9. Una componente minore dell’Universo

 

Courtesy: Chandra X ray

Al termine di questa disamina delle moderne teorie che tentano di spiegare la natura e la distribuzione della materia oscura nell’Universo, richiamiamo i dati di fatto fondamentali:

1. C’e’ un tipo di materia nell’Universo diversa da quella che compone l’uomo e tutti i corpi celesti. Tale materia detta “oscura”, rappresenta una frazione importante del contenuto di materia dell’Universo.

2. Sebbene non si sappia esattamente come essa sia distribuita, abbiamo le teorie e alcuni dati osservativi da cui partire per stimarne l’abbondanza e i profili di densità.

3. La fisica teorica predice l’esistenza di particelle con le proprietà giuste per essere perfette candidate alla materia oscura.

4. Per ogni candidato si offrono prospettive di rivelazione diretta e indiretta.

5. Le nuove generazioni di apparati strumentali dovrebbero metterci in grado, entro pochi anni,di comprendere la natura della materia oscura, quanto meno di scartare alcuni dei candidati finora proposti.

Al di là delle implicazioni per la fisica e l’astrofisica, non sono da sottovalutare le conseguenze filosofiche della scoperta della materia oscura. Da Copernico in poi l’uomo e’ stato scalzato progressivamente dal suo ruolo centrale dell’Universo. Da essere vivente, creato a immagine di Dio, su un pianeta collocato al centro dell’Universo, e’ stato declassato ad abitante di un pianeta qualunque. Adesso persino la nostra natura intima, la nostra composizione atomica e molecolare, che abbiamo ereditato dalle fucine stellari, ci appare come una componente minore dell’Universo, che sarebbe invece dominato da una materia diversa, la materia oscura. Il cammino verso la comprensione del cosmo riesce a suscitare in noi una continua meraviglia e lo straordinario desiderio di saperne sempre di più.

Fine.

Rignrazio Flavio Chinellato per il suggerimento di pubblicare questo articolo tratto da Le Stelle (per i riferimenti bibliografici si rimanda ai post precendenti).

Sabrina

8. Come si studia la materia oscura (II parte)

Ma dove si accumula la materia oscura?

