domenica 20 dicembre 2015

La favola dei fotoni all'inizio dell'universo

Come augurio di Buone Feste, ho pensato di raccontare una breve favola, la storia dei fotoni all'inizio dell'universo, che magari potrete raccontare anche ai vostri figli e nipoti prima di fara la nanna.

C'era una volta un tempo in cui l'universo era pieno di personaggi molto gelosi e possessivi. Stiamo parlando di tempi bui, in cui di luce neanche l'ombra (ah, bella questa!); alcuni dicono addirittura che tutto ciò accadde 380 mila anni dopo la nascita dell'universo. Se pensate che oggi l'universo si ritenga abbia 13.7 miliardi di anni, potete ben capire che stiamo parlando proprio degli inizi. 
Fino a quel tempo avevamo i nuclei atomici di alcuni elementi, come idrogeno ed elio, che stavano per i fatti loro e dall'altra parte elettroni e fotoni che giocavano ad acchiapparello, cioè interagivano continuamente tra loro. Beh, questo generava problemi seri perché, come noi tutti sappiamo, un atomo è composto, appunto, da un nucleo e da elettroni che girovagano nei dintorni del nucleo stesso. Invece all'epoca nuclei ed elettroni vivevano vite diverse con i fotoni che facevano da terzo incomodo.
In pratica, nuclei ed elettroni erano separati come ad una festa della scuola media lo sono di solito ragazzi e ragazze (almeno una volta, eh!). E abbiamo visto che la colpa di tutto ciò era dei fotoni che continuavano a bazzicare attorno agli elettroni.
Dal punto di vista fisico, questo accadeva perché la probabilità di un fotone e di un elettrone di acchiapparsi era molto alta. Ad un certo punto della storia dell'universo però, questa probabilità scese.

Domanda lecita: perché la probabilità degli incontri fotone-elettrone si abbassò? A causa dell'espansione dell'universo: infatti, l'espansione dell'universo modifica le densità (che scalano come l'inverso del volume) e quindi ad un certo punto per un fotone diventò difficile trovare un compagno di giochi. Se a questo poi aggiungiamo che gli elettroni non persero tempo e se ne andarono con i nuclei, possiamo dire che il tradimento fu completo.

In tutto questo marasma di relazioni complicate, però non tutti i fotoni ne uscirono allo stesso modo. Certo, lo stato d'animo fu più o meno lo stesso per tutti perché i fotoni vennero abbandonati più o meno durante lo stesso periodo e infatti possiamo osservare il CMB avere una ben definita "temperatura" media di circa 2.73 gradi Kelvin. Però il punto è che c'erano regioni più dense di nuclei di altre e quindi, in pratica in alcune regioni i fotoni dovettero sfuggire ad una alta concentrazione di concorrenti (nella storia con gli elettroni) mentre in altre regioni la faccenda si dimostrò più agevole. Questo risultò in una non perfetta uguaglianza tra le "temperature" dei fotoni: chi leggermente più caldo e chi leggermente più freddo, ma di pochissimo eh, circa una parte su centomila (per capirci, differenze dell'ordine di 0.00001 gradi Kelvin).

E quindi gli elettroni riuscirono finalmente ad accoppiarsi con i nuclei, formando così i primi atomi completi e a i fotoni non restò, come penitenza, che vagare soli nell'universo per l'eternità senza che nessuno li notasse. Questo almeno fino al 1964-1965 quando i fotoni vennero osservati in quello che oggi chiamiamo fondo cosmico a microonde o, per dirla all'inglese CMB, cioè Cosmic Microwave Background. 

In parole povere, i nostri fotoni li vediamo oggi tutti abbastanza freddi, segno che la delusione cocente è ormai passata: tuttavia il modo in cui si è sfuggiti al tradimento degli elettroni (che sono scappati con i nuclei) ha influito in maniera diversa sui fotoni a seconda di come era la situazione.

