Bilancio di un anno e... buon 2010!

Sta per finire il 2009 e dovunque mi guardi intorno, siti, blog, quotidiani, riviste, stilano il solito bilancio dell'anno, riassumendo le principali notizie e preparandosi al prossimo giro del nostro pianeta intorno al Sole... sarà forse il caso di farlo anche per questo blog?

È stato un lungo anno, questo Anno dell'Astronomia 2009... non avevamo mai scritto per il pubblico e riuscire a tenere uno spazio regolare per un anno intero era una grande sfida che sembrava quasi impossibile da sostenere... quando i primi di noi hanno iniziato a pensare seriamente a questa idea, quando l'abbiamo proposta ai ragazzi del Denaro, non sapevamo bene che forma avrebbe preso... ma poi, grazie alla partecipazione di tanti amici e colleghi, siamo riusciti a mantenere la parola!

Ed è così che "A riveder le stelle" ha raccontato, settimana dopo settimana, tanti pezzetti del nostro Universo, a partire dagli oggetti più piccoli e prossimi a noi - la nostra Terra, le comete, i pianeti e satelliti vicini - passando per le stelle, dalla nascita fino alla morte, per poi arrivare ai più grandi e lontani agglomerati cosmici - le galassie, gli ammassi di galassie, la struttura dell'Universo su grande scala e la sua espansione - cercando di capire perché tutti questi corpi sono distribuiti proprio in questo modo.

Abbiamo presentato i telescopi più all'avanguardia, che scrutano il cielo in diverse bande dello spettro elettromagnetico, dalle onde radio ai raggi gamma, passando per un telescopio che ricorda un grande binocolo e per un osservatorio a bordo di un aeroplano, senza dimenticare l'ottica adattiva, la potente tecnica utilizzata per ridurre gli effetti nocivi della turbolenza atmosferica sulle immagini astronomiche.

Abbiamo inoltre raccontato le ultime news per quanto riguarda sonde e satelliti che scrutano il cosmo al di fuori della Terra: il lancio del satellite Planck, che osserva la radiazione cosmica a microonde, la riparazione del Telescopio Spaziale Hubble, l'ultimo passaggio vicino al nostro pianeta della sonda Rosetta, che studierà una cometa molto, ma molto da vicino.

Abbiamo provato anche a spiegare lo stato attuale della nostra conoscenza a proposito della composizione dell'Universo, cominciando dall'origine degli elementi presenti sulla Terra fino alla materia oscura ed energia oscura, che permeano l'Universo ma della cui natura si sa ancora poco, passando per gli elusivi neutrini e le particelle oggetto di studio di acceleratori come il Large Hadron Collider.

Abbiamo anche enumerato le tecniche per individuare altri pianeti fuori del Sistema Solare, passando in rassegna i telescopi spaziali dedicati a questa ricerca e interrogandoci sulla possibilità che la vita esista altrove nell'Universo.

Abbiamo celebrato due anniversari significativi - i 40 anni da quello che è passato alla storia come il primo "allunaggio" e i 90 anni dall'esperimento che confermò la teoria della Relatività Generale di Einstein - e abbiamo proposto una riscoperta del cielo anche ad occhio nudo - comete, eclissi, "stelle cadenti" - in ricordo di un altro anniversario notevole, i 400 anni dalle prime osservazioni di Galileo (e dalle accese dispute che ne conseguirono).

Abbiamo tenuto sempre un occhio sulla fisica che si cela dietro alle splendide immagini del cosmo, tentando di spiegare il significato di parole come buchi neri, quasar, lenti gravitazionali, lampi di raggi gamma, teoria del caos...

Abbiamo imparato tanto in questo anno, e speriamo di essere anche riusciti (almeno un pochino) nell'intento di raccontare cosa sia davvero la ricerca nel campo dell'astronomia. Speriamo che anche i nostri lettori abbiano imparato qualcosa e che si siano divertiti nel seguirci.

Cosa sarà di questo blog il prossimo anno, ancora non lo sappiamo... per scoprirlo, continuate a seguirci... buon 2010 a tutti i lettori di "A riveder le stelle" !!

Galassie, particelle ed altri traguardi

Leggendo le news scientifiche riportate dai principali media, si ha spesso l’impressione che la ricerca sia una grande gara: chi arriva primo al traguardo sarà ricordato per sempre, e dopo una grande scoperta i casi sono archiviati. Di solito non si tratta di una descrizione fedele della realtà. Talvolta, però, l’atmosfera di gara contro il tempo non è soltanto il succo del messaggio filtrato dai mezzi di comunicazione, ma fa parte della routine stessa degli scienziati. Almeno, qualche volta. Vediamone alcuni esempi molto recenti.

Lo scorso maggio, il Telescopio Spaziale Hubble è stato visitato da un team di astronauti che hanno sostituito e riparato alcuni dei suoi strumenti, aumentando enormemente le sue già elevate prestazioni. Il potente occhio che scruta il cosmo al di fuori della nostra atmosfera è risorto a nuova vita, ed ha compiuto numerose osservazioni durante l’estate. Uno degli obiettivi più ambiti dagli astronomi è il cosiddetto Hubble Ultra Deep Field, il campo estremamente profondo: si tratta di una fotografia del cielo ottenuta esponendo per oltre 48 ore, per cercare di captare la luce delle galassie più lontane da noi, tra le prime ad essersi formate nell’Universo. Già il “vecchio” Hubble, prima dell’installazione dei nuovi strumenti, aveva ottenuto immagini spettacolari, individuando galassie formatesi solo 800 milioni di anni dopo il Big Bang, e i risultati promessi dai nuovi strumenti erano attesi con gran trepidazione. I primi dati sono stati resi pubblici lo scorso 9 settembre all’intera comunità scientifica. Solo due giorni dopo, nel database dove gli astronomi caricano i loro articoli scientifici, c’erano già quattro articoli che riportavano la scoperta delle galassie più lontane mai viste finora, formatesi tra 700 e 550 milioni di anni dopo il Big Bang. Per ottenere questi numeri, i membri dei gruppi che hanno presentato questi lavori raccontano di aver lavorato ininterrottamente per 48 ore all’analisi dei dati: probabilmente parte del lavoro era già pronto, ed aspettavano soltanto i dati veri per tirare fuori i numeri. Dopo oltre tre mesi, quei primi risultati non sono ancora stati del tutto confermati, mentre gli articoli pubblicati sull’argomento sono aumentati, sia in numero che in accuratezza dell’analisi. In fondo, non importa trovare “la” galassia più lontana, anche se forse quello è il (momentaneo) traguardo che rimane impresso nella memoria collettiva. I risultati interessanti per comprendere la formazione delle galassie e l’intera storia del nostro universo si ottengono individuando “tante” galassie lontane e non in due giorni, ma in settimane e mesi di lavoro.

Analogamente, le ultime settimane hanno visto una simile corsa nel campo della fisica delle particelle. L’acceleratore LHC (di cui ci siamo occupati la settimana scorsa) ha iniziato a funzionare al CERN di Ginevra, anche se ancora a basse energie. Le prime collisioni di protoni sono avvenute il 23 novembre, e soltanto cinque giorni dopo un articolo che riportava i risultati ottenuti era già pronto per la pubblicazione, firmato da un’immensa collaborazione di fisici che in quei giorni hanno lavorato non-stop. Anche in questo caso, tanta parte del lavoro era già stata preparata da mesi, e si aspettavano con ansia i dati da buttare in pasto all’analisi per tirare fuori i primi numeri. La corsa ad essere i “primi” ha accelerato il lavoro, anche se si dovranno aspettare ancora mesi per il risultato principale atteso dall’esperimento, ovvero la conferma (o meno) che la cosiddetta particella di Higgs esista, e le conseguenti implicazioni sulle teorie fisiche fondamentali.

Lo scorso giovedì, inoltre, sono stati annunciati i risultati di un altro importante esperimento per la fisica delle particelle, condotto negli Stati Uniti e dedito a cercare di individuare, in laboratorio, la cosiddetta materia oscura che gli astrofisici ritengono pervada l’universo. L’esperimento si chiama CDMS (Cryogenic Dark Matter Search) e si trova in una miniera, quasi un chilometro sottoterra, nel Minnesota. Ma già una decina di giorni prima dell’annuncio stesso, la comunità scientifica era in gran fermento. Prima di conoscere la natura stessa dei nuovi dati che stavano per essere pubblicati, ma basandosi semplicemente sulla notizia che “alcuni” dati sarebbero stati annunciati a proposito della materia oscura, almeno tre gruppi nel mondo avevano già iniziato a preparare articoli analizzando le possibili conseguenze teoriche di questi risultati! Alla fine, l’annuncio non è stato epocale come ci si aspettava: due osservazioni compiute con CDMS “potrebbero” essere spiegate con la materia oscura, ma non necessariamente. C’è bisogno di ulteriori osservazioni e, ovviamente, di lunghe analisi per interpretare i risultati ottenuti.

Perché correre, dunque? Per essere i primi a trovare la galassia più lontana, la particella più elusiva? Per accontentare dei mezzi di comunicazione affamati di notizie che dimenticano il giorno successivo? Dopo un anno passato dietro le fila di questa rubrica, porsi queste domande è naturale. Abbiamo provato a proporre, con “a riveder le stelle”, uno spazio alternativo, che ai racconti di gare e traguardi sostituisse una riflessione più attenta sulla scienza nascosta dietro ogni risultato. Speriamo di esserci riusciti, almeno un pochino. Colgo l’occasione per salutare tutti i lettori e ringraziare tutti i collaboratori che hanno scritto durante questo lungo Anno dell’Astronomia 2009.

