mercoledì 30 luglio 2014

Tante onde, una Galassia

La nostra Galassia, la Via Lattea, può essere osservata sotto differenti punti di vista. Basta cambiare la lunghezza d'onda della luce che analizziamo.
Se cliccate sul sito chromoscope.net potrete capire meglio quello che voglio dire. Avrete la possibilità di osservare la nostra Galassia con occhi diversi. Tra l'altro avevamo già accennato a tutto ciò in un precedente post sempre su Quantizzando (da un titolo simile), ma oggi andremo un poco più in dettaglio.


Come potete vedere direttamente dal sito, ci sono diverse opzioni di visualizzazione, ognuna corrispondente ad un particolare intervallo di lunghezze d'onda. Si va dalle "cortissime" onde dei raggi gamma alle "lunghissime" onde radio, passando per la luce visibile, ovvero l'intervallo di lunghezze d'onda della luce a cui il nostro occhio è sensibile.

Proviamo a vedere in dettaglio perché la Via Lattea appare diversa e quali sono i fenomeni principali in gioco. Nel seguito ci riferiremo solo alla spiegazione dell'emissione proveniente dal disco della nostra Galassia, trascurando le altre parti della mappa. Dunque, iniziamo.

Raggi gamma: questa emissione è dovuta a fenomeni molto energetici che avvengono nella Galassia. Per esempio i raggi cosmici, che sono nuclei atomici e/o protoni parecchio energetici; quando queste particelle incontrano il gas che si trova tra le stelle (principalmente idrogeno) avvengono dei processi che permettono l'emissione di un'onda elettromagnetica gamma (cioè con piccolissima lunghezza d'onda).
Raggi X: questa emissione è dovuta alle parti più esterne (corone) delle stelle, alle nane bianche, ai resti di supernovae, al disco di accrescimento attorno ad un buco nero.
Idrogeno alfa: come dice il nome stesso, questa emissione è dovuta all'idrogeno. Si tratta di una particolare riga di emissione dell'idrogeno e quindi osservare a tali lunghezze d'onda permette di tracciare la presenza dell'idrogeno nella Galassia.
Infrarosso: NIR sta per Near InfraRed (vicino infrarosso) mentre FIR sta per Far InfraRed (lontano infrarosso) e si riferisce alla parte di lunghezze d'onda rispettivamente più vicine e più lontane alla lunghezza d'onda corrispondente al colore rosso. In pratica è un modo per delimitare l'intervallo di lunghezze d'onda dell'infrarosso. Questa emissione è dovuta ad oggetti molto (relativamente) freddi, come stelle piccole ma anche grani di polvere.
Visibile: Beh, questo è quello che vediamo tutte le notti.
Microonde: questa emissione nella Via Lattea è dovuta principalmente ad un fenomeno chiamato MASER che è l'analogo del LASER con la differenza che quest'ultimo funziona nel visibile. In un altro post spiegheremo sicuro di cosa si tratta; nel frattempo quello che dovete tenere a mente è che è possibile ottenere una cosa simile al più famoso LASER anche usando le microonde e, in particolare, questo avviene naturalmente nella nostra Galassia quando si hanno nubi molecolari.
Radio: qui abbiamo elettroni che si muovono nel campo magnetico della Galassia ma anche la famosissima riga a 21 centimetri che è una riga molto particolare emessa dall'atomo neutro (un protone + un elettrone = carica elettrica nulla) di idrogeno e molto importante per tracciare la velocità circolare delle nubi di idrogeno attorno alla Galassia e quindi per studiare la materia oscura.

E con questo abbiamo finito. Voi direte: beh, allora? Qual è il punto di questo post?

Di certo non voglio che voi impariate tutti i possibili fenomeni fisici che possono avvenire a tutte le possibili lunghezze d'onda della luce!

Quello che vorrei è che cominciaste a guardare il mondo con occhi diversi. 
Ovviamente non potrete osservare le microonde o gli infrarossi, non è questo che dico. 

Dico che quando vi capita di osservare qualsiasi cosa, un'immagine astronomica oppure no, chiedetevi sempre come essa apparirebbe se la osservassimo ad una lunghezza d'onda differente. 

La risposta potrebbe essere sorprendente o alquanto deludente, ma non importa. 
Quello che davvero importa è che dentro di voi sentirete quell'intimità pazzesca con le leggi fisiche che regolano l'universo e che vi farà sentire parte di esso. Sentirete l'impulso della curiosità, esatto, proprio lo stesso che ha mosso tanti scienziati in passato ad esplorare percorsi incontaminati della scienza per il puro gusto di capire la natura che ci circonda. 

E capirete che, in fondo, siamo tutti astrofisici, che lo vogliate o meno.



lunedì 28 luglio 2014

Un pianeta in tilt

I pianeti del Sistema Solare li conosciamo tutti. Il più vicino al Sole è Mercurio, poi abbiamo Venere, Terra e Marte a formare il gruppo dei pianeti rocciosi, ovvero quei pianeti che hanno una crosta, in soldoni quei pianeti su cui si può camminare.
Superata la fascia degli asteroidi troviamo Giove, Saturno, Urano e Nettuno, i quali sono pianeti gassosi, ovvero non hanno una superficie su cui poter camminare, sono grandi palle di gas.
Ogni pianeta compie almeno due movimenti: c'è un moto di rivoluzione intorno al Sole (qui su Quantizzando amiamo dire che il pianeta cade sul Sole) e c'è un moto di rotazione attorno all'asse del pianeta.

