Storia dell’universo in 11 equazioni

Descrivere l’evoluzione dell’universo mettendo d’accordo le leggi della relatività di Einstein del 1915 con la scoperta dell’espansione accelerata dei vincitori del Nobel della Fisica 2011 (Perlmutter, Riess e Schmidt) e con le teorie di Yang-Mills e Higgs. È l’operazione di sintesi compiuta da Massimiliano Rinaldi, assegnista di ricerca del Dipartimento di Fisica dell’Università di Trento (gruppo teorico computazionale, sezione di Gravitazione relativistica e cosmologia) e associato al TIFPA-INFN di Trento. Rinaldi illustra i risultati della sua ricerca nell’articolo “Dark energy as a fixed point of the Einstein Yang-Mills Higgs equations“, pubblicato sull’ultimo numero delJournal of Cosmology and Astroparticle Physics, e li presenterà al pubblico nell’ambito del 28th Texas Symposium on Relativistic Astrophysics, in programma a Ginevra dal 13 al 18 dicembre 2015. «L’idea innovativa del mio lavoro», spiega Rinaldi, «è l’implementazione della relatività generale di Einstein con le equazioni di Yang-Mills in ambito cosmologico. Ho proposto una soluzione che non richiede né l’introduzione di forme di materia “esotiche” né la modifica della relatività generale». «Nel mio modello servono ben 11 equazioni per descrivere l’evoluzione nel tempo dell’universo a grande scala e della materia che contiene. Questo sistema», osserva Rinaldi, «è impossibile da risolvere in modo esatto data la sua complessità. Tuttavia, con degli avanzati metodi matematici, è stato possibile estrapolare il comportamento nel tempo delle grandezze fisiche d’interesse, come le densità di materia e di radiazione elettromagnetica nell’universo e l’evoluzione temporale del tasso di espansione. Ho così dimostrato che questo modello riproduce fedelmente l’evoluzione dell’universo a partire dall’epoca successiva al big bang fino a oggi in linea con i dati sperimentali ottenuti dalle osservazioni astronomiche. L’aspetto più attraente è il fatto che non sia necessario introdurre forme di materia “ad hoc” o modificare la relatività così come formulata da Einstein. Infatti l’esistenza del campo di Higgs è stata dimostrata al CERN nel luglio 2012 e i campi di Yang-Mills sono gli stessi che descrivono le forze tra le particelle elementari. Gli “ingredienti” necessari sono quindi già tutti presenti in natura e con questo lavoro si avvicina forse un po’ il sogno di una teoria unificata di tutte le forze». Una storia affascinante l’evoluzione dell’universo. «Fin dalla scoperta di Hubble nel 1929», racconta Rinaldi, «si sa che l’universo è in espansione e che, nel passato, era molto più piccolo, caldo e denso di quanto lo sia oggi. Fino a qualche anno fa era anche dato per scontato che l’accelerazione fosse in realtà una decelerazione perché l’intero contenuto di materia ed energia dell’universo agisce con una forza gravitazionale attrattiva frenante, secondo le leggi della relatività generale presentate esattamente un secolo fa da Einstein, nel novembre 1915. Nel 1998 due team indipendenti (premiati con il Nobel nel 2011) scoprirono, studiando il rapporto tra luminosità e distanza di certe supernove, che in realtà l’espansione dell’universo è accelerata. Questo significa che alle più grandi scale la gravità si comporta come se fosse repulsiva o come se l’universo fosse permeato da un’entità, chiamata energia oscura, che esercita una pressione negativa e che costituisce ben il 68% dell’intera energia presente. A rendere le cose ancora più intriganti c’è il fatto che l’accelerazione è un fenomeno relativamente recente nella storia cosmica, essendo iniziata circa 5 miliardi di anni fa (l’età dell’universo stimata è di 13.8 miliardi di anni)». «Dal punto di vista sperimentale, l’Agenzia Spaziale Europea sta mettendo a punto il satellite Euclid (lancio previsto nel 2020) che avrà anche il compito di misurare con grande accuratezza l’evoluzione recente delle strutture a grande scala (come gli ammassi di galassie) e questo permetterà una misura precisa e, si spera, decisiva, dell’energia oscura, la cui natura è oggetto di speculazione da quasi due decenni. Gli aspetti teorici di questa missione sono curati dallo Euclid Theory Science Working Group del quale sono membro fondatore», conclude Rinaldi.
Elisabetta Andreina Brunella (INAF)

