mercoledì 22 gennaio 2014

Dalle stelle alle stalle

Potrebbe essere un triste annuncio la fine di una stella (da qui il titolo di questo post), ma se il risultato è una supernova allora diventa un fenomeno interessantissimo da osservare.

A proposito di questo, in questi giorni è stata scoperta una supernova nella galassia M82. Come potete vedere dall'animazione qui sotto, nella galassia è apparso un punto abbastanza luminoso che prima non c'era (l'animazione mette a confronto due immagini della galassia prima e dopo la supernova):


Quella appena scoperta in M82 è stata classificata come una supernova di tipo Ia (vedi qui).
Dunque, iniziamo con il dire che non tutte le stelle diventano supernovae e inoltre esistono diversi tipi di supernovae. Delle supernovae di tipo Ia come quella scoperta in M82 ne abbiamo già parlato in un post precedente ( http://www.quantizzando.org/2013/04/chandrasekhar.html) dunque oggi faremo un breve accenno alle supernovae di tipo II (per "par condicio", diciamo).

Per esempio il nostro Sole è una di quelle stelle che finiranno la loro "vita" in una nebulosa planetaria, ovvero le parti centrali del Sole resteranno compatte a dar vita a quel tipo di oggetto che si chiama nana bianca mentre gli strati più esterni verranno espulsi nello spazio circostante.
Come facciamo a dire con certezza che il Sole non diventerà una supernova? Qui entra in gioco l'astrofisica teorica.
In pratica il destino di una stella è legato ad una sola caratteristica della stella stessa: la sua massa.
Solo le stelle molto grosse, diciamo una decina di volte più massive del Sole, danno vita ad una supernova.
Immagino che probabilmente questa cosa vi fosse già nota e quindi (probabilmente) fin qui la lettura di questo post è risultata noiosa, se non scontata (magari a parte l'immagine della supernova recentemente scoperta, dai!).

Allora proviamo a capire perché dipende dalla massa.
Le stelle sono fatte di idrogeno per la maggior parte. Ad esempio nelle parti centrali del Sole l'idrogeno si trasforma in elio grazie al processo di fusione nucleare il quale prende quattro protoni (un protone è essenzialmente un nucleo di idrogeno) e li mette insieme dando vita ad un nucleo di elio (il quale ha due protoni e due neutroni). Anche questo forse lo sapevate già. Ma non è tutto. Infatti i quattro protoni separati hanno una massa maggiore di quando si stringono insieme per abbracciarsi e formare un nucleo di elio. Dove finisce la massa? Si trasforma in energia, come insegna Einstein con la sua famosa equazione. Quale equazione? In questo blog non possiamo scrivere equazioni direttamente, allora ecco un'immagine:



Insomma la massa diventa energia. Cioè? Fotoni! Luce! In ultima analisi potrei dire anche abbronzatura, se volete. Comunque ci siamo capiti.
Questo è il motivo per cui è importante il processo di fusione nucleare al centro delle stelle. Ma anche per un altro motivo davvero importante.

ATTENZIONE AL PROSSIMO RIGO!

La stella ha una massa. Quindi tende a collassare su se stessa per effetto della propria forza di gravità. Perché non collassa? A causa del fatto che la pressione esercitata dal gas caldo (a causa delle reazioni nucleari) stesso della stella bilancia il possibile collasso. Questo significa che "No reazioni nucleari, No stella in equilibrio".

ORA POTETE RILASSARVI!

Comunque ad un certo punto l'idrogeno al centro finisce e rimane un bel nucleo pieno zeppo di elio.
Che si fa, si brucia l'elio? Non nel Sole. Quello che accade sono vari meccanismi che non stiamo a raccontare ma che portano al risultato finale che il Sole diventerà una gigante rossa enorme che ad un certo punto, come già detto, finirà in una nebulosa planetaria. Ma le reazioni nucleari non si fermano perché altrimenti avverrebbe il collasso. Infatti avviene che l'idrogeno che circonda il nucleo stellare inizia a trasformarsi in elio e per questo la situazione rimane stabile.