Prima di proseguire decidiamo una convenzione: il nostro Sistema Solare è come un tavolo da cucina. I pianeti e il Sole si trovano poggiati sul tavolo e compiono tutti i movimenti sopra di esso.
Dunque, detto questo, per quanto riguarda il moto di rivoluzione quasi tutti i pianeti girano (o meglio, cadono) intorno ad esso in senso anti-orario (se guardiamo il tavolo dall'alto). Ho detto quasi perché c'è un pianeta che gira in senso opposto, cioè orario: si tratta di Venere.
Invece per il moto di rotazione attorno al proprio asse abbiamo che tutti i pianeti hanno il proprio asse più o meno inclinato rispetto al piano in cui si svolgono i moti del Sistema Solare (cioè rispetto al piano del tavolo) e tutti eccetto uno hanno il proprio asse che punta verso la direzione alto-basso (sempre secondo l'esempio del tavolo da cucina): l'eccezione è data da Urano, il quale, secondo il solito convenzionale sistema di riferimento, ha il proprio asse che è "sdraiato" sul nostro tavolo. In pratica Urano si comporta come una palla che rotola sul tavolo.
Sono sicuro che la prossima immagine aiuterà a schiarirvi le idee:


Ma è importante questa cosa? Certo che lo é. Innanzitutto come curiosità: infatti perché c'è un pianeta che ha il proprio asse fatto in tal modo? E perché Venere gira intorno al Sole in senso orario?
Comunque, al di là della semplice curiosità, capire questi fatti potrebbe gettare nuova luce sulle dinamiche di formazione ed evoluzione del nostro Sistema Solare.
Inoltre la direzione dell'asse di rotazione è importante per la spiegazione delle stagioni. Infatti se qui sulla Terra abbiamo le stagioni che abbiamo e anche che quando da noi è estate nell'emisfero Sud è inverno, lo dobbiamo all'inclinazione dell'asse terrestre.

Invece pensate al povero Urano, altro che stagioni! Urano passa un bel po' di tempo a mostrare uno dei propri poli verso il Sole e un altro bel po' di tempo a mostrare l'altro polo. Tranquilli, per fortuna punto sempre su una bella immagine quando le parole diventano di troppo! Ecco qua cosa voglio dire:


Quando dico tempo non voglio dire mesi bensì anni. Infatti Urano è molto più distante della Terra dal Sole (circa 20 volte più distante) e quindi deve compiere un'orbita più grande. Risultato? I poli restano illuminati, in maniera alterna, circa una quarantina d'anni. Che vuol dire anche, per uno dei due poli, una lunghissima notte!
Durante gli equinozi invece, come potete vedere dal disegno, abbiamo una situazione simile a quella del nostro pianeta poiché vi è finalmente un'alternanza giorno-notte (un giorno su Urano dura circa 17 ore).

Quindi Urano è completamente inclinato rispetto agli altri pianeti del Sistema Solare. Da qui il titolo di questo post, in quanto "tilt" in inglese vuol dire "inclinato" e quindi il gioco di parole in italiano è fatto.

Resta da domandarci perché Urano sia inclinato in tal modo.

La risposta è una di quelle risposte molto comuni in astrofisica: non lo sappiamo!
O meglio, c'è qualche idea ma risulta difficile dimostrarne la validità. L'ipotesi più accreditata sembra essere quella di uno scontro di Urano con un altro corpo celeste alla fine del quale l'inclinazione dell'asse di Urano è stata stravolta. Per inciso, una simile spiegazione viene anche proposta per spiegare il moto retrogrado (si dice così, eh) di Venere attorno al Sole. Quello che si può fare per dimostrare vera questa ipotesi potrebbe essere simulare numericamente (con l'utilizzo di supercomputer) i fenomeni fisici in gioco alla formazione dei pianeti gassosi seguendo le attuali teorie sulla nascita del Sistema Solare. Quindi ce n'è di lavoro da fare per scoprire la verità su Urano.

Insomma, questo più che voler essere un post che spiega qualcosa è un post che vi mette a conoscenza di qualcosa, cioè dell'inclinazione dell'asse di Urano. Si tratta di uno di quei misteri, di quelle domande importanti dell'astrofisica che sono dietro l'angolo e che non hanno bisogno di scomodare roba oscura o grandi botti. Eppure sono domande fondamentali, perché la loro comprensione potrebbe farci capire molto più in dettaglio il pezzettino di universo in cui viviamo.


venerdì 25 luglio 2014

Osservare un buco nero

Finalmente siamo arrivati a parlare di questo argomento anche su Quantizzando. Dunque, la mia idea non è proprio spiegarvi cos'è un buco nero. Piuttosto vorrei farvi capire perché riteniamo ci sia un buco nero al centro della nostra Galassia (e anche delle altre di galassie).

Per capire cos'è un buco nero bisogna scomodare la teoria della Relatività Generale. Comunque, ovviamente, noi non lo faremo in questo blog, dato che non usiamo nemmeno la più semplice delle formule matematiche. Cercherò di metterla, come al solito, in termini davvero semplici.

Io la vedrei così, la faccenda. Un buco nero è la risposta ad una precisa domanda: cosa accade se la materia collassa su se stessa fino a comprimersi in un oggetto davvero di dimensioni infinitesime?

