Studio per fare l’astrofisico da cinque anni, contanto anche la tesi sei. Ho lavorato due anni al centro dati ASI, che si trova dentro l’ESA, l’Agenzia Spaziale Europea, per cui di lanci di satelliti me ne sono passati sotto gli occhi parecchi. Ad ESA non dico ce ne fosse una al mese, ma ce ne sono stati parecchi nei due anni in cui l’ho bazzicato. E in genere c’era la diretta dell’evento. Tanta gente lì dentro aveva lavorato a quello specifico satellite, e aveva piacere di vederlo partire. Io non ho mai assistito. Avevo sempre qualche scadenza, un lavoro in arretrato, o comunque qualcosa da fare. Per cui non avevo mai visto in diretta la partenza di un satellite. Fino a ieri.
Ieri sono partiti Plank e Herschel. Il primo è un satellite che studierà la radiazione cosmica di fondo (qui ho cercato di spiegare di cosa si tratta, qui per chi vuole saperne di più ed è anglofono), mentre il secondo è un telescopio infrarosso. Sono partiti insieme, montati sullo stesso razzo (un Ariane 5, il lanciatore che viene usato di solito per mettere in orbita i satelliti europei), dalla base di Kourou, nella Guyana Francese. Qui all’università, che nella progettazione e nella costruzione del satellite è stata fortemente coinvolta, c’è stata la diretta dell’evento. Lì per lì, a convincermi ad andare è stato il bisogno di staccare un attimo dal lavoro che stavo facendo. Sapevo che sarei rimasta a lavoro fino a tardi, e sentivo il bisogno di un attimo di pausa. Però devo dire che quando sono salita su, sono entrata subito nell’evento. Il count down da un lato, le facce tese delle persone nel centro di controllo a Kourou sullo schermo…non ho lavorato a Plank, presumibilmente non lavorerò mai sui suoi dati, eppure mi sentivo coinvolta da quel lancio. Sono in un periodo della mia vita in cui ho un po’ la lacrima facile, ma devo dire che stavo per commuovermi quando il razzo è partito. Abbiamo seguito quasi con apprensione l’ascesa del lanciatore, il distacco dei booster, e poi la partenza vera e propria dei due satelliti, liberi dal razzo che li ha spinti fuori dall’orbita terrestre e dagli scudi termici che li proteggevano. Solo allora è partito l’applauso, liberatorio. Plank e Herschel erano sulla via di L2, il punto in cui andranno a posizionarsi nello spazio, a circa un milione e mezzo di chilometri dalla Terra.
Forse quest’emozione è difficile da capire per chi non ha mai lavorato su un satellite. Ma io l’ho fatto, e so cosa vuol dire spendere ore della propria vita, anni di lavoro e sentirsi parte di qualcosa di più grande. E tutto quel lavoro può andare letteralmente in fumo in pochi secondi. Il lancio è sempre un momento delicato, possono andare storte un sacco di cose, e si può perdere il satellite. E se lo perdi, se esplode, è finita. Il tuo lavoro è andato in fumo, perché non lo si ricostruirà. Piuttosto se ne farà un altro, con gli stessi scopi, ma fatalmente diverso. Per progettare e costruire un satellite ci vogliono anni, anche venti, col risultato che spesso il satellite ha tecnologia obsoleta già quando parte. Questo non vuol dire che non può far bene il suo lavoro. Semplicemente, i tempi di costruzione sono tali che non si può stare appresso agli sviluppi tecnologici, e ci si monta sopra lo stato dell’arte degli strumenti all’epoca in cui si fa la progettazione e l’assemblaggio. Intanto verranno fuori chip più veloci, HD più capienti, ma poiché tutto deve essere calibrato al millimetro per funzionare, non si può cambiare in corso d’opera il progetto approvato.
Per cui, se si perde un satellite al lancio, se ne costruisce uno diverso, che migliori quello perduto, che usi tecnologia più avanzata. In ogni caso, hai perso parte del tuo lavoro. Non saprai mai se il tuo software avrebbe funzionato bene come immaginavi, se quel nuovo strumento che hai progettato avrebbe svolto bene il suo lavoro. Ecco, io ho percepito questa tensione, ieri. Ho guardato il razzo che saliva, ho sperato che tutto andasse bene. Ho pensato che a volte la scienza rappresenta il meglio di noi. Decine di nazioni si mettono insieme, uomini separati da migliaia di chilometri, da differenze culturali che agli ottusi sembrano incolmabili, lavorano gomito a gomito condividendo il linguaggio universale in cui è scritto il cosmo, la matematica, e in un sovrumano sforzo pacifico realizzano qualcosa che servirà a tutti per capire, per aggiungere un tassellino alla conoscenza dell’universo. L’ho trovato commovente. Mi sono sentita parte di una comunità, e orgogliosa di esserlo. Anche se quei dati non li studierò mai. Perché la conoscenza appartiene a tutti, e chi studia il cosmo non lo fa solo per sé, ma per l’umanità intera.
Nel 2012 partirà Gaia. Alcune delle soluzioni software che verranno usate nell’analisi date derivano anche dal lavoro che ho fatto io per due anni. Allora terrò le dita incrociate e mi mangerò le unghie fino all’osso, e sarò contenta di sapere che anche chi non ha lavorato al progetto attenderà, soffrirà e gioirà con me. Le passioni uniscono.

P.S.
Vi segnalo un’intervista di Roberto Recchioni, lo sceneggiatore del fumetto sul Mondo Emerso. Ci sono anche un paio di anteprime per i più curiosi. Enjoy!