E le stelle più massicce? Loro non si fermano. Come dei lavoratori instancabili bruciano anche l'elio e lo fanno diventare carbonio. E continuano, fanno anche gli straordinari (non sapendo che fine le aspetta, ovvio!). E inoltre, come nel caso del Sole, pian piano anche nei gusci che circondano il nucleo iniziano ad avvenire le reazioni nucleari.
Insomma le stelle massicce bruciano, bruciano fin quando non arrivano a produrre ferro, quando la situazione è più o meno la seguente:




Quando si arriva al ferro i motori si spengono. Niente più reazioni nucleari perché il ferro è un elemento molto stabile e non sente il bisogno di "abbracciare" altri protoni per dar vita a nuovi elementi. A questo punto, inevitabilmente, avviene il collasso: ecco la supernova di tipo II.

(Rigo di silenzio per commemorare la stella appena defunta)

Ma non fermiamoci a piangere e andiamo avanti con la vita. Ora avete una panoramica del mondo delle supernovae. Era da tempo che volevo parlarne e la supernova scoperta in M82, pur essendo una supernova di tipo Ia, ci ha dato l'opportunità di chiacchierare dell'altro tipo di supernovae, quelle IIa.

Tutto questo ci dice anche che dire al vostro partner (che è un assiduo lettore di questo blog) "Tu sei la mia stella" potrebbe essere molto, ma molto sconveniente!



lunedì 20 gennaio 2014

Fisica con lo smartphone

Devo dire che, con sorpresa, sono finito a leggere questo articolo sul sito ArXiv.org che parla di come  aggiornare i metodi di insegnamento della fisica, magari pure contando (di nuovo) sull'effetto sorpresa.
L'articolo in questione è in italiano (sorpresa!) ed è stato redatto da Lorenzo Galante e Anna Lombardi (trovate tutti i dettagli di affiliazione ed e-mail nell'articolo). Ah, già, ecco il link per poterlo leggere: http://arxiv.org/pdf/1401.2172.pdf

Insomma si tratta di come animare una classe di studenti grazie ad una biro (che si suppone abbiano a disposizione) e uno smartphone (che senza dubbio hanno a disposizione!).
Dopodiché grazie ad un semplice software e soffiando all'interno del cilindro della biro si può fare della scienza reale (nel senso di vera e di importante) con questi pochi mezzi a disposizione.  Tutto, naturalmente, applicando alla perfezione il metodo scientifico di Galileo.

Prima di lasciarvi immersi nella lettura di questo elegante e semplice articolo volevo dire alcune cose.
Innanzitutto, come dico sempre, la scienza è di tutti e non solo di chi la fa per lavoro. In secondo luogo la scienza non è solo la scoperta di nuove affascinanti cose nascoste ma anche la capacità di replicare risultati consolidati confermando teorie elaborate da altri. Voglio dire, non pensate sia emozionante far cadere dei sassi a terra e pensare: "Cavoli, Newton aveva e continua ad avere proprio ragione!"?

Per questo ringrazio gli autori di questo articolo per il loro impegno profuso nella ricerca di nuove idee per l'insegnamento della fisica. Idee non solo nuove ma anche al passo con i tempi.
Sono certo che molti altri avranno già partorito idee simili e anche applicato tali idee nella quotidianità della scuola. Ebbene grazie anche a voi.

Anzi, se vi va di condividere la vostra esperienza, fatemelo sapere e sarò ben lieto di offrire questo spazio alle vostre parole.