Per esempio, un fotone circondato da tanti nuclei (cioè che si trovava in una regione più densa dell'universo) ha fatto più fatica in quei momenti a venirne fuori da quella zona ma possiamo dire che alla fine ha metabolizzato meglio la situazione e ne è uscito più freddo della media, proprio perché ha speso tutte le sue energie migliori per lasciarsi la delusione alle spalle. Invece un fotone circondato da pochi nuclei (quindi proveniente da una regione meno densa dell'universo) non ha ancora passato quella fase di rancore, in quanto ha fatto meno fatica a lasciare nuclei ed elettroni; possiamo pensarla come se questi ultimi fotoni, data la regione poco densa e abbastanza isolata in cui si trovavano, non siano stati testimoni del tradimento di massa degli elettroni e quindi non si siano ancora rassegnati.
Perciò, in definitiva, vediamo fotoni più freddi della media che provengono dunque dalle regioni più dense e fotoni più caldi della media che provengono da regione meno dense. Ripeto che si tratta di differenze di una parte su centomila, eh.

In rosso, i fotoni leggerissimamente più caldi di 2.73 K; in blu, quelli leggerissimamente più freddi di 2.73 K.





E alla fine, dunque, i fotoni tuttora vagano nell'universo, senza una meta precisa, come nelle peggiori delusioni amorose. Eppure, è solo grazie a questo dramma esistenziale dei fotoni all'inizio dell'universo che possiamo studiare tante cose e capirne ancor di più su come funziona tutto ciò che ci circonda.

Morale della favola, direi, è che l'amore può deludere ma la scienza probabilmente, con tutte le meraviglie da studiare e scoprire, non lo farà mai. E in un certo senso, anche voler cercare di comprendere come funziona l'universo è una forma di amore, un amore per la vita stessa che, in qualche modo, prese il via anche grazie a quei meravigliosi fotoni all'inizio dell'universo.


mercoledì 16 dicembre 2015

L'universo non si espande più veloce della luce

Siamo qui oggi riuniti su Quantizzando per sfatare un altro mito riguardante l'espansione dell'universo. Qualche tempo fa abbiamo visto perché, nonostante l'universo sia in espansione, la nostra camera da letto rimane tranquillamente ferma.

Oggi parleremo di un'altra cosa che si sente in giro e, bisogna ammetterlo, spesso viene detto anche da insospettabili, come vedremo. A tal proposito vorrei fare un chiarimento subito. Vedete, gli scienziati non sono infallibili. Una/o scienziata/o si mette lì, prova a capire quella cosa; a volte diventa tutto chiaro, a volte invece no. E quindi, di conseguenza, qualche volta si sbaglia, si pasticcia, si fanno errori anche grossolani magari per il calibro della/o scienziata/o. Ma fa parte del gioco, tutto questo sbagliare e rimuginare sui propri errori è il sale della scienza. Senza errori la scienza sarebbe una fredda disciplina in cui verrebbe a mancare proprio il brivido di camminare su un terreno mai calpestato prima.

Bene, detto questo possiamo vedere cosa Richard Feynman (1918-1988), premio Nobel per la fisica nel 1965 diceva a proposito dell'espansione dell'universo:


Traduco per coloro che non conoscono l'inglese: "Non ha alcun senso preoccuparsi riguardo la possibile esistenza di galassie che si allontanano da noi ad una velocità maggiore di quella della luce - qualunque cosa ciò voglia dire -  poiché esse non si potrebbero mai osservare per ipotesi."

lunedì 14 dicembre 2015

Vera Rubin e la materia oscura

Qualche giorno fa vagavo in rete saltando di articolo scientifico in articolo scientifico cercando le citazioni giuste per la mia tesi di dottorato. Quando mi sono trovato ad introdurre la materia oscura non ho potuto fare a meno di citare Vera Rubin. E, per curiosità mi son detto: chissà se la pagina Wikipedia di Vera Rubin è fatta come si deve. Perciò ho DuckDuckGo-ato "Vera Rubin Wikipedia" e poi mi sono affacciato sulla pagina in italiano. E, almeno fino al 14 Dicembre 2015, c'era questo:


Cliccate per ingrandire o andate direttamente
sulla pagina di Wikipedia: https://it.wikipedia.org/wiki/Vera_Rubin

Le cose che mi hanno fatto un po' così pensare sono state due:
In particolare, l'ultima frase mi è suonata altamente incomprensibile oltre che notevolmente striminzita come descrizione del lavoro di Vera Rubin.
Ma come si fa a non nominare la materia oscura nella pagina di Vera Rubin? E perché non esiste una voce per "curva di rotazione"  in italiano?

martedì 8 dicembre 2015

Effetto Yarkovsky

In questo post ripropongo una mappa che ho già fatto vedere in passato. Si tratta della mappa degli asteroidi potenzialmente pericolosi per il nostro pianeta. Eccola qua:


Abbastanza impressionante, vero?
Tutte quelle curve celesti sono le traiettorie degli asteroidi potenzialmente pericolosi. Bene, detto questo andiamo diritti al punto, ad una domanda che molti di voi si sono chiesti mille volte.
Ma se gli asteroidi orbitano, proprio come i pianeti, soggetti alla gravità, come mai non siamo in grado di determinare con certezza e con largo anticipo gli asteroidi realmente pericolosi?

Parte della risposta a questa domanda è nel titolo di questo posto: l'effetto Yarkovsky.
Già, perché l'effetto Yarkovski ci fa essere meno sicuri sulla determinazione delle traiettorie di un asteroide.
E va bene, ma allora cosa caspita è questo effetto Yarkovski? Lo vediamo immediatamente.




Innanzitutto parliamo un nanosecondo del signor Ivan Yarkovsky, di cui abbiamo una diapositiva (forse un dagherrotipo?) qui a lato.
Yarkovsky era un ingegnere russo vissuto nella seconda metà del 1800 e morto nel 1902.
Cosa significa che gli asteroidi subiscono l'effetto a cui è stato attribuito il suo nome?

Dunque, sì, la gravità è la causa regina del moto degli asteroidi. Ma fare previsioni è difficile perché Yarkovsky ha appunto scoperto che la luce del Sole può influenzare la traiettoria dei sassi del cielo.

In che modo?

La radiazione proveniente dal Sole, come tutte le onde elettromagnetiche, esercita una pressione su di un asteroide. Ora, possono accadere diverse cose: per esempio la luce può essere riflessa dall'asteroide. Oppure può essere assorbita. In quest'ultimo caso, la parte di asteroida colpita dalla luce solare si riscalda. Insomma, finora non abbiamo detto niente di più complicato di quello che accade quando prendiamo il Sole in spiaggia.

Una volta che l'asteroide ha assorbito la luce e si è riscaldato, successivamente, come ogni corpo caldo, ri-emette radiazione. E anche qui nulla di nuovo: infatti questo è il principio base del meccanismo dell'effetto serra.

Il punto è che quando l'asteroide ri-emette radiazione, si comporta come un cannone che rincula: l'emissione di fotoni fornisce una spinta all'asteroide nella direzione in cui si muove. A complicare ulteriormente le cose c'è anche il fatto che probabilmente l'asteroide ruota. E quindi la direzione in cui esso riceve la spinta dipende dal verso di rotazione: ecco, un gran bel casino.

Per rendere tutto ciò più chiaro consiglio la visione di questo video, in cui quello che ho detto a parole è spiegato visivamente:




Come vedete nel video, la direzione nella quale l'asteroide riceve la spinta dipende dal verso di rotazione rispetto alla posizione del Sole, visto che la radiazione viene ri-emessa dalla parte opposta al Sole.

Tutto questo rende le previsioni riguardo alle traiettorie degli asteroidi molto più difficili da interpretare. Tuttavia spero che questo post possa essere d'aiuto nel capire che molte cose non vanno date per scontate siccome ci sono molti effetti da tenere in considerazione.