Torna a grande richiesta Astronomica. Ho un po’ trascurato l’argomento, e visto che oggi ho avuto un pochino di tempo, perché no.
Ho pensato di rispondere alla mail di Roberta, che mi chiede di parlare di Supernovae. E di quello parleremo.

Innanzitutto, cosa sono. Siamo abituati a pensare al cielo come un posto sempre identico a se stesso; il poeta Manilio, che scrisse il poema Astronomica (guarda i casi della vita…) diceva

omnia mortali mutantur lege creata,[...]
at manet incolumis mundus suaque omnia servat,
quae nec longa dies auget minuitque senectus,
nec motus puncto curvat cursusque fatigat:
idem semper erit, quoniam semper fuit idem.
Non alium videre patres aliumve
nepotesaspicient: deus est, qui non mutatur in aevo.

che in italiano suona circa così

muta tutto ciò che è soggetto alla legge di morte[...]
ma rimane intatto il cielo e conserva tutto ciò che è suo,
non lo accresce un lungo spazio di tempo né si riduce invecchiando;
non lo piega per nulla il movimento né lo affatica la corsa:
sarà sempre uguale perché uguale è stato sempre.
Non diverso lo videro i padri né diverso lo vedranno
i nipoti:è dio e non cambia nel tempo.

La scienza ci dice che in verità il quadro è molto diverso, il cielo muta eccome, ma spesso lo fa con tempi così lunghi paragonati alla nostra vita che non siamo in grado di apprezzarli. In verità, però, il cielo è pieno anche di fenomeni transienti, ossia temporanei, i cui tempi scala possono essere apprezzati anche dai noi ometti dalla vita breve. Le supernovea appartengono a questa categoria. Sono sorgenti luminose fortissime che si accendono all’improvviso in cielo, là dove prima vedevamo stelle molto deboli o non vedevamo proprio nessuna sorgente luminosa.
Una delle più famose oggi ci appare così: 

 

È la nebulosa del Granchio, una supernova che apparve in cielo nel 1054, e conosciamo la data con così tanta precisione perché la cosa venne registrata dagli astronomi cinesi. Pare fosse così luminosa che la si poté osservare persino di giorno per 23 giorni di fila, e per altri 653 la si poteva osservare di notte ad occhio nudo.
Ma cos’è una supernova?
Banalmente, semplificando quindi molto, è una stella che esplode. Di evoluzione stellare abbiamo già parlato un po’ nel post sui buchi neri; è ora di rinfrescare l’argomento.
Vi ricordo che una stella è sostanzialmente un motore a fusione nucleare; vuol dire che “brucia” un determinato carburante trasformandolo in qualcos’altro. Ad esempio, per la gran parte della sua vita brucia idrogeno in elio. Nella stella, si fronteggiano ed equilibrano due forze contrastanti: la forza di gravità della massa di cui è composta, che tende a farla diventare sempre più piccola (si dice collassare) e la pressione di radiazione, ossia la forza di espansione dovuta alle reazioni termonucleari che avvengono nel suo nucleo. Nelle stelle che vediamo in cielo, le due forze sono in equilibrio.
Ora, una stella consuma carburante. Quando questo finisce, succede che la pressione di radiazione diminuisce, e la forza di gravità prevale per un po’, riuscendo a far contrarre la stella. Questo processo può essere fermato da vari fenomeni; ad esempio, man mano che la stella si contrae si riscalda, e questo le permette di iniziare a bruciare altri carburanti, ad esempio l’elio che ha prodotto, che si trasforma in carbonio. Il processo può andare avanti per un po’. Per esempio, una parte della catena è
idrogeno –> elio
elio –> carbonio
carbonio –> azoto
azoto –> ossigeno
…
finché non si arriva a produrre il ferro. Quel che avviene, a questo punto, è che non è possibile bruciare il ferro in altro mantenendo al contempo la stella in equilibrio. Infatti l’energia necessaria per bruciare il ferro sarebbe superiore all’energia che verrebbe prodotta dalla reazione. In questo caso si dice che la reazione è endoenergetica. È come quando si gioca al gratta e vinci; comprate dieci biglietti da 3 euro, per una spesa complessiva di 30 euro, e poi finite a vincerne 10 su un biglietto. La spesa è stata superiore alla vincita. Stessa cosa per il bruciamento del ferro. Indi per cui, non si produce più ferro per fusione nucleare.
A questo punto, il nucleo della nostra stella si trova in condizioni estreme; la temperatura è elevatissima, dell’ordine del miliardo di gradi, la densità spropositata. Elettroni e protoni (due dei costituenti fondamentali dell’atomo, i primi carichi negativamente, i secondi positivamente) interagiscono formando particelle che si chiamano neutrini. In questo processo, il nucleo si raffredda, e si contrae. Il processo è catastrofico, si autosostiene, e più il nucleo si raffredda, più il processo è efficiente. L’hanno chiamato processo URCA, dal nome di un Casinò di Rio de Janeiro in cui la gente finiva in rovina a forza di giocare. Per dire.
E poi? Questo processo ha effetti catastrofici sulla struttura della stella. In pratica, gli strati esterni “precipitano”, collassano, sul nucleo di ferro, ci “rimbalzano sopra” (sì, non è molto tecnico, ma rende l’idea) e la stella esplode. Voilà. Supernova. Per inciso, in questo momento fenomeni di nucleosintesi (ossia trasformazione di un qualche elemento in qualcos’altro) diversi dalla fusione permettono la produzione di elementi più pesanti del ferro. Del resto, sulla terra è pieno di elementi più pesanti del ferro, qualcuno dovrà pure averli prodotti. Quel qualcuno sono le supernovae.
Quel che resta dopo l’esplosione è l’immagine che vi ho postato in apertura: una nube di materiale espulso da questo gigantesco “botto”. A volte, al centro della nube può rimanere altro: un buco nero, ad esempio, o un stella di neutroni. A volte non resta niente. Dipende tutto dalle dimensioni iniziali del progenitore della supernova, ossia della stella che è esplosa.
In verità, nessuno sa esattamente come una supernova esploda. Tutti i modelli che abbiamo descrivono il collasso e la successiva espansione, ma non spiegano come, quando e perché la stella esploda. Quella che ho usato è una descrizione, rozza quanto si vuole, ma efficace che spiega come molti pensano che avvenga l’esplosione, ma per la verità nessuno conosce davvero questo meccanismo.
Le esplosioni di supernova sono tra gli eventi più catastrofici che si possano osservare in cielo. Producono una marea di radiazione, e sono luminosissimi. Per esempio; let me introduce you SN2002cv, una supernova che è stata scoperta dall’osservatorio astronomico di Campo Imperatore. 