Viene subito da pensare: al centro della nostra Galassia. Si può allora stimare con il calcolo il flusso della radiazione di annichilazione proveniente dal centro galattico e comparare la previsione con le osservazioni.Gli ingredienti del calcolo sono almeno quattro: la probabilità di annichilazione (quella che nel linguaggio tecnico viene indicata come sezione d’urto), la massa delle WIMP, la natura delle particelle secondarie, il profilo di densità della materia oscura. Il risultato che otterremo sarà la predizione di un flusso di radiazione e di particelle secondarie emesso dal centro della Galassia: in particolare, ci aspettiamo di osservare raggi gamma e neutrini, i quali interagiscono pochissimo con la materia interposta tra il luogo di emissione e la Terra. Inoltre, ci aspettiamo che alcune particelle cariche, in particolare elettroni e positroni, emettano radiazione di sincrotrone, ossia quel tipo di radiazione che viene prodotta dalla particelle cariche che si propagano all’interno di un campo magnetico. Attraverso studi teorici è possibile stimare l’intensità del campo magnetico galattico, ma certamente questo elemento introduce nei calcoli un ulteriore livello di incertezza.
In ogni caso, individuati tutti i parametri necessari, si stima il flusso delle particelle secondarie che dovrebbero arrivare sulla Terra e, sulla base di questo dato, si escludono tutti i candidati di materia oscura che, per un certo profilo di densità, producono flussi superiori a quelli che si osservano sulla Terra. Capovolgendo la prospettiva, si possono anche escludere tutti i profili di densità che, per un dato candidato WIMP, predicono flussi troppo elevati. Per fare un esempio concreto, è stato possibile escludere i profili che prevedono densità troppo elevate al centro della Via Lattea se la WIMP è il neutralino. Ciò sulla base delle osservazioni del flusso dei raggi gamma e della radiazione di sincrotrone che si raccoglie dal centro galattico. Per quanto riguarda i raggi gamma, fino a poco tempo fa il confronto veniva eseguito con le misure raccolte dallo strumento EGRET a bordo dell’osservatorio orbitale Compton GRO della NASA. Negli ultimi tempi, tuttavia, una serie di telescopi di nuova generazione ha cominciato a osservare il centro galattico nei raggi gamma. Si tratta degli Air Cherenkov Telescopes (ACT), telescopi che registrano come i fotoni gamma interagiscono con gli atomi dell’atmosfera terrestre, i quali sono in grado di rivelare raggi gamma fino ad altissime energie, più di 10 Tev (centinaia di volte maggiori di quelle osservate dall’EGRET). Sembra tuttavia difficile associare i raggi gamma di energia così elevata con l’annichilazione dei neutralini, dato che l’equivalente in energia della massa di questa WIMP si pensa non vada più in là di pochi TeV. Una possibile ed entusiasmante alternativa e quella di rivelare la radiazione di annichilazione proveniente da addensamenti di materia oscura intorno a buchi neri di massa intermedia (ovvero tra cento e un milione di masse solari). Infatti se le teorie che prevedono l’esistenza di questi oggetti fossero confermate, telescopi come quello del satellite GLAST, oppure telescopi gamma come CANGAROO, HESS, MAGIC, VERITAS potrebbero rivelare decine se non centinaia di sorgenti di raggi gamma, tutte con identico spettro di energie; sarebbe una prova indiscutibile dell’annichilazione di particelle WIMP.
Quanto ai neutrini, bisogna tener conto del fatto che pochissime sono le osservazioni di neutrini extra-terrestri. Esistono solo osservazioni di neutrini solari, questi sì abbondanti, e una sola, episodica, osservazione di neutrini provenienti dall’esplosione della supernova SN1987A. Tuttavia, nuove generazioni di telescopi per neutrini stanno entrando in funzione, immersi nel ghiaccio del polo sud (esperimento Icecube) o sul fondo del Mar Mediterraneo (esperimento Antares). Con tali strumenti si spera di potere rivelare flussi di energie molto elevate, come quelli proverrebbero dal centro della Galassia se la materia oscura fosse composta da particelle che si annichilano. La rivelazione sarebbe possibile per candidati WIMP che decadendo producessero molti più neutrini che raggi gamma. Più convincente è la prospettiva di rilevare i neutrini che provengono dalle profondità del Sole: non quelli prodotti dalle reazioni, ma gli eventuali neutrini di alta energia che scaturiscono dall’annichilazione di neutralini. I neutralini potrebbero, infatti, interagire con il plasma del Sole, perdere energia e restarvi intrappolati, muovendosi lentamente verso il centro. Si possono calcolare i dettagli di questo processo e se ne deduce che si determinerebbe una situazione di equilibrio in cui il numero di particelle che si annichila al centro del Sole è uguale al numero di particelle che vengono catturate dall’astro. Per quanto possa sembrare fantascientifico, la rivelazione di neutrini da annichilazione di materia oscura al centro del Sole è uno dei metodi più promettenti per la rivelazione di neutralini nell’universo.

Continua…

Grazie Flavio per il suggerimento di pubblicare questo articolo tratto da Le Stelle (per i riferimenti si rimanda ai post precedenti).

Sabrina

7. Come si studia la materia oscura (I parte)

Credit: Chandra X ray

Un primo metodo allo studio della materia oscura è quello di cercare negli acceleratori le tracce
dell’esistenza di nuove particelle non barioniche che abbiano le proprietà giuste. Questo è ciò che avviene, ad esempio, nel caso degli esperimenti dedicati alla supersimmetria.

