Archivi categoria: astronomica

Astronomica 5 – Apophis e i NEOs

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

2002WP11

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 :P .
Comunque. Se un oggetto è molto grande, l’impatto può causare notevoli danni. Qualche esempio.
Tunguska

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.
dinosauri

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 :P .
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 :)

13

Astronomica 4 – CMB, il fondo cosmico a microonde

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

Lunghezza d'onda

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
Spettro elettromagnetico

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
antenna Penzias e Wilson

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
corpo nero

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 :P .
Donc, con gli strumenti attuali, il fondo cosmico appare così
CMB

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 

49

Astronomica 3 – Buchi Neri

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…

bbuchi_neri.mp3

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

forza di gravità

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

animazione del centro galattico

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 :P 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

56

Astronomica 2 – La Materia Oscura

Finalmente riesco a dedicarmi un pochino ad Astronomica. Purtroppo mi ci vuole sempre un pochino per fare un post della rubrica; non è esattamente come raccontare dell’ultimo guasto della mia lavatrice :P
La vincitrice di questa settimana è Michela, che vuole sapere qualcosa sulla materia oscura.

Allora. Tanto tempo fa, addirittura nel 1933, tale Fritz Zwicky stava facendo uno studio sugli ammassi di galassie di Coma Berenicis e di Virgo. Si chiamano così perché si osservano proprio in direzione di queste due costellazioni. Potrei aprirvi una parentesi mitologica, ma stavolta c’entra poco, e quindi soprassiedo.
Il tizio in questione stava studiando il moto di tali ammassi, e per farlo aveva bisogno di stimare la loro massa. Un buon modo per farlo è quello di calcolarla in base alla luminosità. Si procede più o meno così:
- innanzitutto si lavora galassia per galassia, visto che l’ammasso è un insieme di galassie.
- dalla luminosità si può inferire il numero complessivo di stelle
- esistono delle stime che permettono di ipotizzare la distribuzione di luminosità e massa delle stelle (ossia quante stelle ho in media con una certa luminosità e una certa massa: x stelle con massa pari al sole, ossia una massa solare, y stelle con due masse solari, e così via, per fare un esempio molto banale e semplicistico)
- se so quante stelle di ogni massa ho nella mia galassia, e so quante stelle ci sono, basta fare la somma, e ho la massa della mia galassia.
Ovviamente, questo è un calcolo “spannometrico”; nessuno mi dice che la distribuzione in massa e e luminosità che ho scelto è giusta, c’è un ampio margine di incertezza sul numero complessivo di stelle stimate nella galassia…però in genere si azzecca l’ordine di grandezza (ossia, se la massa vera è, diciamo 5,4×10^13 masse solari, allora in genere riesco a stimare quanto meno che la massa complessiva dell’ammasso è nell’ordine di 10^13 masse solari).
Insomma, il nostro Zwicky fece il conto, e ottenne un certo risultato. Spesso però i problemi si possono risolvere in più modi differenti, e logica vuole che il risultato finale sia lo stesso. Zwicky dunque ripeté la stima con un altro metodo.
Le galassie in un ammasso si muovo le une rispetto alle altre, e il loro moto dipende dalla loro massa. I moti sono infatti governati dalla gravità, e la forza di gravità dipende dalla massa degli oggetti coinvolti. Più grande è la massa, maggiore è la forza di gravità.Insomma, se conosci la velocità con cui si muovono le galassie, poi puoi risalire alla loro massa.
Zwicky fece proprio questo, e questa seconda stima lo condusse ad un valore 400 volte superiore a quello che aveva calcolato prima. Escluso che si trattasse di un errore di calcolo (anche i fisici sbagliano i conti…), era evidente che c’era della massa in quegli ammassi che “non si vedeva” ma si faceva sentire con la forza di gravità: nasceva la massa oscura.
Da allora sono emerse altre prove della sua esistenza:
- le curve rotazionali delle galassie:La forza di gravità di un qualsiasi oggetto che non sia un buco nero non è invincibile. Basta andare alla giusta velocità, e si può sfuggire da qualsiasi attrazione gravitazionale. Ad esempio, per andare sulla luna i razzi Apollo dovevano raggiungere una ben determinata velocità, che dipende dalla massa dell’oggetto che ti sta attraendo, e che nel caso della Terra è pari a 11 km/s (non è poco, sono 39600 Km/h). Sulla Luna, che ha circa un quinto della massa della terra, la velocità di fuga è di 2.4 km/s. Anche una stella che si trovi all’interno di una galassia ha una velocità di fuga; se va abbastanza veloce, può staccarsi dalla galassia. Ora, nelle zone periferiche di una galassia a spirale (vi ricordate?) le stelle hanno una velocità media di 200 km/s, maggiore della velocità di fuga della galassia di appartenenza. Quelle stelle lì non potrebbero starci. Come si spiega? Se la massa della galassia è maggiore di quella stimata, la cosa si spiega perfettamente. Maggiore la massa, più grande la velocità di fuga. Risultato, c’è della massa che non vediamo.
- le lenti gravitazionali:Vi dicevo che la forza di gravità ha origine nella massa. Solo due oggetti dotati di massa si attraggono. Oggetti senza massa, non lo fanno. Esistono oggetti senza massa? Yep, sono i fotoni, le particelle di cui è composta la luce. I fotoni non dovrebbero risentire della forza di gravità. Questo se vogliamo seguire il nostro amico Newton, che ha formalizzato la famosa espressione della forza di gravità che studiamo a scuola, ossia
Forza di gravità
Einstein, di cui un giorno vi parlerò, dice invece che la forza di gravità funziona in un modo leggermente diverso. La massa curva lo spazio. È come avere un telo elastico piatto; quello lì è il nostro spazio (più o meno; il nostro spazio è tridimensionale, il telo è bidimensionale, ma a volte semplificare le cose aiuta a capirle). Se ci mettiamo dentro un peso, il telo si incurva verso il basso, così
Curvatura spazio-tempo
Ovviamente, qualsiasi oggetto si muova sul telo seguirà questa curvatura. Una pallina lanciata dritta sul telo si metterà a girare intorno al peso che ha deformato la superficie. Con la gravità succede la stessa cosa. Un oggetto dotato di massa curva lo spazio, e quindi gli oggetti che gli passano vicini sono costretti a curvare a loro volta. Se questo è vero, allora anche gli oggetti che non hanno massa dovrebbero risentire della gravità. Anche i fotoni dovrebbero curvare quando passano vicino ad un oggetto massivo. Questa cosa fu predetta da Einstein, e qualche anno dopo vista fisicamente sotto forma delle lenti gravitazionali. Cerco di spiegarvi come funzionano usando questo bel disegnino
lente gravitazionale
Abbiamo un oggetto massivo nello spazio. Dietro di esso c’è qualcosa, ad esempio un ammasso di galassie. Stando dietro, io, dalla Terra, non dovrei poterlo vedere. Invece lo vedo lo stesso, perché i raggi di luce che provengono da esso girano intorno all’oggetto massivo. Volete vedere una lente gravitazionale? Eccole
lente.jpg
Vi ho segnalato con una freccetta le lenti. Sono quegli sbaffi luminosi.Che c’entra tutto questo con la materia oscura? A volte si vedono lenti gravitazionali là dove non dovrebbero essercene, ossia create da oggetti che non dovrebbero avere massa sufficiente a generare il fenomeno.Spero di non avervi steso, perché c’è ancora da dire sulla massa oscura.
Innanzitutto cos’è. Non emettendo luce e mostrandosi solo con la propria forza di gravità, è qualcosa di molto sfuggente. Per ora esistono solo ipotesi al riguardo. C’è chi parla di nuove particelle (i cosiddetti WIMP, una mia professoressa dell’università li ha chiamati neutralini), o di particelle già note ma strane (neutrini dotati di massa), stelle particolari che non emettono luce (stelle di bosoni).
C’è però anche chi non ci crede. Alcuni scienziati hanno cercato di produrre teorie alternative che non chiamino in campo materia di natura ignota. Tra questi, che son comunque la minoranza della comunità scientifica, quello che mi sta più simpatico è Mordehai Milgrom, fisico israeliano autore della MOND (Modified Newtonian Dynamics). In pratica lui modifica un pochino la legge di gravità di Newton nelle zone periferiche della galassia. La cosa divertente è che nessuno riesce a confutare la MOND, che per altro ha una forma matematica molto complessa. A intervalli regolari vengono fuori articoli che cercano di metterla in dubbio adducendo qualche caso particolare, e puntualmente Milgrom risponde con un controarticolo in cui rifà i conti e mostra di aver ragione. Un po’ come se in fin dei conti la MOND l’avesse capita solo lui, ma questa è una battuta da astrofisica acida.

