BUCO NERO SUPERMASSIVO MOLTO PARTICOLARE

Sputa getti di plasma a velocità relativistiche

Sull’altopiano cileno di Chajnantor, a circa 5000 metri d’altezza, l’ESO (European Southern Observatory), in collaborazione con i suoi partner internazionali gestisce ALMA (Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array) un telescopio moderno per lo studio della luce proveniente da alcuni dei più freddi oggetti dell’Universo. Questa luce ha lunghezza d’onda di circa 1 millimetro, collocata dunque fra la luce infrarossa e le onde radio, ed è perciò conosciuta come radiazione millimetrica e sub millimetrica.

ALMA è composta da 66 antenne di alta precisione disseminate su un’area di circa 16 Km2. Il 17 aprile 2015, sulla rivista Science sono stati pubblicati i risultati di uno studio condotto con ALMA che ha rivelato un campo magnetico molto intenso, molto più dei valori finora trovati nel centro delle galassie, vicino all’orizzonte degli eventi del buco nero supermassiccio situato nella galassia PKS 1830-211.

Il primo autore è Ivan Marti-Vidal della Chalmers University of Technology e dell’Onsala Space Observatory in Svezia. Ormai è ben noto che quasi tutte le galassie hanno, al loro centro, un buco nero supermassiccio, spesso con una massa pari a miliardi di volte quella solare.

La formazione di questi “mostri cosmici” è uno dei problemi principali della cosmologia osservativa moderna: partendo da buchi neri stellari, anche accrescendo al limite Eddington, non c’è tempo sufficiente per arrivare a miliardi di masse solari nel corso della vita dell’Universo.

Molti buchi neri continuano a crescere e a inghiottire materia che forma un disco di accrescimento, una specie di ciambella sul piano equatoriale. La materia che cade nel buco nero ha energia potenziale gravitazionale in base alla sua posizione; avvicinandosi al centro di gravità la materia cede tale energia che, per il teorema del viriale, per metà è trasferita in energia termica e per metà è rilasciata sottoforma di radiazione.

Tale radiazione, quando molto intensa (luminosità di 1040 – 1046 erg/s), definisce una classe di oggetti astronomici detti nuclei galattici attivi (in inglese Active Galactic Nuclei, AGN). Gli AGN rappresentano una classe di galassie molto diversificata che, pur essendo rivelati in diverse bande energetiche e mostrando caratteristiche spettrali differenti, sono di solito identificati da alcune proprietà comuni.

Quello che distingue un AGN da una comune galassia non attiva è la luminosità del nucleo, paragonabile o superiore a quella della componente stellare. L’emissione di un AGN si estende su tutto lo spettro elettromagnetico e spesso è associata a fenomeni di alta variabilità (su tempi scale di giorni addirittura ore).

Si ritiene che le differenze che si riscontrano tra i due diversi tipi di AGN siano dovute all’orientazione con la quale li osserviamo e non qualcosa di intrinseco alle singole sorgenti. In una frazione di questi nuclei attivi, i buchi neri, oltre a inghiottire materia, sono capaci di espellerne una parte, sottoforma di due getti contrapposti, che partono dalle immediate vicinanze del buco nero, e si estendono anche per milioni di anni luce.

Tali getti, costituiti da plasma (composto da particelle cariche, sia ioni sia elettroni) sono lanciati nello spazio a velocità relativistiche, ovvero prossime a quella della luce. Come questo accada non è ancora ben chiaro. Si ritiene che il campo magnetico del disco di accrescimento di un buco nero supermassiccio sia essenziale per la formazione dei getti.

Ed è proprio in questo contesto che si inserisce il lavoro di Marti-Vidal e colleghi relativo a PKS 1830-211 classificato nella tassonomia degli AGN, come un blazar, termine generico per indicare AGN con il getto puntato verso Terra. Il termine blazar deriva dalla contrazione di BL Lac Object e quasar, le due principali sottoclassi di blazar.

In particolare, PKS 1830-211 è un quasar con righe di emissione ben visibili e molto forti. Nei blazar, il getto relativistico è visto a piccoli angoli e, per questo motivo gli effetti della relatività speciale amplificano enormemente la sua emissione elettromagnetica: la luminosità del getto aumenta anche di diecimila volte, sovrastando l’emissione di qualunque altra struttura dell’AGN.

I ricercatori hanno studiato il campo magnetico di PKS 1830-211, situato nel luogo in cui si pensa che la materia venga improvvisamente lanciata via sottoforma di getto; per misurarne l’intensità è stata studiata la polarizzazione della luce che si allontana dal buco nero. La polarizzazione della luce, o più in generale della radiazione elettromagnetica, è una caratteristica delle onde elettromagnetiche e indica la direzione del vettore campo elettrico durante la propagazione dell’onda.

Si tratta di una proprietà importante della luce che trova applicazioni anche nel quotidiano, per esempio nelle lenti anti riflesso degli occhiali dal sole. Nella luce naturale , che è la sovrapposizione di onde luminose emesse in modo casuale da un numero elevato di atomi, le direzioni del vettore campo elettrico e del vettore campo magnetico, pur sempre perpendicolari alla direzione di propagazione, si distribuiscono in modo qualunque, quindi si tratta di luce polarizzata.

In astrofisica ci sono svariate situazioni nelle quali si produce polarizzazione; questo è importante perché permette di stimare i campi magnetici, in quanto la luce cambia la sua polarizzazione quando attraversa un mezzo magnetizzato. Le osservazioni di ALMA mostrano come la luce abbia attraversato un materiale molto vicino al buco nero, una regione ricca di plasma fortemente magnetizzato.

Marti-Vidal e colleghi, applicando ai dati di ALMA una nuova tecnica di analisi da essi stessi sviluppata, hanno trovato che la direzione del piano di polarizzazione della radiazione che proviene dal centro di PKS 1830-211 era ruotata. Si tratta della radiazione Faraday scoperta nel 1845 dal fisico Michael Faraday, ovvero un’interazione tra luce e campo magnetico.

La rotazione del piano di polarizzazione è proporzionale all’intensità della componente del campo magnetico nella direzione del raggio luminoso. I campi magnetici introducono la rotazione di Faraday, che dipende dalla lunghezza d’onda della luce e forniscono informazioni sul campo magnetico nella regione. Le osservazioni con ALMA sono state effettuate ad una lunghezza d’onda di circa 0,3 millimetri, la più corta mai usata per questo tipo di studio, che permette di sondare le regioni molto vicine al buco nero centrale.

Solo la luce di lunghezza d’onda millimetrica può sfuggire dalle regioni più vicine al buco nero, mentre lunghezze d’onda maggiori sono assorbite. I ricercatori hanno stimato un valore del campo magnetico di decine di GAUSS in prossimità del buco nero (a una distanza di circa 0,01 parsec). Dunque la presenza di questo campo magnetico confermerebbe l’attuale paradigma del getto: il campo magnetico fornisce le “rotaie” sulle quali sono immessi gli elettroni accelerati a velocità relativistiche.

Tali elettroni emettono radiazione di sincrotrone lungo le linee del campo magnetico e quando urtano contro i fotoni di più bassa energia (i loro stessi fotoni di sincrotrone o provenienti da strutture circostanti) trasferiscono parte della loro energia. Se il getto è osservato con un piccolo angolo di vista rispetto alla direzione del moto (blazar) la luminosità risulta amplificata e le variazioni di emissione sono molto rapide.

La scoperta rappresenta un grande passo in avanti sia in termini di frequenza di osservazione, grazie ad ALMA, sia intermini della distanza dal buco nero a cui viene sondato il campo magnetico (dell’ordine di alcuni giorni-luce) dall’orizzonte degli eventi. Questi risultati, e le osservazioni future, permetteranno di capire cosa stia davvero succedendo in prossimità del buco nero supermassiccio.

Ispirato a "Le Stelle"


CANDELE STANDARD

“Le supernovae di tipo Ia sono strumenti fondamentali per misurare le distanze cosmiche e studiare l’espansione dell’universo. Ora un nuovo studio ha identificato una sottoclasse di supernovae ancora più affidabili e precise.”

Per misurare le distanze nell’universo gli astronomi si affidano alle supernovae di tipo Ia, considerate fra le migliori “candele standard” oggi disponibili. Grazie a queste supernovae abbiamo infatti ampliato le nostre conoscenze sul Cosmo, a partire dalla scoperta della sua espansione accelerata, dovuta a una misteriosa forma di “energia oscura”.

Le supernovae di tipo Ia sono però tutte esattamente uguali, un fattore che limita la precisione nella stima delle distanze. Ma un team internazionale di astronomi ha identificato un particolare tipo di supernovae Ia che potrebbe offrire “prestazioni” migliori. Si tratta di una popolazione osservata in ammassi stellari molto giovani, e che potrebbero derivare da nane bianche molto piccole e recenti.

Sfruttando osservazioni di archivio del Galaxy Evolution Explorer (GALEX), un telescopio spaziale della NASA dedicato alle osservazioni ultraviolette, gli scienziati hanno notato che per queste l’evoluzione del flusso luminoso nel tempo è molto ben correlata la luminosità. La scoperta di questa nuova “marca” di supernovae Ia, discussa recentemente su “Science”, migliorerà la nostra conoscenza dell’Universo, raddoppiando la precisione nella misura delle distanze cosmologiche.

“Abbiamo scoperto una popolazione di supernovae di tipo Ia, la cui emissione luminosa dipende molto precisamente da quanto rapidamente si affievoliscono, rendendo possibile la misura esatta della loro distanza”, ha sottolineato Patrick Kelly, dell’Università della California a Berkeley, che ha guidato lo studio, “queste supernovae sono state trovate vicino a popolazioni di stelle giovani e calde”.

Trovare questa nuova classe di supernovae non solo può aiutare a far luce sulla morte violenta delle stelle di grande massa, ma può avere un ruolo chiave nello studio della natura dell’energia oscura, uno dei misteri più fitti dell’astronomia moderna.

Dal 1998 sappiamo infatti che l’espansione dell’Universo procede in modo accelerato, una scoperta che è valsa il premio Nobel per la fisica nel 2011 a Saul Perlmutter, Brian Schmidt e Adam Riess.

Al momento non si ha idea del vero responsabile di questa accelerazione, ma gli scienziati pensano che esista una forma di energia, chiamata appunto energia oscura, che potrebbe essere la riposta. Di questa misteriosa energia oscura non si sa molto, ma si stima che contribuisca per circa il 68% del bilancio di energia e massa dell’intero Universo, e ci fornisce quindi una stima della nostra ignoranza.

La scoperta dell’espansione accelerata dell’Universo, raggiunta per caso, non sarebbe stata possibile senza le supernovae di tipo Ia.

I team di Perlmutter e Schmidt, avevano infatti determinato la velocità di galassie molto lontane, la cui distanza era stata valutata proprio con le supernovae di tipo Ia. La chiave per migliorare le distanze di queste galassie sono state proprio le supernovae di tipo Ia, che appartengono alla categoria di sorgenti luminose che gli astronomi considerano candele standard.

Come suggerisce il nome, le candele standard sono sorgenti di cui si può stimare in modo affidabile la luminosità assoluta. È come se avessimo a disposizione delle lampadine di cui non conosciamo la potenza, ad esempio 100 watt. Se la lampadina è lontana da noi ci appare molto brillante e se la allontaniamo da noi la sua brillantezza scende ancora, per la precisione in maniera inversamente proporzionale al quadrato della distanza.

Poiché conosciamo la luminosità assoluta, cioè la potenza emessa dalla lampadina (in questo caso 100 watt), misurando il flusso apparente della lampadina è quindi possibile stimare in maniera abbastanza precisa la sua distanza da noi. In maniera analoga, gli astronomi hanno un “campionario” di candele standard, che utilizzano in base alle loro esigenze per stimare le distanze nel cosmo.

Un altro esempio famoso di candele standard sono le Cefeidi, stelle variabili di cui possiamo conoscere la luminosità assoluta a partire dal periodo di variazione della loro limosità. Le Cefeidi sono utili quando si misurano le distanze di galassie relativamente vicine, ma non sono abbastanza luminose per essere viste in galassie molto remote.

In questi casi gli astronomi devono usare candele standard più potenti, come appunto le supernovae di tipo Ia, che durante l’esplosione emettono all’incirca sempre la stessa quantità. Non sono ancora chiari i dettagli del processo che conduce a queste brillanti esplosioni, ma gli astronomi ritengono che le supernovae di tipo Ia avvengono quando una nana bianca, molto probabilmente in un sistema binario, accresce materia dalla compagna.

Le nane bianche sono compatte, prodotte dall’evoluzione di stelle di piccola massa, in cui la materia è compressa a tal punto che le leggi della fisica classica non valgono più. Si dice infatti che la materia “degeneri”, cioè governata dalle leggi della meccanica quantistica. Le nane bianche sono stelle che hanno esaurito il loro carburante interno e che si stanno spegnendo lentamente, come farà il Sole fra circa 5 miliardi di anni.

Ma quando una nana bianca si trova in un sistema binario, può succedere che possa instaurare dei processi di accrescimento dalla sua stella compagna, che ad esempio può espandersi durante la fase di gigante rossa. La nana bianca inizia così ad inghiottire materiale, aumentando la propria massa fino a un limite critico, al di sopra del quale si instaurano nuovamente reazioni nucleari che portano rapidamente la stella all’esplosione.

La luminosità delle stelle cresce moltissimo fino a diventare brillante come l’intera galassia in cui si trova. Sebbene la luminosità di queste supernovae sia più o meno sempre la stessa, le esplosioni non sono ovviamente tutte uguali. Ad esempio possono differire per vari fattori, che sono connessi all’ambiente e alla storia di queste stelle che esplodono.