 

L’aggeggio allungato che vedete è una galassia. Il pallino luminoso indicato dalle freccette bianche è la supernova. Come vedete, la sua luminosità è confrontabile con quella della galassia, e vi ricordo che una galassia è composta da decine, centinaia di miliardi di stelle.
Ora, la storia che vi ho raccontato in verità riguarda solo un tipo di supernova, quello di tipo II. Ebbene sì, quello delle supernovae è un fenomeno molto complesso, e ce ne sono di svariati tipi e sottotipi. Ve li elenco per completezza, ma non ho alcuna presunzione di essere esaustiva. La differenza tra i due gruppi principali, supernovae di tipo I e II sta negli elementi presenti nella nube di gas che generano. A spanne, se c’è l’idrogeno, stiamo parlando di supernovae di tipo I, se non c’è abbiamo il tipo II. Poi esistono svariati sottotipi; ad esempio, le tipo I si dividono in Ia, Ib e Ic. Tanto per dire, le Ia nascono in sistemi binari. Volgarmente: due stelle che si girano intorno. Una è una stella “qualsiasi” (in cui ancora sono presenti reazioni termonucleari di qualche tipo), l’altra una nana bianca. Credo di avervelo già detto, ma una nana bianca è una stella “morta”, in cui non ci sono più reazioni termonucleari, e che è solo molto, molto calda. Ora, se le due stelle sono abbastanza vicine, la nana bianca inizia a succhiare materia dalla compagna. Questo disegno illustra molto bene il fenomeno

 

A questo punto, superato un certo valore di massa, detto limite di Chandrasekar (poi un giorno vi racconto di quest’uomo), la nana bianca si contrae, si innescano le reazioni termonucleari e la stella esplode. Generalmente, questo tipo di supernovae non lasciano nulla se non una nube di gas.
Concludo con una cosina graziosa: questo è un filmatino che simula l’esplosione della Crab Nebula. 

 Qualche fonte per chi vuole saperne di più:
http://apod.nasa.gov/apod/ap981122.html
http://www.seds.org/messier/m/m001.html
http://www.bo.astro.it/universo/webcorso/webleggere/ferraro/fe2.html
http://www.lngs.infn.it/lngs_infn/index.htmmainRecord=http://www.lngs.infn.it/lngs_infn/contents/lngs_it/public/educational/physics/supernova/

Le immagini sono prese da
http://www.xilostudios.com/Stelio_montebugnoli.htm
http://sirio.rm.astro.it/cimperatore/it/site.html
http://www.osservatorioacquaviva.it/
http://www.youtube.com

Visto che questa settimana sarò via (vado a Parigi per lavoro), vi lascio un post corposo sul quale possiate riflettere. Torna astronomica, e stavolta rispondo alla domanda di Sabino, che mi chiede di Apophis.

Apophis è salito all’onore delle cronache nel 2005, quando è apparso sui giornali. Vi linko un articolo significativo, questo
Da lì in poi è stato un rincorrersi di allarmi vari.
Cerchiamo di capire.
Innanzitutto, Apophis è un NEO, acronimo di Near Earth Object, ossia oggetto la cui orbita è prossima o interseca quella della Terra.
Si tratta di asteroidi e comete che se ne vanno più o meno per i fatti loro, fino a quando l’interazione gravitazionale o qualche urto con gli altri corpi del sistema solare non li portano ad arrivare nei dintorni della Terra.
Esiste un programma di monitoraggio e scoperta di questi oggetti, perché ovviamente, stando vicino alla Terra, c’è pericolo che in qualche modo ci caschino in testa.
Ad esempio, uno dei centri che in Italia fa questa ricerca è l’Osservatorio Astronomico di Campo Imperatore, con il telescopio ottico Schmidt.
Come si scopre un NEO?
Si prendono diverse immagini di una certa regione del cielo a distanza di qualche minuto. Poi si confrontano le varie immagini facendo qualcosa di molto simile al giochino della settimana enigmistica “cerca le venti differenze”. Si cercano gli oggetti che si muovono.
Vi spiego. Il cielo nel suo complesso durante la notte si muove per via della rotazione terrestre. Il telescopio può correggere questo effetto (si chiama inseguimento) e produrre immagini in cui le stelle sono dei bei pallini fissi. In verità le stelle si muovono anche le une rispetto alle altre, ma sono così distanti che questo effetto non è apprezzabile ad occhio, tanto meno sulla durata di una sola notte. I NEOs invece sono vicini, e quindi il loro movimento nel cielo durante la notte è apprezzabile, non ad occhio nudo, ma col telescopio.
Quel che si vede è qualcosa del genere