Ecco, appunto, la risposta è un buco nero. Potete ben capire che la situazione non è così semplice. Stiamo parlando di un regime fisico che non sperimentiamo quotidianamente e quindi non abbiamo il benché minimo senso di immaginazione di come le cose possano andare. Ma abbiamo una teoria che descrive questa situazione e questa teoria è la teoria della Relatività Generale sviluppata da Albert Einstein nei primi decenni del secolo scorso.

La domanda successiva da porsi è: come possiamo osservare un buco nero? Questa è una domanda super-intelligente! Infatti ci sarà un motivo per cui si chiama nero, giusto?

Il motivo è che la forza di gravità esercitata da un buco nero è così forte che nemmeno la luce (o se volete le onde elettromagnetiche o se volete i fotoni) può sfuggire. Cosa vuol dire?

Immaginiamo di voler lanciare una pallina sulla Luna dal terrazzo di casa. Ah-Ah-Ah, direte voi, ridendo allegramente dello sprovveduto che proverebbe a fare una cosa del genere. E avete ragione (in parte). Il punto è che noi possiamo in principio mandare una pallina sulla Luna dal nostro terrazzo a patto, però, che la velocità della pallina sia abbastanza grande tale che la pallina non venga tirata di nuovo giù sulla Terra.

In realtà la pallina, durante il suo viaggio verso l'alto, sente sempre la forza di gravità della Terra. Se non ci fosse la gravità e noi lanciassimo una pallina verso l'alto con una certa velocità, allora la pallina manterrebbe la sua velocità per sempre (escludiamo ogni tipo di interazione con l'aria che pure è importante). Se, al contrario, abbiamo la Terra che tira durante tutto il viaggio aereo della pallina, il risultato finale è che la pallina, praticamente, rallenta.

Rallenta che ti rallenta, ad un certo punto la velocità della pallina che punta verso la Luna sarà zero. E cosa accade a quel punto? Beh, l'unica forza rimasta è quella della Terra che tira giù con la sua gravità. E dunque, inesorabilmente, la pallina ricade a Terra.

Ma questa, ordunque, è una sfida! Basta mandare la pallina con una velocità abbastanza alta tale per cui non assumerebbe mai il valore zero a causa della gravità terrestre. E dunque magari ci vorrebbe un razzo potente e così via, eccetera, eccetera.

Questo concetto fisico si chiama velocità di fuga. Si tratta della velocità che un oggetto deve avere per sfuggire alla gravità di un altro ed è una cosa facile da calcolare. In principio la forza di gravità agisce fino ad una distanza infinita, quindi non avremo mai un punto in cui l'oggetto è "libero". Però possiamo calcolare la velocità iniziale di lancio che un oggetto (la nostra pallina) dovrebbe avere per fare in modo che quel processo che abbiamo descritto prima del rallentamento avvengano lontanissimo. Cioè la velocità di fuga è la velocità iniziale necessaria per fare in modo che la pallina raggiunga una velocità pari a zero solo quando si trova ad una distanza infinita.

Non lasciatevi confondere dalla parola "infinito". Si tratta di un modo matematico di dire "distanza moooooolto grande". Quanto grande? Grande abbastanza per cui la forza di gravità della Terra diventi trascurabile, tutto qua. Questo è uno dei motivi per cui si usa la matematica, rende le cose più semplici, checchesenedica!

Per il nostro pianeta, la velocità di fuga, cioè quella necessaria a sfuggire dalla gravità terrestre (scusate se lo ripeto mille volte, ma voglio sia chiaro!) è di circa 11 chilometri al secondo ovvero 40 mila chilometri orari. Quindi, in sostanza, scordatevi di comprare una Ferrari e di lanciarvi nello spazio, non ce la fareste!

Ma torniamo al buco nero. Tutto sommato abbiamo un oggetto con una certa massa e quindi avrà anch'esso una velocità di fuga. Ebbene, per un buco nero, tale velocità è maggiore di quella della luce!
Piccola nota: il concetto è questo, poi bisognerebbe spiegare che esiste il concetto di orizzonte, ma per il momento lasciamo perdere, fate finta di non aver mai letto questa nota che...si auto-distruggerà in 5..4..3..2..1..sto scherzando ovviamente!

Ora, questo, detto così, non è un enorme problema. La luce viaggia a 300 mila chilometri al secondo, quindi basta superare tale velocità. Ehm, cari lettori di Quantizzando, non è così semplice: ci vuole un'energia (o, equivalentemente, una massa) praticamente infinita (ancora: mooooooooooooooolto grande!). Potete leggere qualche altro dettaglio qui.

Tuttavia questo non vieta che esistano cose che viaggino più veloci della luce. Certo, alcuni concetti usuali a noi comuni mortali (come il concetto di causa-effetto, ad esempio) verrebbero stravolti. Comunque magari (anche) di questo ne parliamo un'altra volta.

Dunque la luce, nonostante la sua alta velocità, non può sfuggire alla gravità di un buco nero.
E quindi ecco perché un buco nero è, appunto, nero. Con nessun telescopio si ha la possibilità di osservare un buco nero direttamente.

Tuttavia non scoraggiatevi. Dei buchi neri se ne parla quasi ogni giorno quindi qualche maniera per studiarli esiste. E infatti è proprio così.

Come abbiamo già detto, il buco nero non permette alla luce di uscire ma esso ha comunque una massa. Avere una massa vuol dire esercitare una forza di gravità. E quindi se c'è qualcosa nei pressi di un buco nero allora quel qualcosa inizierà a sentire tale forza.