Ora, vi lascio e vi auguro (di nuovo!) buona lettura dell'articolo di cui sopra.


domenica 19 gennaio 2014

Una fionda gravitazionale

Sicuramente piacerebbe a Bart Simpson ma, purtroppo per lui, non credo sia un qualcosa di utilizzabile in maniera agevole. Dopotutto la fionda è un oggetto davvero affascinante di per sé.
Figurarsi una fionda gravitazionale.
Il mio primo approccio con questo meccanismo è stato guardando, da piccolo, il film Armageddon. Ve lo ricordate? Un asteroide stava colpendo la Terra e la soluzione era piazzare una testatona nucleare nel sassone e fare bum! Ovviamente per una missione del genere si poteva chiamare solo Bruce Willis, che infatti alla fine fa tutto da solo (più o meno). Comunque la Terra viene salvata ovviamente. Ma non solo grazie a Bruce Willis e alle testate nucleari. Anche grazie all'effetto fionda gravitazionale che permette allo Shuttle della NASA di guadagnare velocità (leggi: accelerare/frenare) e andare diritto (si fa per dire) verso l'asteroide.
Va bene, ora la smetto con il momento amarcord e provo a spiegare di cosa si tratta.
Ma prima, per cominciare bene, una bella immagine:



Quella che vedete qui sopra è la traiettoria fatta dalla sonda Cassini, la quale ha raggiunto Saturno nel 2004. Ben dopo 7 anni dal lancio.
Come vedete quando un satellite/navicella/razzo/quellocheè viene lanciato non è che si muova propriamente di moto rettilineo. Nel caso di Cassini, la sonda ha fatto prima qualche giretto nell'interno del sistema solare e poi si è lanciata verso l'esterno.
Non che fosse alla ricerca di un mercatino di Natale ma piuttosto le passeggiate nei pressi di Venere sono giustificate proprio per guadagnare velocità grazie all'effetto fionda.
Ecco, con questo volevo dirvi che si tratta non solo di qualcosa che avete visto al cinema ma, anche e soprattutto, di qualcosa di realmente utile e importante. Importantissimo.
E ora che finalmente sappiamo di che si tratta che ne dite se proviamo a scavare leggermente in profondità e vedere come funziona? Beh, ci proviamo dai!

Ma come caspita fa una sonda a guadagnare velocità da un pianeta?
Facile, proprio come una pallina farebbe grazie ad un treno!
No, non sono diventato matto. Tirate una pallina verso un treno (ma state attenti!) dandole una certa inclinazione. La pallina colpirà il treno e tornerà indietro in maniera speculare con la stessa velocità con cui l'avete lanciata.
Ora immaginate che il treno si stia muovendo verso di voi con una certa velocità (state molto più attenti di prima!).
Di nuovo, lanciate la pallina con la stessa velocità di prima. Stavolta però, dopo l'urto con il treno la pallina acquisterà una velocità maggiore proprio perché il treno si muove nella direzione del rimbalzo.
Visto, l'avevo detto che era facile!

Se vogliamo vedere l'esempio precedente applicato al sistema solare allora il treno è un pianeta, la pallina è una sonda e voi siete il Sole che osservate.

Ovviamente, sempre seguendo l'esempio, quando la pallina impatta sul treno, in principio il treno dovrebbe rallentare, quindi perdere energia un pochino. Ma data la differenza in stazza tra pallina e treno, proprio come nel caso della coppia pianeta-sonda, questa perdita di energia non è in alcun modo apprezzabile.

Fonte: http://www.schoolphysics.co.uk

Ah, dimenticavo! Nell'esempio del treno il guadagno di velocità è dato dall'urto della pallina con il treno. Ma nello spazio non abbiamo (e soprattutto non vogliamo) catastrofiche collisioni delle nostre sonde con gli altri pianeti, ovviamente!
E allora?
Niente, perché dobbiamo pensare che l'urto, in generale, è un'interazione, cioè c'è di mezzo una forza.
Elastica, nel caso del treno-pallina. Gravitazionale, nel caso pianeta-sonda.
In pratica la sonda, che in origine scorrazzava in maniera rettilinea nello spazio, viene attratta dal pianeta e curva la sua traiettoria. Questo permette alla sonda di avere un incontro ravvicinato (e anche una bella visuale) ma dato che la sonda stessa ha una certa velocità questo non permette la caduta. Anzi, la sonda, come la pallina, "rimbalza" sul pianeta e acquista velocità. Fantastico, direi.