E come la nostra lampadina da 100 watt, a volte emettono 80 watt, alterando così le nostre stime di distanza. Per valutare l’affidabilità di queste candele standard, Kelly e colleghi hanno analizzato l’ambiente che circonda circa 100 supernovae di tipo Ia esplose nel passato. Per farlo, gli astronomi hanno usato osservazioni ultraviolette dell’archivio di GALEX.

Le stelle più giovani e calde emettono molta radiazione ultravioletta, e in questo modo Kelly e colleghi hanno potuto distinguere la presenza di queste stelle rispetto alle stelle più vecchie.

Da questa indagine è emerso che le supernovae legate ma stelle più giovani splendono in modo più regolare e consistente fra loro, e sembra così che le candele più affidabili siano quelle prodotte da nane bianche più giovani. Sfruttando questa classe di supernovae di tipo Ia, gli astronomi potranno compiere misure ancora più accurate delle distanze nel Cosmo, e secondo gli autori dello studio queste candele sarebbero “garantite”, fino a distanze di 6 milioni di anni luce.

Grazie a questa nuova “marca” di candele standard potremo così prendere meglio le misure dell’Universo e riuscire a fornire identikit più chiari dell’energia oscura, la misteriosa responsabile del destino del Cosmo.

Ispirato a "Le Stelle"


OSCILLAZIONI DEL NEUTRINO

In una recente pubblicazione, la collaborazione Ice Cube riporta il risultato sperimentale sulle oscillazioni dei neutrini atmosferici, ottenuto dall’analisi di tre anni di misure fatte con un esperimento realizzato al Polo Sud. Questi dati si aggiungono e confermano quelli di precedenti esperimenti sotterranei in diversi paesi tra i quali, come vedremo, sono di particolare interesse i risultati ottenuti da diversi esperimenti dei Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS) dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN).

È certamente utile ricordare che i neutrini sono particelle elementari la cui esistenza venne ipotizzata da Wolfgang Pauli nel 1931 per spiegare il decadimento spontaneo di alcuni nuclei: pochi anni dopo Einstein formulò in dettaglio la teoria di questo decadimento ed evidenziò il ruolo fondamentale che i neutrini hanno in questo processo.

Sappiamo ora che i neutrini sono di tre specie diverse, ciascuna associata ad uno dei tre leptoni: elettrone, muone e tau che, insieme ai quark, costituiscono la materia dell’intero Universo. I neutrini sono sufficientemente rivelabili perché interagiscono molto poco con la materia tanto che, per fare un semplice esempio, i neutrini prodotti nell’interno del Sole escono istantaneamente e praticamente inalterati dal nucleo della stella, anche se essi devono attraversare quasi 700 Km di materia, ossia poco meno del doppio della distanza Terra-Luna.

Al contrario, la luce, prodotta contemporaneamente ai neutrini nel centro del Sole, impiega alcune centinaia di migliaia di anni per giungere in superficie. Per questa debole interazione con la materia, solo nel 1956 Fred Reines e Richard Cowen riuscirono a rilevare i neutrini emessi dal reattore nucleare di Savannah River, uno dei primi reattori costruiti negli Stati Uniti, con un rivelatore posto nei pressi del reattore stesso.

Il fenomeno delle oscillazioni dei neutrini, tra una e un’altra delle tre specie, venne invece proposto da Bruno Pontecorvo nel 1968 e ricercato da molti esperimenti sotterranei fin dagli anni 1980. In questi anni erano state proposte nuove teorie sul decadimento del protone che potevano essere verificate con esperimenti relativamente piccoli (dell’ordine di alcune centinaia di tonnellate di rilevatori) molto sensibili anche alla rivelazione dei neutrini atmosferici che, inevitabilmente, costituiscono il disturbo (di fondo) rispetto al decadimento del protone.

Uno dei primi rivelatori di questo tipo (NUSEX) da Nucleon Stability Experiment, con grande capacità di identificazione delle interazioni dei neutrini, venne costruito nel Laboratorio del Monte Bianco. Esso consisteva di circa 150 tonnellate di materiale passivo, lastre di ferro e di un sistema di tracciamento fatto di “tubi di Iarocci”, un rivelatore sviluppato ai Laboratori Nazionali di Frascati (LNF) dell’INFN e da Enzo Iarocci.

Pochi anni dopo un rivelatore simile (MACRO, da Monopooles And Cosmic Ray Observatory) integrato da un sistema a scintillatore liquido venne installato nei nuovi Laboratori del Gran Sasso, MACRO fu tra i primi esperimenti a mostrare una possibile oscillazione dei neutrini.

In quegli stessi anni esperimenti ad acqua molto più grandi (migliaia di tonnellate di rivelatore) fornirono i primi dati sicuri di oscillazione dei neutrini; tra essi, in particolare, Super Kamokand in Giappone, ancora ora in funzione con 50000 tonnellate di acqua.

Ice Cube è l’esperimento più recente dedicato allo studio della fisica e astrofisica nei neutrini e segue metodi sperimentali identici a quelli degli esperimenti precedenti, ma con un’enorme differenza: la massa di rivelatore. Infatti, un cubo di ghiaccio di lato 1 Km ha un volume di 1 Km3 e contiene un miliardo di tonnellate di rivelatore, una massa senza uguali tra i rivelatori attivi.

In un futuro abbastanza vicino, un esperimento di massa simile si sta costruendo al largo della Sicilia, utilizzando l’acqua del Mediterraneo come rivelatore. Poiché il meccanismo che produce i neutrini atmosferici negli urti dei raggi cosmici con i nuclei dell’atmosfera terrestre è ben conosciuto, in quanto si tratta dello stesso processo di urto protone-protone studiato con gli acceleratori di particelle, sappiamo con grande precisione che vengono prodotti solo neutrini elettronici e neutrini muonici e che il loro rapporto è di circa un neutrino elettronico ogni due neutrini muonici.

Quindi, durante il percorso tra il luogo di produzione (alta atmosfera terrestre) e quello di rivelazione (esperimento sotto terra, sott’acqua o sotto il ghiaccio) il rapporto tra i neutrini muonici e i neutrini elettronici può cambiare per effetto delle oscillazioni. Per questo motivo, il modo più semplice per verificare se le oscillazioni cambiano il rapporto tra le due specie di neutrini è quello di misurare quanti neutrini arrivano da direzioni diverse.

Per esempio, i neutrini che arrivano dall’alto hanno attraversato l’atmosfera terrestre e un piccolo spessore di materia, ossia circa 15-20 Km, mentre quelli che arrivano dal basso hanno attraversato un diametro terrestre, ossia 13000 Km ed hanno avuto tempo di oscillare, a differenza dei primi.

Ebbene, adesso l’esperimento Ice Cube ha fornito i risultati dell’analisi di circa tre anni di misure, osservati nella parte più interna e sensibile dell’esperimento. Queste misure indicano che il numero di neutrini muonici che penetrano nell’esperimento dal basso è sensibilmente inferiore al numero di quelli che arrivano dall’alto, una chiara evidenza di oscillazione che, nell’attraversamento del diametro terrestre ha ridotto il numero di neutrini muonici.

Tutte queste osservazioni, fatte da molti esperimenti diversi sono dette a scomparsa, in quanto misurano un numero di neutrini inferiore a quanto previsto, perché sono spariti o, meglio, sono oscillati in altre specie di neutrini. Ciò è vero anche per i neutrini solari per i quali tutti gli esperimenti in funzione, ora o nel passato, hanno sempre misurato un numero di neutrini inferiore a quello previsto dai modelli solari.

Questi esperimenti sono però sensibili solo ai neutrini di specie elettronica emessi dal Sole e quindi hanno fornito indicazioni indirette di oscillazione come spiegazione del numero mancante di neutrini. Invece l’esperimento SNO (Sudbury Neutrino Observatory) in Canada, sensibile a tutte le specie di neutrini, ha osservato un flusso uguale a quello previsto dai modelli solari, confermando che il numero di neutrini elettronici prodotti nel Sole è corretto ma che oltre la metà di essi si è trasformata in altre specie di neutrini durante il tragitto del Sole a Terra.

Ma osservare un numero inferiore di eventi rispetto al previsto potrebbe anche essere dovuto ad inefficienze dell’esperimento. Più significativi sono gli esperimento a comparsa, in cui viene osservata una specie di neutrini assente al momento della produzione.

L’unico esperimento a comparsa finora realizzato è stato Opera ai Laboratori del Gran Sasso dell’INFN, in cui un fascio di neutrini muonici prodotto al CERN di Ginevra è stato inviato verso i laboratori abruzzesi. Nel rivelatore sono stati osservati alcuni eventi, pochi ma in accordo con le previsioni, dovuti a interazioni di neutrini di tipo tau, assenti al momento della produzione.

A mio parere, questo è il dato sperimentale più forte per la conferma del fenomeno delle oscillazioni dei neutrini. Possiamo dunque concludere che l’idea di Bruno Pontecorvo delle oscillazioni dei neutrini è stata confermata da un ulteriore risultato sperimentale che si somma a tutti i precedenti. Inoltre, possiamo anche concludere che la fisica italiana è certamente stata tra i protagonisti di questo filone di ricerca fondamentale per la conoscenza del mondo in cui viviamo.

Ispirato a "Le Stelle"


TRACCE DI MATERIA OSCURA NEL SOLE ?

A prima vista sembra un paradosso. Com’è possibile che il Sole, così vicino e luminoso, sia una sorgente in grado di produrre anche la misteriosa materia oscura ? Proprio quella materia oscura che, lo dice il nome, non emette alcun tipo di luce? Ma se ci pensiamo un po’, di quel paradosso rimane ben poco.

Secondo diversi modelli teorici, infatti, il centro del Sole sarebbe il teatro di processi su scala subatomica che potrebbero produrre “assioni”, particelle candidate per spiegare la materia oscura nel cosmo.

Il problema è che gli assioni sono ancora particelle ipotetiche: nonostante gli sforzi di scienziati di tutto il mondo, gli assioni non sono ancora mai stati osservati. La materia oscura proveniente dal Sole potrebbe sembrare fantascienza, eppure c’è chi sostiene di averla trovata, proprio nel cuore della nostra stella. Secondo un gruppo di ricercatori dell’Università di Leicester, nel Regno Unito, le osservazioni a raggi X raccolte dal telescopio europeo XMM-Newton nasconderebbero un indizio di queste misteriose particelle.

Gli scienziati inglesi, guidati da George Fraser, scomparso nel marzo scorso (2015), hanno infatti osservato nell’emissione diffusa a raggi X un debole segnale che varia nel corso dell’anno, in base alla posizione del telescopio rispetto alla Terra e al Sole. Il risultato, pubblicato sulle Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, potrebbe essere spiegato chiamando in causa l’interazione fra assioni prodotti nel Sole e il campo magnetico terrestre.

Il risultato, che ha fatto discutere, è potenzialmente interessante poiché porta all’attenzione della comunità internazionale un nuovo possibile metodo per rivelare questa variante “esotica” di materia.

Ma prima di tutto, che cosa sono gli assioni e perché è così importante dar loro la caccia? La materia oscura è senza dubbio uno dei misteri più fitti della fisica moderna. Come suggerisce il nome, si tratta di un tipo di materia che non emette luce, a differenza di quella a cui siamo abituati, detta materia visibile o barionica.

La materia barionica è infatti facilmente visibile perché emette varie forme di radiazione luminosa, come onde radio, luce visibile, raggi X o raggi gamma. Per chiarire, la materia barionica è quella di cui siamo fatti noi, il nostro pianeta o le stelle che brillano nel cielo.

Ma per “vedere” la materia oscura i nostri occhi ci servono ben poco, l’unico modo in cui questa strana materia si manifesta è attraverso l’interazione gravitazionale. Essendo dotata di una certa massa, la materia oscura crea infatti un campo gravitazionale che influenza l’ambiente circostante.

Ed è proprio grazie a questa sua impronta “gravitazionale” che è stato individuata per la prima volta. Già negli anni Trenta del secolo scorso, infatti, l’astronomo svizzero Fritz Zwicky ne aveva postulato l’esistenza a partire da alcune osservazioni di ammassi di galassie.

Misurando le velocità delle galassie in questi ammassi, Zwichy si era accorto che erano troppo alte rispetto a quanto atteso. Se le galassie erano così veloci doveva esserci un campo gravitazionale aggiuntivo oltre a quello generato dalla materia visibile.

Così Zwicky suggerì la presenza di una “massa mancante”, che era invisibile ma che generava questo campo gravitazionale aggiuntivo. Ma la prima evidenza solida della materia oscura arrivò dopo circa 3 decenni, grazie all’astronoma americana Vera Rubin. Originaria di Philadelphia, la Rubin aveva già condotto una serie di interessanti lavori sul moto delle galassie e sulla legge di Hubble, e nel 1965 aveva accettato un incarico da astronoma alla prestigiosa “Carnegie Institution” nei pressi di Washington.

Uno dei suoi compiti era di misurare la velocità di rotazione delle stelle nelle galassie spirali. Lo spettro di queste stelle risultava infatti spostato verso il blu o verso il rosso a causa dell’effetto Doppler provocato dal moto delle stesse. Raccogliendo le osservazioni l’astronoma iniziò a costruire dei diagrammi detti “curve di rotazione”, che per ciascuna galassia riportavano la velocità delle stelle a varie distanze dal nucleo.

Come sappiamo dalle leggi di Keplero, i pianeti più lontani dal Sole si muovono più lentamente rispetto a quelli più vicini. Questo dipende dal fatto che l’intensità della forza gravitazionale diminuisce all’aumentare della distanza. Per essere più precisi, diminuisce con il quadrato della distanza, cioè se raddoppiamo la distanza fra i due corpi, l’attrazione gravitazionale diventa un quarto.

Analogamente, anche la velocità delle stelle avrebbe dovuto diminuire allontanandosi dal nucleo galattico, dove si concentra la maggior parte della massa, eppure la Rubin scoprì che restava costante. Assumendo che le leggi della gravità fossero valide anche in quelle remote galassie, l’unica spiegazione era che dovessero esistere degli aloni di materia invisibile capaci di creare un campo gravitazionale in grado di spiegare quei moti stellari. Un alone fatto appunto di materia oscura.