Per esempio se potessimo togliere il Sole e mettere al suo posto un buco nero della stessa massa del Sole, la Terra continuerebbe a orbitare come al solito. Per inciso, il Sole non diventerà mai un buco nero perché questo accade solo alle stelle molto massive.

Dunque usiamo la gravità! Questo è proprio il metodo con cui è stato scoperto o, se volete, osservato il buco nero al centro della nostra Galassia.

Non ci credete? Allora ecco un po' di dati/fatti osservativi. Gli astrofisici hanno osservato il moto delle stelle attorno al centro della Via Lattea per un po' di tempo. Eccoli qua:

 

Queste sono osservazioni vere, eh!
Allora, vediamo un po'...perché questa è la pistola fumante che indirizza gli astrofisici ad affermare l'esistenza di un buco nero al centro della Via Lattea? 
Perché le stelle sembrano orbitare attorno ad un punto particolare e inoltre una delle stelle (come si può vedere alla fine del breve filmato) addirittura chiude un'orbita. Questo permette di calcolare tutti i parametri del sistema e di trovare la somma totale delle masse della stella e dello sconosciuto oggetto al centro, per esempio. Ebbene, si trova una somma delle masse pari a qualche milione di volte quella del Sole. Ma siccome una stella, bene che va può avere una massa di circa un centinaio di volte quella del Sole allora l'unico altro oggetto che possiamo trovare compatibilmente con le dimensioni spaziali del sistema può essere solo un buco nero supermassivo.

Supermassivo? Ecco, il punto è che i buchi neri si possono formare dalla morte di una stella. Ma, come già detto, una stella può raggiungere al massimo un centinaio di masse solari e quindi ci aspetteremmo un buco nero con una massa più o meno di quell'ordine di grandezza. Però, al centro della galassia sembrerebbe esserci un buco nero di qualche milione di masse solari. Qualche milione! Cioè vuol dire che in uno spazio molto compresso ci devono essere una massa pari a quella di qualche milione di stelle come il Sole. Ecco perché l'unica possibilità è un buco nero. Solo questo tipo di oggetti permette che ci sia così tanta massa in uno spazio ristretto.

Comunque, questa non è la fine della storia.  Ci sono molte galassie che hanno una parte centrale attiva (ecco il post di Quantizzando dove ne parlavamo), dove attiva vuol dire che generano una notevole emissione di energia a diverse frequenze elettromagnetiche come, per esempio, onde radio e raggi-x. Da dove viene questa energia? Cos'è il motore del meccanismo che produce questa enorme emissione? Non c'è verso: allo stato attuale della nostra conoscenza, deve trattarsi di un buco nero. 

Dunque sembra che quasi tutte le galassie ospitino un buco nero centrale supermassivo. Alcuni attivi altri no. Comunque sembra essere un qualcosa di molto profondo dal punto di vista dei processi di formazione ed evoluzione delle galassie e quindi si tratta di una serie di fenomeni che vanno studiati mooooolto attentamente!


martedì 15 luglio 2014

Tre cucchiai di neon nel Sole

Il Sole è ovviamente la stella più vicina a noi. La sua luce impiega circa 8 minuti per arrivare qui sulla Terra. Ciò vuol dire che se il Sole scomparisse ora noi ce ne accorgeremmo solo tra 8 minuti. In termini di chilometri questo si traduce in una distanza Terra-Sole pari a 150 milioni di chilometri.

Vi sto dicendo tutto questo per mettervi a vostro agio. Infatti la domanda che ci faremo in questo post è:

Quanto neon c'è nel Sole?

Voi potreste dire: macchissene!
Potreste, vero, ma sono certo che non lo farete, poiché la parola neon era già nel titolo e quindi se siete arrivati fin qui a leggere vuol dire che, sotto sotto, siete curiosi anche voi di rispondere a quella domanda e magari anche di capire perché gli astrofisici se la pongono.

Già, ma perché porsi una domanda del genere?
Perché rispondere vorrebbe dire capire meglio il Sole e siccome il Sole, alla fin fine, è una stella, questo significherebbe capire meglio come funzionano le stelle in generale.

Va bene, ma perché proprio il neon allora?
Perché il neon è importante nell'interno del Sole per i processi di trasporto di energia. Infatti, nel caso del Sole, abbiamo che nel nucleo, a circa 15 milioni di gradi, avviene la reazione di fusione nucleare che brucia 4 atomi di idrogeno per dare vita ad un atomo di elio più fotoni, ovvero onde elettromagnetiche, ovvero quelle che ad un certo punto arrivano da noi sulla Terra e ci permettono di vivere. Ma non c'è solo idrogeno ed elio. Ci sono anche altri elementi come carbonio, azoto, ossigeno e appunto il neon.

Domanda intelligente (a questo punto): come facciamo a capire quanto idrogeno o altro c'è nel Sole se non possiamo osservare cosa accade al suo interno? Ottima domanda!
Quello che possiamo osservare è la superficie del Sole e tramite lo studio dello spettro del Sole (che adesso spieghiamo brevemente) possiamo determinarne l'abbondanza degli elementi chimici in maniera più o meno diretta (a seconda dell'elemento).

Misurare lo spettro del Sole vuol dire osservare quanta luce viene emessa ad una certa lunghezza d'onda. Ogni atomo ha un suo spettro caratteristico e unico che è misurabile in laboratorio. Quando si osserva lo spettro del Sole è possibile cogliere queste caratteristiche di ogni elemento e quindi capire che tipi di e quanti atomi ci sono nel Sole.