Perché ci interessa la materia oscura? Perchè il quantitativo di materia segna il destino dell’universo. Niente meno.
L’universo si sta espandendo. Contro questa espansione lotta ovviamente la forza di gravità che attrae tra loro le varie galassie. Se c’è abbastanza gravità, l’espansione potrebbe rallentare, fermarsi, anche invertirsi. Ma ovviamente la gravità dipende dalla massa. Capite bene che sapere esattamente quanta massa c’è nel nostro universo è vitale per sapere che fine faremo.
Ci sono tre possibilità:
1. universo chiuso: c’è abbastanza massa da fermare l’espansione e invertirla. L’universo quindi diverrebbe sempre più piccolo e caldo, fino a diventare un punto, com’era all’inizio dei tempi. È il Big Crunch. I più poetici (io ero tra quelli) immaginano che l’universo sia un’eterna alternanza di Big Bang (l’esplosione di quel punto) e Big Crunch.
2. universo aperto: l’espansione addirittura accelera. L’universo è destinato a diventare un posto sempre più ampio e freddo.
3. universo piatto: l’espansione decelera continuamente, ma non si annulla mai. Anche in questo caso, l’universo è destinato a diventare un posto sempre più freddo.
Lo so, la prima è la più bella, ma è la meno probabile.

Chiudo con una nota di colore; Futurama ha risolto il problema della materia oscura (erroneamente tradotta da noi “materia nera”, mentre in originale è “dark matter”). Si tratta degli escrementi di Mordicchio, usati per altro come combustibile per la navicella spaziale della Planet Express.

Bibliografia
http://www.webalice.it/ugerco/vito/02_fuga.htm
http://www.pd.astro.it/planetV/modelli/L26_03S.html
http://it.wikipedia.org/wiki/Velocità_di_fuga
http://it.wikipedia.org/wiki/Materia_oscura
http://it.wikipedia.org/wiki/Relatività_generale
http://it.wikipedia.org/wiki/Lente_gravitazionale

48

Astronomica 1 – La Via Lattea

Inauguro oggi la rubrica Astronomica. Innanzitutto, grazie per le mail; in effetti non contavo tantissimo che avreste raccolto l’appello, invece l’avete fatto in molti e ho avuto anche l’imbarazzo della scelta :P .Dato che è la prima puntata, vado sul sicuro partendo con un argomento che conosco bene (fatemi fare un po’ di rodaggio, suvvia). Colgo dunque l’invito di Gianmarco e parlo della Via Lattea.