Da allora gli astronomi hanno continuato ad accumulare indizi della presenza di materia oscura, ad esempio sfruttando le lenti gravitazionali visibili in vari punti del cielo. La materia oscura è oggi accettata dalla comunità scientifica ed è stata inclusa nei modelli cosmologici moderni. Quello più accreditato, detto “modello A-CDM” descrive un Universo fatto in gran parte di “Cold Dark Matter” (CDM), cioè di materia oscura “fredda” che interagisce debolmente con la radiazione elettromagnetica.

Perché questa materia oscura deve essere “fredda”, cioè muoversi molto lentamente rispetto alla velocità della luce? Perché altrimenti non potrebbe depositarsi e formare i grandi aloni intorno alle galassie oppure le strutture osservate su grande scala nel cosmo. A questa componente di materia oscura, i cosmologi aggiungono un termine Λ (lambda) che rappresenta l’energia oscura, una misteriosa forma di energia scoperta nel 1998 e responsabile dell’espansione accelerata dell’Universo.

Secondo le misure più recenti prodotte dal telescopio spaziale Wilkinson Microware Anysotropy Probe (WMAP) della NASA, o dell’europeo Plank, la materia oscura costituisce circa l’84,5% della materia dell’Universo. Insomma, la materia barionica, di cui siamo fatti tutti noi, è una piccola percentuale. Le cose vanno ancora peggio se consideriamo il bilancio di massa ed energia: in quel caso la materia barionica occupa solo il 4,9% mentre la materia oscura occupa il 26,8% e l’energia oscura il 68,3%.

GLI ASSIONI

Sappiamo quindi che la materia oscura è una componente importante dell’Universo, ma resta da capire un dettaglio non da poco. Finora infatti gli scienziati non hanno ancora compreso quale sia la reale natura della materia oscura, ovvero da quali particelle sia composta. Per un certo periodo si è ritenuto che essa fosse costituita da corpi celesti fatti di materia ordinaria ma non visibili, come ad esempio buchi neri, stelle di neutroni o stelle particolarmente deboli.

Tuttavia i calcoli hanno mostrato che questi oggetti massivi compatti, che in inglese sono indicati con la curiosa sigla MACHOS (Massive Compact Halo Objects), noi siamo sufficienti a render conto del bilancio di materia oscura nell’Universo.

Attualmente si ritiene che la materia oscura sia quindi fatta da un tipo di particelle ancora da scoprire, il cui requisito principale sia di interagire molto debolmente con la materia barionica e con la radiazione elettromagnetica. A partire da questi tratti generali, gli scienziati hanno quindi compilato una lista di particelle che potrebbero possedere queste proprietà.

Tipicamente non si tratta di particelle inventate ad hoc per giustificare la materia oscura, bensì di particelle postulate all’interno di altre teorie di fisica fondamentale, che però potrebbero essere proprio il tassello mancante di questo complesso puzzle.

Fra i candidati più probabili ricordiamo le Weakly Interacting Massive Particels (WIMPs), un tipo di particelle molto pesanti e debolmente interagenti. Fra le varie WIMP, quella più promettente sembra essere il “Neutralino”, un “cugino” del neutrino postulato nell’ambito della Supersimmetria, una teoria introdotta per spiegare fenomeni fisici non descritti dal Modello Standard delle particelle elementari.

Oltre alle WIMP, un altro candidato molto promettente è l’assione. Gli assioni furono postulati nel 1977 dall’italiano Roberto Peccei e da Helen Quin per risolvere alcuni problemi legati alla Cromodinamica, la teoria che descrive l’interazione forte fra particelle elementari. Secondo le previsioni teoriche gli assioni hanno massa molto piccola, di circa un milionesimo di elettronvolt a un elettronvolt.

L’elettronvolt (eV) è unità di misura utilizzata in fisica delle particelle per descrivere la loro energia, oppure, attraverso la famosa formula E=mc2, anche la massa. Per confronto, un elettrone ha una massa di circa 0,5 milioni di elettronvolt (MeV). Nel mondo esistono diversi esperimenti per la rivelazione di assioni, come l’esperimento PULAS, ospitato ai Laboratori Nazionali dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare di Legnano, presso Padova.

Secondo alcune teorie, gli assioni sarebbero prodotti nel nucleo del Sole quando la radiazione elettromagnetica di alta energia, ad esempio raggi X o raggi gamma, interagisce con elettroni o protoni in presenza di forti campi elettrici. Il Sole potrebbe quindi essere una importante fonte di assioni, e molti gruppi di ricercatori hanno iniziato a dedicarsi alla loro scoperta. C’è chi lo fa con strumenti appositamente dedicati, come il CERN Axion Solar Telescope (CAST), ospitato presso il CERN di Ginevra, oppure chi si affida alle osservazioni astronomiche, come il gruppo di Leicester.

L’idea di andare a caccia di assioni osservando con raggi X era già stata suggerita quasi dieci anni fa, estendendo un lavoro uscito nel 2003.

Il metodo di base sfrutta il cosiddetto effetto Primakoff inverso, secondo cui gli assioni interagiscono con un campo magnetico trasformandosi in radiazione elettromagnetica, ad esempio raggi X. Una prima modalità di osservazione suggerita consiste nell’osservare gli assioni solari in una configurazione da “eclissi di Sole”, ovvero con la Terra interposta fra il Sole e il telescopio.

In questo modo, secondo i calcoli, gli assioni che attraversano il nucleo della Terra si convertono in raggi X nel campo magnetico terrestre nel lato in ombra della Terra. Questa configurazione dovrebbe poter fornire un segnale di raggi X intorno ai 3000 eV e soprattutto evitare la contaminazione dovuta all’emissione di raggi X diretta dal Sole, quando la nostra stella risulta oscurata dalla Terra.

Questa modalità osservativa, nota come Geomagnetic Conversion of Solar Axions into X-rays (GEOCOSAX), è stata modificata leggermente dai ricercatori di Leicester, che hanno utilizzato per il loro lavoro le osservazioni di XMM-Newton. Come gran parte dei telescopi spaziali per raggi X, XMM-Newton non osserva direttamente il Sole o la Terra, e i ricercatori hanno dovuto adottare la configurazione GECOSAX di conseguenza.

Gli scienziati hanno deciso di considerare solamente le finestre temporali in cui il telescopio spaziale si trovava fra il Sole e la Terra ed osservava in direzione del campo magnetico terrestre. Selezionando queste osservazioni, è infatti possibile isolare al meglio i raggi X prodotti dall’interazione degli ipotetici assioni solari con il campo magnetico terrestre.

“Si prevede che il segnale di raggi X dovuto agli assioni sia più grande quando si guarda nel lato del campo magnetico terrestre rivolto al Sole, perché è qui che il campo magnetico è più intenso”, sottolineano gli autori dell’articolo. Oltre a questa configurazione osservativa, denominata “estiva” in base all’orbita del telescopio, i ricercatori hanno anche fatto uso di una configurazione “invernale” in cui il telescopio osserva la regione di campo magnetico terrestre opposto al Sole.

Per le loro analisi, gli scienziati hanno utilizzato le osservazioni condotte dai tre “occhi” dello strumento EPIC di XMM, le due camere MOS e la camera PN. È chiaro che in una ricerca così delicata è fondamentale considerare ogni forma di segnale spurio che potrebbe contaminare i risultati. Per questo motivo, nell’analisi è stata esclusa gran parte delle sorgenti puntiformi di raggi X, oltre all’intera emissione del piano galattico a meno di 10 gradi dall’equatore galattico.

Questa regione è infatti ricchissima di sorgenti di raggi X di varia natura, la cui emissione copre il debole segnale prodotto dagli assioni. Un altro fondamentale disturbo è dovuto all’emissione di raggi X dallo strumento stesso, dovuta a vari meccanismi, fra cui l’interazione dei raggi cosmici con varie parti dello strumento. Si tratta comunque di segnali ben noti agli scienziati e che si manifestano principalmente come picchi di emissione centrali a particolari energie, che quindi possono essere facilmente esclusi dalle analisi.

Dopo aver preso in considerazione tutti questi effetti, gli scienziati hanno costruito uno spettro dell’emissione di fondo di raggi X nelle due configurazioni “estiva” e “invernale”, confrontando i risultati. In base a diversi tipi di analisi statistiche applicate, gli autori hanno comunque evidenziato che nel primo caso il segnale è leggermente più alto.

Come succede nei lavori scientifici, viene prodotto un livello di significatività per questo risultato, che si esprima in unità di sigma. Nel caso più pessimistico, i due segnali delle tre camere sono diversi, con un livello di tre sigma, e ciò significa che la probabilità che questi due segnali siano diversi per puro caso è di circa il 3 per mille.

Generalmente gli scienziati adottano un livello di almeno 5 sigma, quando si considerano scoperte di grande impatto scientifico, quindi 3 sigma può lasciare qualche margine di dubbio. Un confronto leggermente diverso, che considera le tre camere di XMM-Newton in modo indipendente, fornisce una stima più ottimistica, a un livello di 11,5 e di 4 sigma rispettivamente per EPIC PN, MOS2 e MOS1.

Anche se a un livello di 3 sigma, si tratta comunque di un risultato rilevante, e per questo motivo i ricercatori hanno fatto del loro meglio per considerare altri possibili fenomeni capaci di fornire un segnale simile a quello osservato. Fra questi possibili effetti alternativi, ci sono emissioni residue dove all’emissione di fondo galattica oppure all’emissione di raggi X dovuta alla Terra stessa, due tipi di emissione che potrebbero non essere state correttamente eliminate.

Gli autori tuttavia elencano in una tabella questi possibili effetti e citano precedenti lavori scientifici che discutano i temi. È senza dubbio importante sottolineare l’estrema cautela utilizzata dagli autori dell’articolo. Non ci sono annunci sensazionalistici circa la scoperta della materia oscura, e certamente a Leicester non ci sono stati brindisi per un futuro Premio Nobel.

Al contrario, gli autori hanno mantenuto un grande equilibrio. “Abbiamo trovato questo risultato strano che non possiamo spiegare con alcun metodo convenzionale, e questa teoria degli assioni lo spiega. Ma è solo un’ipotesi”, ricorda il coautore Andy Read dell’Università di Leicester.

L’uscita dell’articolo ha infatti suscitato interesse nella comunità scientifica, e altri ricercatori hanno commentato il risultato, sottolineando l’onestà intellettuale degli autori. Ad esempio Peter Coles, astronomi dell’Università del Sussex, nel Regno Unito, sottolinea nel suo blog, “In the Dark”, che si tratta di un’evidenza che è sicuramente interessante ma che non lo convince del tutto.

“Se mi chiedete dove scommettere i miei soldi, temo che probabilmente sceglierei la fisica del plasma locale, piuttosto che qualcos’altro di più fondamentale”, commenta Coles.

Anche Garcia Irastorza, del CERN Axion Solar Telescope (CAST), ammette che si tratta di un risultato molto interessante. Tuttavia sottolinea che il tipo di assioni responsabile di questo segnale è in contraddizione con le altre osservazioni astrofisiche. Cosa possiamo dire di questi misteriosi assioni? Un risultato così importante necessita di un controllo più accurato e verifica indipendente da parte di altri gruppi di ricerca con metodi diversi.

Per certi versi, come ricorda lo stesso Coles nel suo blog, questa situazione può ricordare l’annuncio delle onde gravitazionali primordiali osservate da BICEP 2 nel marzo scorso (2015) un risultato che nei mesi successivi è stato “sgonfiato” sempre di più. In questo caso è importante sottolineare che gli autori hanno utilizzato un approccio molto diverso.

In primo luogo, hanno presentato il risultato di un lavoro dopo essere stato analizzato dal consueto processo di peer review mentre il risultato di BICEP 2 è stato annunciato in conferenza stampa quando il lavoro era ancora in fase di revisione. Inoltre Fraser e colleghi non indugiarono troppo sull’interpretazione dei loro risultati, ma sottopongono alla comunità scientifica un risultato che merita di essere approfondito. Non vogliamo dare alcun giudizio nel confronto fra i due casi, ma è senza dubbio interessante sottolineare come gli scienziati si comportano di fronte ad una potenziale scoperta.

Come avviene in questi casi, la risposta la sapremo solamente dopo ulteriori verifiche e risultati da esperimenti indipendenti. Ma se fosse tutto vero, dovremo aver dato una prima occhiata al lato più oscuro del nostro Universo.

Ispirato a "Le Stelle"


MATERIA OSCURA

Probabile interazione con sé stessa

Le osservazioni di 4 galassie in collisione nell’ammasso A3827, effettuate con lo strumento MUSE montato sul VLT (Very Large Telescope) dell’ESO e con il telescopio spaziale Hubble (HST) della NASA/ESA, potrebbero aver raccolto i primi interessanti indizi sulla natura e sull’interazione della materia oscura, una delle più misteriose componenti dell’universo.

L’équipe che ha condotto la ricerca ha potuto tracciare l’ubicazione della massa all’interno del sistema e confrontare la distribuzione della materia oscura con la posizione delle galassie luminose. Anche se la materia oscura non si vede, si è potuto dedurre la posizione usando una tecnica chiamata lente gravitazionale. La collisione è avvenuta per caso, proprio davanti a una sorgente molto più distante e non correlata.

La massa della materia oscura intorno alle galassie e la collisione ha distorto lo spazio-tempo, deviando il percorso dei raggi di luce provenienti dalla lontana galassia di sfondo e distorcendone l’immagine nella caratteristica forma arcuata. La teoria corretta è che tutte le galassie si formino all’interno di grumi di materia oscura. Senza l’effetto vincolante della gravità dovuta alla materia oscura, galassie come la Via Lattea andrebbero a pezzi nella rotazione.

