Come fingere di essere colorati

Questa farfalla non è blu.Continua a leggere

La foglia artificiale per l’energia a emissioni zero

L’anidride carbonica (CO2) è probabilmente il più famigerato nemico della nostra atmosfera. Siccome è un potente gas serra, contribuisce pesantemente al riscaldamento globale, l’acidificazione degli oceani e tutto quello che ne consegue. Quindi è comprensibile che gli scienziati abbiano provato diversi sistemi per ridurne la concentrazione, da seppellirla sotto terra a (con un successo sorprendente) trasformarla in roccia. L’unico modo per mantenere i livelli di CO2 sotto controllo in maniera continuativa, però, resta semplicemente produrne meno.

In uno studio pubblicato su Science, un gruppo di scienziati della University of Illinois di Chicago (UIC) e dell’Argonne National Laboratory hanno affrontato il problema con un sistema che, letteralmente, cresce sugli alberi. “Una foglia converte anidride carbonica in zuccheri usando l’energia del Sole”, dice Amin Salehi-Khojin, Assistente Professore al Laboratorio di Nanomateriali e Sistemi Energetici della UIC e autore senior dello studio. “Noi abbiamo costruito una foglia artificiale che usa la stessa energia del Sole per convertire CO2 in syngas—un misto di gas che si può facilmente trasformare in diesel o altri carburanti”. Il tutto senza bisogno di ulteriore energia dall’esterno.

Secondo Salehi-Khojin, le prospettive per le foglie artificiali sono esaltanti. Pensate di collegare un campo di pannelli solari con queste foglie artificiali ad una normale centrale termoelettrica, dice: “La centrale brucia carburante per trarne energia, liberando anidride carbonica. Le foglie la assorbono direttamente dallo scarico e la trasformano in carburante che la centrale può bruciare di nuovo”. Un ciclo del genere azzera le emissioni di CO2 della centrale, senza bisogno di sostituire tutti i macchinari esistenti.

Generare qualsiasi cosa dall’anidride carbonica, però, non è affatto facile perché il gas è famosamente poco reattivo. Durante la fotosintesi naturale, enzimi specializzati hanno il compito di facilitare le reazioni. La foglia artificiale, invece, usa piccolissimi fiocchi (sono larghi appena qualche centinaio di atomi) di un materiale a base di tungsteno. Economico ed efficace, questo materiale è la vera innovazione di questa foglia artificiale. La sua potenza è tale che la foglia immagazzina nel carburante l’equivalente del 5% dell’energia che riceve dal Sole, un risultato impensabile usando materiali normali e più costosi (come argento e platino), e che perfino le piante più efficienti raggiungono a malapena.

Secondo gli scienziati, poi, la foglia artificiale non sta nemmeno lavorando a pieno regime. Per raccogliere l’energia dalla luce, la foglia usa celle fotovoltaiche—lontane cugine di quelle delle calcolatrici, per capirci—che sono relativamente inefficienti. Se le celle raccogliessero meglio l’energia, dicono, ci sarebbero già ora risultati migliori, senza bisogno di ulteriori modifiche.

La ricerca sulle foglie artificiali traccia una strada per un futuro fatto di energie pulite di cui abbiamo disperatamente bisogno. E potrebbe non essere poi così lontano. Secondo Salehi-Khojin, infatti, i primi prototipi su scala industriale potrebbero arrivare in pochi anni. “Ma ci serve una stretta collaborazione con l’industria” dice. “La chimica funziona, dobbiamo solo realizzarlo su scale più grandi, e ottimizzare il progetto e il processo produttivo”.

 

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Foto copertina: CC0 Anthony Rossbach, via unsplash.com

Tre curiosità estive (e mezza)

Perché non ci si abbronza dietro al vetro

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Dal sole ci arriva luce di ogni colore, anche quelli che non esistono. Prendiamo i raggi ultravioletti (o UV) che, come suggerisce sottilmente il nome, hanno una lunghezza d’onda più corta del viola. Questa luce è più viola del viola, che però è l’ultimo colore che siamo in grado di vedere: niente colori UV per noi.

I raggi UV possono danneggiare cellule, che si proteggono producendo melanina per proteggersi. Più melanina si ha, più la pelle è scura. Chi non ne produce tanta di suo può stimolarla mettendosi al sole, abbronzandosi.

Il vetro l’abbiamo inventato e perfezionato per vederci attraverso: ci interessava la luce visibile. Ma il fatto di essere trasparente cambia a seconda della lunghezza d’onda della luce. E infatti la luce UV non attraversa bene il vetro.