Questo è 2002WP11, un asteroide che è stato scoperto una notte che ero in visita a Campo Imperatore. All’epoca ero una studentessa al quarto anno di fisica. È la sovrapposizione di sei immagini prese tra le 23.30 del 27 Novembre 2002 e le 2.20 del 28 Novembre 2002. I pallini fissi sono le stelle. L’oggettino cerchiato che si muove è un NEO.
Ora, di pallini luminosi semoventi in cielo ce ne sono a bizzeffe. Alcuni potete vederli ad occhio nudo: i satelliti, ad esempio. Se di notte vedete una stellina debole che attraversa lentamente il cielo, beh, quello è un satellite. Poi ci sono anche altri asteroidi che non sono NEOs; ci sono tantissimi asteroidi tra Marte e Giove, ad esempio. Non tutti però hanno orbite che li portano a intersecare quella terrestre. Insomma, non tutti son NEOs.
Ora, chiarito come si scoprono, come distinguiamo quelli pericolosi da quelli che non lo sono?
I parametri da considerare sono due: quanto sono grandi e quante probabilità hanno di impattare sulla terra a seconda di quanto vicini passano a noi.
Ora, continuamente dallo spazio ci cade roba solida in testa. Le stelle cadenti che si vedono di notte non sono altro che questo: frammenti di roccia che cadono sulla terra, e “prendono fuoco” quando attraversano l’atmosfera per via dell’attrito. Se un oggetto è abbastanza piccolo, brucerà completamente prima di raggiungere terra. Se è un po’ più grande, riuscirà a toccare il suolo, facendo più o meno danni a seconda delle dimensioni e del posto in cui cade.
Un po’ di tempo fa, in Nuova Zelanda, una famiglia si è ritrovata un simpatico meteorite in salotto; il corpo aveva bucato il tetto, sfondato un paio di piani, e si era delicatamente “adagiato” dietro il divano.
Prima che vi preoccupiate, è davvero raro morire perché si è stati beccati in testa da un meteorite. Si ha notizia del caso di una signora che nel 1954 fu ferita nel salotto di casa sua da un meteorite, e di un cane forse ucciso nel 1911, ma nessun morto.Pensate piuttosto a guidare con prudenza .
Comunque. Se un oggetto è molto grande, l’impatto può causare notevoli danni. Qualche esempio.

Questa è la foresta di Tunguska dopo l’evento del 1908, che viene generalmente interpretato come l’esplosione di un asteroide ad un’altezza da terra compresa tra i 5 e i 10 km. Vi dico solo che l’asteroide aveva un diametro di 30 metri. Per dire. L’area distrutta era di 2150 chilometri quadrati.