Innanzitutto, le presentazioni. Signori e signore, la Via Lattea!http://www.geocities.com/liceo_livio/archeo/iperegitto/via_lattea.jpgPurtroppo dubito che molti di voi abbiano avuto modo di vederla così. Viviamo spesso in posti afflitti da un pesante inquinamento luminoso, ossia ci sono troppe luci di notte, e una delle prime vittime è proprio questa striscia lattescente che attraversa tutto il cielo. I Greci la vedevano di certo meglio di noi, e credevano fosse formata dal latte di Era, la moglie di Zeus. Quest’ultimo, infatti, oltre ad essere un farfallone che levati, aveva anchela sensibilità di un elefante. Ebbe la brillante idea di far allattare Eracle, frutto di una delle solite scappatelle con tale Alcmena, ad un’Era addormentata. Eracle, per gli amici Ercole, già da fanciullo aveva una discreta forza. Agguantò un po’ troppo veementemente la tetta di Era, svegliando la dea e facendo fuoriuscire dal seno molte gocce di latte, che composero appunto la Via Lattea. Non si butta però via niente, e da allora la strada venne usata dagli dei per raggiungere il palazzo di Era e Zeus. Per altro, in greco latte si dice galaktos (per i puristi γάλα, γάλαϰτος), da cui poi viene galassia. Tenete a mente questa informazione, ci servirà a breve. Gli Arabi, gli Egiziani e i Persiani ci vedevano dentro un fiume. I Pellerossa, invece, la consideravano una strada che conduceva le anime dei defunti nell’aldilà.Ma per noi cos’è, invece, la Via Lattea? È, appunto, una galassia, ossia un insieme di stelle, una galassia così importante che a volte neppure la si chiama per nome. Se durante un congresso qualcuno cita “la Galassia”, per definizione tutti sanno che si tratta della Via Lattea. La sua importanza deriva dal fatto che è la galassia cui appartiene il Sole. Qui ci vuole un organigramma dell’Universo; per comodità andiamo dal più piccolo al più grande:
- noi viviamo su un pianeta, la Terra.
- la Terra, insieme ad altri otto pianeti e diversi pianeti nani, gira intorno ad una stella, il Sole, formando un Sistema Stellare
- i sistemi stellari tendono a formare insiemi più o meno grandi, detti galassie
- le galassie si mettono insieme a formare gli ammassi- gli ammassi tutti assieme stanno nell’Universo.
Dicevamo, le galassie.
Esistono diversi tipi di galassie. Innanzitutto, ci sono quelle, diciamo così, normali, e quelle nane. La differenza sta nelle dimensioni. La Via Lattea contiene approssimativamente cento miliardi di stelle. Una galassia nana ne contiene fino a qualche miliardo. Poi, c’è una differenza morfologica; ci sono le galassie ellittiche, tipo M32
http://astrolink.mclink.it/messier/small/m32.gif
(che per inciso è anche nana, ma vabbeh), e a spirale, tipo la vicina e bellissima Galassia di Andromeda, M31
http://www.astrofiliveronesi.it/att/img/andromeda.jpg
La Via Lattea è una galassia a spirale, come Andromeda, ma un po’ più piccola. Come potete vedere, le galassie a spirale hanno un nucleo centrale, molto denso, e dei bracci, che si avvolgono più o meno strettamente attorno al nucleo. Per altro, i bracci ruotano. Quando lavoravo all’Astrolab, spesso facevo ai ragazzi delle scuole questa domanda: se vi chiedessi dove si trova il Sole nella Via Lattea, voi cosa mi rispondereste? Vi assicuro che praticamente tutti rispondevano che il Sole stava nel nucleo. Secoli di visione antropocentrica c’hanno veramente plasmato il cervello. Il fatto è che il nucleo della Via Lattea è un posto inquietante, come tutti i nuclei galattici, in verità; le stelle sono molto vicine le une alle altre, da quelle parti avvengono processi molto energetici, e in mezzo c’è anche il simpatico buco nero supermassiccio di Musiana memoria, citato per altro anche da Elio e le Storie Tese. Insomma, la vita da quelle parti è davvero dura.Il sole si trova invece a circa due terzi del raggio galattico, sul braccio detto di Orione. 
http://astrocultura.uai.it/cosmologia/img/galassia4.jpg
Per altro, in questa foto c’è una ricostruzione di come appare la Via Lattea vista di taglio. La spirale infatti si sviluppa su di un piano. Tutte le stelle che vediamo in cielo sono oggetti della Via Lattea. In generale, sono praticamente tutti oggetti del Braccio di Orione, che è quello in cui si trova il Sole. Gli altri oggetti sono molto distanti , quindi li vediamo principalmente come quella via lattescente su cui, come vi dicevo in apertura, hanno fantasticato greci, arabi e compagnia bella. Considerate che il diametro della nostra galassia è pari a 100 000 anni luce. Per chi non è familiare con questa unità di misura della distanza, posso dirvi che 100 000 anni luce significa che un raggio di luce partito da uno dei bordi della galassia, e che, ricordiamolo, viaggia a 300 000 km/s, impiega 100 000 anni ad arrivare al bordo diametralmente opposto. Volete sapere quanto fa in km?
3 153 600 000 000 946 080 000 000 000 000 di km
La lattescenza che vediamo in cielo è composta però anche dal centro galattico, che si trova in direzione della costellazione del Sagittario. Per altro, il centro galattico è una regione piena di polveri. Ora, come avrete notato se vi è mai capitato di finire in mezzo ad una tempesta di sabbia di qualche tipo (anche in spiaggia, non serve andare nel Sahara :P ), la polvere oscura la luce. Per questo, le zone oscure che vedete nella prima immagine che vi ho linkato non sono zone prive di stelle; sono semplicemente nubi di polvere che oscurano la luce che sta dietro di loro.Ora, la Via Lattea non è costituita soltanto dalla spirale e dal nucleo. Tutto intorno, distribuiti all’intero di un’ipotetica sfera, ci sono gli ammassi globulari, come NGC1261, il primo oggetto che abbia mai studiato da ricercatrice
http://www.hawastsoc.org/deepsky/images/hor/ngc1261.jpg
Gli ammassi globulari, come dice il nome, sono delle sfere di stelle. Non sono oggetti particolarmente grandi; contano al massimo qualche milione di stelle. In compenso sono molto densi, ossia le stelle sono molto vicine le une alle altre. Per ora, intorno alla Via Lattea se ne conoscono un 150. Se non avete capito esattamente dove si trovano questi oggetti rispetto alla Via Lattea, ecco una bella foto esplicativa
http://cache.eb.com/eb/image?id=4423&rendTypeId=4
Gli ammassi globulari, per altro, ruotano intorno alla nostra galassia.Infine, la nostra Via Lattea ha una corte di ancelle. Trattasi di una ventina di galassie nane che ruotano intorno alla Galassia. Ve ne faccio vedere un paio che conosco direttamente:
- Leo II, l’oggetto della mia tesi di laurea
http://www.spacenewsfeed.co.uk/2007/images/2December2007_54_1.jpg
È una sferoidale, come potete vedere dalla forma, ed è tra le più distanti dalla nostra galassia (701 000 anni luce circa)
- Sagittarius, l’oggetto della tesi di dottorato di Giuliano
http://www.sdss.jhu.edu/~wyse/sagittarius-image.gif
In verità questa è una ricostruzione che indica dove dovrebbe trovarsi. Non è infatti facile individuarla. Si sta immergendo nella nostra galassia, e le ha già ceduto molte stelle. Un caso di cannibalismo galattico, un caso neppure tanto raro. In genere, nell’Universo gli oggetti piccoli tendono a mettersi insieme e a formare oggetti più grandi. Proprio per la triste fine che sta facendo, è un oggetto piuttosto vicino, 70 000 anni luce circa
- Sculptor, l’oggetto della tesi di laurea di Giuliano
http://spiff.rit.edu/classes/phys230/lectures/local_group/leo_b_halfdeg.gif
290 000 anni luce circa di distanza.Tutto qua. Spero di non avervi annoiati troppo :p