Dunque cosa accade? Accade che se proviamo a fare un modello di come funziona il Sole al suo interno, per capire se abbiamo fatto un buon modello dobbiamo confrontare quello che prevede il modello con ciò che possiamo osservare. E siccome possiamo osservare l'abbondanza degli atomi sulla superficie solare è proprio quello che si va a confrontare.

Il Sole, con una rappresentazione del suo interno e, in basso a destra uno spettro a raggi-X dove è possibile vedere le caratteristiche righe del neon.

Ora, l'interno del Sole è una cosa come nella figura qui sopra. C'è un nucleo centrale dove avvengono le reazioni nucleari che producono i fotoni, la luce insomma. Allora questi fotoni iniziano a vagare verso la superficie in un viaggio che può durare anche parecchio. Ad un certo punto però le condizioni cambiano e si arriva in una zona detta convettiva (nel disegno è raffigurata dalle frecce che si chiudono su se stesse nei pressi della superficie). In pratica in questa zona l'energia viene trasportata tramite convenzione, che poi non è altro che lo stesso processo che coinvolge l'acqua della pentola in cui siamo pronti per buttare la pasta (tutta questa fisica stellare mi ha fatto venire fame!).

Adesso, c'è un problema. Nei nostri modelli non sappiamo teoricamente quando è spessa la zona convettiva. Dobbiamo dedurlo dalle osservazioni. E ci sono due modi per farlo: uno è, chiaramente visto che stiamo rompendo parecchio con questo post, misurare l'abbondanza degli elementi tra cui quella del neon; purtroppo però in questo modo abbiamo solo una stima indiretta perché il neon non offre alcun segno caratteristico della sua presenza quando si osserva a lunghezze d'onda come quelle a cui il nostro occhio è sensibile. L'altro metodo è tramite l'eliosismologia, ovvero il ramo dell'astrofisica che si occupa di studiare le oscillazioni che avvengono nella superficie del Sole.

Perfetto dunque abbiamo addirittura due metodi per misurare lo spessore della zona convettiva! Qual è il problema? Il fatto è che le due stime non vanno d'accordo mannaggia! 
Potenzialmente tutto si potrebbe risolvere se l'abbondanza di neon fosse il triplo di quella stimata dallo spettro del Sole. Ahia, la vedo dura!

Sapete quale sarebbe una buona idea? Osservare nei raggi-X, dove il neon presenta delle caratteristiche ben distinguibili (vedi figura sopra!). Infatti un plasma che ha una temperatura dell'ordine dei milioni di gradi emette raggi-X. E la corona solare, la parte alta dell'atmosfera solare emette in raggi-X perché ha temperature dell'ordine dei milioni di gradi. Bene, allora osserviamo l'emissione di raggi-X del Sole e misuriamo queste benedette righe spettrali del neon, no? 
Ehm, no. Infatti non è così facile. Il Sole è abbastanza vicino a noi e la sua emissione di raggi-X è dovuta a parti di plasma con condizioni differenti da regione a regione del Sole. Quindi l'interpretazione dei risultati potrebbe essere complicata. 
Ma per fortuna qualcuno ha avuto un'idea geniale: misuriamo l'emissione di raggi-X di altre stelle, così non abbiamo problemi di osservare una determinata regione ma becchiamo tutta la stella. 

Bene, è stato fatto. E sapete qual è il risultato? Che l'abbondanza di neon in quelle stelle osservate sembra essere il triplo di quella misurata in maniera indiretta (cioè senza osservare i raggi-X) nel Sole.
Quindi, come da titolo, non uno bensì tre cucchiai di neon!

Fantastico! Allora gli astrofisici possono tirare un sospiro di sollievo: il loro modello di come funziona il Sole è abbastanza giusto!

Aspettate ad esultare però. Bisogna dire che tale soluzione proposta è solo una delle possibili soluzioni. Il dibattito scientifico tra chi studia il Sole è tuttora in corso e altre idee sono state proposte oltre alla presenza di altri studi riguardo la possibilità che effettivamente le osservazioni di raggi-X delle altre stelle possano confermare che il disaccordo tra eliosismologia e abbondanze solari sia risolto. 
Per chi ne avesse voglia, c'è questo recentissimo articolo scientifico: http://arxiv.org/pdf/1403.3097v1.pdf  (la parte che riguarda specificamente la discussione che abbiamo trattato in questo post è a pagina 12). Come scritto nella parte finale di tale articolo scientifico, tocca alla nuova generazione di scienziati dare la risposta definitiva al problema. 

Vedete? L'astrofisica (e la scienza in generale) procede pian piano, piccoli passi verso una direzione ignota. Man mano, durante il cammino vengono in mente idee, progetti e quant'altro che permettono di fare un piccolo passo in avanti. Tuttavia questo non vuol dire che nel frattempo si facciano anche delle lunghe pause e/o degli errori. Ma il processo è inarrestabile. Siamo piccole menti che, unite, possono avere grandi idee. L'importante è porsi le domande giuste.



venerdì 11 luglio 2014

Nubi (strane) d'estate

Ecco un video girato a Londra la notte del 4 Luglio scorso.



Tutto molto bello ma...cosa sono quelle strane nubi blu?

Come dice il titolo del video in inglese, si tratta di nubi nottilucenti. Dopo aver contemplato il video e aver controllato che tutti siano d'accordo nel dire che si tratti di un meraviglioso spettacolo della Natura, possiamo procedere con una spiegazione in parole povere (ma non per questo meno seria, eh!) di quello che accade. 