CLAUDIA MIGNONE

Nell'immagine, la versione più recente dell'Hubble Ultra Deep Field, realizzata tramite osservazioni nella banda infrarossa per catturare la luce delle galassie più lontane, tra le prime a formarsi nell'universo. Per capire la profondità di queste osservazioni, si pensi che i lati dell'immagine, nel cielo, sono circa 12 volte più piccoli del diametro della Luna! (NASA, ESA, and the HUDF09 Team)

Gli scienziati e i popoli

Bilancio di una delicata convivenza dopo Copenaghen

Lo studio dei corpi celesti e della fisica che caratterizza i loro meccanismi di formazione e di evoluzione ha rappresentato un importante campo della ricerca scientifica del XX secolo. La scoperta dei processi fisici che stanno alla base del riscaldamento del nostro Sole – le reazioni nucleari, e quindi indirettamente della superficie terrestre per irraggiamento, ha portato gli scienziati della prima metà del secolo scorso a costruire il tremendo ordigno nucleare. Un migliore e più pacifico impiego di queste tecnologie è stato poi, quello di sfruttare l'energia rilasciata dalle reazioni nucleari per avviare le ormai tanto dibattute e discusse centrali nucleari. Oggigiorno varie analisi e tecnologie sono in fase di sviluppo per ottimizzare l'impiego dei pannelli solari e fotovoltaici ad un uso domestico e per un impiego maggiormente eco-compatibile. Voglio sottolineare quindi con questi esempi che la fisica e l'astrofisica non sono studi lontani dalla società ma anzi sono strettamente correlati allo sviluppo e miglioramento delle nostre condizioni e dei nostri stili di vita.

Diverse ricerche concordano sul fatto che le città in cui viviamo sono sempre più inquinate e piene di anidride carbonica (CO2), l'impiego delle vecchie tecnologie al carbone deve essere rimpiazzato con qualcosa di nuovo e più eco-sostenibile, considerando sopratutto il crescente fabbisogno delle nuove superpotenze, e super-popolate, Cina, India e Brasile.

Penso quindi che ad uno scienziato bisognerebbe dare la possibilità di poter dire la sua, di poter giudicare scelte politiche e governative, e proporre alternative rispetto a quelle principalmente guidate da interessi economici e di mercato fatte dai capi di Governo.

A questo proposito vorrei portare alla luce un episodio recentemente avvenuto durante i giorni del vertice sul clima e riscaldamento globale tenutosi a Copenaghen. Nella capitale danese nei giorni scorsi si sono riuniti centoventi capi di Stato e di Governo, trentamila accreditati, quindicimila delegati e oltre cinquemila giornalisti per discutere, analizzare e capire verso che direzione bisogna tutti insieme muoversi per evitare il continuo aumento di CO2 e il riscaldamento globale al quale siamo tutti soggetti. Varie sono state le personalità e gli scienziati che si sono succeduti sui palchi e in mezzo ai forum di discussione del “Bella Center”. Tra i cosiddetti tecnici interessati a portare il loro contributo vi era anche Luca Tornatore. Luca è un ricercatore in astrofisica presso l'Osservatorio Astronomico di Trieste, è autore di una ventina di pubblicazioni scientifiche di rilevanza internazionale ed era, o meglio è – ahimè – ancora lì a Copenaghen. Luca è stato arrestato il giorno 14 Dicembre, subito dopo aver tenuto un intervento pubblico, con l'accusa di aver lanciato una molotov durante uno scontro tra manifestati e polizia, al quale non sembra aver mai partecipato. Luca ha una personalità molto carismatica, ed è una persona che riesce a suscitare curiosità e interesse anche se lo si incontra una sera d'estate per bere una birra tra le piazze di Trieste.

Luca è stato costantemente presente nei vari forum e dibattiti, intervenendo con competenza e piena partecipazione, è stato sempre visibile e si è fatto sentire anche quando bisognava fare la voce grossa. Molto probabilmente per questo è stato identificato dalla polizia come un possibile istigatore e ingiustamente trattenuto. Ora si trova in carcere a Copenaghen, in attesa di una sentenza, che in un primo momento doveva tenersi per direttissima il giorno 14, ma che successivamente è stata spostata di un mese. Luca sta bene, è motivato ad andare avanti sostenendo la sua totale innocenza ed estraneità ai fatti di cui è accusato. Ha ricevuto diverse cartoline di auguri e di sostegno, e solo alcuni dei libri che gli sono stati inviati dagli amici e colleghi. Ha riavuto da alcuni giorni i suoi occhiali per poter leggere, e sta scrivendo per poter raccontare realmente come anche nella civile e nordica Danimarca le condizioni e i diritti di un detenuto non vengano rispettati, ma dipendano principalmente dalla guardia carceraria di turno.

Per la cronaca, il vertice si è concluso alcuni giorni fa, e con la mediazione del presidente statiunitense Barack Obama si è riusciti a giungere ad una bozza di accordo tra la due superpotenze USA e Cina per limitare il surriscaldamento globale di al massimo di due gradi entro fine secolo, stanziando trenta miliardi di dollari dal 2010 al 2012 e centro miliardi annui fino al 2020. Penso che, se persone competenti e studiosi alzassero di più la voce per farsi sentire nel rumoroso vociare di disaccordi e scontri politici, probabilmente i termosifoni che surriscaldano il pianeta Terra potrebbero spegnersi quanto prima. Un grosso saluto a Luca e alla prossima.

CARLO GIOCOLI

Appello per l’immediato rilascio del dottor Luca Tornatore - a quelle del mondo scientifico e universitario si stanno in queste ore aggiungendo le sottoscrizioni di decine di cittadine e cittadini:
http://www.petizionionline.it/petizione/per-la-liberazione-di-luca-tornatore/437

Aspettando la particella di Higgs

Il 23 Novembre 2009 è stato un giorno fondamentale nel campo della fisica delle particelle: le prime collisioni sono avvenute al Large Hadron Collider (LHC), il grande esperimento in corso al CERN di Ginevra.

Il LHC è il più grande e potente acceleratore di particelle a livello mondiale. Ha una circonferenza di 27 km e si trova a circa 100 m sotto terra. Due fasci di protoni, le particelle fondamentali che, insieme ad elettroni e neutroni, compongono gli atomi, vengono fatti circolare in direzioni opposte e vengono fatti scontrare in diversi punti dell'esperimento. Le prime collisioni sono avvenute con protoni a velocità pari al 99.9998% della velocità della luce. Successivamente, l'energia dei protoni è stata gradualmente aumentata e, in meno di dieci giorni, il LHC ha già raggiunto energie mai ottenute in precedenza. In futuro si riuscirà ad accelerare fasci di protoni fino ad una velocità pari al 99.9999991% della velocità della luce, che verranno in seguito fatti collidere.

La teoria che descrive la nostra conoscenza nel campo delle particelle elementari e delle loro interazioni è denominata "Modello Standard". Esso rappresenta un vero e proprio modello matematico, basato su importanti simmetrie, che costituiscono la base della teoria. Per spiegare il fatto che le particelle hanno una massa, al Modello Standard viene affiancato il cosiddetto meccanismo di Higgs, che prende il nome da Peter Higgs, uno dei fisici che ne teorizzò l'esistenza.

Per capire come questo meccanismo funziona, si possono assimilare le particelle elementari a biglie di plastica molto leggere. Immaginate adesso di immergerle in una vasca riempita con un fluido denso, per esempio miele. Nel muovere le biglie all'interno della vasca, avrete l'impressione che esse siano diventate più pesanti. A livello microscopico, le particelle elementari acquistano una massa in maniera analoga alle biglie immerse nel miele, attraverso l'interazione con il cosiddetto "campo di Higgs". Il meccanismo di Higgs predice, inoltre, l'esistenza di una nuova particella, denominata, per l'appunto, particella o bosone di Higgs.

Lo scopo primario del LHC è proprio quello di svelare l'origine della massa, attraverso la scoperta della particella di Higgs. Ci si aspetta, inoltre, che il LHC possa rivelare nuovi tipi di particelle, predette da teorie più complesse del Modello Standard. Queste teorie, in generale, forniscono una risposta ad altre domande fondamentali, come, per esempio, la natura della Materia Oscura, che gli astrofisici ritengono pervada l'Universo.

Circa quindici anni sono passati da quando la costruzione del LHC venne approvata dal CERN, alla fine del 1994. Dopo anni di lavori per la costruzione di questo enorme acceleratore, i fisici di tutto il mondo aspettano impazienti importanti scoperte. Oltre a fornire risposte a domande fondamentali, dal LHC si aspettano anche importanti ricadute tecnologiche. Si ricordi che proprio al CERN nel 1989 nacque il World Wide Web, che ha radicalmente cambiato la nostra vita quotidiana.

VIVIANA NIRO

Nell'immagine, la mastodontica struttura del rivelatore di ATLAS, uno degli esperimenti del LHC. Al centro dell'immagine, un enorme calorimetro, in grado di misurare l'energia delle particelle prodotte dallo scontro dei protoni; gli otto giganteschi tubi sono in realtà potenti magneti, necessari per accelerare le particelle e mantenerle su una certa traiettoria. Immagine CERN/ATLAS.