Bibliografia
http://it.wikipedia.org/wiki/Via_Lattea
http://it.wikipedia.org/wiki/Centro_della_Via_Lattea
http://it.wikipedia.org/wiki/Braccio_di_Orione
http://it.wikipedia.org/wiki/Galassia_Leo_II
http://it.wikipedia.org/wiki/Galassia_Nana_Ellittica_del_Sagittario
http://it.wikipedia.org/wiki/Galassia_nana_dello_Scultore
http://it.wikipedia.org/wiki/Ammasso_globulare
http://it.wikipedia.org/wiki/Galassia_nana
http://www.pizzosuaro.it/la_via_lattea%20miti.htm
http://it.wikipedia.org/wiki/Via_Lattea_%28mitologia%29
Giuliano :P  

P.S.
A Bologna ho fatto un po’ di foto allo stand Mondadori. Ve ne posto una che celebra La Ragazza Drago. Ve l’ho detto che il titolo di questo primo volume è L’Eredità di Thuban? Ve lo dico ora :P
poster_ragazza_drago.jpg
Ok, la qualità è quel che è, ma cosa pretendevate, che ve lo mostrassi a due settimane dall’uscita? :P  

46

Nuova rubrica

Come potete vedere sulla colonna destra, ho deciso di inaugurare una nuova rubrica: Astronomica. Mandatemi una mail al solito indirizzo (licia@liciatroisi.it) con oggetto “Astronomica”, e ditemi di quale argomento astronomico volete che parli.
Una volta ogni due settimane selezionerò un argomento e ci farò su un post. Adesso però fatevi sotto con gli argomenti, ok? 

11