Alla fine di questo post dovreste sapere cosa sono, perché si formano, come si formano e perché sono blu. Iniziamo!

Queste nubi si formano a 85 chilometri di circa lassù in alto, nell'atmosfera. A quelle altitudini troviamo le più basse temperature dell'atmosfera del nostro pianeta.
Dunque sembra abbastanza scontato il fatto che le nubi nottilucenti siano formate da minuscoli cristalli di ghiaccio delle dimensioni di un decimillesimo di millimetro.
Comunque le cose sono abbastanza differenti da come accadono al suolo poiché l'atmosfera è più rarefatta lassù e quindi abbiamo anche differenti condizioni di pressione. Ecco perché in realtà il ghiaccio a 85 chilometri di altezza si forma solo se siamo a -123 °C. Queste temperature, da quelle parti si raggiungono nei pressi del solstizio d'estate e per questa ragione il miglior periodo per osservare le nubi nottilucenti va da metà Maggio ad Agosto.
Ma la temperatura da sola non basta.  Ovviamente ci vuole l'acqua per fare i cristallini di ghiaccio. E questa cosa è strana, poiché l'atmosfera è abbastanza secca a quella altitudini quindi ci vuole un meccanismo che permetta di avere molecole d'acqua a 85 chilometri d'altezza. 
Come spesso si dice, il metano può dare una mano. 
Infatti il metano prodotto a 12 km di altezza (tramite processi biologici in cui c'è una minor presenza di ossigeno che fa formare l'acqua) sale nelle parti alte dell'atmosfera e dopo tutta una serie di processi chimici e coadiuvato dai fotoni prodotti dal Sole, genera delle molecole di acqua (che poi diventeranno ghiaccio ovviamente).
E infine l'ultimo ingrediente: qualcosa con cui i cristallini di ghiaccio possano aumentare di dimensioni. Questo processo è chiamato nucleazione. In pratica è quello che succede con le gocce di pioggia e fiocchi di neve che crescono attorno a particelle di polvere per esempio; una volta che gocce e fiocchi crescono e diventano abbastanza pesanti, la gravità fa il suo lavoro e abbiamo il diluvio e il Natale.
Nel caso delle nubi nottilucenti la nucleazione avviene tramite i resti di meteoriti che attraversano l'atmosfera terrestre. E questo spiega anche perché tali nubi si trovano a 85 km di altezza, ovvero proprio dove i meteoriti si disintegrano nella nostra atmosfera.

Il fatto che i cristalli di ghiaccio siano minuscoli spiega anche perché le nubi nottilucenti siano blu. Infatti dal Sole arrivano onde elettromagnetiche (cioè luce) di diversa lunghezza d'onda; si va dalla luce blu con piccola lunghezza d'onda fino alla luce rossa con grande lunghezza d'onda. In pratica quello che accade è che la luce rossa, avendo una lunghezza d'onda molto maggiore delle dimensioni dei cristalli, nemmeno si accorge della presenza di queste piccole particelle di ghiaccio; d'altra parte la luce blu si "scontra" con queste particelle e quindi viene diffusa in varie direzioni e riesce a raggiungere i nostri occhi a Terra. Ecco perché le nubi nottilucenti sono osservate nelle prime ore del mattino: è necessario che il Sole sia ad una giusta angolazione come spiegato da questa immagine:


Quindi abbiamo che, quando il Sole si trova in una certa posizione sotto l'orizzonte, c'è una parte di cielo illuminata e poi ci sono le nubi nottilucenti che sono visibili a causa del fatto che la luce blu proveniente dal Sole viene diffusa come detto prima. In realtà la figura non è completa: il Sole deve essere più di 6 gradi sotto l'orizzonte ma anche meno di 16 gradi.

Bene amici di Quantizzando: se riuscite, da qualche parte nel mondo, ad avvistare le nubi nottilucenti allora inviatemi le vostre foto e le pubblicherò qui su Quantizzando.




giovedì 3 luglio 2014

L'universo vuoto

Ovviamente l'universo non è vuoto, perché altrimenti non potreste leggere questo post.

Disclaimer: non ci sono figure in questo post perché parliamo di universo vuoto, fatevene una ragione!

A dire il vero questo post è leggermente tosto. Ho provato a fare del mio meglio ma sono sempre a disposizione per ulteriori chiarimenti.

In realtà questo tipo di universo è un universo pedagogico, nel senso che pur sapendo benissimo che non esiste viene sempre studiato durante i corsi di cosmologia all'università perché si imparano parecchie cose analizzandolo.

Questo blog, però, non è certo e non vuole essere un corso condensato di cosmologia. Vorrei raccontarvi qualcosa sull'universo vuoto solo per farvi vedere come, spessissimo, il buon senso umano non corrisponde al buon senso della fisica.

Dunque, iniziamo. La teoria della Relatività Generale ci dice che la materia curva lo spazio-tempo. Quindi uno, molto semplicemente, si aspetta che in assenza di materia non ci sia nessuna curvatura. No materia no party, insomma.

Perciò viene naturale dire che in un universo vuoto tutto è completamente piatto. Sicuri?

Ma la colpa non è vostra, tranquilli. Purtroppo è facile fare confusione su alcuni concetti basilari della Relatività Generale. Il punto è che lo spazio-tempo ha 4 dimensioni: 3 spaziali (altezza, lunghezza e larghezza, per capirci) e 1 temporale. Questo vuol dire che per una completa descrizione fisica di un fenomeno sono necessari 4 numeri. Dove siete e quando ci siete.