Questi invece sono i dinosauri dopo l’impatto con l’asteroide che pare averli sterminati tutti. Aveva un diametro di 10 km, e scavò un cratere del diametro di 170 km nel golfo dello Yucatan. Va detto che non tutti gli scienziati sono concordi nel far risalire la morte dei dinosauri a questo evento.
Quand’è che un asteroide è considerato pericoloso, dunque?
Un asteroide è un PHA (Potentially Hazardous Asteroid, asteroide potenzialmente pericoloso) quando al minimo della sua orbita dista meno di 0.05 UA. L’UA è l’Unità Astronomica, è un’unità di misura della distanza ed è pari alla distanza media tra Terra e Sole. Secondo parametro, deve avere un diametro superiore ai 150 m. Ora, un PHA semplicemente può impattare con la Terra, ha una probabilità non nulla di finirci in testa, ma questo non significa che impatterà.
Ovviamente, anche oggetti più piccoli possono dare problemi (vedi Tunguska), ma solo locali, non globali.
Esiste una scala di rischio, sulla quale vengono messi gli asteroidi; è la scala di Torino. La scala di Torino classifica i NEOs in base alla possibilità di impattare sulla Terra e le dimensioni, e ha 11 gradi.
- 0 è per gli oggetti piccoli, o con possibilità di collisione pari a 0.
- 1 è per gli oggetti che hanno qualche probabilità in più di cascarci sulla testa, ma comunque molto basse. Sono considerati oggetti di routine.
- da 2 a 4 ci sono gli oggetti che hanno l’1% o più di possibilità di cascarci in testa e produrre danni locali, e quindi impensieriscono un pochino gli astronomi
- da 5 a 7 ci sono oggetti grossi e molto vicini.
- da 8 a 10 si prega perché l’impatto, e la successiva distruzione, sono certe.
Ma l’orbita di un NEO come si calcola?
Semplice. Più o meno. Si fanno tante osservazioni, in diversi periodi dell’anno, valutando la posizione intorno al Sole dell’oggetto. Poi si cerca una curva che unisca i punti che si hanno (la procedura si chiama fit), ovviamente tenendo presenti le leggi fisiche. Più punti si hanno, migliore sarà il fit e la predizione dunque della posizione dell’oggetto in futuro. Questo spiega perché spesso un oggetto viene considerato pericoloso, poi si fanno nuove osservazioni e si scopre che poi tanto pericoloso non è.
Beh, direi che abbiamo tutti i mezzi per passare a considerare Apophis.
Innanzitutto il nome. È quello di una divinità egizia, personificazione del buio, spesso rappresentato come un serpente, e nemico di Ra, il dio del sole. Ogni giorno Apophis cercava di impedire a Ra di far sorgere il sole, e la lotta non aveva mai fine né vincitore. Pare che la sua simpatia fece sì che lo chiamassero anche amichevolmente “Il Distruttore”.
Detta così, vi immagino già tutti lì pronti a grattarvi.
Ma atteniamoci ai fatti e andiamo qui, alla pagina della NASA dedicata ai NEOs scoperti finora.
http://neo.jpl.nasa.gov/risk/
Per il futuro, quando i giornali sparano che moriremo tutti per un NEO nel 20xx, andate qua, o su quest’altro sito tutto italiano, curato da Andre Milani del dipartimento di matematica dell’università di Pisa. È appena più complicato da consultare, ma più completo. Ma dicevamo.
Cerchiamo Apophis. Eccolo là. Ci passerà vicino tra il 2036 e il 2096, con 3 passaggi ravvicinati. Ha un diametro di circa 270 m, per cui è abbastanza grosso. Vediamo la probabilità di impatto. 2.3 su centomila. Yep. Abbiamo lo 0.0023% di possibilità che Apophis ci caschi in testa. Pochino, vero? Ma guardiamo la classificazione nella scala di Torino. 0. Ossia oggetto non pericoloso.
Ok, due pagine e mezzo di bla bla bla solo per dirvi che no, Apophis non ci cascherà in testa.Tra l’altro, se notate sopra Apophis c’è 2007WK184, che ha 1 nella scala di Torino, potrebbe impattare tra il 2048 e il 2057 con una probabilità per altro più alta, 3.4 su diecimila. Ma qualcuno l’ha nominato in tv?
Questo solo per dirvi che bisogna sempre un pochino diffidare delle notizie che ci vengono da media, che spesso cercano solo lo scoop, e lo fanno anche piuttosto goffamente, facendo salire agli onori delle cronache certe notizie e bucando altre, magari ugualmente importanti o anche più meritevoli di interesse. Per altro, non dobbiamo preoccuparci neppure di 2007WK184; il suo valore alto nella scala di Torino dipende sostanzialmente dal numero basso di osservazioni compiute, che causa una certa incertezza sulla determinazione dell’orbita.
Pistolotto finale: in passato ci sono stati impatti di asteroidi contro la terra, e ce ne saranno di sicuro in futuro.Ma si parla di probabilità basse, che possono impensierire solo se si parla di tempi scala molto lunghi, centinaia o migliaia di anni. I NEOs sono pericolosi e vanno tenuti d’occhio, e infatti lo facciamo, ma ci sono probabilità più alte di morire per qualcos’altro, che sia un incidente con la macchina o una guerra nucleare.
Se poi siete ancora spaventati, premete sul governo perché dia più soldi alla ricerca astronomica .
Al momento è l’unica arma che abbiamo contro i NEO. 

Per chi vuole saperne di più
NeoDys
NASA Neo Earth Object Program
La pagina sui NEOs di Wikipedia

Le immagini sono prese da
http://sirio.rm.astro.it/cimperatore/
http://lifeboat.com/ex/main
http://it.wikipedia.org/

Un grazie grandissimo ad un mio amico e collega che studia i NEOs e mi ha dato un po’ di dritte per l’articolo

Ritorna oggi Astronomica. Oggi ho scelto la domanda di Giovanni, che mi chiede di parlare della radiazione cosmica di fondo.

La nostra storia inizia nel 1964, quando due fisici che lavoravano per le Bell Telephone Laboratories, Arno Penzias e Robert Wilson, decidono di testare un’antenna per la microonde che verrà usata per le comunicazioni satellitari.
Breve excursus: cosa sono le microonde?
Risposta: qualcosa per certi versi simile alla luce.
Ok, detta così è triviale, ma rende l’idea. Chiediamoci allora cos’è la luce. Onde elettromagnetiche con una certa frequenza e, di conseguenza, una certa lunghezza d’onda. La lunghezza d’onda è la distanza tra due picchi di un’onda, ossia questo

mentre la frequenza è il numero di picchi presenti in un determinato intervallo di tempo.
Ora, sia la luce che le microonde sono onde elettromagnetiche: cosa le rende differenti?
La lunghezza d’onda. Quella delle microonde è più grande di quella della luce visibile. Ho trovato questo disegnino che rende perfettamente l’idea

Come vedete, le onde radio hanno lunghezza d’onda maggiore del visibile (sta al centro, quella specie di occhio stilizzato), e la luce visibile ha lunghezza d’onda maggiore dei raggi X che si usano per fare le radiografie.
Le microonde stanno tra il visibile e la radio.Chiusa parentesi.Torniamo ai nostri Penzias e Wilson. Dicevamo della loro antenna, questa

I due accendono l’antenna per iniziare a testarla e si accorgono di misurare un segnale alla frequenza di 160.2 GHz, pari ad una lunghezza d’onda di circa 1.9 mm. Pensano ad un qualche errore, o a un disturbo esterno. Spengono, riaccendono, si lambiccano il cervello cercando di eliminare tutte le possibili fonti di rumore. Leggenda vuole che ad un certo punto, disperati, inizino a credere che sia colpa della cacca di piccione che si deposita sull’antenna, e che per questo puliscano ossessivamente lo strumento. Niente. Provano a orientare l’antenna in altre direzioni. E fanno la prima grossa scoperta. Il segnale è identico in tutte le direzioni. Per altro è anche omogeneo cioè uniforme, “senza imperfezioni”, ovunque. E ha anche una forma caratteristica; quella di un perfetto corpo nero. Non scenderò nel dettaglio di cosa sia un corpo nero; a volte un’immagine vale più di mille parole, per cui ve lo faccio vedere direttamente