Un secondo metodo è la rivelazione diretta. Detto in maniera più semplice, si tratta di costruire grossi rivelatori e di aspettare che una particella di materia oscura interagisca con essi. La Terra, infatti, viene continuamente attraversata da un flusso di particelle di materia oscura, una sorta di “vento” di particelle, modulato dal moto di rivoluzione della Terra intorno al Sole: giusto per dare un ordine di grandezza, un foglio di carta è attraversato ogni secondo da 50 milioni di particelle di materia oscura, le quali passano indisturbate sia il foglio che la persona che lo tiene in mano e, con molta probabilità, attraverso l’intero pianeta, senza interagire con la materia. Da qui l’enorme difficoltà nel progettare rivelatori che rivelino le particelle di materia oscura per via diretta. Generalmente si costruiscono i rivelatori in zone protette da “contaminazioni” come quelle dovute ai raggi cosmici, solitamente in siti sotterranei, come cave o gallerie, separati dalla superficie da centinaia o migliaia di metri di roccia. Li si porta quindi a temperature bassissime e si studiano i segnali emessi ogni qualvolta qualcosa interagisce con essi. Il più delle volte si tratta di neuroni prodotti da radioattività naturale, e già questa misura ci permette di capire che la frequenza delle interazioni tra materia oscura e materia ordinaria è molto bassa. Esistono tuttavia esperimenti che sembrano aver scoperto qualcosa, i cui risultati hanno alimentato polemiche che durano da anni. Proprio un esperimento italiano, chiamato DAMA, predisposto nei laboratori dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) sotto il Gran Sasso, ha rivelato certi segnali che sembrerebbero caratterizzati da una variazione con periodicità annuale: e’ proprio ciò che ci si aspetta di trovare a causa del moto orbitale della Terra, che si sviluppa all’interno di un “vento” di particelle di materia oscura. La frequenza delle interazioni rimanda però a particelle con proprietà (come la propensione a interagire) diverse da quelle comunemente ipotizzate. Fin qui niente di grave. Il problema serio è che gli esperimenti avviati dopo DAMA non ne hanno confermato i risultati: pur avendo raggiunto sensibilità anche più elevate, non hanno trovato tracce di materia oscura. Gli esperimenti in corso dovrebbero nel prossimo futuro chiarire la situazione e confermare, o definitivamente escludere, i risultati di DAMA.

Un terzo metodo è quello della rivelazione indiretta delle particelle di materia oscura che sono spesso genericamente indicate con l’acronimo WIMP (Weakly Interacting Massive Particles, ovvero ”particelle massive che interagiscono debolmente”): più precisamente, si cercano i prodotti della loro annichilazione. Laddove la densità di WIMP è piuttosto elevata, le particelle possono interagire tra loro annichilendosi e producendo nuove particelle, che sono dette secondarie. Queste possono essere fotoni, neutrini, coppie di elettroni e positroni, quark e cosi via. E’ possibile calcolare con precisione il tasso di annichilazione delle particelle, nonché il tipo di particelle secondarie prodotte. Una volta scelto un particolare candidato WIMP, la radiazione di annichilazione dipende essenzialmente dalla sola densità delle particelle di partenza. Bisogna dunque trovare regioni dell’Universo che contengano alta densità di materia oscura e che siano abbastanza vicine da produrre flussi abbondanti di particelle secondari.

Continua…

Grazie Flavio. Sabrina

6. Com’è distribuita la materia ocura

Questa immagine è disponibile sul sito “The Millennium Simulation Project” del Max Planck Institut (MPA) di Garching: http://www.mpa-garching.mpg.de/galform/virgo/millennium/  .

 

Dopo una breve interruzione, riprendo con il tema della materia oscura. Su suggerimento di Flavio Chinellato, astrofilo. Tratto da: “Dov’è e che cos’è la materia oscura” di Gianfranco Bertone – pubblicato su “Le stelle”,  febbraio 2007 n. 48

Abbiamo un’idea di come si distribuisce la materia oscura nella nostra Galassia?
Ce l’abbiamo si, ma abbastanza confusa. Ciò che si cerca di determinare è il cosiddetto profilo di densità, che descrive come varia la densità della materia in funzione della distanza dal centro della Galassia. Dal punto di vista teorico, è difficile stimare il profilo di densità. L’approccio al problema consiste nello stabilire quali possano essere le configurazioni di equilibrio di un sistema autogravitante che occasionalmente entra in collisione con sistemi simili. Lo si può fare lasciando a potentissimi computer il compito di simulare per via numerica l’evoluzione delle grandi strutture dell’Universo dalle primissime fasi ad oggi. Le simulazioni suggeriscono che la densità va decrescendo quanto più ci si allontana dal centro: nelle parti interne il calo e’ più ”dolce”, mentre e’ più accentuato verso la periferia. Bisogna, però, dire che le osservazioni non aiutano molto a capire quanto accurate siano queste simulazioni. La letteratura scientifica è ricca di articoli che mettono in luce un disaccordo tra predizioni teoriche e simulazioni, così come di lavori che stabiliscono l’impossibilita’ di trarre conclusioni definitive sull’argomento, viste le incertezze in entrambi i campi. E non è finita. Al centro della Galassia la situazione e resa ancora più complicata dalla presenza di un buco nero con una massa stimata in svariati milioni di masse solari. Non sappiamo come il buco nero influenzi la distribuzione della materia oscura, ma l’effetto finale potrebbe essere uno straordinario picco di densità al centro, il che tra l’altro, dovrebbe avere importanti conseguenze sulla rivelazione della radiazione emessa dall’annichilazione della particelle che compongono la materia oscura.