Bene. Riguardando i miei appunti sull'effetto fionda dell'università credo che più in parole povere di così proprio non si potesse fare. Ci sarebbero tante altre belle cose da dire sull'effetto fionda quindi, statene certi, presto tireremo di nuovo in ballo questo post per spiegare qualche bel fenomeno fisico che avviene nell'universo.

Nel frattempo, tutti a rivedere Armageddon!



mercoledì 15 gennaio 2014

Un satellite italiano da salvare: AGILE

Questo è un genere di post differente dal solito. Non ci saranno spiegazioni ma piuttosto semplicemente un appello a firmare una petizione per il bene della scienza.

Girovagando in rete mi son trovato, come spesso faccio, a leggere le pagine del blog di +marco casolino "La curva dell'energia di legame".
Proprio oggi, dunque dicevo, ho letto della situazione del satellite AGILE e quindi ripeterò di nuovo le parole già scritte da Marco Casolino sul suo blog (che ripetere non fa mai male!).



AGILE sta per Astro-rivelatore Gamma a Immagini Leggero ed è un satellite dell'ASI (Agenzia Spaziale Italiana) che studia l'universo rivelando la radiazione a raggi-X e gamma. E' stato lanciato nel 2007 e, come potete leggere sul blog di Marco, il primo gennaio 2014 AGILE ha smesso di funzionare (tutte le informazioni al seguente link: http://marco-casolino.blogspot.co.uk/2014/01/salvate-il-soldato-agile-e-un-satellite.html).

La causa di questa disfunzione è la mancanza di fondi. Sai che novità, vero?

Eppure il lavoro di AGILE è importante. I dati raccolti dal satellite hanno dato luce a più di 80 lavori scientifici in cui diverse conferme e scoperte sono state fatte sulla natura dell'emissione di raggi-X e raggi gamma (qui trovate la lista di tutti i risultati scientifici!).
Inoltre, come se non bastasse tutto ciò che abbiamo detto finora, stiamo parlando di una ricerca che coinvolge parecchi ricercatori (precari e non) del nostro paese.

Dunque, se avete a cuore il progresso scientifico e gli sforzi fatti dall'Italia in tal senso, non potete fare altro che firmare la petizione proposta in basso. Il documento è stato redatto da due scienziati italiani che si occupano di fisica del plasma e che fanno ricerca negli USA: Franco Paoletti da Princeton e Bruno Coppi dal MIT. La petizione è una lettera indirizzata al presidente dell'ASI, Prof. Enrico Saggese, in cui si chiede la riattivazione della missione il prima possibile.

Questo il link della petizione: https://docs.google.com/forms/d/15JV_Jwzx_-LlltGqcEOyqUhY3lorw_iJelNHGWBRxek/viewform
(Quando vi chiedono attivazione basta inserire la vostra attuale situazione lavorativa tipo: occupato/studente/disoccupato/qualsiasicosa)

Come Marco Casolino, non faccio parte delle persone che collaborano e lavorano grazie ai dati del satellite AGILE; ma la petizione l'ho firmata per tutte le ragioni dette sopra. Se anche voi, ripeto, avete a cuore la scienza in generale e la scienza fatta in Italia in particolare allora fate girare la petizione e poi vediamo che succede.


martedì 14 gennaio 2014

Perché ci vuole la meccanica quantistica?