Questa per altro è proprio la forma del corpo nero misurato da Penzias e Wilson.
La svolta si ha quando i due scoprono che una radiazione identica a quella da loro misurata è prevista da alcuni modelli cosmologici. Non stanno quindi misurando un rumore, ma un segnale di origine cosmologica: il fondo cosmico a microonde, CMB (Cosmic Microwave Background, in inglese) per gli amici, che qualcuno poeticamente chiama l’eco del Big Bang.
Il primo a predire questa radiazione fu Gamow, un fisico geniale di origini russe. Il Nobel però venne conferito solo a Penzias e Wilson, gli scopritori del segnale, e non a lui. Le malelingue vogliono che Gamow fosse russo, e la cosa non piaceva molto in epoca di Guerra Fredda…Comunque. Cos’è questo segnale?
Per spiegarlo occorre tornare indietro nel tempo. Indietro in senso proprio stretto, perché andiamo a collocarci all’origine del tempo: il Big Bang. In quel momento la materia dell’universo, tutta concentrata in un unico punto, inizia ad espandersi violentemente. Dal caos iniziale pian piano emergono forme che conosciamo: le prime particelle (protoni, elettroni, neutrini) e fotoni. Mandiamo in fast forward il videotape della creazione dell’universo, e stoppiamo a 300 000 anni dopo il Big Bang. Siamo ad almeno 13 – 14 miliardi di anni fa, anche se non conosciamo ancora con esattezza l’età dell’universo.
E insomma, a 300 000 anni dal Big Bang l’universo è opaco: vuol dire proprio quel che credete. La materia è ancora molto densa, e per questo i poveri fotoni, le onde-particelle che compongono la radiazione elettromagnetica, rimbalzano impazzite da una particella all’altra. È come stare nella nebbia; in quel caso la luce rimbalza sulle particelle d’acqua e viene diffusa, con l’effetto che non si vede niente. Ma proprio 300 000 anni dopo il Big Bang succede un fatto: l’universo si sta espandendo, la materia diventa meno densa, e contemporaneamente gli elettroni e i neutroni iniziano a mettersi insieme per costituire i primi atomi di idrogeno e elio. L’effetto è che i fotoni trovano meno ostacoli sul proprio cammino, e iniziano a poter percorrere più strada senza andare a sbattere contro nessuna particella. La nebbia si sta diradando. Questo fenomeno si chiama disaccoppiamento, e implica che finalmente l’universo diventa trasparente.
Il fondo cosmico viene da lì. Come voi sapete, la luce viaggia a 300 000 km/s. Questo significa che che se sto a 900 000 km da qualcosa, la sua luce ci metterà tre secondi ad arrivare a me, ossia io non lo vedrò com’è ora, ma com’era tre secondi fa. Questo implica che guardare lontano significa anche guardare indietro nel tempo. Quando un astronomo guarda una stella che dista 50 anni luce da noi (ossia la sua luce impiega 50 anni a giungermi) non la vede com’è ora ma com’era 50 anni fa.
Capirete bene che questo vuol dire che costruendo telescopi sempre più grandi è possibile andare sempre più indietro nel tempo. In teoria, se fossimo abbastanza bravi potremmo vedere il Big Bang? No. Perché fino a 300 000 anni dopo il Big Bang l’universo non era trasparente alla luce, era immerso nella nebbia. Insomma, il fondo cosmico a microonde è la cosa più lontana nel tempo che possiamo “vedere”. Oltre, non c’è letteralmente nulla da vedere.
Mi rendo conto che il concetto è complicato, e sto sudando le sette camicie per mettervela giù semplice. Spero di esserci riuscita .
Donc, con gli strumenti attuali, il fondo cosmico appare così

Quest’immagine è stata presa con un satellite dedicato, WMAP. Come vede, ne risulta una mappa non proprio uniforme come vi dicevo prima. Ci sono piccole disomogeneità. Penzias e Wilson non le vedevano perché avevano la loro antenna non glielo permetteva, ma coi nostri strumenti queste cose si possono misurare. Considerate che le dimensioni di queste disomogeneità sono molto piccole: sono piccole “increspature” del fondo dell’ordine di una parte su centomila. “Ondine” veramente trascurabili. Ebbene, noi veniamo da lì. Tutto ciò che vediamo nell’universo, stelle, galassie, sono nate da quelle increspature microscopiche. Incredibile, eh?
È che quelle piccolissime variazioni di densità sono cresciute col tempo per collasso gravitazionale (ossia in una zona più densa c’è più gravità, di conseguenza altra materia ci viene attirata sopra e così via) fino a dare origine a tutto ciò che vediamo. Vi renderete conto che capire perché si siano originate queste piccole anisotropie, è questo il nome scientifico, è assolutamente fondamentale per ricostruire la storia dell’universo. E di teorie al riguardo ce ne sono svariate.
Il fondo cosmico a microonde è importante per un sacco di cose: ad esempio, le sue caratteristiche sono legate a determinati parametri cosmologici: conoscere con grande dettaglio il CMB significa di conseguenza mettere dei paletti ben determinati ai valori di tali parametri. Per altro, anche il CMB congiura a dimostrare che esiste la materia oscura. In effetti le anisotropie del fondo cosmico a microonde non sono abbastanza grandi da permettere la creazione delle strutture che osserviamo oggi nel cosmo se queste ultime fossero composte solo di “materia normale”. C’è bisogno anche di materia oscura per spiegare quel che vediamo a partire dal CMB.
Tutto qua. 