Continua…

Grazie Flavio. Sabrina

Quanto vale il nostro futuro

Voglio segnalare l’articolo che Andrea Macco nel suo Blog “L’Universo in Clessidra” ha sistemato il 21 luglio scorso, dedicato al 50esimo Anniversario della NASA (28-29 ottobre 2008):

http://andreamacco.wordpress.com/2009/07/21/il-coraggio-di-andare-dove-nessuno-e-mai-andato/#comments

riportando il discorso di Stephen Hawking letto in occasione della Conferenza ufficiale, e  che è stato pubblicato dal Secolo XIX di Genova in ricordo del 40esimo sbarco sulla Luna:
http://andreamacco.files.wordpress.com/2009/07/articolo-hawking.jpg

Vi suggerisco di leggerlo ed eventualmente, lasciate i vostri commenti sul Blog di Andrea.

Qui riporto due parti che dal mio punto di vista sono significative.

«Andare nello spazio non sarà economico ma coinvolgerà solo una piccola porzione delle risorse del mondo. Il budget della Nasa è rimasto sostanzialmene costante dai tempi dell’atterraggio dell’Apolli, anzi è sceso dallo 0,3 per cento del Pil degli Stati Uniti allo 0,12 di adesso. Anche se aumentassimo il budget di 20 volte per compiere seri passi avanti continuerebbe a essere una piccola parte del Pil mondiale.

Qualcuno potrebbe obiettare che sarebbe meglio spendere quei soldi per risolvere i problemi del nostro pianeta, per esempio il cambiamento climatico e l’inquinamento, invece di sprecarli nella ricerca forse vana di uno nuovo. Non sto negando l’importanza di combattere il riscaldamento globale, ma possiamo farlo e risparmiare ancora un quarto di un punto percentuale del Pil mondiale per le spedizioni spaziali. Il nostro futuro non vale una cifra così bassa? […]

Un nuovo viaggio spaziale con equipaggio riuscirebbe a riaccendere l’entusiasmo della gente verso lo spazio e la scienza in generale. Le missioni con robot sono più economiche e forniscono più informazioni scientifiche, ma non catturano l’immaginario delle persone allo stesso modo. Non portano nemmeno la razza umana nello spazio. […]

Un nuovo interesse verso lo spazio aumenterebbe anche la fiducia nella scienza in generale».

Hawking, è un grande precursore del nostro tempo oltre che un grande comunicatore.
Grazie Stephen. Grazie Andrea.

Sabrina

Mi basta…

Oltre quegli alberi… Beyond those trees… Courtesy: Michal Vitasek (Praha).  His wounderful pictures are available at: http://www.fotokrajina.cz/

Mi basta meravigliarmi davanti ai segreti della natura.
Albert Einstein

Un altro colpo inferto al pianeta Giove

Courtesy: Infrared Telescope Facility, NASA

Ci sono evidenze osservative che un oggetto abbia colpito il pianeta Giove, esattamente 15 anni dopo l’impatto della cometa Shoemaker-Levy 9. Scienziati del Jet Propulsion Laboratory di Pasadena (California) utilizzando l’Infrared Telescope Facility della NASA, situato sulla sommità del Mauna Kea nelle Hawaii, hanno documentato con questa immagine l’impatto, avvenuto vicino alla regione del Polo Sud gioviano.

Emblematica l’affermazione di Glenn Orton del JPL:

“We were extremely lucky to be seeing Jupiter at exactly the right time, the right hour, the right side of Jupiter to witness the event. We couln’t have planned it better”.