Per evitarlo, il 27% circa della massa dell’universo deve esistere sotto forma di materia oscura, eppure la sua vera natura rimane ancora misteriosa. In questo studio, i ricercatori hanno osservato le quattro galassie interagenti e hanno trovato che un grumo di materia oscura era apparentemente rimasto indietro rispetto alla galassia che circonda.

La materia oscura è ora a circa cinquemila anni luce indietro rispetto alla galassia (per curiosità, la sonda Voyager della NASA impiecherebbe 90 milioni di anni a coprire quella distanza!) un ritardo tra la materia oscura e la galassia ad essa associata è previsto durante la collisione che la materia oscura interagisce con sé stessa, anche se debolmente, grazie a forze diverse della gravità. La materia oscura non è mai stata osservata prima d’ora interagire in modo non gravitazionale.

Il team-leader Richard Massey dell’università di Durham spiega: “eravamo abituati a pensare che la materia oscura stesse tranquilla, badando solo a sé stessa, fatta eccezione per l’attrazione gravitazionale. Ma se la materia oscura venisse rallentata durante la collisione, potrebbe essere la prima evidenza di una diversa fisica nella zona oscura, l’universo nascosto intorno”.

I ricercatori fanno notare che serviranno ulteriori indagini su altri effetti che possano produrre un ritardo. Dovranno essere eseguite osservazioni simili su altre galassie e simulazioni numeriche dello scontro tra galassie. Liliya Williams dell’Università di Minnesota, altro membro del team, aggiunge: “sappiamo che la materia oscura esiste a causa della sua interazione gravitazionale, che aiuta a dare una forma all’universo, ma sappiamo poco, in modo addirittura imbarazzante, su cosa essa sia in realtà.

Le stesse osservazioni suggeriscono che la materia oscura interagisce con forze diverse dalla gravità, dimostrando che possiamo scartare alcune delle teorie fondamentali sulla composizione della materia oscura”. Questo risultato discende da un altro recente studio di questa équipe, che ha osservato 72 scontri tra ammassi di galassie e trovato che la materia oscura interagisce molto poco con sé stessa.

Il nuovo lavoro riguarda il moto delle singole galassie, invece che quello degli ammassi di galassie. I ricercatori sostengono che lo scontro tra queste galassie potrebbe essere durato più a lungo che la collisione osservata nello studio precedente, permettendo così agli effetti di una forza di attrito anche minima, di crescere nel tempo e produrre un ritardo misurabile. Presi insieme, questi risultati restringono per la prima volta i possibili comportamenti della materia oscura confinando i limiti delle sue possibilità di interazione.

Massey ha aggiunto “stiamo finalmente costringendo la materia oscura all’angolo, spingendo la nostra conoscenza da due direzioni diverse”.


L'ANTIMATERIA

Questa gemella malvagia

Quando l’universo comincia a prendere forma, secondo gli scienziati non è formato soltanto dalla normale materia che compone tutto ciò che ci circonda. Si ritiene infatti che all’inizio sia formato da un’identica quantità di antimateria, la gemella malvagia della materia. Se potessimo osservare l’universo primordiale scopriremmo che esso era composto da materia e antimateria; in effetti per ogni particella esiste un’anti particella.

Può sembrare pazzesco, roba da fantascienza, proprio così. Ma che cosa è questa misteriosa antimateria e che fine ha fatto? L’antimateria è proprio come la materia, la differenza è che le cariche associate sono completamente differenti. L’antimateria è composta da antiparticelle; hanno massa identica, ma le cariche elettriche sono di segno opposto.

Il protone è dotato di carica positiva. Questo è il nucleo dell’atomo, ma l’antiprotone sarebbe un protone avente esattamente la stessa massa, ma carica negativa. Nel nostro universo gli opposti si attraggono, lo stesso vale per particelle e antiparticelle; si potrebbe pensare a una relazione ideale; in realtà ogni volta che la materia entra in contatto con l’antimateria il risultato è lo stesso, si annichiliscono a vicenda.

Immaginate due navi spaziali che viaggiano in rotta di collisione; una è composta da normale materia, l’altra è un veicolo di antimateria costruito da una civiltà aliena; l’impatto sarebbe spettacolare e chi dovesse indagare sull’incidente non avrebbe nessun rottame da esaminare.

Materia e antimateria svaniscono, ma l’energia non scompare, riemerge sottoforma di due raggi gamma, i fotoni e la quantità di energia immagazzinata in una piccola massa è davvero stupefacente. Se combinassimo insieme materia e antimateria otterremmo qualcosa di esplosivo. In effetti questa collisione rappresenta una delle più grandi fonti di energia dell’universo, perciò se fossi in voi e ci terrei alla mia salute eviterei di infilarmi in tasca dell’antimateria.

Pur essendo molto instabile il rapporto materia e antimateria offre un potenziale energetico enorme se potessimo imbrigliarlo. Per darvi un’idea di quanta energia è imprigionata nella materia, immaginate per esempio che questi due mucchietti di sabbia che ho nelle mani siano effettivamente materia e antimateria e uniamole: si annichiliscono sprigionando energia, ma quanto?

Abbastanza per alimentare tutta l’Italia insulare per una settimana. Il più grande mistero che ci circonda è questo: se nell’universo primordiale ci fossero quantità identiche di materia e antimateria, dov’è finita oggi tutta l’antimateria? Cosa accade a questa gemella malvagia? Questo è uno dei grandi misteri dell’universo. Ovunque volgiamo lo sguardo nei cieli vediamo materia ordinaria, non antimateria.

Ce n’è solo una piccola quantità che emerge nel centro della Via Lattea. La ragione per cui l’universo appare composto esclusivamente di materia non si incontra molta quantità di antimateria, resta un mistero. Non credo che riusciremo mai a scoprirlo, ma la mente continuamente indaga questo aspetto.

È possibile che forse agli albori, la percentuale di materia sia leggermente superiore all’antimateria; e dopo che particelle e antiparticelle collidono annichilendosi, non rimane che quella piccolissima quantità di particelle di materia. Le ultime sopravvissute al più antico campo di battaglia dell’universo.

Per ogni miliardo di antiprotoni c’è bisogno di un miliardo e un protone. Svaniti quei miliardi non rimane che quel solo protone in eccesso. E noi siamo solo tutto quello che è rimasto. Siamo i residui e detriti di tutto ciò che è rimasto di quella titanica esplosione di energia provocata da quella materia e antimateria createsi all’inizio del tempo.

Le nostre teorie più avanzate non sono in grado di spiegare questa simmetria tra materia e antimateria, ma grazie al cielo esiste, altrimenti non saremmo qui. Dunque la materia prevale andando a formare tutto ciò che ci circonda. Ma è possibile che possono esistere remote galassie, regioni dello spazio in cui l’antimateria regna sovrana. È possibile che intere galassie siano costituite dal 99,9 per cento di antimateria, come questa lo è di materia. E se una galassia di antimateria si scontrasse con una di materia, entrambe sparirebbero in un meraviglioso lampo di luce e di energia. Gli scienziati hanno imparato come produrre piccole quantità di antimateria in acceleratori da laboratorio da usare in campo medico. Le particelle di antimateria ottenute da materiale attivo in decadimento vengono iniettate nel corpo per ottenere scansioni PET nel cervello.

Molti non lo sanno, ma quando vanno in ospedale per farsi una scansione PET nel corpo gli viene iniettata dell’antimateria, la P di PET sta per positrone e i positroni sono antielettroni. E quando si scansiona una parte del corpo per esaminarla, il positrone emesso diventa un elettrone, le due particelle si annichiliscono e vengono rilevati i conseguenti raggi gamma.

Si concentra nelle parti dove c’è attività cerebrale, quindi possiamo rilevare dove c’è attività del positrone; queste scansioni ci permettono di ottenere splendide fotografie del cervello in attività e sono rese possibili dall’antimateria. L’antimateria ha contribuito a svelarci i segreti del cervello umano, ma il cervello umano deve scoprire tutti i segreti dell’antimateria.

Non sappiamo perché l’universo è fatto di materia ma siamo sulla strada giusta per rispondere a questa domanda, un po’ per volta a piccoli passi. Come in molti misteri di questo universo in costante mutamento, forse per ora la verità sull’antimateria resterà nel regno dell’inesplicabile.


HAWKING LA TEORIA DEL TUTTO

Omaggio amichevole a stephen hawking

Hello! Mi chiamo Stephen Hawking, astronomo, fisico, cosmologo ed anche sognatore, nella mia mente sono libero, libero di viaggiare nell’Universo e di raccontarne la storia. La storia dell’universo, la storia del TUTTO. Dall’istante in cui ebbe principio il cosmo, alla creazione del nostro Pianeta, tutto quello che si trova in esso, in un lontanissimo futuro ai confini dell’universo stesso, un viaggio attraverso i confini dello spazio e del tempo. State a vedere. Si possono fare infinite riflessioni su di esso senza mai annoiarsi, dopo tutto è un luogo straordinario. Questo è il cosmo.

Questa rappresentazione dell’universo è stata realizzata da super computer, la trovo incredibilmente suggestiva: miliardi di galassie formano una vasta rete che si espande in tutte le direzioni; fra le tante galassie di questo universo, ce n’è una in particolare a forma di spirale perfetta, al suo interno si trova un astro luminoso, una stella come tante altre, attorno ad essa orbitano 8 pianeti, uno di questi è popolato da una specie intelligente, che solo da poco ha incominciato a comprendere i misteri dell’universo: “la specie umana”. Abbiamo fatto più scoperte sul Cosmo nell’ultimo secolo che in tutta la storia precedente, soltanto ora abbiamo scoperto molti misteri che hanno affascinato l’Umanità per migliaia di anni.

Queste scoperte hanno rivelato una realtà sorprendente e meravigliosa. Oggi sappiamo che la Terra e tutto quanto ci circonda è nato dalle stelle, giganteschi ammassi che bruciano idrogeno come il nostro Sole, hanno svelato ogni cosa sino all’ultimo atomo.

L’universo è incredibilmente vecchio, si pensa che abbia circa 14 miliardi di anni e che continuerà ad esistere per altri 28. Ci sconcerta pensare che l’intero universo, tute le galassie, il tempo, lo spazio e le stesse forze della Natura si siano materializzate dal nulla.

La specie umana, per sua natura ha una grossa opportunità; forse siamo scimmie evolute su un piccolo pianeta, ma siamo comunque capaci di interagire sull’universo e questo ci rende speciali; l’obiettivo che ho da tempo è semplice, dire “come funziona l’universo e perché esiste”; fortunatamente ci sono indizi ovunque; il più importante sta sopra di noi, molti piccoli punti luminosi che osserviamo nella volta celeste sono piccole porzioni di un’immensa vela di galassie, una piccola parte di quello che possiamo vedere nel cosmo dal nostro pianeta, ma sono una traccia sufficiente verso la chiave per capire il passato, il presente, e forse anche il nostro futuro.

Viste dalla Terra queste galassie lontane appaiono di un leggero colore rosso, quasi come se le guardassi attraverso lenti colorate; proprio questo particolare rivela come spiegare ciò. Consideriamo una strada diritta e un’automobile molto rumorosa: ascoltate il rombo del motore. Quando la macchina si avvicina il rumore diventa sempre più forte, quando si allontana diminuisce, questo fenomeno chiamato effetto Doppler, vale anche per la luce se i nostri occhi fossero più sensibili ai colori potremmo vedere che l’auto assume una colorazione blu mentre si avvicina e rossa quando si allontana.

Le stesse regole si applicano nello spazio, tutte le galassie lontane appaiono leggermente rosse; in base all’effetto doppler tutte le galassie indicano che si stanno allontanando, in tutte le direzioni, come un palloncino che si gonfia.

Riuscire a comprendere ciò è stato per i cosmologi oggi, come vincere alla lotteria. A questo punto per comprendere l’origine dell’universo basta bloccare il tempo e farlo andare all’indietro; riportando il tempo all’indietro scopriamo che le galassie, le stelle e i corpi celesti erano più vicini gli uni agli altri, più si va indietro e più appaiono vicini, finché ogni cosa converge in un unico punto all’inizio di tutto, all’incirca 13 miliardi e 700 mila anni fa.

È abbastanza semplice in verità, seguendo questo percorso al contrario, possiamo dedurre che molto tempo fa un’esplosione diede origine all’universo, un evento chiamato Big Bang.

Ma fermiamoci un momento: il Big Bang avvenne nel buio più completo, perché la luce non esisteva ancora: per vederla avremmo dovuto avere speciali occhiali a raggi infrarossi, e per la visione notturna, ma anche così non avremmo potuto guardarlo dall’esterno, per quanto possa sembrare strano, prima del Big Bang non esisteva nemmeno lo spazio e quindi un esterno; esisteva solo un “dentro”.

Quel primo nucleo dell’universo era qualcosa fuori dal comune, dobbiamo ancora capire molte cose su di esso, di sicuro non rispondeva ai concetti di tempo e spazio. Inizialmente l’universo era una minuscola parte di energia, poi si espanse con una tremenda esplosione di radiazioni, in una infinitesimale frazione di secondo passò dalla dimensione di un atomo a quello di un’arancia. L’universo così incominciò ad esistere, espandendosi, aprendosi e dispiegandosi, e sempre più grande iniziò a dispiegarsi, in soli cento secondi divenne grande quanto il nostro sistema solare con un’estensione di miliardi di chilometri.

Durante questo processo la massa di energia incominciò a raffreddarsi e a creare materia sotto forma di miliardi di particelle subatomiche, i primi nuclei dell’esistenza stessa, circa metà di queste particelle era fatta di materia, la stessa sostanza di cui siamo fatti noi e tutto. L’altra metà da una sostanza opposta chiamata antimateria. Quando la materia e l’antimateria si incontrano si distruggono a vicenda.