Così Einstein cambiò idea sull’Universo

Anche le menti più geniali cambiano idea, e possono farlo in modo radicale. È il caso diAlbert Einstein, che è arrivato a rinnegare completamente una delle sue teorie: l’Universo statico. Per accettare, suo malgrado, la teoria opposta secondo cui l’Universo è in continua espansione e accelerazione, ancora oggi appoggiata dalla maggioranza dei fisici. Il cambio di rotta del grande scienziato in realtà non è una novità: secondo una leggenda metropolitana Einstein rimase fermo nelle sue idee fino al 1931, quando l’astronomo Edwin Hubble gli mostrò alcune emissioni di luce rossa prodotte da un insieme di ammassi nebbiosi lontani – oggi chiamati galassie. La cosa invece meno nota è che ammettere il suo errore fu per Einstein un processo tortuoso e sofferto: è quanto emerge da un articolo appena pubblicato sull’European Physical Journal da Harry Nussbaumer dell’Istituto di Astronomia dell’ETH di Zurigo. Nussbaumer ricostruisce l’intera vicenda a partire dal 1917, data in cui Einstein applicò all’Universo la sua teoria della relatività generale. Ne derivò un modello di Universo omogeneo e spazialmente curvato: è la teoria dell’Universo statico, secondo cui lo spazio non è né in espansione né in contrazione, ma è dinamicamente stabile. La cosmologia einsteiniana presentava però un problema non da poco: se la gravitazione è l’unica forza attiva, l’Universo dovrebbe collassare. Einstein risolse la questione introducendo una costante cosmologica alle sue equazioni della relatività generale: ecco aggirate le disastrose conseguenze della gravità. Da quel momento in poi, contro la teoria “rivale” oppose una strenua resistenza. Ormai la maggior parte dei suoi contemporanei si era convinta che l’Universo fosse in espansione, e furono in molti a cercare di convincerlo. Per esempio, il fisico russo Alexander Friedman nel 1922 mostrò che proprio le equazioni di Einstein erano compatibili con la teoria dell’Universo in espansione; lo stesso fece l’astrofisico belga Georges Lemaître, che combinò la relatività generale con le osservazioni astronomiche. Ma Einstein non si diede per vinto, e ancora rifiutò di abbandonare il suo Universo statico. Proseguendo il racconto di Nussbaumer, la svolta si ebbe nel 1931, ma non per l’incontro con Hubble. Alcuni documenti dell’Accademia Prussiana delle Scienze attestano infatti che il fisico adottò un modello dell’Universo in espansione insieme all’astronomo olandese Willem de Sitter. Teoria subito salutata da un unanime appoggio della comunità scientifica, e mantenuta pressoché invariata fino alla metà degli anni ’90. Una piccola consolazione per Einstein, che comunque non si perdonò l’abbandono della sua costante cosmologica.
di Giulia Bonelli (INAF)

Laggiù al fondo della scala di Planck

Per sbrogliare la complessità delle leggi dell’universo, sono scesi così giù che più giù non si potrebbe. Giù fino all’ultimo gradino della scala di Planck, fino a quel 10 elevato alla meno 33 centimetri che rappresenta le colonne d’Ercole dello spazio misurabile. E una volta giunti laggiù, immersi fino ai capelli nella schiuma spazio temporale, hanno scoperto che relatività speciale di Einstein – in teoria valida a ogni scala – potrebbe essere una proprietà emergente. L’argomento è di quelli ostici. Per cercare di capirne qualcosa, risaliamo qualche gradino verso l’alto, e andiamo a conoscere i due esploratori dell’infinitamente piccolo protagonisti di quest’avventura in bilico tra fisica teorica e matematica: Petr Jizba, associato presso la Czech Technical University di Praga, e l’italiano Fabio Scardigli, fisico da poco rientrato dal Giappone, dove ha lavorato per anni all’Università di Kyoto, e attualmente in forze al Politecnico di Milano. Insieme hanno firmato un articolo, pubblicato su European Physical Journal C, nel quale mostrano come la combinazione fra due capisaldi della fisica contemporanea – la relatività speciale di Einstein e la dinamica quantistica – sia identica, da un punto di vista matematico, a un sistema dinamico complesso descritto da due processi interconnessi che operino a diverse scale di energia. «Dal nostro studio risulta che la relatività speciale – che come viene insegnato all’università è una teoria fondamentale e dovrebbe essere valida a ogni scala – in realtà potrebbe essere una proprietà emergente. Quello che troviamo è che, a piccolissima scala, la natura è ancora governata dalla fisica classica di Newton. È solo a scala più grande che recuperiamo l’azione dell’invarianza di Lorentz e quindi l’azione della relatività speciale», spiega Scardigli a Media INAF. «In altre parole, la relatività speciale vale solo quando una particella compie un cammino sufficientemente lungo». Una prospettiva, questa di Jizba e Scardigli concentrata sulla scala di Planck, che arriva a contemplare persino l’asimmetria fra materia e antimateria. «Quando l’universo è nato era per definizione molto piccolo. Se fosse stato così piccolo da essere nell’ordine della scala di Planck o poco più, ecco che dal nostro approccio risulta che, a quell’epoca, le equazioni che governavano il mondo non sarebbero state quelle della relatività speciale, che prevedono una così perfetta simmetria fra materia e antimateria. Al contrario, erano equazioni in cui questa simmetria non c’è, in cui la materia è una cosa e l’antimateria un’altra. Se le cose stavano effettivamente così, allora si può cominciare a capire perché c’è soltanto la materia, invece di esserci materia e antimateria in parti uguali».
di Marco Malaspina (INAF)

Per saperne di più:

I Love Q, stella di neutroni

“I Love Q”. Inizia così, in modo decisamente poco convenzionale e un po’ ammiccante, il titolo di un articolo appena pubblicato sulla prestigiosa rivista Science. La frase, per i non addetti ai lavori, sembrerebbe fuori luogo, ma è solo un gioco di parole che in realtà indica tre parametri fondamentali che descrivono oggetti celesti tra i più estremi che si conoscano, ovvero le stelle di neutroni e le stelle di quark. “I” infatti sta per il momento di inerzia, Love sta per il cosiddetto numero di Love, che indica la deformabilità della stella e Q il momento di quardupolo che nasce dalla perdita della simmetria sferica della stella deformata e che determina l’intensità della radiazione gravitazionale emessa dalla stella rotante. Tre valori legati alle proprietà dinamiche e rotazionali di questi oggetti celesti e in linea di principio osservabili, che Kent Yagi e Nicolas Yunes del Montana State University (gli autori del lavoro) hanno messo in relazione risolvendo le equazioni di Einstein per oggetti così estremi. I risultati ottenuti, limitati a stelle di neutroni che ruotano non troppo velocemente, ovvero entro qualche centinaio di giri ogni secondo, indicano che la correlazione tra I, Q e numero di Love trovata è universale, non dipende cioè dalle proprietà della materia all’interno della stella di neutroni. Un risultato importante poiché allo stato attuale delle nostre conoscenze possiamo solo ipotizzare quelle che sono le condizioni estreme di temperatura, densità e pressione dei mattoni che compongono le stelle di neutroni, modellandole attraverso le cosiddette equazioni di stato. Se quindi per una stella di neutroni si riesce a misurare una di queste tre quantità, le altre due vengono ricavate immediatamente e senza coinvolgere la sua equazione di stato, a patto però di conoscere anche la massa di quell’oggetto celeste. Il passaggio dalla teoria del lavoro di Yagi e Yunes alla pratica, ovvero alla effettiva misurazione di questi parametri e al loro confronto con le predizioni della relazione I-Love-Q, è però ancora di là da venire. Ma gli astrofisici sono convinti che promettenti sviluppi in questo settore potranno arrivare nei prossimi anni dai futuri osservatori per le onde gravitazionali di origine cosmica, come la seconda generazione degli interferometri terrestri VIRGO e LIGO e quello spaziale LISA, che in potenzialmente potrebbero riuscire a misurare il valore del parametro Q in sistemi composti da due stelle di neutroni. “L’aspetto più interessante del lavoro di Yagi e Yunes è quello di aver mostrato che  le relazioni che legano il momento di inerzia, il numero di Love e il momento di quadrupolo sono differenti a seconda che la stella sia una stella di neutroni “tradizionale” (ovvero i cui costituenti sono in larga misura neutroni) o una cosiddetta stella di quark (costituita da una miscela di quark up, down  e strange  deconfinati)” commenta Ignazio Bombaci, professore del Dipartimento di Fisica dell’Università di Pisa. “L’ esistenza in natura delle stelle di quark, ipotizzate indipendentemente da Arnold R.   Bodmer nel 1971 e da Eduard Witten nel 1984, a tutt’oggi non è stata né confermata né confutata.  Le relazioni  I-Love-Q potrebbero quindi contribuire a risolvere questo mistero della moderna astrofisica”.
di Marco Galliani (INAF)

Un nastro trasportatore spaziale

Che alla NASA ci sia qualche fan di Star Trek non è poi così sorprendente. Chissà quante vocazioni spaziali sono nate davanti a quello e altri classici della fantascienza. Che l’agenzia americana investa una parte (molto piccola, a dire il vero) del suo budget su un’idea che sembra uscita proprio dalla sceneggiatura del telefilm stupisce un po’ di più. Eppure il progetto a cui sta lavorando Harold White, fisico e specialista di sistemi di propulsione per la NASA, somiglia proprio al “time warp” che consente ai protagonisti di Star Trek di viaggiare tra passato e futuro sfruttando la curvatura dello spazio-tempo. White lavora in un bizzarro laboratorio “galleggiante” al Johnson Space Center, sospeso su un sistema di piloni pneumatici che lo schermano da qualunque vibrazione esterna. Lì cerca di capire se viaggiare a velocità superiore a quella della luce sia, almeno teoricamente, possibile, tentando di ricreare in laboratorio quello che avvenne durante la prima fase di espansione dell’Universo: l’inflazione.
“L’Universo si è espanso nei 13 miliardi di anni dopo il Big bang” ha spiegato White al New York Times “e sappiamo che alcuni modelli cosmologici prevedono periodi di inflazione esplosiva, durante i quali due punti nello spazio potevano allontanarsi tra di loro a velocità superiore a quella della luce. La Natura può farlo, la domanda è: noi potremmo mai farlo?”.
Usando un laser, una fotocamera, alcuni specchi e dei condensatori elettrici, White e i suoi collaboratori cercano di piegare leggermente la traiettoria dei fotoni che compongono la luce laser applicando un campo elettromagnetico. In poche parole, cercano di influenzare la curvatura dello spazio tempo lungo la traiettoria del fotone in modo che percorra una maggiore distanza, pur viaggiano sempre alla stessa velocità. Gli effetti che cercano di osservare sono talmente piccoli che qualunque vibrazione, comprese le auto di passaggio, disturbava gli esperimenti: da qui la necessità di usare quel laboratorio ammortizzato, isolato da qualunque vibrazione ambientale.
Lo stravagante esercizio di White si basa sul lavoro teorico di Miguel Alcubierre, che nel 1994 teorizzò la possibilità di viaggiare a velocità superiori a quelle della luce, senza violare il ben noto postulato di Einstein, ha patto di avere un sistema di propulsione in grado di creare una bolla spazio temporale attorno all’immaginaria navicella spaziale: insomma, un sistema per innescare una mini espansione inflazionaria dell’Universo a comando in una certa zona dell’Universo. In questo modo, una ipotetica navicella spaziale verrebbe spinta lontano dalla Terra e verso una stella lontana dallo stesso spazio tempo, a velocità potenzialmente superiori a quelle della luce. Quella di Alcubierre era pura teoria, che si scontrava con molti paradossi. Ma White si è messo in testa di verificare se esista qualche possibilità di tradurla in pratica, realizzando quello che egli stesso descrive come una sorta di tapis roulant per astronavi. Ovviamente non ha nessuna ambizione di sperimentare vere e proprie tecnologie di lancio: quello che cerca di fare è verificare se sia possibile creare e misurare strumentalmente una bolla spazio temporale come quelle previste da Alcubierre: in laboratorio, e su piccola scala.
La NASA non ci spera troppo, ma ha accettato di dargli una mano: gli ha messo a disposizione circa 50 mila dollari per acquistare attrezzature, ha riaperto per lui quel laboratorio galleggiante che era servito tanto tempo fa per i test degli Apollo, e il Vicedirettore del Johnson Space Center Steve Stich, ha detto laconicamente al New York Times: “Si deve sempre guardare al futuro”. E ha aggiunto, indicando il suo telefonino: “Quarant’anni fa anche questo sarebbe sembrato roba da Star Trek”.
di Nicola Nosengo (INAF)