Meno luce UV vuol dire che la nostra pelle si preoccupa meno, e quindi non si abbronza.



Raffreddamento estremo coi laser

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Quando pensiamo ai laser, probabilmente pensiamo a laboratori, scintille, fumo, pistole laser, spade laser… Il freddo, insomma, non è in cima alla lista. Ma per raffreddare davvero qualcosa (e intendo vicino allo zero assoluto), il laser è uno dei modi migliori.

Se si va a vedere nel profondo della fisica, la temperatura esprime quanto veloce si stanno muovendo le cose. Ad esempio, l’aria in una stanza è fatta di tante molecole che si muovono di continuo, qualcuna più veloce, qualcuna meno. Più alta è la temperatura dell’aria, più alta è la media di queste velocità. Viceversa, meno si agitano le molecole, più bassa è la sua temperatura.

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Solitamente raffreddiamo le cose mettendole a contatto con qualcosa di più freddo, e il rallentamento delle particelle arriva (in un certo senso) di conseguenza. Ma coi laser è diverso.

Semplificando molto, ci sono tre coppie di laser che si incontrano in un punto, dove abbiamo messo gli atomi da raffreddare. Perciò, se un atomo si muove in una certa direzione, va per forza incontro ad almeno un fascio laser, che è stato preparato in modo da cedergli un pochino di energia, spingendolo indietro.

Così ogni atomo è obbligato a stare praticamente fermo, e il gruppo di atomi si raffredda.

 

Perché il ventilatore fa fresco

CC-BY-SA haru__q/flickr.com.

 

Per lo stesso motivo per cui soffiare sul brodo lo raffredda. Ma andiamo in ordine.

Quando fa caldo sudiamo.

Le molecole di acqua nel sudore si agitano—qualcuna più veloce, qualcuna meno—e si scontrano tra loro di continuo. Quanto veloci vanno, come abbiamo visto, c’entra con la loro temperatura.

Deboli forze tra una molecola e l’altra le tengono vicine, e così l’acqua resta liquida. Ogni tanto, però, una molecola molto veloce può riuscire a sfuggire a queste forze, evaporando. La velocità media delle molecole rimaste indietro si abbassa, e così anche la loro temperatura.

Le molecole evaporate, tuttavia, non vanno molto lontano, così possono essere “catturate” dal liquido, rientrando nel gruppo. La superficie di ogni microscopica gocciolina di sudore, quindi, è un continuo andirivieni.

Il ventilatore soffia via le molecole evaporate, che così non possono essere ricatturate, sbilanciando il delicato equilibrio della superficie. In questo modo, sempre più molecole lasciano definitivamente le gocce di sudore, si portano via del calore e raffreddano la nostra pelle. Che è anche il motivo per cui il brodo si raffredda soffiandoci su.

… e perché l’afa peggiora il caldo

L’idea è la stessa del ventilatore, ma al contrario.

Più l’aria è umida, più acqua contiene. Perciò è anche più probabile che molecole d’acqua vengano catturate dalle gocce di sudore. L’equilibrio della superficie si sposta nell’altra direzione, il sudore evapora lentamente e il caldo ci resta addosso più a lungo.

 

Per saperne di più
  • Un sito di fotografia spiega quello che ci perdiamo a non vedere gli UV
  • Una simulazione interattiva per capire meglio la faccenda movimento-temperatura
  • La spiegazione più precisa del raffreddamento laser sul sito dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare
  • Il grande Richard Feynman spiega più in dettaglio la storia del brodo e dell’evaporazione
  • Due cose in più su Sole, abbronzatura e scottature
Amorefisico va in vacanza! Ci risentiamo il 9 settembre
Buone vacanze!

 

Foto copertina: CC0 Counselling, via pixabay.com

Fulmini e saette!

Lo sapevate? I fulmini non vengono dalla collera degli dei!

Scherzi a parte, la faccenda è tutt’altro che semplice e non c’è ancora molto che non abbiamo capito. Quindi è comprensibile che in antichità abbiamo usato qualche spiegazione fantasiosa..

Di sicuro sappiamo che i fulmini sono una scarica elettrostatica, come la scossa che prendiamo toccando la portiera dell’auto quando scendiamo. In pratica, sfregando sui sedili raccogliamo elettroni, che vorrebbero scaricarsi a terra, ma non riescono perché l’aria (che è un ottimo isolante) gli sta tra i piedi.