Qualche fonte
Introduzione alla Cosmologia, Francesco Lucchin, Zanichelli
http://www.mporzio.astro.it/~amendola/cmb.html
Le figure invece sono prese da
http://it.wikipedia.org/wiki/Spettro_elettromagnetico
http://lnx.astrofiliveronesi.it/index.php?pagina=l-origine-del-cosmo
http://physics.infis.univ.trieste.it/~monaco/node31.html
http://www-xray.ast.cam.ac.uk/xray_introduction/Clusters_intro.html
http://it.wikipedia.org/wiki/Lunghezza_d’onda 

Oggi tocca dare una mano ad un’amica; Diletta fra un po’ ha la maturità, fa il liceo classico e all’università vuole fare fisica. Insomma, la solidarietà di classe mi induce a scegliere la sua mail per questa puntata di Astronomica. Per cui…

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In effetti mi tocca smentire Vulvia; non è un caso eclatante di razzismo astronomico, ma proprio di oggetti che non si fan vedere. Un buco nero è infatti un oggetto densissimo, che, detto volgarmente, attrae tutto, luce compresa, e non la fa uscire.
Per capire meglio questa spiegazione, occorre rispolverare alcune cose che già vi ho detto nelle precedenti puntate (nell’ultima, nello specifico). Forse ricorderete che la forza di gravità, grazie alla quale qui sulla terra gli oggetti vengono attirati verso il basso, ha la seguente forma matematica

Come vedete, la sua intensità aumenta all’aumentare della massa dei due oggetti che si attraggono, e diminuisce con la distanza (col quadrato della distanza, nello specifico). Quindi, posiamo derivarne che un buco nero ha sicuramente molta massa, e un piccolo raggio, ossia è un oggetto molto denso. In particolare, secondo la teoria un buco nero ha raggio nullo. Ebbe sì, è un punto geometrico, ossia non ha dimensioni. Un buco nero, per esempio, è un oggetto con la massa della terra, ma tutta concentrata in un punto. Lo so, sembra un assurdo fisico. È questo l’aspetto divertente della fisica e dell’astrofisica, la quantità di paradossi che si producono quando si portano all’estremo le leggi fisiche.Cerchiamo di capire perché in teoria un buco nero può essere un punto geometrico.
Partiamo dalle stelle. Cos’è una stella? Una stella è una palla di gas incandescente. Al suo interno avvengono reazioni di fusione nucleare; atomi di una determinata specie chimica (il più delle volte idrogeno) si fondono a formare una specie chimica più complessa (il più delle volte elio). Volgarmente parlando, è come se all’interno della stella avvenissero continuamente immani esplosioni, che tendono a far espandere la stessa, a disgregarla. Ma le stelle sono palle in equilibrio, quindi questa forza di espansione deve essere bloccata da qualche altra forza uguale e contraria: trattasi della gravità. Le molecole di cui è composta la stella si attraggono tra loro, e tendono a far rimpicciolie, collassare la stella. Donc, nelle stelle dunque si confrontano due forze contrastanti: la pressione di radiazione generata dalle reazioni termonucleari che fanno splendere la stella e la forza di gravità che ha origine nella massa stessa della stella.
Ora, le stelle hanno un loro ciclo vitale: si accendono, brillano per un po’, poi si spengono. La cosa è abbastanza ovvia a capirsi: una stella è fatta di gas, che progressivamente consuma per trasformarlo in un gas diverso. Per forza di cose, ad un certo punto il carburante finisce, e la stella “si spegne”. Questo vuol dire che l’equilibrio di cui vi dicevo prima si interrompe: la pressione di radiazione non contrasta più la forza di gravità. E dunque? E dunque la stella collassa, rimpicciolisce. Ora, ci sono svariati fenomeni che possono fermare il collasso, e che portano alla formazione rispettivamente delle nane bianche e delle stelle di neutroni. Ve ne parlerò probabilmente in futuro. Ma tutti questi fenomeni funzionano solo fino ad un certo valore di massa. Quando la massa è troppa, la forza di gravità non può essere fermata da nulla: se nulla ferma la forza di gravità, il collasso concentra tutta la massa in un punto: voilà.
Questa storia del punto geometrico è comunque la teoria. Non è necessario avere densità infinita per essere un buco nero. Basta avere una densità tale da far sì che la velocità di fuga sia maggiore di quella della luce. Per i più distratti, la velocità di fuga è la velocità che un oggetto deve avere per riuscire a sfuggire alla forza di gravità di un corpo. Ad esempio, sulla terra la velocità di fuga è di 11 km/s, ed è esattamente la velocità che un razzo deve raggiungere per essere sparato nello spazio. Proprio in questo risiede l’origine della “oscurità” di un buco nero. Se la velocità di fuga è superiore a quella della luce, neppure la luce può uscire da un buco nero. Quindi, il buco nero non emette. Ne deriva che un buco nero “non si vede”. Interessante, vero? Stiamo parlando di un oggetto che non possiamo vedere per definizione. Ma allora come sappiamo che esiste?Esistono prove indirette. Non univoche, in verità, ma ormai ai buchi neri ci credono proprio tutti. La più carina la vidi durante un documentario che mi cambiò la vita; avrò avuto un dieci anni, e con mio padre beccammo su un canale astruso un bel documentario sulla vita e le opere di Stephen Hawking. Beh, ovviamente si parlava di buchi neri. E si faceva il seguente esempio: immaginiamo una sala buia, piena di ballerini. Le donne sono vestite di bianco, gli uomini rigorosamente di nero. Ogni coppia è ovviamente costituita da una dama bianca e un uomo nero. Il risultato? Vedremo soltanto le dame volteggiare abbracciate al nulla; il buio ci impedirà di vedere i cavalieri. Coi buchi neri avviene la stessa cosa. Non emettono luce, ma generano un campo gravitazionale, e quindi le stelle intorno, se sono vicine, risentono di questo campo gravitazione, e “ruotano intorno al nulla”. È una delle prove che al centro della nostra galassia c’è un buco nero supermassivo. Si vede proprio questo