Ancora un punto per Einstein

Il telescopio VLT (Very Large Telescope) dell’ESO, insieme a radio telescopi di tutto il mondo, ha permesso agli astronomi di  trovare e studiare una bizzarra coppia di stelle formata dalla stella di neutroni più massiccia finora nota intorno a cui orbita una nana bianca. Questa strana binaria permette di verificare la teoria della gravità di Einstein – la relatività generale – in modi che finora non erano possibili. Per il momento, le nuove osservazioni sono perfettamente in accordo con le previsioni della relatività generale, mentre non sono consistenti con alcune delle teorie alternative. I risultati sono stati pubblicati dalla rivista Science il 26 aprile.
Un’equipe internazionale ha scoperto un oggetto doppio un po’ strano, formato da un stella a neutroni, piccola ma insolitamente pesante, che ruota su se stessa 25 volte ogni secondo, intorno a cui ogni due ore e mezza orbita una nana bianca. La stella di neutroni è una pulsar che emette onde radio che possono essere intercettate dai radiotelescopi sulla Terra. È una coppia molto interessante di per sè, ma è anche un laboratorio unico di verifica dei limiti delle teorie fisiche.
La pulsar si chiama PSR J0348+0432 ed è il resto di un’esplosione di supernova. È due volte più pesante del Sole, ma è grande solo 20 chilometri. La forza di gravità alla superficie è più di 300 miliardi di volte maggiore di quella sulla Terra e nel centro ogni cubetto di materia delle dimensioni di una zolletta di zucchero contiene più di un miliardo di tonnellate di materia. La compagna nana bianca è solo leggermente meno esotica: è il resto incandescente di una stella più leggera che ha perso la propria atmosfera e si sta ora lentamente raffreddando.
La teoria della relatività generale di Einstein, che spiega la forza di gravità come una conseguenza della curvatura dello spazio-tempo dovuta alla presenza di massa ed energia, ha superato tutti i controlli fin dall’epoca della sua pubblicazione, un centinaio di anni fa.
Ma i fisici hanno escogitato altre teorie della gravità che danno previsioni diverse da quelle della relatività generale. Per alcune di queste alternative, la differenza si manifesta solo in campi gravitazionali molto forti che non si trovano all’interno del Sistema Solare. In termini di gravità, PSR J0348+0432 è un oggetto realmente estremo, anche rispetto alle altre pulsar che sono state usate nei test ad alta precisione della relatività generale di Einstein. In questi campi gravitazionali così intensi, piccole variazioni di massa possono portare a grandi cambiamenti dello spazio-tempo intorno all’oggetto. Fino ad ora gli astronomi non avevano idea di ciò che sarebbe potuto accadere in presenza di una stella di neutroni così massiccia come PSR J0348+0432, che offre perciò l’opportunità unica di spingere queste verifiche in nuovi territori. L’equipe ha combinato osservazioni della nana bianca ottenute con il VLT (Very Large Telescope) con una scala temporale molto precisa della pulsar misurata dai radiotelescopi. Un binaria così stretta emette radiazioni gravitazionali e perde di conseguenza energia. Ciò modifica leggermente il periodo orbitale, ma le previsioni della relatività generale e delle altre teorie in competizione su come debba essere questo cambiamento sono diverse. Nel 2003, un oggetto altrettanto interessante per la verifica delle teorie di Einstein fu scoperto da un team di ricercatori italiani. ”La pulsar doppia J0737-3039 – dichiara Marta Burgay dell’Osservatorio Astronomico di Cagliari dell’INAF, che fu prima autrice dell’articolo che ne annunciò la scoperta – è un sistema binario formato da due stelle di neutroni e costituisce tuttora il migliore laboratorio per stabilire i limiti di validità della teoria della Relatività Generale di Einstein, che si è mostrata prevedere il comportamento della Natura con un errore massimo dello 0.05%. D’altro canto le perduranti difficoltà nel conciliare i fenomeni legati alla gravità e quelli della fisica quantistica, potrebbero indicare che la teoria della Relatività Generale non è l’ultima parola”. Difatti – spiega Andrea Possenti, membro del team che scoprì la pulsar Doppia – negli ultimi decenni sono state proposte molte teorie della gravità alternative alla Relatività Generale… E qui si innesta la scoperta del sistema binario relativistico J0348+0432. Le due stelle di questa coppia sono molto diverse fra loro per massa e dimensioni e questo rende tale sistema il migliore finora noto per indagare proprio le teorie alternative. Ne è emerso che lo spazio dei parametri accettabili per farle funzionare si è ridotto di molto rispetto ai precedenti vincoli osservativi, il che ovviamente mina parecchio la loro credibilità per il ruolo di valide alternativa alla teoria Einsteiniana.” La stella di neutroni in questo sistema risulta anche la più massiccia finora osservata? “La sua massa – commenta ancora Marta Burgay – conferma la esistenza di una popolazione di pulsar con una massa attestata attorno a 2 masse del Sole. A differenza dell’esempio precedente, rappresentato dalla pulsar J1614-2230, in questo caso il sistema è stato pero’ “pesato” combinando osservazioni radio della stella di neutroni ad osservazioni ottiche di alta precisione della stella compagna. Una procedura molto promettente in vista di futuri strumenti ancora più potenti ”
Redazione Media Inaf