Se siamo abbastanza vicini alla portiera, la tensione tra il dito—dove si stanno accumulando elettroni—e il metallo diventa così tanta che strappa letteralmente degli elettroni dagli atomi di aria (un processo pomposamente chiamato ionizzazione). Questi elettroni liberi di andarsene in giro nell’aria ionizzata la rendono un plasma (sì, lo stesso dei televisori), che non è affatto isolante.

Piccole porzioni di aria ionizzata, poi, ionizzano a loro volta altre lì vicino, in un effetto domino che sviluppa rapidamente uno stretto canale verso la portiera.

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Un canale di aria ionizzata si allunga dalla nuvola a terra, fino ad incontrare quello che arriva dall’edificio. CC BY-SA 3.0 Anynobody via Commons

Da lì, intanto, parte lentamente un altro canale, attirato da tutta la carica del nostro dito.

Ad un certo punto, i due si incontrano, come i due lati di un tunnel in costruzione. Così parte la scossa vera e propria: gli elettroni che avevamo accumulato hanno finalmente un passaggio verso terra e ci si buttano dentro.

Un fulmine funziona allo stesso modo, solo che deve attraversare chilometri d’aria, non pochi millimetri. Quindi tra la nuvola e il terreno si sviluppa un sacco di tensione e la corrente all’interno del fulmine è così devastante che il canale al plasma diventa incandescente e si illumina.

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Il graupel è una specie di sottile grandine, CC-BY Peter Stevens, via Flickr.

E qui arrivano i problemi, perché non sappiamo da dove arrivi tutta quella tensione. Una spiegazione ha a che fare con tipo di ghiaccio—detto neve tonda o graupel, una via di mezzo fra neve e grandine—e la sua fichissima capacità di caricarsi elettricamente quando si raffredda.

Semplificando un po’, questo materiale si scontra con cristalli di ghiaccio all’interno delle nuvole, si raffredda e si carica. Poi, essendo relativamente pesante, si accumula sul fondo della nuvola, generando una tensione con il suolo. Solo che non sappiamo se basti a far scoccare un fulmine.

Insomma, anche piccole palline di ghiaccio possono avere conseguenze enormi. E rendere un pochino epico anche quel fastidiosissimo momento quando scendiamo dall’auto.

 

Foto copertina: Thor, CC-BY-NC sharkhats, via Flickr. Some rights reserved.

Da dove viene il colore sulle bolle di sapone?

Le bolle di sapone sono per la maggior parte acqua e, come vediamo tutti i giorni, l’acqua riflette parte della luce che le arriva contro. Quindi, quando i raggi di luce arrivano sulla bolla, una parte di loro rimbalza direttamente dalla superficie.

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CC0 sherioz/pixabay.com

Il resto entra nel sottile strato di acqua e sapone che forma la bolla. Al suo interno, la luce viaggia tranquillamente, finché non lo ha attraversato tutto e incontra un’altra superficie: quella tra l’acqua e l’interno della bolla. Come quella esterna, anche questa riflette un po’ di luce. Perciò una parte della luce è costretta a tornarsene verso l’esterno, da dove è venuta.

I riflessi sulle superfici interna ed esterna che si amplificano a vicenda con l’interferenza. Credit: Jhbdel, via wikimedia.

Appena questi raggi escono dalla bolla, però, incontrano quelli che stanno rimbalzando sulla superficie. Come sempre, quando due onde si incontrano, anche questi raggi di luce fanno interferenza l’uno con l’altro.

Diversi colori, ovvero luce di lunghezze d’onda diverse, escono più o meno sincronizzati coi loro corrispettivi che stanno rimbalzando sulla superficie. A volte sono in sintonia (o in fase, se vogliamo essere pomposi), amplificandosi a vicenda, altre sono sfasati e si smorzano.

Riflessi smorzati dall’interferenza. Credit: Jhbdel, via wikimedia.

I colori che escono amplificati ci appaiono come lievi sfumature sulla superficie della bolla.

Lo spessore dello strato d’acqua determina quanto sfasate sono le due onde, e perciò che colore vediamo sulla superficie. Basta una variazione minima—un punto leggermente più spesso, o anche un microscopico accumulo di sapone in un punto—perché venga scelto un colore piuttosto che un altro. Siccome questi cambiamenti di spessore sono graduali, le sfumature attraversano tutti i colori, creando piccoli arcobaleni cangianti sulla superficie.

La stessa proprietà si usa per creare i rivestimenti antiriflesso nelle lenti di occhiali e macchine fotografiche. Il rivestimento è formato da strati sovrapposti di diverso spessore, ognuno dei quali è esattamente calcolato per cancellare un colore preciso. Messi assieme cancellano tutta la luce che verrebbe riflessa. Guardando la lente da angoli diversi, si vede luce riflessa diversamente, e qualche sfumatura cangiante appare.