E quindi che facciamo, stiamo con le mani in mano ad aspettare? Certo che no.
La NASA ha in programma la missione OSIRIS-REx, il cui obiettivo principale è quello di recuperare frammenti dell'asteroide Bennu, ma anche di studiare varie caratteristiche dell'oggetto come ad esempio l'effetto Yarkovsky.
Il lancio di OSIRIS-REx è previsto, per ora, i primi di Settembre 2016 e l'asteroide Bennu sarà avvicinato, dopo una serie di manovre spaziali, a metà agosto 2018. A quel punto la sonda toccherà la superficie dell'asteroide per cinque secondi durante i quali raccoglierà un campione di minimo 60 grammi.
Non è una cosa spettacolare?
Poi, dopo un paio di anni OSIRIS-REx tornerà verso il nostro pianeta e, per finire, intorno la fine di Settembre del 2023 la capsula con il campione verrà sganciata verso la Terra, per la precisione nello Utah.
Tutti i dettagli li potete trovare sul sito della missione che, tra l'altro, è davvero ben fatto a mio avviso.

Forse siamo un poco in anticipo per annunciare questa missione e i suoi sviluppi, ma lo sapete che a me piace tanto parlare di queste sensazionali missioni che l'umanità mette a punto per cercare di carpire i segreti celati nel Sistema Solare.
Sicuramente nessuno può dire che su Quantizzando non avevamo avvisato su questa missione!
E, soprattutto, speriamo di capire meglio anche l'effetto Yarkovski così da guadagnarci anche in sicurezza.

lunedì 7 dicembre 2015

LISA dagli occhi...gravitazionali

Qualche giorno fa, la sonda LISA Pathfinder è stata messa in orbita dall'ESA.

Di che si tratta? Di qualcosa di molto bello che si vuole provare a fare: testare la teoria della Relatività Generale.
Ma come, non era stata già testata? Beh, non tutta. Infatti all'appello mancano ancora le onde gravitazionali. Ed ecco perché LISA è stata inviata nello spazio.
Ma cosa sono le onde gravitazionali? Se siete lettori assidui di Quantizzando allora lo sapete già, altrimenti conviene andare a rileggere questo mio vecchio post.
Va bene, per i più pigri riassumo in 140 caratteri: le onde gravitazionali sono distorsioni della struttura dello spazio tempo generate da corpi che accelerano.
(108 caratteri, promessa mantenuta).

E quindi che fanno queste onde gravitazionali? Quando passano, esse modificano la distanza tra due punti nello spazio.
Un'immagine è doverosa, a questo punto (che poi è sempre la stessa immagine che metto di solito):

Io ve lo dico: se un giorno dovessimo riuscire ad essere così bravi da beccare davvero le onde gravitazionali con i nostri strumenti, beh, allora altro che 3D o 4D al cinema. Saremmo in grado di vedere l'universo con gli occhi della gravità in persona.

Davvero, riusciremmo a vedere cose che noi umani non osiamo nemmeno immaginare. Vedremmo danze di buchi neri ai confini dell'universo e scontri frontali tra stelle in galassie lontane.
E, soprattutto, potremmo finalmente verificare se la Relatività Generale è la teoria giusta per descrivere la gravità.
 

sabato 5 dicembre 2015

Mille di questi lampi di raggi gamma

C'è un satellite della NASA che osserva come appare l'universo attraverso occhi a cui noi non siamo affatto abituati.
Il satellite Swift infatti osserva l'emissione di raggi gamma nel cosmo. Dal 20 Novembre 2004.

Bene, procediamo con calma. Cosa sono i raggi gamma? Non sono altro che onde elettromagnetiche, proprio come la luce visibile, le microonde,  i raggi-X, gli infrarossi e le onde radio.

 
 
Ovviamente le onde elettromagnetiche non sono tutte uguali, altrimenti non le chiameremmo con nomi diversi. Ogni onda ha, appunto, una sua lunghezza d'onda. E, inoltre, più la lunghezza d'onda è piccola, maggiore sarà l'energia dell'onda elettromagnetica.