Il titolo di questo post è tutto un programma. Mi sento di dover fare una precisazione. Non ci chiederemo perché ci vuole "proprio" la meccanica quantistica. Infatti questo tipo di domande non fa parte della politica di questo blog (e non ne vedrete nemmeno come effetto collaterale!). Piuttosto l'idea è cercare di capire perché, ad un certo punto, è stato necessario aggiornare la fisica con una nuova teoria. La storiella è sempre la stessa: il metodo scientifico. La teoria vecchia presentava dei limiti e dunque ci voleva una teoria che spiegasse i fenomeni esattamente alla stessa maniera della teoria vecchia ma in grado di raggiungerne e superarne i limiti sopracitati.
Quindi mettetevi comodi che iniziamo a raccontare.





Per esempio, si eccita un gas (ovvero si sparano dei fotoni sopra) e ciò che ci si aspetta é che emetta a tutte le lunghezze d'onda. E invece emette solo particolari colori. Ah, questa sì che è bella.
Questo si è cominciato a vedere un poco prima dell'inizio del ventesimo secolo; ma, ora, abbiamo una spiegazione: la meccanica quantistica.

Questo è ciò che emette l'idrogeno: pochi colori! (Fonte: http://utahscience.oremjr.alpine.k12.ut.us)
E poi c'è quell'altro affare. Sì, dai, quello che nessuno ha mai capito del tutto ma viene citato ovunque. Lo so che avete capito: sto parlando del corpo nero.
Già, ma cosa caspita è questo corpo nero? Diciamolo subito: è un oggetto ideale. Come tale non esiste in natura un qualcosa che si comporti come un corpo nero. Magari esiste qualcosa che si avvicina ad essere un corpo nero.
Comunque sia: di che stiamo parlando? Si tratta di un corpo che assorbe tutta la radiazione che gli viene buttata in faccia, indipendentemente dal come gli viene buttata. Se abbiamo un corpo nero a temperatura costante (quello che in gergo tecnico è l'equilibrio termico) allora tale corpo nero emette una radiazione detta, appunto, radiazione di corpo nero.

Ora passeremo ad un classico esempio di tutto ciò: una cavità (o, se volete, una scatola cubica con le proprietà descritte nel prossimo rigo).
Immaginate di avere una cavità con un forellino piccolo, ma che dico piccolo, piccolissimo tale che la radiazione che entra, una volta nella cavità, non esce (ricordatevi sempre che stiamo parlando di un corpo ideale, quindi usate tutta l'immaginazione che vi pare!).
A questo punto dunque abbiamo una cavità piena di onde elettromagnetiche. Una saggia domanda che qualcuno si è posto in passato è stata: come possono essere fatte queste onde affinché esse esistano all'interno di una cavità? Saggissima domanda. Alla quale ovviamente non risponderemo in questo blog (anche se io trovo sia uno degli argomenti di fisica più interessanti che abbia mai studiato, ma non chiedetemi perché lo ritenga perché non lo so!).

[Per i più curiosi rimando a questa eccellente spiegazione: http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/quantum/rayj.html#c2". Ovviamente se volete dei chiarimenti basta scrivermi una e-mail.]

Alla fine di questa immensa fiera, quello che si trova è che l'energia emessa dal corpo nero diventa infinita quando si va a alte frequenze (delle onde elettromagnetiche).  E (indovinate un po'?) non è quello che si osserva.

Ultima cosa. Prima (ma forse qualcuno ancora oggi) si pensava che gli elettroni ruotassero intorno al nucleo di un atomo composto da protoni e neutroni nella stessa maniera in cui i pianeti girano intorno al Sole. Purtroppo, nemmeno questa semplice idea si regge in piedi. Infatti il moto circolare è un moto accelerato. E, come ben sappiamo, dove c'è accelerazione c'è forza (come si diceva in un noto spot della pasta!). Dunque se c'è una carica accelerata vengono irradiate onde elettromagnetiche (cariche in moto accelerato producono un campo elettrico). Dunque pian piano l'elettrone, gira che ti rigira, dovrebbe accusare un "calo di energia" (perché irradia energia sotto forma di onde elettromagnetiche/fotoni) e dunque cadere nel nucleo. Ma questo vorrebbe dire che gli atomi sono instabili. Per fortuna, invece, siamo ancora tutti vivi. Dunque gli elettroni non fanno i giri della giostra attorno al nucleo, ma qualcosa di diverso è in corso.