Amici e compagni celesti

Volgendo gli occhi al cielo notturno non c'è dubbio che una delle prime impressioni che ci vengono in mente è: perché le stelle che vediamo sono disposte proprio in quel modo nella sfera celeste? Ovviamente una più precisa domanda richiederebbe la sostituzione della parola "stelle" con il termine più generale di corpi celesti. Difatti guardando più in dettaglio le cosiddette stelle non sono solo stelle ma anche galassie, pianeti e asteroidi. E come mai si raggruppano gli uni vicino agli altri? La risposta è che la forza di gravità porta i corpi celesti ad avvicinarsi gli uni agli altri man mano che trascorre il tempo.

Proviamo a iniziare ad esempio guardando dentro “casa nostra”: la prima cosa che si nota è che la Luna, la “compagna” della Terra, gira intorno ad essa. A sua volta il nostro pianeta gira intorno al Sole, che si trova al centro del Sistema Solare. Attorno ad esso orbitano gli 8 pianeti (in ordine di distanza: Mercurio, Venere, Terra, Marte, Giove, Saturno, Urano e Nettuno), più una vasta famiglia di corpi più piccoli tra cui comete, asteroidi, e alcuni pianeti nani come Cerere e l'ormai declassato Plutone con il suo compagno Caronte. La Terra si trova ad una distanza dal Sole di circa 150 milioni di chilometri: la luce percorre questa distanza in circa 8 minuti, mentre impiega più di 5 ore a raggiungere Plutone!


I corpi del Sistema Solare tendono quindi a stare in compagnia, e questo è dovuto al processo di formazione avvenuto, molto probabilmente, dal collasso gravitazionale di una cosiddetta nube protoplanetaria. Se andiamo oltre il sistema solare notiamo che il Sole ha altre stelle come “vicine di casa”. La più vicina è Alpha Centauri, che fa parte di un sistema stellare triplo (Proxima, Alpha A e Alpha B Centauri), a una distanza di 4.3 anni luce: questo vuol dire che potendo viaggiare alla velocità della luce impiegheremmo 4 anni e 4 mesi per raggiungerlo. Anche Sirio, la stella più brillante del cielo notturno, è abbastanza vicina al Sole ed è la quinta, in ordine di distanza da esso, a circa 8.58 anni luce.


Un'altra cosa che ha sempre incuriosito chi guarda il cielo notturno è una fascia nella volta celeste dove si addensa un gran numero di stelle. Queste stelle, ovviamente insieme al nostro Sole, si uniscono nel comporre un numerosissimo sistema stellare (all'incirca di alcune centinaia di miliardi) a cui appartengono in effetti tutte le stelle che vediamo ad occhio nudo in cielo: si tratta della nostra galassia, la Via Lattea. Considerando la nostra galassia per intero ci accorgiamo anche di quanto la distanza del Sole da Alpha Centauri e Sirio, di pochi anni luce, sia irrisoria rispetto all'Universo su grande scala: già il Sole dista ben 27,000 anni luce dal centro della Via Lattea.

La Via Lattea è una galassia cosiddetta “a spirale” che si estende per circa 78,500 anni luce e a sua volta fa parte di un sistema di diverse galassie detto Gruppo Locale. Quindi vediamo che tutti gli oggetti celesti tendono ad avere dei loro simili come vicini di casa. Il Gruppo Locale è infatti formato da una cinquantina di galassie, ha centro in un punto compreso tra la Via Lattea e la vicina galassia di Andromeda, e si estende per circa una decina di milioni di anni luce. Tra i membri, oltre alla Via Lattea ed Andromeda, ricordiamo la galassia del Triangolo, la Piccola e la Grande nube di Magellano e un considerevole numero di piccole galassie, ellittiche e sferoidali, dette galassie nane, come la galassia di Barnard, Leo I e II. Su scala ancora più grande, il Gruppo Locale fa a sua volta parte, insieme ad altri gruppi di galassie, di un enorme sistema detto Superammasso della Vergine, uno dei tantissimi ammassi di galassie che popolano l’Universo. Noi, con il nostro sistema solare, la Via Lattea e il Gruppo Locale, ci troviamo alla periferia del Superammasso e ci stiamo lentamente muovendo verso il suo centro.

Nell'Universo, gli oggetti celesti si accompagnano dunque gli uni agli altri, si avvicinano e si allontanano un po' come facciamo noi esseri umani con le persone che ci circondano. La differenza è che, mentre le relazioni umane possono essere sia attrattive che repulsive, il rapporto di "amicizia" dei corpi celesti è governato dalla forza di gravità e sarà quindi sempre attrattivo.

CARLO GIOCOLI

Nell'illustrazione in alto, i pianeti del Sistema Solare, i più prossimi compagni della Terra, e sullo sfondo, la gran quantità di stelle, lontane amiche del Sole, che insieme formano la Via Lattea (www.pianeti.info).
Nell'illustrazione in basso, agglomerati cosmici via via più grandi: da sinistra a destra, e dall'alto verso il basso, il Sistema Solare, il "vicinato" del Sole, con tutte le stelle dei dintorni, il "reame" galattico, formato della Via Lattea e dalle galassie più vicine, il Gruppo Locale ed infine il Superammasso della Vergine. La posizione della Terra è indicata in rosso, e le scale delle rispettive figure sono riportate accanto alle immagini (Agenzia Spaziale Tedesca - DLR/Azcolvin).

Un pianeta abitato: il nostro!

La scorsa settimana ci siamo occupati della sonda Rosetta e del suo viaggio in corso alla ricerca delle origini del nostro Sistema Solare. La strada di Rosetta prevede tre incontri gravitazionali con la Terra, di cui l'ultimo è avvenuto lo scorso 13 Novembre: il suo punto più vicino ha coinciso all'incirca con l'isola di Java, in Indonesia, "sfiorato" a 2500 km di quota. Da questa posizione privilegiata, la sonda ha scattato delle incantevoli foto del nostro piccolo pianeta blu.

Vista la bellezza di queste immagini, abbiamo pensato di continuare sulla scia dello scorso post e di riproporre, attraverso il servizio fotografico realizzato da Rosetta, il silenzioso spettacolo offerto dal nostro pianeta.



In alto, una falce di Terra illuminata dal Sole: si riconoscono il Sud America e l'Antartide.

In basso, un'animazione mostra le immagini scattate da Rosetta, nell'arco di 24 ore, durante il suo avvicinamento alla Terra.

In alto, il nostro pianeta avvolto tra le nubi.

In alto, immagine in falsi colori dell'anticiclone sull'Oceano Pacifico Meridionale.

In basso, un campo più esteso, centrato sull'anticiclone nel Pacifico Meridionale. La scala di grigi in questa immagine è esattamente come la potrebbe percepire l'occhio umano dallo spazio.

Immagini ESA (www.esa.int)

Inseguendo una cometa per decifrare le nostre origini

Abbiamo dovuto aspettare il 1800 ed il fortuito ritrovamento di circa 800 kg di granito per riuscire a tradurre i geroglifici egizi. La "stele di Rosetta" è una lastra che riporta lo stesso testo in greco ed egizio, il che consentì, grazie alla conoscenza del greco, di decifrare i geroglifici e darci oggi la conoscenza di una lingua che sarebbe altrimenti rimasta per sempre immersa nel mistero.

Allo stesso modo la missione Rosetta è oggi lungo la sua strada per arrivare a decifrare "iscrizioni" testimonianti le origini del nostro Sistema Solare. Questa volta, tuttavia, piuttosto che aspettarne l'affiorare casuale da qualche polveroso sito archeologico, le tracce che cerchiamo si nascondono su qualcuno dei corpi più remoti del nostro Sistema Solare: moderni siti archeologici tutt'altro che polverosi. Comete ed asteroidi, infatti, possono considerarsi come i bozzoli rimanenti dalla formazione del nostro Sistema Solare e dunque rappresentano i posti migliori ove andare alla ricerca delle nostre iscrizioni.

Durante l'epoca della formazione del Sistema Solare (più di 4 miliardi di anni fa) un enorme disco di polveri roteante attorno ad un embrione del nostro Sole ha iniziato ad addensarsi dando vita a corpi di dimensioni via via più considerevoli. I più grandi, detti planetoidi, hanno iniziato anche ad avere una "vita" gravitazionale e geologica propria, mentre i corpi più piccoli non hanno raggiunto dimensioni sufficienti per attirare altre polveri. Formatisi nelle regioni più esterne del Sistema Solare, così fredde che molti dei materiali del disco di polveri, compresa l'acqua, si trovavano allo stato solido, hanno conservato parte della loro struttura chimica senza subire significative modifiche successive.

Alcuni dei corpi in questione sono oggi comete: ammassi di roccia e soprattutto ghiaccio che si muovono attorno al Sole lungo orbite molto ellittiche. Ciò consente loro di sperimentare condizioni ed ambienti completamente diversi, da regioni estremamente oscure e fredde, molto oltre i pianeti più esterni, fino a zone in cui l'influsso solare è così forte, sia in termini di gravità che di calore, da cambiarne radicalmente la loro struttura fisico-chimica, regalandoci d'altro canto le superbe chiome. Per scovare e utilizzare la nostra nuova stele dobbiamo riuscire a raggiungere ed esplorare una cometa prima del suo primo avvicinamento al Sole, “colpevole” di cancellare completamente gli indizi di cui siamo alla ricerca.