Questa struttura può essere curva. Ma che vuol dire? Solitamente si vede la tovaglia con la mela al centro che crea una fossa e poi si prende un oggetto più piccolo e spingendolo in direzione tangenziale esso inizia a roteare attorno la mela e poi inevitabilmente cade sulla mela. Questa sembra una ragionevole approssimazione, un bel modo per spiegare la curvatura ma, se proprio ve lo devo dire, a me non piace.

Il metodo migliore per spiegare la curvatura dello spazio tempo è secondo me pensare ad una lente. Cosa fa una lente? Cambia la direzione dei raggi di luce. Come lo fa? In pratica si mette un pezzo di un qualche materiale tra il nostro occhio e l'oggetto che vogliamo osservare. Questo effetto è chiamato lente gravitazionale e osservativamente parlando consiste nel vedere immagini distorte delle galassie lontane.

Se ora al posto della lente pensate ci sia della materia (ovvero una stella, una galassia, un buco nero, quello che vi pare) quello che accade è che la luce segue la "strada" formata da questa materia.
In pratica lo spazio-tempo viene curvato dalla presenza di materia. Questo dice la teoria della Relatività Generale. E questo spiega anche la forza di gravità: i corpi si muovono gli uni intorno agli altri perché lo spazio-tempo è curvo.

Ora il domandone: ma qual è la differenza tra spazio curvo e spazio-tempo curvo? Semplice: spazio curvo non è abbastanza per dire che avremo l'effetto lente sui raggi di luce. Ci vuole lo spazio-tempo curvo per avere ciò.

Quindi se l'universo è vuoto allora niente materia. Niente materia, niente spazio-tempo curvo. Niente lenti gravitazionali.

Ma questo non vuol dire che lo spazio (quello 3-dimensionale intendo) non sia curvo, però. La curvatura dello spazio dipende dalla densità di materia dell'universo rispetto un valore chiamato densità critica. Al momento le osservazioni ci dicono che la densità dell'universo è praticamente quella critica. Questo vuol dire, in soldoni, che l'universo non è spazialmente curvo. Però osserviamo le lenti gravitazionali quindi lo spazio-tempo, invece, è curvo! E sapete perché? Perché la materia curva lo spazio tempo!
Quindi se siamo sopra o sotto la densità critica allora spazialmente (o 3-dimensionalmente se volete) l'universo è curvo (ovviamente ci sono delle differenze nell'essere sopra o sotto tale densità critica ma in questo post non ci curiam di loro).

E allora eccoci al punto cruciale. Voi direte: "Va bene, mi hai convinto, se nell'universo non c'è un atomo che sia uno allora lo spazio-tempo non si può curvare (perché esso si curva solo quando c'è della materia) e quindi niente lenti gravitazionali. Però, spazialmente, l'universo vuoto è curvo. Aspetta, ma che caspita vuol dire? Potresti fare un esempio?"

Ecco come bisogna vederla: l'universo vuoto è 4-dimensionalmente piatto. Se prendiamo delle "fette" 3-dimensionali di questo universo vuoto ecco che le "fette" sono curve. Tutto qua.

Invece, il nostro universo reale è 4-dimensionalmente curvo. Ma se prendiamo delle fettine 3-dimensionali, esse sono piatte. Semplice no?

Eh lo so che le cose in 4 dimensioni sono difficili da visualizzare ecco perché ho pensato ad un esempio con una dimensione in meno. Prendiamo un cubo (oggetto non curvo). Da lontano è proprio un cubo ma in realtà, se andiamo a vedere dentro esso è formato da tante superfici curve come ad esempio dei fogli che hanno la forma di selle di cavallo (la scelta di questo tipo di superficie NON è a caso, sappiatelo!).
Oppure il caso contrario, ovvero pensate ad una sfera (oggetto curvo) in cui ogni fettina è un bel foglio liscio A4 (che non è curvo).

Quelli appena elencati sono esempi di curvature differenti quando si considerano dimensioni differenti. Insomma il caso dell'universo vuoto non ha nulla di strano e anzi, come avete potuto vedere, è risultato molto istruttivo.

Ora, non so se vi ho ancora confuso maggiormente le idee oppure tutto magicamente vi sembra più chiaro. Al di là dei possibili dettagli matematici, quello che dovete ricordare dopo aver letto questo post è che la geometria dipende dalle dimensioni che abbiamo e quando sentite dire che l'universo è piatto o curvo ricordatevi sempre di chiedere se parlano di 3 o 4 dimensioni.

Quindi la fisica ha perfettamente senso. Si tratta solo di essere chiari con le definizioni e ricordarsi che lo spazio-tempo è qualcosa di più complicato (ha ben 4 dimensioni!) del nostro noioso spazio a tre dimensioni.



mercoledì 2 luglio 2014

Segnali oscuri da Perseo

Ciò che andrò a raccontarvi oggi è un risultato scientifico di qualche mese fa, precisamente Febbraio 2014.

Tale risultato deve essere ancora confermato, tuttavia potrebbe essere interessante per tutti noi cercare di capirci qualcosa sin da subito. Se il risultato fosse confermato allora si andrebbe incontro a roba nuova, altrimenti, se così non fosse, magari leggendo questo post potreste farvi un'idea di quanto le cose siano complicate e dei metodi di ricerca che vengono utilizzati.