Un altro esopianeta? No, un trucco del dott. Einstein!

Quando Kepler ha osservato uno dei tanti transiti di possibili pianeti extrasolari, la stella che diminuiva di luminosità mostrava qualcosa di “strano”. La caduta di luce aveva caratteristiche non proprio tipiche di un transito planetario. Essa è allora stata messa in un elenco speciale, come oggetto di particolare interesse ed è diventata KOI-256.
Osservazioni terrestri nell’ultravioletto e un’analisi spettroscopica raffinata hanno risolto brillantemente il piccolo mistero. Ciò che si osservava non era una stella con un grosso pianeta attorno, ma un sistema doppio su cui agiva uno dei tanti trucchi ipotizzati dal Dott. Einstein. Una delle due stelle ha un raggio ben più piccolo di quello di un pianeta gigante, dell’ordine di quello terrestre, ma una massa ben maggiore, più della metà di quella solare. La sua compagna, meno massiccia, ha, invece un diametro enorme: più della metà di quello solare. Insomma, la prima è una nana bianca e la seconda una nana rossa. Formano un sistema che rivolve attorno al comune baricentro in solo 1.4 giorni. Probabilmente, prima della trasformazione in nana bianca, la stella di tipo solare formava un unico inviluppo gassoso con la nana rossa. Adesso, sono abbastanza separate, ma in un futuro non molto lontano la nana bianca comincerà a succhiare materia da “Rosetta” e il gioco porterà a qualche scoppio violento…
Tuttavia, non pensiamo al futuro di questa simpatica “coppietta” stellare e occupiamoci del gioco di prestigio odierno. Ciò che Kepler ha visto non è una delle “solite” e banali eclissi. Quando la nana bianca passa davanti all’enorme nana rossa, che ha un diametro ben 40 volte più grande, la sua gravità costringe la luce della sorella a subire l’effetto Einstein, ossia ad amplificare la sua intensità, oltre che a curvarsi. L’effetto sparisce quando la nana bianca si va a nascondere dietro alla gigantesca ma meno massiccia sorella. Sparendo l’effetto lente e la sorgente più calda, la luminosità totale diminuisce notevolmente simulando il transito di un pianeta veramente gigantesco. Non un transito di un corpo davanti a una stella, ma un’occultazione di una nana bianca: spettacolare veramente!
La curva spettroscopica ha confermato la rotazione anomala della nana rossa, simile a quella di una trottola che stia barcollando. Combinando i due tipi di osservazione con quanto predetto da Einstein per un sistema del genere (le aveva proprio studiate tutte!) si è potuto risalire alle dimensioni, alle masse e alle temperature delle due stelle.
Lasciatemi fare una riflessione sbalordita: quante cose si riescono a vedere senza “vedere”, affidandosi a osservazioni accuratissime e, soprattutto, a un cervello geniale.
Ecco le caratteristiche delle due sorelle: Rosetta e la nana bianca. Raggio e massa sono espressi in raggi e masse solari.
nana bianca: M = 0.6 +/- 0.1 , R = 0.013 +/- 0.001, T = 7100 +/- 700 K
nana rossa : M = 0.5 +/- 0.1 , R = 0.54 +/- 0.01, T = 3450 +/- 50 K
Articolo originale QUI
di Vincenzo Zappalà (INAF)