La sonda Rosetta, il cui nome è direttamente mutuato dalla celebre stele di cui sopra, è stata lanciata dall'Agenzia Spaziale Europea (ESA) nel 2004 ed ha come obiettivo primario la cometa 67P/Churyumov-Gerasimenko. Dopo quasi 5 anni Rosetta è circa a metà strada del suo viaggio, che terminerà nel 2014 al di là dell'orbita di Giove, 10 anni dopo il lancio ed in condizioni tali per cui sarà possibile iniziare a girare attorno alla cometa invece che passarci soltanto accanto.

Al fine di leggere la nostra stele e di sfruttare al meglio il lungo cammino fatto, la sonda porta con sé anche Philae, un piccolo robottino (quello che si usa chiamare un "lander") che verrà rilasciato da Rosetta molto lentamente fino ad atterrare sulla cometa. La gravità di 67P è, comunque, così bassa (stiamo parlando di un "masso" di circa 4 km di diametro) che alcune trivelle e cavi saranno necessari affinché il lander non rimbalzi sulla cometa e si perda negli spazi interplanetari.

Raggiungere una cometa è un viaggio molto più particolare di quello "standard" che si adotta per raggiungere un pianeta. La gravità di ognuno dei corpi massicci del Sistema Solare può essere sfruttata per modificare un'orbita iniziale raggiungibile con una spesa moderata dalla Terra in un'orbita più energetica con una spesa di combustibile molto bassa o, al limite, anche nulla. Il trucco consiste nel "rubare" un po' dell'energia gravitazionale del pianeta passandogli molto vicino. Il pianeta, infinitamente più massiccio della nostra Rosetta, non si accorgerà di nulla, la sonda, invece, riceverà una spinta significativa che la accelererà verso la sua destinazione.

La strada di Rosetta prevede tre incontri gravitazionali con la Terra ed uno con Marte prima di riuscire a raggiungere la cometa 67P e mettersi in orbita attorno ad essa in maniera da poterla seguire per un certo periodo lungo il suo cammino verso il Sole. L’ultimo passaggio della sonda vicino alla Terra è avvenuto lo scorso 13 Novembre 2009: abbiamo assistito, pertanto, all'ultima possibilità per noi di vedere da vicino Rosetta e per lei di osservare da vicino un pianeta abitato. Durante il suo cammino Rosetta ha già visitato, nel Settembre 2008, anche l'asteroide 2867 Steins; la prossima tappa, nel suo piccolo tour di corpi minori del Sistema Solare, sarà, tra circa un anno, il passaggio ravvicinato con l'asteroide Leutelia, altro piccolo passo importante per la nostra ricerca di indizi sulle origini del Sistema Solare.

Successivamente la sonda sarà "spenta", ovvero messa in quello che si chiama uno stato di ibernazione in cui solo un flebile beep dal suo computer principale continuerà a raggiungere la Terra. Il letargo, pianificato per risparmiare energia durante la parte più fredda del suo viaggio, durerà per ben quattro anni prima di rendere nuovamente operativa tutta la strumentazione di bordo in prossimità della cometa. Solo allora i suoi strumenti saranno nuovamente accesi per il nostro ultimo assalto ai geroglifici che ancora celano le nostre origini.

PIERPAOLO PERGOLA

Nelle immagini, dall'alto verso il basso: la stele di Rosetta, risalente al II secolo a.C. ed esposta al British Museum di Londra; una rappresentazione dell'incontro tra la sonda spaziale Rosetta e la cometa 67P/Churyumov-Gerasimenko, che avverrà nel 2014; la complessa traiettoria della sonda Rosetta attraverso le orbite di vari corpi del Sistema Solare.

Gli oscuri ammassi di galassie

Le galassie nell’universo tendono a stare in compagnia: gli astronomi se ne accorsero già negli anni Trenta, analizzando le lastre fotografiche realizzate presso quelli che all’epoca erano i più potenti osservatori del mondo. Riconoscere gli “agglomerati” di galassie in un’immagine a due dimensioni non è banale: spesso, infatti, due o più galassie appaiono vicine soltanto per un effetto di proiezione, che le fa cadere nello stesso punto della volta celeste benché siano in realtà lontanissime fra loro. In altri casi, invece, si tratta di galassie fisicamente vicine, che sentono l’una l’attrazione gravitazionale dell’altra: a seconda del numero di oggetti coinvolti, gli astronomi parlano di gruppi (qualche decina) o di ammassi (fino a qualche migliaio) di galassie.

Gli ammassi di galassie sono le più grandi strutture, nell’universo, ad essere tenute insieme dalla forza di gravità. Si estendono fino a decine di milioni di anni-luce e hanno una massa che può arrivare a qualche milione di miliardo di volte quella del Sole. Eppure di questa massa le galassie rappresentano meno del dieci percento! Gli astronomi continuano a chiamarli ammassi di galassie per motivi storici, ma, come si è scoperto in seguito, le componenti principali di questi giganti cosmici sono il gas, caldissima mistura di elettroni e protoni ad una temperatura di almeno dieci milioni di gradi, che emette raggi X, e la materia oscura, che non emette luce e non può quindi essere osservata, ma la cui presenza si può intuire indirettamente.

Isolare i contributi dovuti a galassie e gas è relativamente semplice: le prime si possono osservare con i tradizionali telescopi ottici, il secondo grazie ai satelliti che operano nella banda dei raggi X. La materia oscura, invece, rappresenta invece un argomento delicato e, in alcuni ambienti, ancora controverso.

La massa totale di un ammasso si può studiare mediante l’effetto di lente gravitazionale, o lensing gravitazionale, che esso esercita sulle galassie lontane, situate “dietro” l’ammasso: la loro forma viene distorta in un modo caratteristico, descritto dalla teoria della relatività generale di Einstein, che dipende dalla quantità totale di materia contenuta nell’ammasso. Molti astrofisici, ma non tutti, ritengono che gli ammassi siano dominati da questa elusiva materia oscura, e ad essa attribuiscono la massa totale ricostruita tramite il lensing gravitazionale.


Nel 2006, un oggetto molto particolare ha fatto luce su questi oscuri argomenti: il “Bullet Cluster” (dall’inglese, Ammasso Proiettile). Si tratta in realtà di due ammassi che si sono “recentemente” scontrati: la “nube” di gas nell’ammasso di destra (il proiettile) ha infatti la tipica forma di un’onda d’urto, forgiata dalla collisione con l’altro. Il gas ha subito un rallentamento durante lo scontro, una sorta di “attrito” che lo ha separato sia dalle galassie che dalle regioni dove invece si trova la maggior parte della materia dei due ammassi così com'è stata “individuata” dagli studi di lensing gravitazionale. Questa separazione mostra che la maggior parte della materia ha interagito con il gas solo mediante la gravità. L’aspetto di questi “rottami” cosmici è dunque interpretato come evidenza dell’esistenza della materia oscura.

CLAUDIA MIGNONE

In questa immagine del “Bullet Cluster” le osservazioni delle galassie (in bianco/giallo) e del gas (in rosa) sono affiancate alla ricostruzione della massa realizzata attraverso il lensing gravitazionale (in blu). Immagine di NASA/CXC/CfA/M.Markevitch et al. (osservazioni X); NASA/STScI, Magellan/U.Arizona/D.Clowe et al. (osservazioni ottiche); NASA/STScI, ESO WFI, Magellan/U.Arizona/D.Clowe et al. (ricostruzione mediante il lensing).

Tutti gli occhi puntati sulla Via Lattea

Chiunque abbia ammirato il cielo notturno troverà forse sorprendente credere che i nostri occhi sono in realtà ciechi rispetto alla maggior parte della “luce” che proviene dall’universo. Quella che percepiamo è, infatti, soltanto una piccolissima frazione dell’energia che stelle, galassie ed altre sorgenti astronomiche producono.

La cosiddetta luce “visibile” non è che una minima parte di quello che gli scienziati chiamano lo “spettro elettromagnetico”: onde radio, microonde, luce infrarossa corrispondono a energie più basse rispetto alla luce visibile, luce ultravioletta, raggi X e raggi gamma invece hanno energie più alte, ma si tratta sempre di luce.

L’atmosfera della Terra, inoltre, contribuisce al nostro “isolamento” assorbendo parte di questa radiazione e lasciando passare solo la luce visibile e le onde radio. Se non ci fosse l’atmosfera, e se i nostri occhi si fossero evoluti in qualche altro degli infiniti modi possibili, probabilmente il cielo notturno ci apparirebbe in modo completamente diverso.

Grazie ai progressi tecnologici degli ultimi decenni, gli astronomi hanno però imparato a guardare il cielo anche nelle altre energie, realizzando così innumerevoli scoperte. Mediante i telescopi spaziali che scrutano l’universo da una posizione privilegiata, fuori dall’atmosfera, in orbita intorno alla Terra, si sono potuti aprire “nuovi occhi” sul cosmo, osservandolo attraverso la luce infrarossa e ultravioletta, attraverso i raggi X, i raggi gamma e le microonde.

In particolare, le immagini di uno stesso oggetto realizzate in diverse “bande” energetiche svelano la vasta gamma di fenomeni fisici che avvengono al suo interno. Questa immagine, rilasciata lo scorso martedì dalla NASA, ne rappresenta un brillante esempio.


Ad essere ritratto è il centro della nostra Galassia, la Via Lattea, all’interno del quale è nascosto un buco nero supermassiccio, con una massa pari a quattro milioni di volte quella del Sole, la cui presenza non si può osservare direttamente ma solo intuire in modo indiretto. I vari colori dell’immagine corrispondono ad osservazioni realizzate in diverse bande energetiche, e riflettono diversi fenomeni fisici.