Partiamo dagli ammassi di galassie. Tali sistemi fisici sono tra i più grandi conosciuti dell'universo e non si tratta altro che di gruppi di magari un migliaio di galassie legate insieme gravitazionalmente. Ci sono parecchie ragioni per cui gli ammassi di galassie sono importanti in astrofisica, ma di questo magari parleremo un'altra volta.

Comunque, non ci sono solo le galassie in un ammasso. C'è anche del gas. Il cosiddetto ICM (Intra Cluster Medium). Stiamo parlando di un plasma composto principalmente da idrogeno ionizzato.

Cos'è un plasma? Se abbiamo un gas fatto di atomi di idrogeno, ogni atomo è formato da un protone nel nucleo e un elettrone da qualche parte intorno al nucleo. Se abbiamo un plasma allora protone e neutrone sono ancora legati elettromagneticamente nel senso che interagiscono tra loro ma in sostanza quello che abbiamo è gli atomi di idrogeno sono senza elettroni i quali vagano nel plasma, appunto.
Gli atomi senza elettroni attorno legati al nucleo sono detti ionizzati.

Ora, se non siamo ad alte temperature non abbiamo il plasma. Nel caso degli ammassi di galassie siamo sui 100 milioni di gradi. L'interazione tra protoni e elettroni del plasma genera emissione di raggi-X.
Telescopi spaziali come Chandra della NASA e XMM-Newton dell'ESA sono stati costruiti proprio per rivelare l'emissione di raggi-X nell'universo.

Anche in questo caso, ci sarebbero un sacco di cose da dire sui raggi-X emessi dal gas degli ammassi di galassie. Mi trattengo, ma un proprio ve la devo dire.

Se il gas continua ad emettere raggi-X allora perde energia. Dunque la temperatura del gas dovrebbe diminuire. Tale cosa è osservata? La risposta è no. Perché? Non si sa. Come vedete non abbiamo tutte le risposte ai problemi dell'universo. E inoltre non ci sono solo l'energia e la materia oscura ad essere importanti nella ricerca astrofisica, ma ci sono parecchie altre cose che vale la pena studiare.

Ah, un'ultima cosina: abbiamo detto che negli ammassi di galassie abbiamo galassie, gas e ovviamente c'è anche la materia oscura. Comunque il punto è che tra la materia ordinaria (galassie e gas) la parte da leone la fa il gas, ovvero c'è più abbondanza di gas che di galassie negli ammassi.

Bene, dopo questa breve introduzione, passiamo al punto di questo post.
L'emissione di raggi-X dell'ammasso di galassie di Perseo è stato osservata e misurata.




Come potete vedere nel riquadrino in basso a sinistra c'è un picco di emissione intorno i 3.5 kiloelettronvolt (è un'unità di misura dell'energia o della temperatura, se volete). Questo picco a queste temperature non è ancora chiaro come si sia formato e necessita di ulteriori analisi. 

Eppure una possibile spiegazione esiste. 

Supponiamo che la materia oscura sia composta di un particolare tipo di particella chiamata neutrino sterile (che adesso spiegheremo più o meno cos'è). Questa particella dovrebbe decadere in due particelle: un fotone e un neutrino attivo. Il punto è che il fotone emesso da questo processo dovrebbe avere un'energia dell'ordine dei kiloelettronvolt, cioé esattamente le energie dove si è osservato il picco di emissione nel ammasso di Perseo. 

Questa è la notizia scientifica. Ovviamente bisogna ancora che questa cosa trovi conferme. Nell'attesa prendiamo questa notizia come un esempio del fatto che gli scienziati lavorano sodo per cercare di capire come stanno le cose. Inoltre questa misurazione dell'ammasso di Perseo è anche un esempio di come lavoro teorico (l'ipotesi del neutrino sterile) e lavoro osservativo non possano "divorziare" in alcun modo. 

Ora vediamo brevemente cos'è un neutrino sterile. Innanzitutto cos'è un neutrino in generale: si tratta di una particella prevista nel modello standard della fisica delle particelle. Non ha carica elettrica e appartiene alla stessa grande famiglia dell'elettrone e interagisce tramite la forza nucleare debole. Questo proprio in due parole due.
I neutrini osservati finora sono sinistrorsi. Non starò nemmeno a provare a spiegare questa cosa adesso in questo post; si tratta di una caratteristica fisica associata ai neutrini che osserviamo. La domanda è perché non ne vediamo di destrorsi? Bella domanda!

Ecco cos'è il neutrino sterile: un neutrino destrorso. Mai osservato, sia chiaro. Ma questo anche perché, essendo destrorso, non interagirebbe nemmeno tramite forza nucleare debole e quindi, dato che sarebbe anche neutro cioé niente interazione elettromagnetica, l'unico modo per osservarlo è attraverso gli effetti gravitazionali. Esattamente ciò che fa la materia oscura, agisce solo gravitazionalmente.

Un bel modo per rivelare questo neutrino sterile è attraverso il prodotto del suo decadimento, come abbiamo spiegato poco sopra. Quindi questa è l'idea che c'è dietro l'osservazione di quel picco di emissione di raggi-X nell'ammasso di Perseo.

Materia oscura scoperta? Magari! In realtà spero che questo post vi abbia un attimo acceso una luce dentro riguardo al fatto che la ricerca in astrofisica è molto più che attiva e che l'universo è bello perché è enorme e potrebbe darci le risposte quando meno ce lo aspettiamo.