Chiaramente bisogna cambiare qualcosa. Come direbbe un presidente di una squadra di calcio quando ha già deciso di esonerare il proprio allenatore: "Bisogna dare una svolta!".
E la svolta fu data proprio con l'avvento della meccanica quantistica.
Cosa dice la meccanica quantistica? Ah, beh, dice tante cose. Ma ci limiteremo alla cosa fondamentale. Ovvero che non si può sapere con la qualsivoglia precisione desiderata la velocità e la posizione di una particella allo stesso momento. Questo si chiama anche Principio di Indeterminazione di Heisenberg. Non vi è niente di mistico in questo principio e prometto che ci torneremo sopra.
Comunque, secondo il principio ecco che il concetto di traiettoria non ha più alcun senso, figurarsi il girare attorno ad un nucleo. Le cose vanno pensate più propriamente come quantizzate. Ovvero bisogna pensare che le grandezze fisiche, quando misurate, non possono assumere tutti i valori che vogliono ma soltanto alcuni valori precisi determinate dalla teoria della meccanica quantistica.


Una maglietta sulla meccanica quantistica (Fonte:http://skreened.com)

Nei dettagli di tutto ciò c'è della matematica e anche soprattutto tanta buona fisica. Non è scopo di questo post tenere una lezione sulla meccanica quantistica, ovviamente. Ma che nemmeno vi passi in mente di dire che le cose quantistiche sono strane: stiamo parlando di una teoria che descrive la realtà. Non c'è niente di strano, è la realtà ricordatevelo sempre.
Abbiamo bisogno della meccanica quantistica. Si tratta della nostra teoria. Di un successo dell'intera umanità. C'erano dei problemi e qualcuno ha capito dove intervenire nelle vecchie teorie. Ovviamente ci sono ancora delle domande a cui rispondere, è chiaro.
I fisici provano a spiegare la realtà. Il che può essere divertente, non c'è dubbio, ma vi sono margini di manovra strettissimi. Si opera nel campo della Natura con le leggi della Natura. E soprattutto si tratta di cose che sono già lì in attesa di essere comprese.

Non per altro vengono solitamente chiamate "scoperte".


venerdì 3 gennaio 2014

Cosmo Amarcord

Questo è il primo post dell'anno, quindi prima di tutto buon 2014!
Quale maniera migliore di iniziare l'anno nuovo con qualcosa di vecchio, qualcosa che magari qualche giovanissimo lettore di questo blog nemmeno ricorda. Il fatto è che mi è venuta nostalgia del secolo scorso e sono andato a ripescare su YouTube un programma del 1998 di un gigante della divulgazione scientifica in Italia. Sto parlando del programma "Viaggio nel cosmo" di Piero Angela trasmesso sulla Rai di cui vi propongo un assaggino della quarta puntata (comunque potete trovare tutte le puntate su YouTube!).


Lo spezzone che vi ho proposto è davvero bello ed entusiasmante non solo principalmente per la bravura e la passione del presentatore ma anche per il viaggio d'insieme che la super-potente-straordinaria astronave del programma compie.
Consiglio caldamente la visione di tutti i video del programma perché, ve lo dice uno che vide il programma trasmesso in diretta all'epoca, si tratta di un qualcosa di spettacolare per gli appassionati di astrofisica che magari vorrebbero avere qualche dettaglio in più. E, diciamolo, chi meglio di Piero Angela potrebbe fare una cosa del genere? Dunque armatevi di pop-corn e divano e buon giretto nel cosmo per iniziare il 2014!