Quello che vede il Telescopio Spaziale Hubble, nella luce visibile e nel cosiddetto “vicino infrarosso”, è mostrato in giallo: si tratta di centinaia di migliaia di stelle, alcune delle quali stanno nascendo mentre altre brillano, bruciando il loro combustibile nucleare. In rosso, invece, sono rappresentate le osservazioni infrarosse effettuate dal Telescopio Spaziale Spitzer. La luce infrarossa corrisponde ad energie più basse rispetto a quella visibile: Spitzer è quindi sensibile a oggetti più freddi rispetto a Hubble, e può “vedere” la struttura filamentosa delle nubi di polvere cosmica, forgiate da venti prodotti dalle stelle vicine, e da cui nasceranno in futuro nuove stelle. In blu e viola, infine, sono riprodotti i dati osservati ai raggi X dal Telescopio Spaziale Chandra: i raggi X vengono emessi dal gas ad altissime temperature, oltre un milione di gradi, che si trova nei pressi del centro galattico, così caldo grazie all’energia rilasciata dalle vicine esplosioni stellari e dai getti energetici provenienti dal buco nero nascosto nel cuore della Via Lattea.

Combinando le immagini ottenute con i diversi telescopi, gli astronomi hanno potuto scoprire dettagli finora ignoti circa i fenomeni violenti ed impetuosi che hanno luogo nel centro della nostra Galassia, distante circa 26,000 anni-luce da noi.

CLAUDIA MIGNONE

Questa immagine, grande circa quanto la luna piena in cielo, mostra stelle nascenti, esplosioni, nubi di gas e polvere nel centro della Via Lattea. I diversi colori corrispondono ad osservazioni in diverse bande dello spettro elettromagnetico: il giallo rappresenta osservazioni nel visibile e vicino infrarosso (Hubble), il rosso indica osservazioni infrarosse (Spitzer), il blu-violetto mostra le osservazioni ai raggi X (Chandra). Immagine distribuita da NASA, ESA, CXC, SSC, STSci.

Gli energetici raggi gamma

Tutti gli appassionati di astronomia sono ormai abituati a vedere immagini di uno stesso oggetto in diverse bande energetiche provenienti da osservazioni radio, ottiche, infrarosse, ultraviolette, nei raggi X. Non è così comune, invece, sentir parlare della parte più energetica dello spettro elettromagnetico: i raggi gamma.

Si tratta di luce che ha un’energia circa 10 miliardi di volte maggiore rispetto alla luce a cui l'occhio umano è sensibile. Sfortunatamente non è possibile osservare direttamente questa radiazione poiché l'atmosfera terrestre non è trasparente a queste energie. Il problema può essere aggirato in parte mediante l’uso di telescopi spaziali, ma per quanto riguarda una parte importante dei raggi gamma, quelli ad altissime energie, ciò non è possibile per motivi prettamente logistici: questi fotoni sono talmente rari che le dimensioni necessarie del telescopio sono proibitive per un esperimento da mandare in orbita.

Un altro metodo per osservare questi fotoni sfrutta l'atmosfera stessa della Terra come un grande rilevatore di particelle. I raggi gamma che attraversando l’atmosfera interagiscono con gli atomi ivi presenti e perdono energia, producendo una cascata di particelle. Le particelle nella cascata hanno una velocità maggiore della velocità della luce nell'atmosfera (ma sempre minore della velocità della luce nel vuoto!) e producono la cosiddetta radiazione Cherenkov: si tratta di un cono di luce che, quando giunge al suolo, può illuminare una superficie di circa 100 metri di raggio!

Questa luce viene poi raccolta dai telescopi ed analizzata. Tra gli esperimenti di ultima generazione in questo campo ricordiamo H.E.S.S (High Energy Stereoscopic System), che si trova in Namibia, MAGIC (Major Atmospheric Gamma-ray Imaging Cherenkov Telescope), situato a La Palma, nelle isole Canarie, e VERITAS (Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System), in Arizona, Stati Uniti. Questi esperimenti sfruttano la tecnica stereoscopica, ovvero utilizzano molteplici telescopi distribuiti su una superficie molto estesa, in modo da coprire il cono di luce prodotto dalla cascata: questo permette di determinare con maggior certezza la direzione da cui provengono i fotoni e la loro energia.


Ogni singolo telescopio non è fondamentalmente diverso da un telescopio ottico classico. La differenza principale è nella dimensione dello specchio: i due telescopi dell'esperimento MAGIC, per esempio, hanno un diametro di circa 17 metri ciascuno, mentre quello del telescopio che sarà costruito durante la prossima fase dell'esperimento H.E.S.S. è addirittura di oltre 20 metri! Naturalmente non si tratta di specchi monolitici, ovvero costituiti da un unico blocco, ma formati da tanti piccoli tasselli.

Molti e diversi sono gli oggetti astronomici che possono essere studiati grazie a questa tecnica: un esempio sono i getti di particelle emessi dai nuclei delle cosiddette galassie attive, che nascondono al loro interno un buco nero supermassiccio che divora la materia circostante, oppure le nebulose di particelle energetiche espulse dalle stelle quando, alla fine della loro vita, esplodono sotto forma di supernovae.

GIOVANNA PEDALETTI

Nell'immagine, i quattro telescopi che attualmente compongono l'esperimento H.E.S.S. nell'altopiano di Khomas, in Namibia. L'esperimento, pienamente operativo dal 2004, sarà arricchito nei prossimi anni con nuovi telescopi per ottenere prestazioni ancora migliori. (Credits: H.E.S.S. Collaboration)

Il teatro racconta la scienza

Vita di Galileo: Bertolt Brecht porta in scena i conflitti degli uomini di ricerca

Non è facile parlare di scienza al grande pubblico. Ancora più difficile è parlare delle dinamiche socio-politiche legate alla scienza. Se poi si cerca di farlo in modo artistico (tramite ad esempio il cinema o il teatro), ci si imbatte in una sfida epica. Non a caso pochi sono i film e/o le opere teatrali che trattano di argomenti scientifici.

Una pietra miliare in questo campo è sicuramente l’opera “La vita di Galileo” dell’autore tedesco Bertolt Brecht. In maniera snella e molto efficace, Brecht racconta di un Galileo che, infiammato dalle sue stesse scoperte in campo astronomico, vuole approfondire e diffondere il nuovo modo di concepire l’universo. Tale nuova visione del mondo viene giudicata eretica dalla Chiesa che spinge Galileo a rinnegare tutte le sue scoperte, “abiurare”.

Il Galileo di Brecht è un personaggio molto complesso e a tratti eroico. Per esempio, eroica e di difficile interpretazione e’ proprio l’abiura. All’accusa dei suoi discepoli di essersi chinato al potere della Chiesa, Galileo risponde “meglio mani legate che vuote”. Non abiurare avrebbe portato alla condanna a morte di Galileo (come già era successo a Giordano Bruno) e, forse, l’intera ricerca astronomica di cui egli era esponente insostituibile avrebbe subito un crollo. Galileo, decidendo di abiurare e quindi di vivere, porta avanti di nascosto i suoi studi sul moto dei corpi celesti e alla fine riesce a consegnarli ad Andrea, un suo fidato discepolo, che è diretto in Olanda, il nido dei pensatori indipendenti di allora.

Andrea è un personaggio perfetto per cercare di capire la complessità di alcune scelte legate alla scienza. Andrea, cresciuto sotto l’influenza di Galileo, sviluppa un’amore genuino per il metodo analitico della scienza. Più tardi, giovane e pieno di entusiasmo per le nuove teorie astronomiche, decide di lasciare l’Italia: “devo andare, sono uno scienziato”, dice. Lo stesso Andrea, alla notizia dell’abiura di Galileo, avvilito afferma “Infelice il Paese che non ha eroi”. Soltanto più avanti nel testo, Galileo risponderà: “No. Infelice il Paese che ha bisogno di eroi”.

Non bisogna sforzarsi troppo per capire che questa vicenda vecchia di 400 anni è storia attuale. In Italia oggi di Galileo ce ne sono tanti, meno geniali ma altrettanto dediti, molti di più sono gli Andrea che lasciano l’Italia per luoghi dove alla ricerca scientifica viene dato maggiore valore. E se è vero che non esiste più il tribunale della santa inquisizione, è pur vero che chi decide di ridurre (o sarebbe meglio dire eliminare) i fondi alla ricerca compie un atto di censura “post-moderna”. Le forme sono diverse ma le problematiche che oggi il mondo della scienza deve affrontare in Italia sono fin troppo simili alle vicede galileane.

MARCELLO CACCIATO

"Vita di Galileo" di Bertolt Brecht è al momento in tournée in Italia, in una coproduzione Teatro Stabile del Friuli-Venezia Giulia e Teatro de Gli Incamminati, per la regia di Antonio Calenda. Le date della tournée si possono trovare qui.

Nella foto di Tommaso Le Pera, Franco Branciaroli interpreta il ruolo di Galileo.

Una notte con Galileo

Quattrocento anni fa Galileo Galilei fu il primo ad osservare il cielo con uno strumento molto più potente dell’occhio umano: un cannocchiale. Le sue rivoluzionarie osservazioni hanno modificato per sempre la nostra concezione dell’universo, ponendo le basi dell’astronomia moderna, che da allora ha conosciuto uno sviluppo praticamente inarrestabile, specialmente nell’ultimo secolo. Il cannocchiale di Galileo era, ovviamente, quasi rudimentale rispetto ai potenti strumenti a disposizione degli astronomi contemporanei, in grado di scrutare i misteri nascosti e lontanissimi del cosmo. Ma cerchiamo di fare un passo indietro, e metterci nella posizione dello scienziato pisano per ripercorrere le sue grandiose scoperte.