[Siamo stati estremamente fortunati nel vedere Giove esattamente al momento giusto, all’ora giusta, dalla parte giusta per essere testimoni dell’evento. Non avremmo potuto prevederlo meglio.]

Decisamente fortunati. Potrebbe trattarsi dell’impatto di una cometa, ma al momento non si hanno prove sicure. Infine, Leigh Fletcher, Postdoctoral Fellow al JPL, che si occupererà nei prossimi mesi di  studiare le immagini e la dinamica dell’evento, afferma:

“Given the rarity of these events, it’s extremely exciting to ben involved in these observations. There are the most exciting observations I’ve seen in my five years at observing the outer planets!”

[Data la rarità di questi eventi, è estremamente emozionante venir coinvolti in queste osservazioni. Sono sicuramente le più eccitanti che abbia visto in cinque anni da quando studio i pianeti più esterni!]

L’emozione viene anche a noi.

Sabrina

Ecco le prove che siamo stati sulla Luna

 

Questa è una notizia che viene diffusa all’opinione pubblica in occasione del 40esimo anniversario del primo sbarco dell’uomo sulla Luna. Le prove ce le fornisce la Nasa stessa, grazie ad una serie di scatti fotografici compiuti dalla sonda  Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO). La rivista online di astronomia, L’astrofilo, scaricabile gratuitamente sul sito http://astropublishing.com ne ha comunicato la notizia e diffuso le immagini:

Apollo sulla Luna: FOTOGRAFATI!

Non poteva esserci miglior test per il Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO) della NASA, da qualche giorno in orbita attorno alla Luna, e non poteva esserci miglior regalo per quanti stanno celebrando i 40 anni della conquista della Luna: finalmente sono stati fotografati i siti di atterraggio della maggior parte dei moduli lunari degli Apollo, e sono perfino stati fotografati alcuni strumenti scientifici e addirittura le orme degli astronauti! Vedere per credere: le immagini qui presentate sono eloquenti.
In tutte le immagini sono indicati dalla freccia i moduli di discesa, quelli che fungevano da rampa di lancio per la risalita degli astronauti in orbita lunare alla fine delle attività sulla superficie del satellite. Manca solo il sito di atterraggio dell’Apollo 12, che sarà fotografato entro questa settimana. La bassa altezza del Sole sull’orizzonte ha facilitato l’identificazione dei manufatti, ma si ritiene di poter migliorare ulteriormente la risoluzione allorché la sonda entrerà in piena operatività, infatti alcune delle immagini sono state prese quando la LRO non era ancora nella sua orbita di mappatura e quindi non poteva sfruttare appieno gli strumenti di bordo. Nondimeno sono già evidenti le potenzialità di questa nuova sonda, che sarà utilizzata per individuare con grande accuratezza i siti per gli sbarchi lunari delle future missioni con equipaggio.
Le piccole differenze di risoluzione (e quindi di scala) fra le varie immagini sono dovute alla forma ellittica dell’orbita lunare descritta dalla LRO, e quindi al variare della sua distanza dalla superficie. Tutte le immagini sono comunque prossime alla risoluzione media di circa 1,2 m/pixel, con i moduli lunari che coprono un’area di 9 pixel, contrastata da un’ombra che a sua volta copre una ventina di pixel.
L’avventura continua!
 
Credit: NASA. Informazioni e immagini su L’Astrofilo: http://www.astropublishing.com/news/200709.htm  e sulla pagina della NASA: http://www.nasa.gov/mission_pages/LRO/multimedia/lroimages/apollosites.html .

 

Sono convinta che gli scettici continueranno per la loro strada…

Sabrina

Nous ne savons…

 

La Toscana vista con gli occhi e il cuore di Michal Vitasek. Tuscany seen with the eyes and heart of Michal Vitasek. All his original and absolutely stunning pictures are available at: http://www.fotokrajina.cz/ . Thank you, Michal.

 

 Nous ne savons encore presque rien et nous voudrions deviner
ce dernier mot qui ne nous sera jamais rélélé.
La frénésie d’arriver à une conclusion est la plus stérile des manier.

Lettre à Louis Bouilhet – Gustave Flaubert

Non sappiamo quasi niente e vorremmo indovinare quest’ultima parola
che non ci sarà rivelata mai.
La frenesia di arrivare ad una conclusione è la più sterile delle maniere.