Le stelle ruotano attorno al disegno della stellina, dove fisicamente non vediamo nulla. Per inciso, fu probabilmente quel documentario a farmi appassionare all’astrofisica.Ci sono anche altre prove dell’esistenza dei buchi neri. A causa del forte campo gravitazionale, i buchi neri mangiano un sacco di materia. Questa cade su di essi formando enormi ciambelle. Ecco, noi vediamo l’emissione di queste ciambelle, che è caratteristica. Diciamo che è il canto del cigno della materia che sta per svanire all’interno del buco nero.Chiarito più o meno cosa è un buco nero, passiamo a considerare come si forma. In verità ve l’ho già detto: nasce da stelle molto grandi che si spengono. Quando finisce il carburante, la stella si contrae, esplode producendo una cosiddetta supernova e infine produce un buco nero. Voilà. Questo non vale per i buchi neri supermassivi cantati dai Muse in una celebre canzone, e persino da Elio e Le Storie Tese di recente. Questi sono oggetti dotati di masse enormi, milioni o miliardi di volte superiori a quella del Sole. Questi oggetti si trovano spesso al centro delle galassie (al centro della nostra, ad esempio). Si sono formati o durante il Big Bang (la grossa esplosione da cui si è originato il nostro universo) o per accrescimento su una stella, ossia una qualsiasi stella ha iniziato a “mangiare” materia fino a diventare un buco nero. Quando uno dice l’eccessiva golosità.
Esistono svariati paradossi interessanti circa i buchi neri. Ve ne dico alcuni divertenti:
- la triste storia dell’astronauta spaghetto: come ricorderete, la forza di gravità varia con l’inverso del quadrato della distanza. Questo vuol dire che se sto a 5 metri da un corpo sento una certa forza, se sto a 20 metri ne sento una molto minore. Ora, immaginate un astronauta incauto alto 1,80 m che si avvicina ad un buco nero. Diciamo che i suoi piedi sono a 5 m dal buco nero. Essi sentiranno una certa forza. La sua testa si trova a 5 + 1,80 = 6.80 m dal buco nero, e quindi sentiranno una forza inferiore. In un buco nero, questa differenza è enorme; il risultato è che il povero astronauta viene “stirato” e si trasforma in uno spaghetto. Si chiama forza mareale
- quando il tempo non passa mai: prendiamo ancora il nostro sventurato astronauta. Egli precipita verso il buco nero, e lo fa aumentando sempre di più la propria velocità. Ora, secondo la relatività generale di Einstein, quanto più si va veloci, tanto più lentamente il tempo scorre. Dal punto di vista di chi sta fermo, il tempo dell’astronauta rallenterebbe sempre di più e si fermerebbe non appena questo toccasse l’orizzonte degli eventi, che è il limite ultimo oltre il quale nulla può più tornare indietro dal buco nero. L’ultimo istante dell’astronauta prima di essere perduto, insomma, sarebbe eterno. L’astronauta però non si accorgerebbe di questo rallentamento; per lui, tutto scorrerebbe alla solita velocità
- black & white: quei matti dei fisici teorici hanno postulato l’esistenza di oggetti antitetici ai buchi neri, che, con enorme sforzo di fantasia, hanno chiamato buchi bianchi. Si tratterebbe di oggetti che emettono, ma che non assorbono; volgarmente, niente può entrarci dentro. Secondo alcune di queste teorie, a ogni buco nero corrisponderebbe un buco bianco, e entrare in un buco nero permettere di uscire da un buco bianco in una regione dello spazio completamente diversa da quella in cui si è entrati. Sono i wormholes. Insomma, sarebbe un modo interessante per muoversi di qua e di là nello spazio. Un modo interessante e meramente speculativo; al momento non c’è alcuna prova dell’esistenza dei buchi bianchi. Ma noi appassionati di Lost, a queste cose ci pensiamo spesso Infine, non siamo sicuri che in un buco nero valgano le stesse leggi fisiche dell’esterno. Un buco nero resta un oggetto misterioso, di cui sappiamo poco, e che per certi versi sconvolge un po’ il nostro modo di vedere il mondo.
Chiudo nel più classico e inevitabile dei modi…

Bibliografia
http://ottavonano.altervista.org/vulvia.htm
http://it.wikipedia.org/wiki/Buco_nero
http://it.wikipedia.org/wiki/Forza_di_gravità
http://www.somewhereville.com/?p=100
http://it.wikipedia.org/wiki/Buco_nero_supermassiccio
http://it.wikipedia.org/wiki/Buco_bianco