Se i telescopi più all’avanguardia del momento permettono, nelle migliori condizioni, di distinguere addirittura un’automobile sulla Luna, il piccolo cannocchiale del 1609 aveva una risoluzione molto più bassa: i dettagli più piccoli che consentiva di distinguere sulla Luna, il corpo celeste a noi più vicino, erano grandi un centinaio di chilometri! Eppure questa risoluzione fu sufficiente a Galileo per osservare i crateri e le montagne lunari, e dimostrare che la Luna non è un corpo celeste incorruttibile e perfetto come si credeva all’epoca. Analogamente, osservando il Sole, egli scoprì delle macchie scure sulla sua superficie, le “macchie solari”: si tratta di zone della superficie del Sole temporaneamente più fredde della media, un processo ordinario per una stella. Galileo notò che queste macchie sono in evoluzione: compaiono e scompaiono in diversi punti. Anche il Sole, dunque, non è perfetto ed immutabile. Una nuova scienza era nata, basata sull’evidenza sperimentale e non su indiscutibili dogmi.

Altri oggetti delle prime osservazioni di Galileo furono i due maggiori pianeti del Sistema Solare, Giove e Saturno. Di Giove scoprì quattro satelliti naturali, chiamati “satelliti medicei”, che ruotano intorno al grande pianeta esattamente come la Luna ruota intorno alla Terra e la Terra intorno al Sole, a riprova della visione copernicana del mondo. Di Saturno invece fu il primo a vedere una strana struttura nebulosa che lo circonda: qualche anno dopo fu l’astronomo olandese Huygens a scoprire che si tratta dei famosi anelli, una struttura di polvere che ruota intorno al pianeta formando una specie di disco.

La scoperta di un grandissimo, e finora mai visto, ulteriore anello esterno di Saturno, realizzata tre settimane fa grazie al telescopio spaziale Spitzer, che osserva l’universo attraverso la luce infrarossa, ci ricorda che, anche quattro secoli dopo le prime osservazioni di questo pianeta, c’è ancora tantissimo da scoprire: non è mai troppo tardi per lasciarsi stupire dal cosmo.

Con questo approccio in mente, lo scorso fine settimana in tutto il mondo sono state celebrate le Notti Galileiane, un evento globale e parte integrante dell’Anno Internazionale del’Astronomia. Per riscoprire l’universo e imparare a guardarlo con nuovi strumenti, con nuovi occhi, oltre mille manifestazioni hanno offerto al pubblico la possibilità di osservare il cielo, in cui Giove, Saturno e la Luna erano tutti particolarmente ben visibili.

In Campania, lo Science Centre della Fondazione IDIS-Città della Scienza, a Napoli, ha aperto le porte per un weekend dedicato sia a Galileo che a Darwin, della cui nascita ricorre quest’anno il duecentesimo anniversario, mentre ad Acerno, in provincia di Salerno, l’associazione scientifico-culturale Emisfere ha organizzato uno Star Party con osservazione dei cosiddetti “oggetti Galileiani” nella splendida cornice dei Monti Picentini.

CLAUDIA MIGNONE

Nell'immagine (NASA), una rappresentazione artistica del nuovo, gigantesco anello scoperto intorno a Saturno grazie al telescopio spaziale Spitzer. L'anello inizia a circa 6 milioni di km dal pianeta, e si estende per oltre 12 milioni di km.

L'eterogeneo giardino cosmico

Negli anni gli astronomi hanno escogitato tecniche sempre nuove per osservare i dettagli della volta celeste. Una tecnica che ha riscontrato enorme successo è quella delle “survey”, o cataloghi, di galassie. Si tratta di osservazioni di porzioni più o meno grandi di cielo ai fini di individuare sorgenti astronomiche, specialmente quelle più deboli e lontane.

Il risultato è una mappa del cielo che, anziché descrivere la posizione di pianeti e costellazioni, ricostruisce la distribuzione di galassie nell’universo. Per ogni galassia viene misurata la luce emessa, la distanza da noi e altre proprietà che poi vengono usate dagli astrofisici per studiare possibili modelli di formazione ed evoluzione delle galassie. Nell’ultimo decennio questo settore dell’astronomia si è sviluppato parecchio grazie al proliferare di survey sempre più accurate.

Una delle scoperte condivise all’unanimità da tutte queste survey è che le galassie non sono distribuite nell’universo in modo omogeneo ma tendono a raggruparsi in strutture che prendono il nome di gruppi o ammassi di galassie. Se si guarda a regioni veramente estese dell’universo, gli stessi ammassi sembrano fare parte di una distribuzione ancora più complicata fatta di superammassi, filamenti e regioni vuote (si veda figura allegata).

Passare da queste osservazioni a dettagliati modelli per la spiegazione dei processi di formazione ed evoluzione delle galassie non è affatto semplice. Il concetto di base però è del tutto familiare. Si pensi ad una survey di galassie come ad una foto di una pianta ricca di fiori. Alcuni fiori non sono ancora sbocciati, altri sono nel pieno del loro splendore e altri sono già morti. In tale contesto, la nostra mente traccia senza difficoltà una sequenza evolutiva. Le galassie nelle survey sono come i fiori nelle piante, ognuna ad un diverso stadio evolutivo. È compito delle teorie astrofisiche descrivere come una galassia “sboccia” ed evolve. Al momento, nella comunità scientifica c’è un consenso generale sui fattori che portano alla nascita di una galassia ma le sue fasi evolutive sono ancora oggetto di acceso dibattito.

MARCELLO CACCIATO

In quest'immagine della Sloan Digital Sky Survey (SDSS), la Terra è al centro e ogni punto è una galassia. Le galassie sono colorate a seconda dell’età delle loro stelle (il rosso indica le galassie con stelle vecchie). Lo zoom nel riquadro a destra mostra un ammasso di galassie.

Il Mediterraneo è un laboratorio

Intervista a un giovane ricercatore napoletano su un esperimento che andrà a caccia di neutrini

La fisica delle particelle elementari va in scena nel Mar Mediterraneo, che sarà prossimamente teatro di un ambizioso esperimento europeo, attualmente in fase di progettazione: un telescopio per neutrini. Per cercare queste elusive particelle e studiare le informazioni che esse trasportano riguardo al cosmo, i fisici utilizzeranno un enorme dispositivo situato sul fondo del mare. Questa struttura avrà un volume di almeno un chilometro cubo, da cui il nome del progetto: KM3Net (diminutivo di KM3 Neutrino Telescope).

Per scoprire i dettagli di questo sofisticato esperimento abbiamo incontrato Stefano Russo, ricercatore presso il Dipartimento di Scienze Fisiche dell’Università degli Studi Federico II e presso la Sezione di Napoli dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare.

KM3NeT è molto diverso da un telescopio tradizionale: a cosa serve l’acqua del mare?
I neutrini sono particelle che interagiscono poco con la materia, il che li rende da un lato interessanti, in quanto ci consente di scrutare enormi distanze, ma dall’altro diventa un problema: come fare a catturarli? La soluzione è osservarli indirettamente. La Terra viene attraversata continuamente da un’enorme quantità di neutrini provenienti dal cosmo. Se anche uno solo di questi, mentre viaggia all’interno della Terra, interagisce con la materia da cui essa è formata, produce delle altre particelle, dette muoni. Ed è qui che entra in gioco l’acqua del mare. Per osservare i muoni prodotti dai neutrini, si cerca di individuare la luce (detta radiazione Cherenkov) che queste particelle emettono in particolari condizioni, come, per esempio, quando attraversano un materiale trasparente: l’acqua, appunto.

Non si può costruire una vasca in laboratorio invece che in mare?
Anche usando tecnologie all’avanguardia, la probabilità di intercettare un neutrino cosmico è comunque molto bassa: si parla di pochissimi eventi all’anno! Per questo occorre tenere sotto controllo un grande volume di acqua, un chilometro cubo almeno, il che non é possibile in un normale laboratorio. Inoltre, i nostri strumenti andranno posizionati sul fondo marino, a 4000 metri di profondità, dove le acque sono più buie: questo riduce al massimo la contaminazione dovuta ad altre fonti di luce, per essere sicuri che quella che osserveremo è dovuta proprio ai neutrini.

Una tecnologia davvero interessante, e una struttura insolita per un telescopio…
Non è poi così insolita, considerato che simili progetti esistono anche altrove nel mondo. Ma KM3NeT è l’unico ad essere così grande, insieme all’analogo esperimento IceCube, realizzato in Antartide da un consorzio con a capo istituti di ricerca statunitensi: utilizza il ghiaccio, anziché l’acqua del mare, ma il principio è lo stesso. E non si tratta di una ripetizione: IceCube, situato nell’emisfero australe, è sensibile ai neutrini che arrivano dall’emisfero boreale e, dopo aver attraversato la Terra, raggiungono il telescopio in Antartide. Nello stesso modo, KM3NeT riceve le particelle che investono la Terra dall’emisfero australe: in questo modo, la combinazione dei due esperimenti può monitorare tutto il cielo.