Una galassia lontanissima

La sua luce ha fatto un viaggio lungo quasi quanto l’età del nostro universo. E probabilmente non saremmo riusciti a captarla se a frapporsi tra lei e i nostri telescopi non ci fosse stato un ammasso di galassie, denominato MACS1149+2223. L’antichissima galassia, distante 13,2 miliardi di anni luce è stata scoperta da un team di ricercatori che collaborano al progetto di ricerca CLASH (Cluster Lensing And Supernova survey with Hubble) e a cui partecipano astronomi INAF attraverso due programmi PRIN coordinati da Massimo Meneghetti (INAF – Osservatorio Astronomico di Bologna) e da Mario Nonino (INAF – Osservatorio Astronomico di Trieste). Le riprese combinate dei telescopi spaziali Hubble e Spitzer l’hanno stanata, sfruttando anche il fenomeno della lente gravitazionale forte. Un effetto predetto dalla Teoria della Relatività Generale di Einstein, secondo cui la materia contenuta nelle strutture cosmiche è in grado di curvare la traiettoria di fotoni provenienti da sorgenti più lontane.
L’ammasso MACS1149+2223, che possiede una massa di circa 2,5 milioni di miliardi di volte quella del Sole, si è trasformato così in un vero e proprio telescopio gravitazionale, permettendo di focalizzare la tenue luce proveniente da una galassia molto più distante che si trova lungo la nostra linea di vista, amplificandola di ben 15 volte e permettendo così agli strumenti dei telescopi spaziali Hubble e Spitzer di individuarla.
La scelta di osservare e studiare gli effetti della Relatività Generale in corrispondenza degli ammassi di galassie non è casuale. Tanto più grande è la massa, tanto maggiore è l’effetto di lente gravitazionale. E quando si parla di grande massa, i gruppi di galassie come MACS1149+2223 non temono confronti, visto che possono contenere fino a diversi milioni di miliardi di masse solari. Si tratta quindi delle più potenti lenti gravitazionali osservabili in cielo, che a volte producono delle forti distorsioni nelle immagini di galassie lontane, producendo archi gravitazionali o, in altri casi,  gruppi di immagini multiple.  “Quando vengono osservate queste distorsioni, esse possono essere utilizzate per capire come è distribuita la materia nella lente” sottolinea Massimo Meneghetti. “Tuttavia il lensing gravitazionale è importante anche per un altro motivo: amplifica sorgenti lontane ed intrinsecamente molto deboli, rendendole più facilmente osservabili. Ciò è dovuto al fatto che la lente modifica la forma intrinseca dalla sorgente e l’area che essa occupa in cielo ma mantiene inalterata l’energia ricevuta per unità di superficie e per unità di tempo. Gli ammassi di galassie possono quindi essere usati come efficienti strumenti che la natura ci mette a disposizione per esplorare l’universo lontano”.
Ma la scoperta di questo oggetto celeste così remoto, riportata in un articolo pubblicato nell’ultimo numero della rivista Nature, è di grande utilità anche per ottenere nuove informazioni su una fase nell’evoluzione dell’universo tanto importante quanto ancora poco conosciuta, che prende il nome di Età Oscura (Cosmic Dark Age). Una fase in cui l’universo era avvolto da una nebbia di idrogeno neutro, in grado di assorbire la radiazione luminosa.  L’Età Oscura si concluse quando si formarono le prime stelle e la loro intensa radiazione ultravioletta rese lentamente trasparente la nebbia, tra 150 e 800 milioni di anni dopo il Big Bang, permettendo così alla luce delle stelle di propagarsi nel cosmo e arrivare, dopo un lunghissimo viaggio, fino a noi.
“Quella presentata nel nostro lavoro è la più convincente osservazione di una galassia a distanze così elevate (circa 13,2 miliardi di anni luce) fatta fino ad oggi” commenta Mario Nonino. “La scoperta di una galassia, che sulla base delle nostre osservazioni è stata scorta quando l’universo è verso la fine dalla cosiddetta Cosmic Dark Age, mostra come l’approccio di sfruttare l’amplificazione degli ammassi sia estremamente efficiente per osservare l’universo primordiale. Questo metodo potrà essere ulteriormente sfruttato per ottenere osservazioni più dettagliate sia con telescopi attuali, come ALMA, che con quelli di prossima generazione come l’europeo E-ELT (European Extremely Large Telescope) e il JWST (James Webb Space Telescope), il successore di Hubble”.
di Marco Galliani (INAF)