Lettera a Louis Bouilhet, Gustave Flaubert

Ringrazio Fiami per la gentile traduzione del testo francese. Sabrina

Studi sulla correlazione tra eclissi di Sole e terremoti

L’eclisse di Sole, 22 luglio 2009. Immagini disponibili sul sito de “La Repubblica.it”.

Riporto qui di seguito il commento che Gabriele Umbriaco (Dipartimento di Astronomia dell’Università di Padova) ha lasciato qualche settimana fa sul post dedicato ad un possibile legame tra terremoti, eruzioni vulcaniche ed eclissi di Sole pubblicato il 30 giugno 2009 alla pagina http://tuttidentro.wordpress.com/2009/06/30/eclissi-di-sole-terremoti-o-eruzioni-vulcaniche/. Esiste o meno una relazione? Gabriele ci fornisce dei calcoli e dei link di documenti e articoli pubblicati su questo argomento. Nei prossimi giorni, alla luce della nuova eclisse di Sole di stamattina, ci fornirà altre curiosità e dati.

 

E’ un argomento interessante da approfondire, che ho lasciato sempre in background. Per aggiungere qualcosa la forza che un corpo imprime su un’altro è regolata dalla solita legge di Newton. Applicata a Sole e Luna determina un valore di accelerazione molto piccolo rispetto a quello di g.
In particolare

g(totale)=g(terra)+g(luna)+g(sole)

da semplici conti si trova che:

g(terra)=9.80665 m/s^2 g(luna)=1.10×10-6 m/s² g(sole)= 5.05×10-7 m/s².

Valori veramente piccoli, parti per milione.
Vediamo quanto varia il peso di una montagna sopra una falda in tensione. Se la montagna fosse alta 2000 m la possiamo pensare come una piramide di terra (densità media 2.8 gr/cm^3 =2.8×10-3 Kg/m^3) e supponiamola a base quadrata con i fianchi inclinati di 30°.

La lunghezza della base è semplicemente tan(60)*2000*2=6928m.

Il volume della piramide è V = 1/3 * area della base * altezza e quindi 0.3333*6928^2*2000=3.2×10+10m^3

La forza sarà semplicemente m * g.
Ora il calcolo diretto usando la g(totale) è semplice ma non tiene conto della rotazione terrestre.
Utilizziamo allora l’accelerazione di gravità misurata dagli strumenti prendendo i due valori estremi causati dal moto di Sole e Luna (vedi: http://www.leapsecond.com/hsn2006/ch1.htm ) pari a:  +200microGal e -100microGal (1 Gal = 0.01 m/s-2) [il valore negativo indica che la direzione è invertita].

La massima attrazione fa pesare la montagna di 3.2×10+10 * 2.0×10-4 = 6.4×10+6 N

La minima attrazione fa pesare la montagna di 3.2×10+10 * -1.0×10-4 = -3.2×10+6 N

La tensione totale che si registra in 12 ore circa è quindi di 9.6×10+6 N cioè facciamo 10^10 N ~ 10^6 tonnellate.

Ora, pur sbagliandomi, una montagnola genera una notevole tensione e quindi il sospetto che l’attrazione lunisolare possa favorire rotture di falde sotto tensione potrebbe essere fondato.

Di seguito riporto alcune note per chi volesse approfondire.

Misure di gravità durante le eclissi:  http://www.springerlink.com/content/c80v500611423168/
oppure: http://www.eclipse2006.boun.edu.tr/sss/paper03.pdf

oppure:  http://users.utu.fi/kuusela/gravity/Report.pdf

non hanno rivelato variazioni superiori a 3microGal.

Al Cern ci sono variazioni nell’energia delle particelle accelerate dovute ad azioni sulla crosta terrestre, lì piatta, da parte dell’attrazione lunare:

https://jwenning.web.cern.ch/jwenning/documents/EnergyCal/tide_slrep.pdf 

e  http://accelconf.web.cern.ch/AccelConf/p99/PAPERS/THP28.PDF

Un conto piu’ preciso dei valori di g si puo’ trovare qui:
http://www.wbabin.net/science/olah.pdf

Gabriele Umbriaco