La nascita dell’universo ha quindi comportato un grosso dispendio di materia ed energia. Fortunatamente la quantità di materia era leggermente maggiore rispetto a quella dell’antimateria, così la materia sopravvisse, solo una particella su un miliardo e fu proprio questo residuo a dare origine all’universo che conosciamo oggi. Si potrebbe dire che noi siamo fatti di polvere generata dal Big Bang.

Già nei primi dieci minuti di vita il Cosmo aveva un diametro di anni luce, poi continuò ad espandersi e raffreddarsi, per circa 330 mila anni, infine si diradarono le nebbie e apparve la luce dell’universo. Questa è la spiegazione dell’origine dell’universo, una teoria più affascinante di quella formulata dai nostri antenati, ma l’evoluzione successiva dell’universo è stata altrettanto spettacolare. Ecco l’evoluzione dell’universo vista a velocità estremamente accelerata, 14 miliardi di anni in meno di un minuto, si passò da una nuvola di gas a centinaia di miliardi di galassie che si muovono alla rinfusa, come in una danza caotica.

L’intero universo si è formato atomo dopo atomo come una enorme opera di ingegneria cosmica; questo processo è stato possibile grazie ad una forza straordinaria, la “forza di gravità”. La teoria della gravità è stata elaborata da Isaac Newton che come me ha occupato la cattedra lucasiana di matematica, qui all’università di Cambridge nel XVII secolo; si suppone che ebbe l’intuizione sulla gravità, quando una mela gli cadde in testa.

La mela lo aiutò a comprendere che tutti gli oggetti si attraggono l’uno con l’altro; maggiore è la massa, più forte è l’attrazione; le mele sono attratte verso la terra e anche se non riusciamo a percepirla, la Terra si muove leggermente in su verso la mela.

Tutte le cose sono legate dalla forza di gravità. La forza di gravità ha incominciato a operare sin dal Big Bang e non ha mai smesso di fare il suo lavoro; essa mantiene voi, me e le mele incollate a terra. Nell’universo primordiale la gravità ha avuto un ruolo molto più importante. Appena dopo il Big Bang l’universo era una nuvola di gas diffusa perfettamente nello spazio, nei successivi 200 milioni di anni la gravità cominciò ad riaddensare il gas, si formarono così le primissime strutture dalle quali si sviluppò ogni altra cosa, ma tutto ciò rischiò di non avvenire, se non fosse stato per un altro colpo di fortuna non ci sarebbero le stelle, i pianeti, la Terra, noi, insomma non ci sarebbe niente di quello che ci circonda.

È possibile fare questa affermazione grazie ai risultati di un esperimento del 1982 da un gruppo di scienziati di cui facevo parte anch’io. I calcoli furono complicati, ma la dimostrazione è semplice; per prima cosa consideriamo una superficie piana come questo pavimento; questa è la sala da pranzo della mia università, la riempirò con tantissime biglie; queste sfere rappresentano la materia dell’universo alle origini con gas distribuito in maniera uniforme nel cosmo; e ora entra in gioco la fortuna. Se le biglie sono tutte alla stessa distanza, la gravità le attira con la stessa forza in tutte le direzione, restano perfettamente allineate, non accade nulla.

Fortunatamente una delle regole “essenziali dell’universo è che niente è perfetto”, la perfezione semplicemente non esiste.

Nell’universo primordiale c’era una minuscola imperfezione che ora simuliamo muovendo cinque sfere; questo piccolo cambiamento in realtà ha una grande influenza; senza quelle sfere infatti gli effetti della gravità sono diversi. Adesso quelle sfere subiscono un’attrazione maggiore. Grazie all’impercettibile irregolarità, la gravità rimescola le carte. Questo è proprio quello che accade al giovane universo.

Alcune zone di quel mare di gas erano leggermente meno dense di altre, quelle aree corrispondono agli spazi creati togliendo le sfere;leparti più dense ove la gravità esercitava una maggiore attrazione cominciarono ad ammassarsi; in quelle aree si svilupparono tutte le stelle e le galassie, l’universo fece così un altro passo per diventare quel magnifico posto che conosciamo oggi. Dobbiamo quindi la nostra esistenza all’irregolarità, all’imperfezione, alla mancanza di ordine.

La prossima volta che qualcuno vi critica perché non avete seguito le regole, nei minimi dettagli, ditegli che ciò potrebbe rivelarsi una cosa buona. Tredici miliardi e 500 milioni di anni fa l’universo era un ammasso di gas composto prevalentemente da idrogeno, grazie alla forza di gravità esso si compattò in grosse nubi, nonostante l’idrogeno sia il più semplice dei gas, e un’incredibile forza di energia, la luce ed il calore dell’universo che fa splendere le stelle che si permette proprio dall’idrogeno che ha raggiunto una temperatura di sei milioni di gradi.

Per avere un’idea delle sue proprietà, immaginiamo di creare una piccola stella sulla Terra; per prima cosa abbiamo bisogno di tantissimo idrogeno, più o meno la quantità che potrebbe essere contenuta in uno stadio. Quando l’idrogeno si compatta i suoi atomi incominciano a rimbalzare uno sull’altro e la temperatura si alza; dopo che è stato compresso sino alle dimensioni di un pallone di calcio, l’idrogeno raggiunge una temperatura critica di 6 milioni di gradi centigradi; ha inizio il processo chiamato fusione nucleare; l’idrogeno comincia a fondersi creando un nuovo elemento più pesante, l’elio, man mano che procede la fusione, una parte di materia si trasforma in energia pura.

Abbiamo creato una stella in miniatura. Se fosse un vero esperimento non potremmo di certo avvicinarci; persino una stella così piccola sprigionerebbe un’energia devastante.

Nell’universo primordiale questo processo è avvenuto con proporzioni molto più vaste; gigantesche, la gravità ha compresso le nuvole di idrogeno per milioni di anni, finché nella parte centrale divenne abbastanza caldo per la fusione.

Nacque così la prima stella. Essa rilascia la sua energia nel vasto universo frutto della materia rilasciata dal Big Bang; questa prima stella era mille volte più grande del nostro Sole e bruciando emanava un blu più intenso, ben presto ebbe compagnia; ad uno ad uno si accesero altri astri. La fusione nucleare avviene continuamente nel nucleo del nostro Sole e produce l’energia che ci serve per vivere.

Dopo la prima stella ha dovuto però affrontare un lungo cammino per arrivare al momento in cui è oggi; non si può costruire un mondo così come è oggi, solo con semplici gas come l’idrogeno e l’elio; sono necessari molti altri elementi come ad esempio l’ossigeno, il carbonio e il ferro, e ancora una volta è intervenuta la fortuna, la fusione nucleare oltre a fare splendere le stelle, porta proprio la creazione di quegli elementi.

Le stelle sono come gigantesche fabbriche… per vederne una all’opera dovremmo aprirne una a metà. All’interno di essa gli atomi di idrogeno si fondono; si crea così l’elio e si produce energia; l’elio è leggermente più pesante dell’idrogeno e tende ad ammassarsi al centro della stella; gli atomi di elio svolgono un ruolo fondamentale.

Fondendosi producono una gran quantità di energia e formano un nuovo elemento, il carbonio, un mattone essenziale per qualsiasi essere vivente. Nella stella il processo si ripete migliaia di volte e si creano diversi strati come una cipolla, una cipolla davvero enorme.

Più si avvicina al centro, più compaiono elementi pesanti come in neon, l’ossigeno e per ultimo il ferro. A questo punto il processo cambia, il ferro non produce energia quando fonde, ma l’assorbe, mano a mano che il ferro aumenta si esaurisce tutto il combustibile della stella. La gravità ha il sopravvento, comprimendo la stella su sé stessa, man mano che il nucleo si comprime la temperatura sale, fino a risultare cento volte superiore a quella del nucleo del nostro Sole; alla fine la stella collassa ed esplode.

Questa esplosione è una supernova: la morte di una stella è la nascita di qualcosa di diverso; nell’arco di pochi secondi una gigantesca onda d’urto attraversa la stella, l’esplosione è così potente che induce parte del ferro in atomi ancora più pesanti, che formano così elementi come l’oro, il platino e il piombo forgiato nel cuore di una stella che esplode.

Quindi se possedete un anello d’oro potete apprezzarlo ancora di più; il prezioso metallo è stato creato miliardi di anni fa, in un accecante lampo di luce, tutti gli elementi pesanti che compongono la materia intorno a noi derivano dalle supernove. È stupefacente: i nostro corpi sono fatti dalla stessa sostanza delle stelle, i nostri cuori battono grazie all’energia prodotta quando le sostanze furono generate, ma la straordinarietà dell’universo ci riserva ancora grandi sorprese. Ci sono ancora cose più affascinanti ed energetiche.

Circa 300 milioni di anni dopo il Big Bang le prime stelle cominciarono a formare le galassie, che lentamente incominciarono a formare un’infinità di dimensioni e forme. Si pensa che la nostra galassia, la Via Lattea sia una delle più antiche, perché ha incominciato a formarsi circa 13 miliardi di anni fa: la Via Lattea ha un diametro di 100 mila anni luce e contiene qualcosa come 200 miliardi di stelle, nessuno è sicuro di quante siano esattamente dato che non tutte sono visibili dalla Terra e comunque ci vorrebbe moltissimo tempo per contarle.

Tutte queste stelle non sarebbero nate senza la gravità, si potrebbe quindi affermare che essa è un EROE dell’universo, che ha trasformato un’insignificante zuppa di gas in qualcosa di straordinario e potentissimo; ma come tutti i super eroi la gravità ha il suo lato oscuro. Al centro della nostra galassia si trova qualcosa che succede quando la gravità ha il sopravvento: un BUCO NERO. Tra i 20 e 30 anni ho condotto studi sulla matematica dei buchi neri; all’epoca poche persone condividevano la mia passione; oggi i buchi neri sono un argomento molto popolare.

I fisici di tutto il mondo stanno studiando il loro comportamento. Questi corpi celesti sono molto affascinanti, hanno un ruolo fondamentale nella formazione delle galassie, ci offrono anche un’idea di come l’universo potrebbe finire. Un buco nero si forma quando una stella con una massa 20 volte maggiore di quella del Sole, muore.

Una stella del genere però è ben diversa dal Sole, è un corpo assai instabile: sta per morire ed è scossa da violenti spasmi, diventando sempre più densa e calda; non esiste nessuna forza nell’Universo capace di fermare il collasso di una stella con questa massa; il nucleo è così pesante che può crollare solo su sé stesso, la gravità agisce ad altissima velocità. In una manciata di secondi questa inarrestabile forza tritura la stella; il suo diametro passa da milioni di chilometri ad appena una ventina.

La massa rimane inalterata ma la stella continua a collassare sotto il suo stesso peso, la temperatura del nucleo raggiunge miliardi di gradi centigradi. Gli strati esterni della stella vengono spazzati via in una gigantesca esplosione, ma la parte centrale, il NUCLEO collassa in quello che viene chiamato “pozzo gravitazionale”; viene compresso in un singolo punto; nasce così un buco nero, niente nelle sue vicinanze può sfuggire alla sua attrazione, nemmeno la luce.

È difficile spiegare quanto possa essere denso un buco nero, ma ci proverò con qualcosa a noi molto familiare: la Terra. Immaginate di comprimere il nostro pianeta e schiacciarlo sino a quando la gravità prende il sopravvento e diventi un BUCO NERO; quanto piccola dovrebbe essere la Terra e svanire nello stesso pozzo gravitazionale. Da 12 mila e 800 chilometri di diametro dovrei comprimerla fino alla grandezza di un pisello.

Durante i miei sudi una delle scoperte è che un buco nero non può essere perfettamente nero per la stessa ragione per cui all’origine dell’universo c’è una piccola imperfezione, i buchi neri segnalano la loro presenza con le radiazioni; più piccolo è il buco nero, maggiore sarà la radiazione emessa.

Anche un buco nero con la massa di un asteroide risplende, ma la maggior parte dei buchi neri è molto più grande, i più piccoli hanno una massa quattro volte più grande di quella del Sole e un diametro di 24 chilometri; alcuni sono molto più grandi, hanno una massa pari a migliaia di Soli, poi ci sono quelli davvero enormi, i buchi neri super massicci situati al centro di galassie come la nostra.

Si pensa che il buco nero situato al centro della Via Lattea abbia una massa di 4 milioni di Soli e un diametro di circa 18 milioni di chilometri. Come i buchi neri super massicci situati al centro di galassie come la nostra. Si pensa che il buco nero situato al centro della Via Lattea abbia una massa di milioni di Soli e un diametro di circa 18 milioni di chilometri.

I buchi neri super massicci sono poli intorno ai quali ruotano l’esterno delle galassie come quelle della Via Lattea, sono una sotto forma di stabilizzatori che danno alle galassie aspetto e forma. Ecco spiegato come miliardi di anni luce dopo il big bang, grazie a una buona dose di fortuna e grazie alla quale hanno iniziato a ruotare attorno a giganteschi buchi neri e in seguito è avvenuta da vicino : la nascita del Sole, della Terra e del genere umano. Il sistema solaresi trova a circa 26 mila anni luce dal centro della Via Lattea e a 13 mila anni luce dai suoi confini; la sua storia ormai dura da 5milioni di anni. Cercherò di descriverla in sintesi, non ho tutto quel tempo. Tutto ebbe inizio con l’esplosione di una stella, essa,essa lasciò nello spazio immense nubi di elementi di cui era composta e di metalli createsi alla fine della sua vita.

Anche oggi possiamo osservare nello spazio simili ammassi di materia; si chiamano nebulose e sono affascinanti.

Ogni nebulosa ha una composizione diversa; nel nostro caso quella che originò la Terra conteneva azoto, ossigeno, ferro e tutte le altre sostanze necessaire per costruire il nostro mondo, l’instancabile forza di gravità che diede avvio a quella complicata opera di ingegneria che generò i pianeti, si formarono così enormi spirali di polvere, al centro di una di queste iniziò a prendere forma un pianeta roccioso, era costituito da polveri di stelle tenute insieme dalla forza di gravità.