Oltre all’acqua del mare, quali sono gli altri elementi che compongono questo telescopio?
Gli elementi fondamentali sono delle torri, simili a tralicci, alte un chilometro e poste sul fondo del mare. Per coprire il volume desiderato, distribuiremo queste torri su una superficie di un chilometro quadrato. Alle estremità di queste torri si trovano degli strumenti che catturano la luce. Tecniche sofisticate di analisi dati possono, dalla luce, risalire alla particella che l’ha prodotta e alla sua direzione nel cielo.

Dove sorgerà l’esperimento?
Ancora non è stato deciso. KM3NeT nasce dalla fusione di tre progetti europei, ciascuno dei quali ha proposto un particolare sito nel Mediterraneo: uno nel Mar Ligure, di fronte alla città di Tolone, in Francia, un altro nello Ionio Orientale, vicino alla città greca di Pylos, ed infine un terzo nello Ionio Occidentale, nei pressi della punta estrema della Sicilia, 100 km a sud di Catania. Nel sito italiano testeremo prossimamente uno dei prototipi per le torri, al cui progetto e realizzazione ha collaborato il nostro gruppo di Napoli.

Ecco, parliamo dell’attività del gruppo napoletano: di cosa vi occupate nell’ambito dell’esperimento?
Innanzitutto della parte hardware: insieme ad altri gruppi italiani, siamo responsabili della progettazione e realizzazione della struttura meccanica dell’esperimento, nonché dell’elettronica legata all’acquisizione e all’invio a terra dei dati raccolti in mare. Ci occupiamo, in parte, anche di simulazioni e, in futuro, dell’analisi dei dati. Ricordiamo che, come di prassi nel campo della fisica delle particelle elementari, si tratta di una grandissima collaborazione: 40 gruppi provenienti da 10 diversi paesi europei fanno parte del consorzio, e solo il contributo italiano fa capo a istituti e università in 12 città sparse sulla penisola.

Qual è la più grande difficoltà che incontrano i fisici nell’ambito di un esperimento così innovativo?
Dal punto di vista tecnologico, che è poi quello in cui il nostro gruppo è maggiormente coinvolto, la sfida principale è costituita dal fatto che l’esperimento dovrà essere operativo nelle profondità marine, dove l’acqua è salata e la pressione molto elevata. In gergo parliamo di ‘ambiente ostile’. Inoltre, data la posizione, gli strumenti devono funzionare perfettamente, perché una volta installati non è possibile intervenire con operazioni di manutenzione. In un certo senso, l’impegno è molto simile a quello richiesto quando si progettano e realizzano esperimenti spaziali, come PAMELA, un satellite per la ricerca dell’antimateria, a cui il nostro gruppo ha lavorato e che ha ottenuto dei risultati particolarmente significativi all’inizio del 2009.

La speranza di ottenere risultati altrettanto interessanti spinge quindi a superare le sfide tecnologiche?
Certamente: le osservazioni di KM3NeT, una volta operativo, chiariranno molti dubbi su alcuni meccanismi fisici che avvengono sia nella nostra che in altre galassie e che ancora non sono stati compresi a fondo. Ma oltre all’aspetto astrofisico, anche quello puramente tecnologico è avvincente: un progetto come il nostro sviluppa elementi all’avanguardia, partendo da quelli già disponibili sul mercato e migliorandoli. C’è un continuo travaso di informazioni tra ricerca e industria, in entrambe le direzioni, sia per quanto riguarda l’elettronica della trasmissione dati che la meccanica di precisione. In fondo, le tecnologie da noi utilizzate sono molto simili a quelle delle telecomunicazioni: cavi sottomarini, fibre ottiche... Le conoscenze acquisite avranno anche una ricaduta locale immediata, essendo di sicuro interesse per le industrie.

CLAUDIA MIGNONE

L'immagine di M. Kraan (Nikhef, Amsterdam) è una rappresentazione artistica di una possibile configurazione per il telescopio sottomarino a neutrini KM3NeT.

Il cosmo attraverso i neutrini

I telescopi ordinari studiano l’universo osservando la luce che proviene da stelle e galassie. Anche i telescopi che lavorano ad altre lunghezze d’onda, dalle onde radio e le microonde fino ai raggi X e gamma, si basano sullo stesso principio: catturano i fotoni, ovvero le particelle di cui è costituita la luce. I fotoni trasportano informazioni sulle sorgenti che li hanno prodotti: analizzando la luce emessa da oggetti astronomici (stelle, nubi, galassie) gli astronomi possono dedurre le loro proprietà, come la massa, le dimensioni, l’energia.

Oltre ai fotoni, anche altri tipi di particelle si comportano da messaggeri cosmici: tra essi, i neutrini. Si tratta di particelle prive di carica elettrica (da cui il nome) che viaggiano alla velocità della luce e che hanno una massa estremamente piccola. Molte sorgenti astronomiche, sia nella nostra che in altre galassie, producono neutrini, oltre che fotoni: studiare l’universo attraverso queste particelle rappresenta un approccio complementare a quello offerto dall’astronomia tradizionale.

Inoltre, i fotoni hanno un’elevata probabilità di essere assorbiti da atomi o da altri fotoni incontrati durante il viaggio che li porta fino a noi: se un fotone viene assorbito, l’informazione che esso trasporta è irrimediabilmente perduta. I neutrini, al contrario, godono di un’interessante proprietà: in gergo scientifico si dice che ‘interagiscono debolmente’ con la materia, ovvero hanno una probabilità di essere assorbiti molto bassa, di gran lunga inferiore a quella dei fotoni. Per questo motivo, i neutrini possono percorrere, indisturbati, distanze molto maggiori rispetto alla luce. Per noi che li osserviamo sulla Terra, ciò significa che attraverso i neutrini possiamo studiare sorgenti situate a distanze cosmiche molto più grandi: in sostanza, i neutrini ci permettono di guardare ancora più lontano.

L’astronomia a neutrini è molto recente, date anche le difficoltà tecnologiche insite nella rivelazione di queste particelle: finora sono stati ‘osservati’ neutrini provenienti solamente dal Sole e da una supernova esplosa nel 1987. Ma si tratta, allo stesso tempo, di un campo in rapido sviluppo, con svariati ambiziosi esperimenti in corso di progettazione e realizzazione in tutto il mondo.

Uno degli obiettivi principali dei telescopi a neutrini è lo studio dei cosiddetti raggi cosmici, particelle energetiche provenienti da un’ampia gamma di oggetti astronomici (supernovae, lampi di raggi gamma, nuclei galattici attivi), le cui proprietà sono ancora dibattute. Poiché nella maggior parte dei casi i raggi cosmici producono neutrini, l’osservazione di questi ultimi è cruciale in questo ambito. Altro campo in cui lo studio dei neutrini riveste estrema importanza è la ricerca della materia oscura che pervade l’universo, ma della cui natura si sa ancora ben poco.

CLAUDIA MIGNONE

Un'immagine della supernova 1987A, chiamata così in quanto è stata la prima ad essere scoperta nel 1987. Quest'immagine combina osservazioni fatte ai raggi X (bianco, viola) e in ottico (rosso, arancio). Si tratta della prima sorgente extragalattica (ma anche extrasolare!) di neutrini mai osservata. (X-ray: NASA/CXC/PSU/S.Park & D.Burrows.; Optical: NASA/STScI/CfA/P.Challis)

Il Nobel per la fisica "cattura" la luce

È dello scorso martedì la notizia che il Premio Nobel per la Fisica 2009 è stato conferito a Willard S. Boyle e George E. Smith, padri della fotografia digitale. Nel 1969, i due scienziati dei Bell Laboratories, nel New Jersey, Stati Uniti, inventarono un dispositivo per catturare la luce senza l’uso della pellicola fotografica: il cosiddetto CCD (dall’inglese Charge-Coupled Device, dispositivo ad accoppiamento di carica).

La tecnologia del CCD sfrutta l'effetto fotoelettrico, mediante il quale la luce viene trasformata in segnali elettrici. Per la scoperta dell’effetto fotoelettrico fu insignito del Nobel Albert Einstein nel 1921. La sfida di Boyle e Smith è stata quella di convertire l’effetto in un’applicazione pratica, mettendo a punto un sensore che catturasse la luce in tantissimi punti (detti pixel) e la trasformasse, in tempi brevissimi, in segnali elettrici da trasportare, riprodurre su un monitor o immagazzinare in un file.

Il CCD ha rivoluzionato per sempre il nostro modo di percepire e vivere la fotografia: è il cuore delle decine di milioni di fotocamere digitali prodotte nel mondo, incluse quelle all’interno di molti telefoni cellulari ed altri dispositivi elettronici. Ma una rivoluzione forse ancora più significativa è stata apportata dalla fotografia digitale nella scienza, in particolare nell’astronomia, disciplina che vive delle immagini del cielo.

Tutti i telescopi professionali sono ormai dotati di sensori digitali, estremamente più sensibili rispetto alle vecchie lastre fotografiche, usate dagli astronomi fino a qualche decennio fa; inoltre, un CCD può essere riutilizzato molte volte, e il segnale che produce come output, essendo in forma digitale, è già pronto per essere salvato ed analizzato dai computer. Senza questa nuova tecnologia, non sarebbe stato neanche pensabile realizzare, ad esempio, gli immensi cataloghi contenenti informazioni dettagliate su centinaia di milioni di galassie lontanissime, che hanno permesso agli astronomi di comprendere sempre meglio le proprietà dell’Universo.