Via, più veloce della luce

In fondo in fondo, ci speravamo un po’ tutti. Semplici curiosi di scienza, trasognati amanti della fantascienza e dei ‘balzi iperspaziali’, ma probabilmente più di qualche fisico. Tutti a pensare che forse, un giorno,qualcuno avrebbe dimostrato che quelle ‘colonne d’ercole’ della fisica contemporanea, quella insuperabile velocità della luce, si sarebbe potuta valicare. Una speranza, un sogno, una follia allo stato puro. Ognuno può giudicarla secondo il proprio punto di vista e le proprie conoscenze. Ma di certo apprendere che sarebbero stati registrati neutrini viaggiare a velocità superiore a quella della luce è una notizia davvero sensazionale. A comunicarlo sono stati gli scienziati di OPERA (Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus) un progetto internazionale a guida italiana che ha il suo ‘cuore’ nelle viscere di una montagna in Abruzzo, all’interno dei Laboratori Nazionali del Gran Sasso dell’INFN. Lì si trova il gigantesco rivelatore alto come una casa di tre piani e del peso di 4000 tonnellate che in quasi tre anni di attività ha registrato l’arrivo di oltre 16.000 neutrini lanciati dai laboratori del CERN a Ginevra. Un viaggio sotterraneo di 730 chilometri percorsi in poco più di due millesimi di secondo.
L’obiettivo principale dell’esperimento era quello di capire la natura di questo tipo di particella subnucleare, priva di carica elettrica e che interagisce pochissimo con la materia ordinaria. Oltre gli interessanti risultati già ottenuti in questo senso, gli scienziati della collaborazione hanno però notato un’anomalia nel tempo di percorrenza dei neutrini tra la sorgente e il rivelatore. In pratica queste particelle arrivano prima di quanto impiegherebbe un raggio di luce nel vuoto per coprire la stessa distanza. Stiamo parlando di una differenza infinitesima, solo qualche miliardesimo di secondo in meno. Ma comunque sufficiente per mandare in fibrillazione i fisici di tutto il mondo e non solo. Questo perché la Teoria della Relatività di Einstein, uno dei pilastri della nostra conoscenza delle leggi che regolano l’Universo,stabilisce che nulla può viaggiare a velocità superiore a quella della luce.
Negli ambienti scientifici c’è molta attenzione nei confronti di questi dati e, allo stesso tempo, molta ma molta cautela. Gli stessi scienziati di OPERA hanno ammesso di sentirsi ‘scioccati’ dai loro risultati, che hanno appena pubblicato in un articolo on line sul sito arxiv.org. “Chissà cosa è successo davvero tra Ginevra e il Gran Sasso, di certo è ancora difficile da capire” commenta Giovanni Bignami, presidente dell’Istituto Nazionale di Astrofisica. “Se questa scoperta verrà confermata da ulteriori prove ed esperimenti vorrà dire che la Teoria della Relatività andrà in qualche modo corretta”. Eppure un altro evento avvenuto nel cosmo nel 1987, ovvero l’esplosione di una supernova, aveva permesso agli astrofisici che avevano seguito l’evento con i loro strumenti di calcolare con estrema precisione la velocità dei neutrini prodotti in quell’immane deflagrazione. Un valore comunque inferiore alla velocità della luce. “Le misure del tempo di volo dei neutrini prodotti dalla supernova 1987a sono nettamente più precise di quelle dell’esperimento OPERA” dice Matteo Viel, ricercatore dell’INAF-Osservatorio Astronomico di Trieste. “Bisogna sottolineare però la differente energia delle particelle misurate nei due casi. Quelle provenienti dall’esplosione cosmica erano circa mille volte meno energetiche. C’è dunque molto lavoro da fare per verificare questi nuovi risultati. Certo è che se venisse confermata l’esistenza di questi neutrini tachionici, che cioè viaggiano a velocità superiori a quella della luce, le conseguenze nell’ambito dell’astrofisica sarebbero notevoli e coinvolgerebbero ad esempio gli effetti della materia oscura o i processi di formazione delle strutture nell’Universo, solo per citarne alcuni”.
Di Marco Galliani (INAF)
Sempre sul sito INAF: Ascolta Bignami a Storie dall’Astromondo sui Neutrini superveloci e l’intervista completa a Matteo Viel
Vedi anche l’articolo del 23 settembre 2011 “Neutrini … via più veloci della luce!!!”