In cento milioni di anni il pianeta divenne una palla gigantesca, attirando miliardi di tonnellate di detriti celesti: ecco come si è formata la Terra, ecco da dove veniamo. Tuttavia il nostro pianeta sarebbe rimasto una sterile palla di roccia, minerali e metalli, se la natura non avesse dimostrato la sua enorme forza. A 150 milioni di chilometri di distanza, al centro di una gigantesca nebulosa, la massa di idrogeno raggiunge una pressione e temperature, e una massa così alte che gli atomi di idrogeno iniziarono a fondersi; nacque così una nuova stella, il Sole.

Non appena il Sole iniziò a bruciare, rilasciò una immensa quantità di energia sottoforma di particelle cariche, il “vento solare”, esso spinse ai confini del sistema solare gran parte della polvere e dei gas in eccesso appartenenti alla nebulosa. Ecco da dove viene la struttura del nostro sistema solare. Nelle sue zone periferiche troviamo i pianeti gassosi, Giove, Saturno, Urano e Nettuno.

Vicino al Sole ci sono i pianeti più densi e rocciosi, Mercurio, Venere, Marte e la Terra.

Il Sole con un diametro di quasi un milione e 400 mila chilometri ha una riserva di idrogeno tali da poter bruciare idrogeno per un lungo periodo di tempo, circa 8 miliardi di anni, abbastanza per permettere la nascita della vita e il suo sviluppo.

La nascita della vita è uno dei fenomeni più stupefacenti avvenuti nell’universo e dimostra che nel nostro Cosmo può accadere di tutto, eppure mi stupisce che sappiamo tanto sulla nascita dell’Universo, mentre dobbiamo ancora scoprire le origini della vita. La spiegazione più verosimile è che probabilmente noi siamo dovuti al caso. Per una fortunata coincidenza, alcune molecole sbatterono una contro l’altra, fino a quando si formò un insieme che poteva replicare sé stesso.

Lentamente cominciò un processo evolutivo che portò alle straordinarie forme di vita presenti sulla Terra. La vita dunque sembra figlia del caso, in determinate condizioni e un determinato spazio temporale; penso che la vita sia abbastanza comune nell’universo, ma questa è tutta un’altra storia. Sviluppandosi la vita ha cambiato il Pianeta in cui si è manifestata, cambiando la struttura stessa della Terra.

Dopo 4 miliardi e mezzo di anni, la razza umana ha fatto la sua comparsa. Molti faticano a credere a questa spiegazione, come essere frutti del caso la straordinaria serie di eventi che ha portato la comparsa dell’uomo. Forse un’autorità superiore che ha stabilito le leggi della Natura, in modo che noi possiamo coesistere.

Sembra davvero improbabile che la vita sia solo una coincidenza. Pensateci bene: la Terra si trova alla giusta distanza dal Sole per permettere l’esistenza de acqua allo stato liquido, sulla sua superficie. Il Sole ha dimensioni tali da poter bruciare per miliardi di anni, permettendo alla vita di evolversi. Nel sistema solare si trovano tutti gli elementi necessari per la nascita della vita. Questi elementi sono stati generati da esplosioni di stelle antichissime.

Queste stelle si sono formate a causa di minuscole imperfezioni nella nube di gas primordiale; a sua volta il gas è stato generato da quel miliardesimo di particelle di materia sopravvissute dopo il Big Bang. È stata dunque una mano superiore a mettere in fila tutti questi eventi? Secondo me, non necessariamente. Proviamo a immaginare che esistono altri universi e che non siano come il nostro. Ognuno di essi potrebbe essere nato da un Big Bang e avere leggi fisiche diverse dalle nostre e presentare condizioni fisiche differenti. La gravità potrebbe non esistere e potrebbe non esserci la vita.

In altri universi magari potrebbe non esserci verificata la fusione dell’idrogeno, in quel caso non ci sarebbero né stelle, né forme di vita. Per mille ragioni universi diversi potrebbero essere comparsi e poi spariti, senza aver generato alcunché, forse quindi non dovrebbe sorprenderci il fatto di trovarci su un pianeta perfetto in orbita a un sole perfetto, questi sono gli unici luoghi dove può esistere la vita come noi la conosciamo.

Ma noi siamo solo uno dei tanti prodotti dell’Universo dotato di un antico e raffinato processo. Questa è soltanto una delle importanti scoperte che possiamo fare grazie alla fisica, essa infatti può anche aiutarci a scoprire cosa dovrà affrontare l’umanità in un futuro lontano. Potremmo addirittura prevedere il destino dell’universo. Trovo che la cosmologia sia affascinante, non solo perché spiega da dove provengono le galassie, ma anche perché può dirci cosa ci riserva il futuro.

È entusiasmante essere tra i primi uomini capaci di guardare in avanti per centinaia di anni e perfino miliardi di anni, forse fino alla fine del tempo, essendo non solo il futuro del cosmo, ma anche la straordinaria sfida che dovrà affrontare, dopotutto siamo solo dei piccoli organismi se paragonati al paziente universo che ci ha creati. La Terra che ci ha dato la vita non sarà sempre il pianeta che conosciamo; i continenti del nostro pianeta sono in movimento, tra 75 milioni di anni saranno raggruppati verso il Polo Sud.

Nessuno sa se la Terra sarà ancora abitabile, la triste realtà è che il genere umano potrebbe non sopravvivere così a lungo per scoprirlo; l’universo che ci circonda è infatti un luogo pieno di pericoli; basta osservare lo spazio vicino a noi, ci sono milioni di asteroidi, antichi resti del sistema che portò alla formazione del sistema solare. L’eventualità che uno di questi asteroidi si scontri e ci spazzi via non esiste solo nella trama dei film, la minaccia è concreta, alcuni hanno anche un nome: questo si chiama APHOFIS, come la divinità egizia, il dio della oscurità e della distruzione.

Scoperto nel 2004 Aphofis ha un diametro di 270 metri mentre pesa circa 20 milioni di tonnellate, viaggia nello spazio a una media di 45 mila chilometri orari; 25 volte più veloce di una pallottola, la sua energia è quasi equivalente a quella di tutto l’arsenale atomico mondiale; non sappiamo esattamente dove è diretto, non conosciamo esattamente la sua traiettoria, è probabile che il 13 aprile del 2029 questa enorme roccia passi a 37 mila chilometri dalla superficie terrestre.

Sarà così vicino alla Terra da restare al di sotto dei satelliti in orbita attorno al nostro pianeta. Fortunatamente le probabilità che Aphofis colpisca la Terra sono molto scarse; il problema però è che nello spazio ci sono moltissimi asteroidi anche più grandi. Là fuori esistono migliaia di asteroidi enormi, alcuni sono più lunghi di 16 chilometri. Statisticamente uno di questi asteroidi colpisce la Terra ogni 100 milioni di anni circa.

L’ultima volta è accaduto 65 milioni di anni fa e probabilmente ha provocato l’estinzione dei dinosauri. Noi sappiamo quando un grosso asteroide potrebbe colpirci, ma se fosse abbastanza grande potrebbe inaridire il nostro pianeta; sarebbe la fine di una storia che dura da 5 miliardi di anni.

L’uomo però potrebbe andare incontro alla distruzione anche senza catastrofi naturali di queste dimensioni. In diecimila anni siamo arrivati a dominare il Pianeta, il nostro successo può indurre qualcuno a pensare che ha raggiunto il suo fine.

Per quanto mi riguarda penso che l’intelligenza sia sopravvalutata, non è essenziale per la sopravvivenza di una specie, i batteri ne sono privi eppure proliferano da oltre 3 miliardi di anni. L’intelligenza nel nostro caso ha portato alla tecnologia, un’arma a doppio taglio che potrebbe portarci all’estinzione. L’esempio più banale sono le armi nucleari; le probabilità che nel prossimo anno scoppi una guerra nucleare sono minime, diciamo una su un milione ma nell’arco di centomila anni le probabilità di una catastrofe nucleare diventano una su dieci.

Personalmente temo che questa previsione sia comunque troppo ottimistica; siamo stati abbastanza intelligenti da costruire armi del genere, ma non sono altrettanto sicuro che saremo altrettanto intelligenti da non usarle. Il tempo scorre senza sosta, anche l’universo è in continuo movimento e potrebbe avere in serbo sorprese per noi. Là fuori nello spazio operano forze molto potenti, alcune di esse potrebbero distruggere la Terra.

L’universo continua a evolversi seguendo un copione ormai consolidato; le stelle nascono e muoiono di continuo; sono centinaia di miliardi e da qualche parte ce n’è una che sta esplodendo sottoforma di supernova. Nella nostra galassia, per esempio, muore una stella ogni cinquant’anni circa, un lasso di tempo brevissimo se consideriamo la storia dell’universo.

Su una scala temporanea più ampia è possibile che una supernova metta a repentaglio la vita sulla Terra. Esiste un tipo di supernova, scoperto per caso, che è ritenuto particolarmente pericoloso. Nel 1967, all’apice della guerra fredda, un satellite militare statunitense registrò una massiccia emissione di raggi gamma. I raggi gamma sono le radiazioni più pericolose che si conoscono; la loro presenza può provocare lo scoppio di un’arma atomica.

Quei raggi gamma creano forse la prova dell’esistenza di una nuova arma sovietica? Fortunatamente la risposta era no. Dopo attenta analisi dei dati gli statunitensi scoprirono che quelle improvvise esplosioni di raggi gamma provenivano dallo spazio, non potevano essere state prodotte dai sovietici, avrebbero dovuto avere bisogno di tecnologie troppo raffinate e potenti.

Ancora oggi non sappiamo con certezza da cosa siano generate queste radiazioni. Secondo una teoria molto accreditata, sarebbero prodotte da un tipo speciale di supernova chiamata Gamma Ray Burst. Una di queste supernove potrebbe essere molto vicina a noi. All’interno di un gigantesco pennacchio di plasma a ottomila anni luce di distanza dalla Terra si trova una stella chiamata WR104. Il nucleo della stella è una sfera brillante, rilascia una gran quantità di gas incandescenti, come se si stesse avvicinando alla sua fine.

Se quella stella è una Gamma Ray Burst, alla sua morte produrrà due fasce di radiazioni, uno per ogni polo. La WR104 si dissolverà emettendo più energia di quella prodotta dal Sole nel corso della sua esistenza. Sarà uno dei fenomeni più luminosi di tutto l’universo. Nessuno sa dire se i raggi di WR104 colpiranno massicciamente la Terra, se dovesse accadere saremmo investiti da radiazioni di elevatissima intensità; le conseguenze sarebbero devastanti.

Le radiazioni produrrebbero spettacolari aurore boreali; distruggerebbero però l’ozono contenuto nell’atmosfera, permettendo alle radiazioni pericolose del sole di raggiungere la Terra. Sembra fantascienza, ma condizioni di questo genere si sono già manifestate in passato. Quattrocento milioni di anni fa oltre la metà delle creature viventi venne cancellata dalla faccia della Terra, nella grande estinzione; secondo una delle possibili spiegazioni una Gamma Ray Burst irradiò il pianeta distruggendo l’ecosistema.

Non voglio spaventare nessuno, ma penso che l’uomo farebbe bene a spingersi nel tempo verso pianeti lontani dalla Terra. Per il futuro sarebbe meglio avere più opzioni disponibili, rifugi lontani da un pianeta che potrebbe essere distrutto. Fortunatamente i viaggi nello spazio sono cominciati da tempo. Ritengo che il lancio dell’Apollo 11 sia stato il momento più importante nella storia dell’umanità. L’Apollo 11 ha rappresentato una svolta per tutto l’universo.

La vita ha lasciato il suo pianeta d’origine e ha messo piede su un altro corpo celeste; le impronte degli astronauti ancora oggi presenti sulla superficie lunare, rappresentano l’inizio di quello che potrebbe essere il prossimo capitolo nella storia del cosmo, il diffondersi della vita in altre parte dell’Universo. L’universo invecchia e noi dovremmo diventare più saggi.

Penso che l’uomo dovrebbe spingersi molto più in là della luna; almeno fino a Marte, probabilmente il Pianeta Rosso giocherà un ruolo molto importante nella nostra evoluzione; e anche nella storia del Cosmo. Marte è la seconda e forse la più importante tappa dell’uomo verso le stelle. Le missioni dei Robot ci hanno fatto conoscere un pianeta spettacolare, ma anche ostile e desolato. Per un’astronauta l’esplorazione di Marte potrebbe essere particolarmente difficile.

Prima di tutto fa freddo. Marte dista dal Sole 80 milioni di chilometri di più della Terra e riceve la metà del calore; l’escursione termica è molto ampia, la temperatura scende dai +20°C a -180°C in poche ore. Se non sarà il freddo a uccidere potrebbe farlo la bassa gravità. Il diametro di Marte è la metà di quello della Terra e la gravità è appena il 38% di quella terrestre. Con il tempo le ossa e i muscoli degli astronauti si indebolirebbero.

Dopo essere stati su Marte per un po’ si sarebbe troppo deboli per tornare sulla Terra. A causa della bassa gravità il pianeta rosso fatica a mantenere un’atmosfera, la sua superficie è coperta da un leggero strato di biossido di carbonio, con una pressione atmosferica pari a un centesimo di quella terrestre. Nonostante sia molto lontano, Marte subisce anche le dannose radiazioni del Sole, diversamente dalla Terra, infatti, non ha un campo magnetico, né uno strato di ozono che lo protegga.

Su Marte gli esploratori dovrebbero stare attenti a non stare troppo all’aperto, potrebbero essere costretti a vivere sotto terra. Comunque penso che un giorno sarà possibile modificare le condizioni del pianeta rosso, magari utilizzando gli specchi spaziali che fornirebbero colore ed energia. Quasi sicuramente la tecnologia futura consentirà di realizzare questo e molto altro ancora.