Perciò, la prossima volta che vedete una bolla di sapone, magari soffermatevi ad ammirare la sua magica superficie. Anche solo un attimo, prima di abbandonarvi all’irresistibile tentazione di scoppiarla.

 

Foto copertina: Untitled, CC-BY-NC Leolein, via Flickr. Some rights reserved.

Uno stormo di astronavi verso le stelle

L’esplorazione spaziale ha un problema: è costosa e lentissima, perché le sonde sono grandi e pesanti, zavorrate dal carburante necessario per il lungo viaggio. Per questo, anche la stella più vicina (Alfa Centauri) è irraggiungibile, a millenni di volo da noi.

Secondo gli scienziati del progetto Breakthrough Starshot (progetto non-profit finanziato, tra gli altri, dal miliardario russo Yuri Milner) c’è una soluzione: viaggiare senza carburante, veleggiando nello spazio, spinti solo dalla luce.

Non è solo un’immagine poetica, è veramente possibile!

Quando una superficie assorbe luce, parte della sua energia finisce letteralmente per spingere sulla superficie. Se poi la luce viene riflessa, spinge ancora di più, esattamente come fa una pallina che rimbalza sul muro.

La spinta è comunque piccolissima, per cui solitamente non ce ne accorgiamo. Usando molta luce su oggetti leggeri, però, li si può muovere: la luce solare spinge già alcune piccole sonde. Per arrivare ad Alfa Centauri, però, non basta.

Breakthrough Starshot funzionerà combinando diversi laser focalizzati su piccolissime sonde chiamate StarChip. Gli scienziati stimano che così potranno accelerarle fino al 20% della velocità della luce in appena una decina di minuti, riducendo il viaggio per Alfa Centauri a solo vent’anni.

Il circuito al cuore delle sonde del progetto Breakthrough Starshot, che sarebbe spinta da una vela. Credit: Popular Science

Ogni micro-sonda sarà una specie di aquilone con una grande vela riflettente collegata ad un circuito elettronico che, in pochi centimetri e nel peso di una graffetta, conterrà alcuni sensori, una fotocamera, una trasmittente laser, un piccolo pannello solare ed una batteria. Il tutto, secondo Milner, al costo di un iPhone. Perciò se ne potranno produrre e lanciare centinaia alla volta, e pazienza se qualcuna va persa per strada, cosa probabile lungo i 4 anni luce di viaggio.

Le StarChip partiranno in massa da un satellite e verranno subito spinte da un complesso di laser. Le sonde non possono frenare quindi, arrivate a destinazione, sfrecceranno attraverso tutto il sistema planetario in appena un giorno, freneticamente misurando e scattando foto. Tutti i dati, poi, verranno trasmessi a terra.

 

I problemi non mancano: al momento non abbiamo vele abbastanza riflettenti o laser abbastanza grandi per il viaggio. Ma Milner ha messo sul piatto 100 milioni di dollari solo per un prototipo.

La nostra migliore occasione di toccare le stelle è arrivata.

 

Foto copertina: CC0 rihaij, via pixabay.com

Il colore dell’universo

Di che colore è l’universo? Da un lato si potrebbe dire che è trasparente: la luce attraversa il vuoto cosmico senza problemi. Dall’altro si potrebbe dire che è nero: a meno di guardare una sorgente di luce (tipo una stella), lo spazio è buio.

Entrambe le risposte sono giuste e sbagliate allo stesso modo.

Tutti gli oggetti irradiano onde elettromagnetiche a varie frequenze, in base alla loro temperatura. Più caldo è l’oggetto, più bassa è la lunghezza d’onda della luce che emette.

Il filamento di una lampadina ad esempio diventa bianco-giallastro quando si scalda abbastanza. Le stelle emettono luce più rossa o più blu a seconda di quanto sono calde. E anche le persone emettono continuamente luce infrarossa (quindi invisibile), perciò sono visibili anche al buio, usando gli strumenti giusti (gli “occhiali a infrarossi” dei film, per capirci).

soldiermod.com

Allo stesso modo, l’universo intero emette una debole luce. E siccome è veramente freddo (quasi allo zero assoluto) la luce è ancora più lontana da quello che i nostri occhi vedono. Ma se guardiamo il cielo con un telescopio sensibile alle microonde, percepiamo il suo “colore” ovunque, sempre uguale: la radiazione cosmica di fondo.