La resurrezione di Lambda

La scoperta della radiazione cosmica di fondo ci ha dato un’idea della storia primordiale dell’universo, ma ha fatto nascere anche un problema. Oggi la materia esistente nell’universo è concentrata in ammassi di galassie, galassie e stelle. Queste strutture devono essersi formate da irregolarità iniziali nella densità della materia. Un punto che casualmente possedeva una densità maggiore rispetto agli altri avrebbe attratto a sé altra materia grazie alla forza di gravità. Il problema è che non ci fu abbastanza tempo perché ciò potesse accadere. Infatti poiché l’espansione agisce in senso opposto ad un ulteriore addensamento della materia, le differenze di densità si creano solo molto lentamente. All’inizio dell’Epoca della Trasparenza erano nell’ordine di un decimillesimo per cento. Sono queste differenze di densità che producono le macchie rilevate dal COBE. Da allora il valore di questi addensamenti può essere aumentato al massimo dell’un per cento rispetto alla densità media dell’universo. Eppure la densità media delle galassie è 100.000 volte superiore alla densità media dell’universo. Perciò le galassie non avrebbero potuto formarsi. Non c’era tempo sufficiente per farlo. Se l’occhio non lo contraddicesse in maniera eclatante, sarebbe uno scherzo per i cosmologi dimostrare che non possono esistere né galassie né stelle e pianeti né esseri umani.
Una via d’uscita c’è: abbiamo ragione di credere che nell’universo ci sia della materia che non emette radiazione ma che si fa notare attraverso la propria forza di gravità. Sembra che questa materia oscura sia molta di più della materia visibile. La materia oscura tradisce la sua presenza perché influenza il movimento delle stelle nella nostra Galassia. Nessuno sa ancora di cosa consiste questa misteriosa materia. Si tratta di corpi freddi, simili a pianeti, che si muovono fra le stelle, non brillano e dunque sfuggono alla nostra osservazione? Oppure si tratta di particelle di materia ancora sconosciute che ci circondano e ci pervadono ma non sono state ancora rilevate dai nostri strumenti di misurazione?
La materia oscura potrebbe risolvere il problema della nascita delle stelle e delle galassie. Forse si concentrò in zone di maggiore densità poco dopo il Big Bang. Nei punti in cui la materia oscura era più densa la materia luminosa potrebbe essersi concentrata più facilmente e aver formato galassie in tempi più brevi.
Anche dal movimento delle galassie all’interno degli ammassi di galassie gli astronomi hanno capito che l’universo è pieno di materia che non vediamo. In un ammasso le galassie si muovono in ogni direzione, ma quando una galassia si allontana troppo dal centro la forza di gravità delle altre la riporta subito indietro. Quanto più intensa è la forza di gravità, tanto prima la fuggiasca è costretta a ritornare sui suoi passi. Perciò le velocità delle galassie calcolate in base all’effetto Doppler e ai diametri degli ammassi di galassie ci rivelano l’intensità della forza di gravità che tiene insieme un ammasso. E poiché la materia visibile non basta a produrre una tale gravità deve esserci anche della materia invisibile la cui forza di gravità domina le galassie dell’ammasso. Questa materia esiste anche nella Via Lattea, ce la rivela il movimento delle stelle intorno al centro della Via Lattea. Se esse fossero soggette solo alla forza centrifuga, dovrebbero fuggire dalla Galassia. Ma la forza di gravità della Via Lattea le trattiene. Grazie alla forza di gravità possiamo calcolare la massa totale della nostra Galassia. Essa risulta dieci volte superiore a quella della materia visibile: nella Galassia c’è quindi dieci volte più materia di quella che vediamo. Noi siamo in grado di valutare la quantità totale della materia conosciuta, che i fisici chiamano materia barionica. Nei primi minuti di vita del nostro cosmo quando nacquero i diversi tipi di idrogeno ed elio, la quantità di protoni e neutroni presenti ebbe un ruolo decisivo. L’abbondanza cosmica degli elementi leggeri ci rivela ancor oggi quale fosse la quantità di materia barionica esistente allora. Da questa possiamo calcolare la sua densità odierna. Essa assomma solo al 10 per cento della materia che esercita una forza di gravità. La maggior parte della materia oscura è quindi diversa dalla materia che noi conosciamo. Anche se non sappiamo nulla riguardo a questa materia misteriosa, essa ha già un nome: materia non barionica. La materia barionica rappresenta quindi solo una frazione dell’intera materia dell’universo.
La materia oscura rivela la sua presenza grazie alla forza di gravità che esercita. Ma c’è un’altra sostanza sconosciuta che si fa notare per la sua forza repulsiva. Questa sostanza ha una lunga storia.
Prima del 1929 gli astronomi credevano che l’universo fosse stazionario, che non si espandesse né collassasse su se stesso. Dieci anni prima che fosse scoperta l’espansione dell’universo, Einstein cercò di applicare all’intero cosmo le sue equazioni della teoria generale della relatività. Ottenne solo modelli in cui l’universo o si espandeva o si contraeva. Le equazioni, insomma, non gli fornivano un modello stazionario. Perciò riesaminò la teoria della relatività e notò che le regole in base alle quali l’aveva ricavata ammettevano, accanto alla forza di gravità, l’esistenza di una forza repulsiva che prima non aveva considerato. L’aggiunta di questa forza alle equazioni di Einstein non ha conseguenze per i moti dei pianeti e neanche per quelli delle galassie. I suoi effetti diventano significativi soltanto quando si considera l’universo nel suo insieme.
Quando Einstein modificò le sue equazioni esse gli fornirono un universo stazionario che corrispondeva alle aspettative degli astronomi del tempo. Mentre all’interno della Galassia e a maggior ragione nel Sistema Solare domina la forza di gravità, a distanze di miliardi di anni luce la forza repulsiva prende il sopravvento. Per dar conto di questa forza Einstein introdusse nelle sue equazioni una nuova costante naturale, la costante cosmologica, che indicò con la lettera greca Lambda. Grazie all’aggiunta di questa costante ora le equazioni gli fornivano un universo stazionario. In seguito tuttavia Hubble scoprì che l’universo si espandeva Nel gennaio del 1931 Einstein si recò in visita all’osservatorio di Monte Wilson, discusse con Hubble ed i suoi collaboratori e si convinse che l’universo non era affatto stazionario. Veniva così a cadere la ragione per la quale aveva introdotto la costante cosmologica. Da quel momento pare che Einstein abbia considerato proprio l’introduzione di Lambda l’errore più grave della sua vita. E fu così che il grande Einstein voltò le spalle alla costante cosmologica.
Eppure Lambda esiste davvero. Si è infatti scoperto che il movimento di espansione delle galassie lontane è un po’ inferiore di quello previsto dalla legge di Hubble. E poiché quando osserviamo le regioni più remote dello spazio guardiamo anche in un passato lontano , questo significa che un tempo l’espansione era più lenta. Oggi dunque l’universo si espande più velocemente. Alla base di questa accelerazione potrebbe esserci la forza di repulsione che Einstein portò alla ribalta con il nome di Lambda.
Da: “Cosmologia da tasca” di Rudolf Kippenhahn pagine 116 – 127

Voci precedenti più vecchie