Si potranno costruire enormi strutture di vetro e plastica per fermare le radiazioni, ricreando un’atmosfera al loro interno.

Fra soli 500 anni Marte potrebbe avere una lingua propria, una moneta e delle specialità culinarie, anche se scommetto che si potrà sempre trovare un hamburger da qualche parte. Nonostante tutto è chiaro che l’inarrestabile invecchiamento dell’universo rimarrà insufficiente a garantire sempre la sopravvivenza del genere umano. Se guardiamo al futuro, prima o poi, il nostro sistema solare incorrerà nello stesso destino di altri sistemi solari che lo hanno preceduto: cesserà di esistere.

Oggi il Sole è a metà del suo ciclo vitale; in questa fase il calore e la luminosità aumenteranno gradualmente di circa il 6% ogni miliardo di anni. Tra circa 5 miliardi di anni la temperatura del Sole arriverà a 200 milioni di gradi centigradi, a quel punto la Terra sarà diventata una palla di roccia fusa, dove la vita avrà cessato di esistere da molto tempo; questo è il destino del nostro Pianeta.

Ma c’è dell’altro, quando esaurirà il combustibile, il Sole comincerà ad espandersi, trasformandosi in quella che viene chiamata una Gigante Rossa. Lo stesso corpo celeste che ha permesso la nascita e lo sviluppo della vita, la annienterà. Tra circa 6 miliardi di anni il Sole sarà circa 200 volte più grande di oggi e sarà largo circa 320 milioni di chilometri; diverrà così grande da distruggere i pianeti vicini, uno dopo l’altro. Mercurio, Venere e molto probabilmente una Terra ormai senza vita.

Mentre l’universo continua a evolversi inseguendo il suo percorso naturale, il genere umano avrà nuove opportunità, ma solo se è capace di conservare la vita generatasi nel Cosmo. Questo è GLISE 581D è un pianeta extrasolare grande e roccioso, tra i pianeti conosciuti e il più simile alla Terra; è possibile che questo mondo o uno simile in futuro diventi la casa del genere umano, un secondo rifugio per sfuggire all’inesorabile oscurità dello Spazio.

Scoperto nel 2007, è sette volte più grande della Terra, orbita intorno a un sole più piccolo e più rosso ed è a una distanza da esso tale da permettere la presenza di acqua sulla sua superficie. Sebbene questo pianeta rappresenti una perfetta alternativa alla Terra, c’è un grosso problema da superare; GLISE è davvero molto lontano. Dista più di 20 anni luce dalla Terra, cioè più di 190 miliardi di chilometri.

Per dare un’idea di questa enorme distanza e della sfida che rappresenta un viaggio verso GLISE, immaginiamo di usare per il trasporto uno dei velivoli più veloci al mondo, il Voyager 1. La sonda spaziale venne lanciata nel 1977, oggi dopo oltre 30 anni ha percorso più di ventimila miliardi di chilometri. Nel suo lungo viaggio ha raggiunto Giove e Saturno.

La piccola astronave ha sfruttato la gravità dei due pianeti per aumentare la sua velocità ed è entrata nel libro dei record. La sonda Voyager sta volando nello spazio a quasi 18 chilometri al secondo; ecco cosa vedreste a 18 km/s sulla Terra. […] Sono circa 63 mila chilometri orari, a questa velocità potremo fare in un’ora la circumnavigazione della Terra, una volta e mezza la circumnavigazione del globo.

Ma quanto impiegherebbe una navicella come il Voyager a raggiungere il Pianeta GLISE? La risposta dà un’idea della scala di grandezze nel Cosmo. Persino viaggiando a quasi 18 mila chilometri al secondo ci vorrebbero 350 mila anni per raggiungere GLISE. Penso che l’uomo abbia la possibilità di sopravvivere ancora a lungo in questo universo in continua trasformazione, scoprendo molte altre meraviglie. Ma dovrà sviluppare nuove tecnologie e ci vorrà un grande sforzo di ingegneria.

Molti Scienziati e Cosmologi credono come me, che sarà fondamentale per il genere umano viaggiare a grandi distanze, costruendo un’astronave in grado di viaggiare verso altri sistemi solari, potremo fornire alla specie umana una nuova opportunità di sopravvivenza per miliardi di anni. Gli ingegneri hanno incominciato ad abbozzare progetti per costruire un’astronave del genere, ecco come potrebbe apparire. […] L’energia atomica, con combustibili completamente nuovi come l’antimateria, potrebbe produrre l’enorme quantità di energia necessaria per viaggi così lunghi.

Comunque credo che il problema principale non sarebbe di tipo tecnico, ma economico. La costruzione di un’astronave stellare avrebbe un costo enorme e che in proporzione avrebbe un ritorno economico esiguo; praticamente non la si rivedrebbe più. La costruzione del modulo spaziale, richiederebbe quindi il più grande atto di generosità della Storia, oppure dovrebbe essere finanziata dagli stessi viaggiatori.

Ma anche i viaggiatori sono un problema, ipotizziamo che la navicella possa andare 5000 volte più veloce del Voyager, a quasi novantamila chilometri al secondo, il viaggio verso GLISE durerebbe 73 anni. Un viaggio così lungo, almeno un’intera generazione di esseri umani dovrebbe passare tutta la sua vita nello Spazio e certamente non è pensabile imbarcare al giorno d’oggi dei neonati. Gli aspetti etici impliciti ad una missione di questo genere andrebbero valutati con attenzione e cautela, a meno di riuscire a prolungare la vita di un uomo abbastanza per fare un viaggio così impegnativo.

Ed è proprio quello che finiremo per fare. E il processo è già cominciato, lo so per esperienza personale. I miei muscoli non funzionano più mentre gli occhi ed il cervello continuano a lavorare abbastanza bene. La tecnologia mi aiuta a muovermi ed a comunicare. In futuro la tecnologia offrirà enormi possibilità a tutti gli esseri umani. Entro i prossimi mille anni le nostre capacità fisiche cambieranno in modo incredibile, grazie all’ingegneria genetica vivremo di più ed avremo maggiori capacità intellettive.

Grazie alla modifica dei geni avremo una pelle più resistente alle radiazioni; respireremo atmosfere oggi velenose e resisteremo di più alle infezioni. Potremo anche sviluppare sofisticate forme di vita artificiale, creando un DNA sintetico, sviluppato apposta per affrontare le sfide dello spazio. Questi progressi ci potranno permettere di sopravvivere a lungo in viaggi e in mondi inospitali. Immagino un domani dove gli uomini possano viaggiare nella nostra galassia e su altri pianeti che orbitano attorno ad altre stelle.

Forse andranno ancora oltre, verso sistemi solari che non abbiamo ancora scoperto, navicelle come queste forse potrebbero essere progettate per dividersi ed andare in direzioni diverse. Con noi incomincerà forse una diaspora della vita. Viaggiando nello spazio interstellare sono sicuro che scopriremo i segreti più reconditi della NATURA. Spero che un giorno scopriremo anche come finirà l’universo, ma soprattutto “spero che si riesca a capire perché esiste”.

Una volta tenni una conferenza in Giappone e mi chiesero di non parlare della fine dell’Universo perché avrebbe potuto incidere negativamente sulla borsa giapponese. Non so se il mondo ora abbia simili problemi, ma se vi riferite ai vostri investimenti, tranquilli, credo che sia presto.

Il nostro Universo ha 13 miliardi e 700 milioni di anni ed è ancora giovane. Noi cosmologi abbiamo calcolato che non finirà prima di 30 miliardi di anni. Possono accadere molte cose interessanti. Molto tempo dopo la scomparsa del Sole nasceranno nuove stelle ed esse avranno dei pianeti fatti degli stessi atomi di cui siamo fatti anche noi.

Forse entreremo a far parte di un futuro ecosistema alieno, anche se è un’ipotesi probabilmente un po’ azzardata. La verità è che forse siamo i temporanei custodi delle particelle di cui siamo fatti. Esse continueranno a vivere nel vasto universo che le ha create. La forza di gravità continuerà la sua inesauribile ed incessante opera, modellando le galassie come sempre ha fatto sin dal Big-Bang. Con l’ausilio di supercomputer possiamo simulare che essa, fa sì che le galassie si attraggano a vicenda sino a scontrarsi. La nostra galassia si fonderà con quella di Andromeda, la più vicina fra oltre un miliardo di anni.

Una collisione al rallentatore che durerà due miliardi di anni. Questo processo sta avvenendo in tutto il cosmo; interi gruppi di galassie si scontreranno e si trasformeranno. Sono collisioni gigantesche, miliardi di stelle si attraggono una con l’altra e ruotando e danzando a causa delle enormi masse. Questo meccanismo cosmico è opera della gravità, grande protagonista sin dal Big Bang.

Ecco come appare l’universo quando ci si libera del concetto di tempo. Questo vortice cosmico durerà per sempre?

Questo mulinello di massa, energia e tempo si fermerà mai? È una domanda a cui è difficile rispondere. Penso che la domanda va ricercata laddove tutto ha avuto inizio: nel Big Bang. Bisogna chiedersi: quale fu la causa prima dell’espansione dell’Universo? Quando sapremo rispondere a questa domanda avremo compreso appieno il Big Bang e conosceremo anche il destino dell’Universo.

La chiave di tutto è chiamata “energia oscura”, una forma misteriosa di energia che spinge la materia a separarsi, anche se la gravità agisce per raggrupparla. È come se l’energia oscura avesse fornito all’universo l’impulso iniziale per la sua espansione, noi però non sappiamo con certezza come abbia agito; di sicuro il destino dell’Universo dipende dall’azione dell’energia oscura. Se si indebolisce, la gravità potrebbe avere il sopravvento.

E in circa 20 miliardi di anni l’universo potrebbe ripercorrere le tappe del suo sviluppo a ritroso, fino al punto di partenza. Lo spazio si contrarrebbe come un Big Bang al contrario. Questa teoria è conosciuta come “Big Trunch”. Se si verificasse, fra 30 miliardi di anni, tutta la materia esistente si contrarrebbe in un unico buco nero. L’intero universo si ridurrebbe ad un singolo punto, come nell’istante in cui ha avuto luogo il Big Bang. Sarebbe una conclusione logica della fine.

Secondo me però è probabile che l’energia oscura sostenga per sempre l’espansione dell’Universo. E lo stesso universo divenga freddo e scuro. Tutti i corpi celesti diventeranno lontani gli uni dagli altri e la gravità non sarà più in grado di operare. Penso che ci attenda un grande freddo, non un “Big Trunch”.

Sarà dunque questa la fine della vita come noi la conosciamo? Ma prima di allora ci saremo trasferiti in un altro universo. È presto per dire quale sarà il nostro destino. Prima dovremo capire perché l’universo esiste. Forse quando scioglieremo l’enigma del cosmo, capiremo questo e altri universi.


51 PEGASI B

storia degli esopianeti

“Nell’ottobre del 1995 Mayor e Quéloz scoprivano il primo pianeta di un’attiva stella: in due decenni si è sviluppato un inatteso filone preziosissimo dell’astronomia”. Fino a non molti secoli fa si credeva che il centro dell’universo fosse la Terra. Dopo Copernico il centro si sposta sul Sole e qualche secolo dopo le osservazioni astronomiche ci segnalano che il nostro Sistema Solare si trova in un punto abbastanza anonimo, né troppo centrale, né troppo periferico, della Via Lattea che non è altro che una delle tante galassie nell’universo.

Oggi abbiamo anche imparato che il nostro sistema planetario non è l’unico possibile e che probabilmente ogni stella ne possiede uno. Presto potremo provare sperimentalmente che non è il solo ad ospitare la vita. L’esistenza di sistemi planetari al di fuori del nostro era stata ipotizzata sin dai tempi più antichi. Già nell’antica Grecia e a Roma, filosofi e scrittori come Anassimandro o Lucrezio speculavano sull’esistenza di altri mondi.

E anche nei tempi considerati bui, personaggi come Giordano Bruno ipotizzavano un universo infinito costellato da un’infinità di sistemi solari come il nostro, teoria che gli valse la condanna a morte.

Fino alla fine del ventesimo secolo l’esistenza dei pianeti extrasolari rimase una questione esclusivamente filosofica e solo verso la metà del ‘900 si cominciarono a sviluppare tecniche di osservazione capaci di “vedere” questi mondi alieni. Nel 1938, per esempio, l’astronomo Belorizky dell’osservatorio di Marsiglia, pubblicava un articolo in cui suggeriva che osservazioni continue ad alta precisione, in campi molto ricchi di stelle avrebbero potuto rivelare la presenza di pianeti come Giove, grazie alle micro eclissi che essi generavano sulla luce della stella centrale quando vi transitavano davanti.

Questa è esattamente la tecnica che gli strumenti più moderni (ma anche futuri come PLATO) incluso il satellite americano Kepler, usavano per identificare la maggior parte dei nuovi pianeti. Fu solo nel 1995, esattamente venti anni fa, che fu identificato il primo pianeta extrasolare attorno a una stella “normale”, 57 Pegasi.

In realtà pianeti extrasolari erano stati già rivelati nel 1992 da Alexander Wolszcan, ma si trattava di componenti di un sistema planetario attorno a una pulsar, cioè attorno a una stella alla fine della sua esistenza, molto compatta che aveva subìto tutte le fasi dell’evoluzione stellare, per cui si pensò che all’origine e la storia di questi pianeti fossero comunque molto diversi da quelle dei pianeti del nostro Sistema Solare.

