passaggi, a causa dei ripetuti fenomeni di sublimazione, lo strato di ghiaccio che circonda il nucleo roccioso della cometa si assottiglia sempre più fino al punto che dopo svariati passaggi la cometa non è più in grado di emettere la sua meravigliosa coda. Nei casi più drammatici i "resti" di una ex-cometa possono finire in frantumi causa urti o forze mareali dovuti ad altri corpi più grandi. 
A questo punto vi è una domanda obbligata a cui dobbiamo rispondere (la quale tra l'altro rende l'esistenza di questo post sensata visto che finora abbiamo parlato di cose che più o meno tutti sanno). La domanda è: come si possono riconoscere le comete dagli asteroidi dato che lontano dal Sole le comete non mostrano la famigerata coda?
Come nei casi più disperati anche stavolta è la matematica combinata con la fisica che ci viene in aiuto. Quello che si fa è considerare il cosiddetto problema dei tre corpi dove, in questo caso, i tre corpi sarebbero il Sole, il pianeta Giove e la cometa considerata. In particolare questo è chiamato problema "ristretto" dei tre corpi in quanto uno dei tre (nella fattispecie la cometa) è di massa molto, ma molto minore delle masse degli altri due corpi. L'impostazione per la risoluzione di questo problema è scrivere le equazioni che governano il moto dei tre corpi e quindi praticamente buttare giù le formule che riguardano l'interazione gravitazionale. Una volta fatto ciò, giocando un po' con la matematica e la fisica e dando un botta di conti si arriva a definire una quantità chiamata invariante di Tisserand. Ora mentre gli altri parametri dell'orbita di un oggetto magari cambiano anche di parecchio, questo invariante di Tisserand resta praticamente lo stesso per un oggetto e dunque calcolarlo diventa molto importante per un successivo avvistamento della cometa. Quindi in pratica una volta calcolato questo parametro per una cometa si ha come un indicatore per riconoscerla nella selva di asteroidi quando la cometa non presenta la coda perché lontana dal calore del Sole.
Sicuramente ne riparleremo di comete visto che come da titolo, siamo in attesa. Se volete sapere come è fatto matematicamente l'invariante di Tisserand allora ecco il link da Wikipedia che poi vi permette di andare in giro per il web a cercare maggiori dettagli anche sul problema dei tre corpi (suggerisco anche le pagine in inglese di Wikipedia!).
Da tutto ciò si può ammirare anche la bellezza della fisica e in particolare il fatto che la matematica è proprio il linguaggio della scienza. Certamente è fantastico poter osservare una cometa da vicino, scoprire di cosa è composta perché tutto questo ci aiuta a capire come funziona l'universo e in particolare il nostro sistema Solare. Ma indubbiamente è altrettanto sconcertante che buttando giù due conti e utilizzando una teoria come la gravitazione di Newton siamo in grado di poter riconoscere e capire il moto delle comete. Da qualunque punto la si veda, la scienza è meravigliosa!