A dividere il più prestigioso dei riconoscimenti scientifici con Boyle e Smith è il fisico Charles K. Kao, per il suo lavoro sulla trasmissione dei segnali luminosi attraverso le fibre ottiche. Anche le fibre ottiche, come il CCD, hanno contribuito alla rivoluzione digitale, consentendo di inviare e ricevere dati ed informazioni in tempi sempre più brevi: senza di esse, Internet come lo conosciamo oggi non potrebbe esistere.

È interessante notare come, nell’Anno Internazionale dell’Astronomia 2009, il Nobel per la Fisica abbia premiato tre scienziati la cui ricerca ha avuto come oggetto la luce e ha prodotto strumenti che si sono rivelati di vitale importanza per gli astronomi, sia professionisti che amatoriali.

Per ulteriori informazioni: www.nobelprize.org

CLAUDIA MIGNONE

L'immagine (NASA) mostra un CCD: piccolissimo ma super potente.

Gli ingredienti dell'universo

La cosmologia è il ramo dell'astronomia che studia l'origine dell'universo e le regole che lo governano. In quanto disciplina scientifica, la cosmologia conta meno di un secolo di vita. Nonostante la sua giovane età, è riuscita a stabilire un paradigma condiviso da quasi tutti i cosmologi del mondo. Secondo questo paradigma, l’universo in cui viviamo si sta espandendo, e questa espansione è accelerata: un universo in cui le galassie si allontanano le une dalle altre con velocità sempre crescente.

Per potere spiegare tale espansione accelerata, i cosmologi hanno bisogno di ipotizzare l’esistenza di due componenti “esotiche”: le cosiddette materia oscura ed energia oscura. In questo contesto, il termine esotico si riferisce al fatto che tale materia/energia non è mai stata osservata direttamente, benché ne siano evidenti gli effetti indiretti su molte osservazioni astronomiche. Una delle frontiere più attuali della fisica particellare è proprio quella di riuscire ad osservare le particelle di cui sono composte la materia e l’energia oscura.

A rendere ancora più interessante questa “oscura” teoria è il fatto che, su scale cosmologiche, ovvero estremamente più grandi della nostra galassia, materia ed energia oscura costituiscono la quasi totalità dell’universo. Al contrario, la materia ordinaria contribuisce solo per il 4% al budget totale dell’universo, scoperta che può risultare ostica in un primo momento visto che siamo abituati a vivere in un mondo fatto soltanto di materia ordinaria.

Un modo efficace di visualizzare questo concetto è quello di pensare ad una piramide in cui diverse parti rappresentano diverse tipologie di materia/energia, come nell’immagine qui accanto. La base della piramide (che ne costituisce la maggior parte del volume) è occupata da energia e materia oscura, che ammontano rispettivamente a circa il settanta per cento e il venticinque per cento dell’universo. Segue la materia ordinaria, per lo piu' invisibile perche' non emette né luce propria né riflessa, e ancora più in cima in piccolissime quantità l’idrogeno, l’elio e tutti gli altri atomi, costituenti della stessa natura delle cose che ci circondano e di cui siamo fatti noi stessi.

MARCELLO CACCIATO

La rappresentazione grafica dell'abbondanze relative di materia/energia nell'universo è tratta da "The view from the center of the universe", di J. Primack e N. Abrams N., 2006.

L'osservatorio ALMA: a un passo dal cielo

Il deserto di Atacama, in Cile, è uno dei siti prediletti dove gli astronomi costruiscono da decenni gli osservatori più all'avanguardia per scrutare le profondità del cielo. Oltre ai celeberrimi telescopi situati presso La Silla e Cerro Paranal, gestiti dall'European Southern Observatory (ESO), la principale organizzazione intergovernativa di astronomia in Europa, in un raggio di poche centinaia di km sorgono anche diversi osservatori appartenenti a istituti di ricerca nordamericani, come, ad esempio, il Gemini Observatory. A oltre 2400 metri di altezza, questi telescopi beneficiano di uno dei climi più secchi che si possono trovare sul nostro pianeta, che minimizza ogni possibile effetto negativo della turbolenza atmosferica sulle osservazioni.

Ancora più in alto, un nuovo osservatorio è attualmente in costruzione nella regione: si chiama ALMA, acronimo di Atacama Large Millimeter/submillimeter Array, e sarà completato nel 2012. Il luogo designato per quello che sarà il più imponente progetto astronomico mai realizzato è l'altopiano del Chajnantor, a oltre 5000 metri sul livello del mare. La scelta di un sito così alto e secco è necessaria perché ALMA non è un telescopio come tutti gli altri: per studiare in dettaglio la luce proveniente dalle nubi più fredde dell'universo, dove si formano nuove stelle, oppure dalle galassie più vecchie e lontane del cosmo, occorre osservare in una regione dello spettro elettromagnetico con lunghezza d'onda di circa un millimetro, compresa tra le onde radio e la luce infrarossa. Questa radiazione viene chiamata millimetrica e sub-millimetrica - in confronto, la luce visibile ha una lunghezza d'onda diecimila volte più piccola! La radiazione millimetrica e sub-millimetrica viene assorbita dal vapore acqueo presente nell'atmosfera terrestre: per questo motivo si è scelto un luogo alto e secco per costruire ALMA, dove l'elevata altitudine e l'estrema aridità del clima riducono al minimo la quantità di vapore acqueo presente nell'aria.

Per osservare a queste lunghezze d'onda, non si usano specchi o lenti, come nei telescopi tradizionali, bensì grandi antenne simili a quelle utilizzate per le trasmissioni radio. A causa della lunghezza d'onda molto più grande di quella della luce visibile, le dimensioni dell'antenna devono essere molto maggiori di quelle dei più grandi telescopi usati in astronomia, per ottenere immagini con la stessa risoluzione. In teoria, si dovrebbe costruire un'antenna con un diametro di qualche chilometro per ottenere prestazioni simili a quelle del telescopio spaziale Hubble, il che è evidentemente impossibile. Fortunatamente, è sufficiente coprire una regione molto estesa con tante antenne collegate tra loro per avere lo stesso effetto: una tecnica che va sotto il nome di interferometria. ALMA sarà quindi uno schieramento (Array) di 66 antenne, dal diametro di 7 o 12 metri, distribuite a distanze che variano da 150 metri a 16 chilometri, che possono essere mosse durante le operazioni di osservazione per ottenere l'effetto di uno zoom.

La realizzazione di un simile progetto è una sfida tecnologica non indifferente, che ha richiesto una enorme collaborazione internazionale tra ESO ed altri istituti di ricerca in Giappone e Nord America. In particolare, la ridotta pressione che si trova a 5000 metri rende estremamente difficile ogni operazione, sia quelle tecniche di costruzione degli strumenti stessi, che quelle che avverranno in futuro, quando l'osservatorio sarà pronto per essere utilizzato dagli astronomi: per questo motivo, la maggior parte delle attività viene svolta in un campo base situato a 2900 metri, anche questa un'altitudine decisamente elevata, ma ancora accettabile per lavorare.

Per ulteriori informazioni: www.almaobservatory.org

L'osservatorio ALMA è protagonista di un nuovo, esclusivo show per planetari realizzato in diverse lingue e disponibile qui.

CLAUDIA MIGNONE

Quest'immagine rende l'idea di come sarà l'osservatorio ALMA, quando sarà pronto, nel 2012. Immagine di ESO/H.Zodet

Il telescopio spaziale Hubble vede meglio di prima

Il telescopio spaziale Hubble, lanciato nel 1990, osserva le meraviglie del cosmo da una posizione privilegiata, in orbita intorno alla terra, da ormai quasi due decenni. Si tratta di un tempo considerevole per un prodotto di elevata tecnologia come questo: alcuni dei suoi strumenti avevano smesso di funzionare come una volta, altri semplicemente non potevano competere con i più moderni e sofisticati analoghi odierni.

Per questo motivo, la NASA ha progettato una missione di servizio, operata con successo nel maggio scorso, per installare due nuovi strumenti sul telescopio e riparare due di quelli già presenti a bordo. I sette astronauti a bordo dello Shuttle Atlantis hanno portato a termine il delicato incarico grazie a cinque “camminate” nello spazio, ciascuna della durata di sei ore e mezza; durante queste camminate, due astronauti per volta possono lavorare sul telescopio, che è stato costruito appositamente in modo da facilitare simili operazioni di manutenzione. Si è trattato della quinta ed ultima missione del genere, grazie alla quale il telescopio spaziale dovrebbe restare in funzione almeno fino al 2014.

Grazie alle recenti modifiche, Hubble è tornato sulla scena con risultati grandiosi: i nuovi strumenti sono più sensibili alla luce rispetto a quelli di precedente generazione, consentendo di riprendere immagini spettacolari con tempi di esposizione molto più brevi. Dopo tre mesi di cauta calibrazione e attento monitoraggio della nuova strumentazione, dopo aver osservato sorgenti astronomiche note ed averne analizzato le immagini, il team del telescopio spaziale ha presentato al mondo il nuovo Hubble, ringiovanito e con più grinta di prima.

Le nuove fotografie scattate da Hubble, rese pubbliche mercoledì 9 settembre 2009, mostrano stelle, galassie e nebulose con un incredibile grado di dettaglio. Le prossime osservazioni avranno come oggetto, fra gli altri, il censimento dei corpi della fascia di Kuiper, asteroidi che popolano le regioni più remote del sistema solare, insieme alla ricerca di pianeti extra-solari e delle galassie più vecchie e lontane dell’universo.

CLAUDIA MIGNONE

Immagine NASA, ESA, and the Hubble SM4 ERO Team.