L’annuncio dell’esistenza del pianeta 51 Pegasi b (51 Peg b) fu dato il 6 ottobre 1995 dai suoi scopritori, gli astronomi svizzeri Michel Mayor e Didier Quéloz, proprio in Italia, durante un congresso internazionale tenutosi a Firenze. Già nei primi giorni del congresso si era diffusa la notizia che sarebbe stata annunciata una scoperta molto importante, ancora tenuta riservata, e una notevole attesa si era diffusa fra i partecipanti, anche con la presenza di parecchi giornalisti, situazione non usuale nei congressi scientifici.

Quando fu annunciata, la scoperta ebbe notevole risonanza anche fra i non addetti ai lavori, proprio per l’impatto che il tema ha sull’immaginario collettivo.
D’altra parte, nemmeno 51 Pegasi b si poteva definire un pianeta “normale”, per quello che si conosceva a quei tempi, perché non assomigliava a nessuno dei pianeti del Sistema Solare con una massa circa la metà di quella di Giove, ma vicinissimo alla sua stella, a una distanza di molto inferiore di quella che separa il Sole da Mercurio.

La scoperta fu quindi una grande sorpresa anche perché non restò isolata: da allora la rilevazione di pianeti molto massicci, così vicini alla stella madre che in gergo si chiamano “pianeti gioviani caldi”, è diventata piuttosto comune. Ne sono stati scoperti molti, non perché siano più comuni di altri, ma perché sono più facili da vedere. Le condizioni fisiche su questi pianeti sono estreme, la loro superficie si trova a temperature altissime, oltre il migliaio di gradi: un ambiente assolutamente inospitale, in cui probabilmente gli strati esterni sono in evaporazione.

La scoperta dei pianeti gioviani caldi fu completamente inaspettata anche perché nessun modello di formazione ed evoluzione planetaria era in grado di predirne l’esistenza. Infatti, fino a quel momento tutte le teorie dovevano preoccuparsi di spiegare esclusivamente la formazione di sistemi come quello solare, l’unico noto fino ad allora.

Dopo la scoperta di 51 Pegasi b, negli ultimi vent’anni il campo della ricerca dei pianeti extrasolari è letteralmente esploso, diversificandosi in varie branche e coinvolgendo un numero sempre maggiore di ricercatori.Uno degli obiettivi principali è quello di identificare pianeti terrestri in zone abitabili; cioè che possono ospitare l’acqua allo stato liquido, condizione considerata necessaria per l’insorgere della vita.

A questo scopo bisogna cercare pianeti sempre più piccoli e alla distanza giusta dalla stella madre, sono quindi necessarie tecniche molto sofisticate che richiedono strumenti estremamente precisi di nuova generazione. Quasi tutte le metodologie disponibili non permettono di osservare direttamente i pianeti, ma li rivelano sfruttando gli effetti indotti sulla stella attorno a cui orbitavano.

Questo perché il pianeta è sempre molto luminoso della stella madre che ne oscura la presenza. Alcuni metodi si avvalgono degli effetti gravitazionali del pianeta sulla stella che, per quanto minimi sono comunque misurabili, almeno se il rapporto fra la massa del pianeta e della stella non è piccolissimo. La scoperta di 51 Peg b si basò proprio su questo principio, per cui Mayor e Quéloz videro oscillare le righe dello spettro della stella con un’ampiezza di 56 m/s – causata dalla massa del pianeta – in un periodo di tempo di circa 5 giorni che corrisponde all’anno del pianeta in questione.

Un pianeta come la Terra nella zona abitabile di una stella come il Sole produce un’oscillazione di 20 cm/s in un anno. Per poter osservare pianeti di questo tipo occorrono quindi strumenti molto più precisi e osservazioni in un lasso di tempo molto più lungo. Ancora non siamo in grado di fare queste misure, ma la cosa diventerà possibile nei prossimi anni con lo strumento ESPRESSO che sarà installato presso i telescopi VLT dell’ESO (European Southern Observatory) sulle Ande Cilene nel 2016.

Il metodo impiegato per scoprire 51 Peg b è stato per molti anni il più usato per identificare nuovi pianeti, ma ora sta acquisendo più importanza il metodo delle eclissi (o transiti) a cui abbiamo accennato prima. Questo metodo è più efficace, nonostante la probabilità di osservare un transito sia molto bassa per ragioni geometriche e di proiezioni nel piano dell’orbita planetaria rispetto a chi osserva perché può essere applicato contemporaneamente a un grande numero di stelle mentre il metodo dell’oscillazione dello spettro deve focalizzarsi su ogni singola stella.

Con telescopi da terra possiamo trovare pianeti come Giove o Saturno su tutti i tipi di stelle. Pianeti più piccoli attorno a stelle piccole con dimensione circa la metà del Sole, sono ancora osservabili da terra, ma per trovare pianeti terrestri attorno a stelle come il Sole, dobbiamo necessariamente andare al di là dell’atmosfera terrestre, perché essa con la sua turbolenza ne maschererebbe la presenza. Per questa ragione sono stati messi in orbita satelliti come il francese e l’americano Kepler, e sono in fase di costruzione o di progetto altre missioni spaziali sia in America che in Europa.

La missione dell’Agenzia spaziale europea PLATO sarà l’apice di queste attività e ci fornirà un buon numero di “Terre” di cui potremo misurare le dimensioni (dall’eclisse osservata con il satellite) ma anche la massa con metodo delle oscillazioni spettrali, misura necessaria per verificare che si tratti veramente di un pianeta roccioso. Per la maggior parte dei pianeti scoperti da Kepler questa misura non è possibile perché le stelle sono in media troppo lontane e quindi poco luminose.

Non a caso, spesso le scoperte dei pianeti più piccoli ottenuta da Kepler sono presentate come “pianeti validati” e non “confermati” cioè siamo sicuri dell’esistenza del pianeta ma non siamo in grado di misurare la massa. L’unico metodo con cui possiamo osservare direttamente il pianeta è con la tecnica di “imaging” nei casi in cui il pianeta sia sufficientemente lontano dalla stella madre e luminoso (quindi grande da poterlo vedere quando si oscura la stella con un’eclisse artificiale creata dallo strumento).

Uno strumento di questo tipo, SPERE, con un’importante partecipazione italiana è stato recentemente installato sul VLT dell’ESO. Da circa poche decine di pianeti per un anno scoperti fino al 2008, si è passati a diverse centinaia per anno. Oggi conosciamo 1230 sistemi planetari, in cui circa 500 dei quali abbiamo identificato più di un pianeta, per un totale di quasi 2000 pianeti distinti (al momento in cui si scrive – agosto 2015 – il NASA Exoplanet Archive indica 1987 il numero dei pianeti extrasolari confermati).

Si tratta per lo più dipianeti massicci attorno a stelle come il Sole – perché le campagne osservative erano state per lo più mirate a stelle di questo tipo – ma si scoprono sempre più pianeti di massa più piccola, soprattutto attorno a stelle poco massicce, che molto probabilmente sono anche i più comuni.

Uno dei risultati senza dubbio più interessanti è la varietà di configurazioni possibili, con il Sistema Solare che sembra essere solo uno delle tante. Alcuni sistemi sono estremamente compatti come il sistema planetario attorno alla stella Kepler, scoperto da Kepler, che ha ben 5 pianeti che ruotano attorno alla stella con orbite di meno di dieci giorni – quindi tutti molto vicini di quanto lo sia mercurio rispetto al Sole.

Se si siano formati tutti così vicini alla stella o se abbiano migrato verso la stella in tempi successivi, resta un problema aperto. Altri pianeti sono in orbite molto ellittiche, il che implica che lungo l’orbita il pianeta si può trovare a temperature bassissime – quando si trova a grandissime distanze dalla stella – o elevatissime quando si avvicina.

Pianeti molto vicini alla stella ruotano in moto sincronizzato con essa, cioè rivolgendole sempre la stessa faccia – come il sistema Terra-Luna per cui, mentre l’emisfero del pianeta esposto alla radiazione stellare sarà sempre caldo, l’altro sarà sempre freddo. Ci sono anche casi di pianeti attorno a stelle binarie, in pratica sistemi planetari con due Soli, proprio come quello immaginato nel film “Guerre Stellari” nel pianeta di Luke Skywalker.

Non sappiamo ancora quanto sia tipico il nostro Sistema Solare. Infatti non abbiamo ancora una descrizione statistica robusta, dato che è più facile osservare alcuni tipi di sistemi che altri, ma nei prossimi anni dovremo essere in grado di capire e quanto sia comune o raro il Sistema Solare nella nostra galassia, domanda cruciale nel nostro percorso verso la scoperta di vita extraterrestre.

Uno dei passi fondamentali per la ricerca dei pianeti extrasolari è l’identificazione dei pianeti abitabili. Cosa sia un pianeta abitabile sembra un concetto ovvio, ma in realtà non è per nulla scontato. Si può provare a definire l’abitabilità, tenendo conto però che il significato che daremo a questa parola si basa sulla nostra esperienza diretta e potrebbe essere per lo meno parziale e incompleta.

Come requisito fondamentale, per essere abitabile un pianeta deve avere una superficie solida e un’atmosfera. Non deve essere troppo piccola altrimenti non ha abbastanza gravità, non può trattenere l’atmosfera, ma neanche troppo grande altrimenti la gravità è troppo alta.

Poi la sua superficie deve essere tale da poter mantenere l’acqua in forma liquida e quindi deve avere una temperatura compresa fra zero e 100 gradi. Dato che la temperatura è determinata dalla radiazione che proviene dalle stelle, questo implica una condizione sulla distanza stella-pianeta. Il risultato è che, più luminosa è la stella, più lontana da essa è la zona cosiddetta abitabile, al contrario, più piccola e debole è la stella, più vicina è la zona che offre condizioni compatibili con la vita.

In realtà ci possono essere condizioni diverse che permettono, anche più lontane dalla stella madre, di raggiungere la temperatura necessaria. Ne abbiamo degli esempi proprio nel nostro Sistema Solare, dove alcune lune di Giove o Staurno, nonostante la grande distanza dal Sole, sono considerate mondi che possono avere acqua in forma liquida, perché è riscaldata dalle forze mareali indotte dagli stessi pianeti giganti.

Anche l’atmosfera planetaria riveste un’importanza fondamentale nell’instaurare le condizioni di abitabilità. Oggi abbiamo informazioni sulla composizione e temperatura solo delle atmosfere di alcuni pianeti extrasolari più massicci (di tipo gioviano caldo), tramite le osservazioni dei telescopi spaziali Hubble Space Telescope e Spitzer. Nei prossimi anni sapremo molto di più anche sulle atmosfere attorno ai pianeti rocciosi, grazie al lancio dell’americano James Webb Telescope della missione europea in fase di studio ARIEL, a cui l’Italia parteciperà da protagonista.

Con questi strumenti potremo ricostruire la temperatura e la pressione delle atmosfere, determinare la presenza, misurandone l’abbondanza, delle principali molecole incluso l’acqua e i composti del carbonio e, nei casi più favorevoli, studiare il clima e la sua variabilità. Oggi si conoscono alcuni pianeti vicini alla zona di abitabilità principalmente attorno a stelle piccole, poco luminose, che sono più facili da studiare perché il contrasto con il pianeta è più favorevole e perché il loro periodo di rivoluzione è molto più breve dell’anno terrestre, essendo vicini alla stella.

Ad oggi (2015) si considerano potenzialmente abitabili 31 pianeti noti e la loro vista viene continuamente aggiornata con le nuove scoperte. Per questi pianeti viene anche calcolato un indice chiamato ESI (Earth Similarity Index) che ci indica quanto il pianeta sia simile alla Terra, che ha il valore dell’ESI pari a uno. Un valore vicino a zero corrisponde a pianeti certamente non abitabili.

Le proprietà che definiscono l’indice ESI sono la temperatura superficiale del pianeta, il raggio, la densità e la velocità di fuga. L’esopianeta noto con l’ESI più alto è Kepler 438 b, con un indice di 0,86 (per confronto Marte ha un indice di 0,70), quindi un pianeta veramente molto interessante per gli studi di abitabilità. Forse vi sareste aspettati che l’esopianeta più promettente fosse Kepler 452 b, annunciato con una grande campagna pubblicitaria della NASA pochi mesi fa come il possibile gemello della Terra nella zona di abitabilità della sua stella.

Invece Kepler 452 b, con un ESI di 0,84 è “solo” il sesto della lista ma è il primo ad orbitare attorno a una stella molto simile al Sole con un periodo orbitale, quindi una distanza della stella, simile a quello della Terra. È questa la vera peculiarità di Kepler 452 b, per il resto purtroppo è troppo lontano per essere studiato in dettaglio.

Sarà invece possibile misurare la massa di pianeti come Kepler 538 b che orbitano attorno a stelle più piccole e fredde con strumenti come lo spettrografo ad alta precisione HARPS-N installato al telescopio Galileo alle isole Canarie, che oggi rappresenta lo strumento più avanzato al mondo nell’emisfero nord. Infatti il problema che dobbiamo affrontare è che le quantità che ci permettono di calcolare l’ESI sono ancora molto incerte.

Per esempio, per tutti i 31 pianeti potenzialmente abitabili presenti nella lista, non è stato possibile misurare direttamente sia il raggio che la massa, necessari per la determinazione della densità, per cui almeno uno dei due parametri è stimato con una grande incertezza. Il prossimo passo sarà la determinazione precisa di tutte e due queste grandezze così importanti per capire le condizioni fisiche sulle superfici planetarie.

Il satellite europeo PLATO sarà importantissimo per ottenere le misure necessarie. Va comunque rimarcato che scoprire un pianeta abitabile non significa che esso ospiti la vita. E questo ci porta a una domanda ancora più complessa e cioè: cos’è la vita? Sulla Terra conosciamo modi diversissimi di come si può manifestare quella che chiamiamo vita. Conosciamo organismi viventi capaci di vivere a temperature o pressioni altissime.

Si tratta quindi di un campo di ricerca in cui c’è ancora molto da scoprire e che può riservarci grandi sorprese.

Ispirato a "Le Stelle"