Analizzando la composizione di questa radiazione, tra l’altro, possiamo calcolare con estrema precisione la temperatura dell’universo. Prevedibilmente, è molto freddo, giusto un paio di gradi sopra lo zero assoluto.

Man mano che l’universo si espande, la sua lunghezza d’onda aumenta. Se riavvolgiamo le leggi della fisica e torniamo (molto) indietro nel tempo, possiamo arrivare ad un momento in cui questo bagliore era visibile anche per noi.

Era arancione.

 

 

Foto copertina: Colors, CC-BY-SA Mikel Seijas Alonso via Flickr. Some rights reserved.

Come fa la luce ad arrivare subito alla velocità della luce?

Qualche tempo fa mi sono imbattuto in questa bella domanda su Quora: quando la luce viene emessa, come fa a raggiungere la sua fenomenale velocità? Accelera da 0 a 300mila chilometri al secondo? E quanto ci mette?

Siamo abituati a pensare che la luce sia uno sciame di fotoni, delle specie di microscopiche palline luminose. Se accendiamo una lampadina, succede qualcosa al suo interno che le fa sparare fuori miriadi di questi corpuscoli. Logica vuole che, partendo da una lampadina (solitamente) ferma, i fotoni debbano accelerare per arrivare alla velocità della luce.

I fotoni si comportano sia come particelle che come onde. Credit: Timothy Yeo / CQT, National University of Singapore, via phys.org

Però non è così: la luce viaggia sempre alla stessa velocità. Sempre. Il motivo è che, anche se si comporta come se fosse fatta di palline, la luce è anche un’onda (non per niente, spesso parliamo di lunghezze d’onda della luce), è una perturbazione del campo elettromagnetico. Come tale, può nascere già in viaggio ad una certa velocità.

Allo stesso modo, quando qualcosa cade nell’acqua, le increspature che crea sulla superficie nascono già in movimento, tutte alla stessa velocità, che è una caratteristica propria dell’acqua.
Lanciando un sasso in uno stagno di olio, alcool o catrame otterremmo onde di velocità diverse.

La luce è un’increspatura nello “stagno” elettromagnetico. La sua velocità è quella caratteristica dello spazio-tempo, ovvero la velocità della luce. Le onde gravitazionali sono increspature nello spazio-tempo stesso, e si spostano alla stessa velocità.

Il suo valore ci dice qualcosa di molto importante sul nostro universo, sulla sua struttura più intima, qualcosa di molto più profondo della semplice velocità a cui si spostano i fotoni.

Per una volta, la luce non ha niente di speciale, o almeno non più speciale di altre onde.

 

Foto copertina: accelerate, CC-BY Marcus Pink, via Flickr. Some rights reserved.

Come fanno le cose ad essere opache

Gli atomi, per la maggior parte, sono vuoti: lo spazio tra il nucleo e gli elettroni è enorme. Ma allora perché non è tutto trasparente? Spoiler: è perché le dimensioni contano.

Il fatto è che, anche se dentro sono molto vuoti, gli atomi sono molto molto piccoli, molto più della lunghezza d’onda della luce visibile. Per un’onda come la luce, distinguere dettagli più piccoli della propria lunghezza d’onda è impossibile. Sarebbe un po’ usare dita troppo grosse per digitare su tasti troppo piccoli, o leggere il Braille indossando guanti da forno.

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Credit: Inductiveload, via Wikipedia. Pubblico dominio.

In pratica, per la luce visibile, un atomo è una pallina compatta. Ma allora perché non è tutto opaco? Come fanno le finestre ad essere trasparenti, ma i muri no?*

I fotoni che compongono la luce hanno, ciascuno, una precisa quantità di energia, che possono cedere ad un elettrone quando lo incontrano. Il fatto è che i fotoni non possono cedere solo un po’ di energia, devono dar via tutto il pacchetto. C’è questo bel video che lo spiega molto bene.

Gli elettroni attorno agli atomi sono anche obbligati ad avere particolari e molto specifici livelli energetici. Questo li rende estremamente schizzinosi. perché permette loro di accettare solo i fotoni che portano quel pacchetto con l’esatta energia che serve per il prossimo salto. Né meno, né più. Se l’elettrone accetta il pacchetto, il fotone sparisce (viene assorbito). Se, invece, l’elettrone si rifiuta, la luce rimbalza contro l’atomo e se ne va.

L’energia che portano i fotoni dipende dalla loro lunghezza d’onda: più corta è l’onda, più ha energia. Sicché, la disposizione livelli energetici degli elettroni di un atomo (o di una molecola di più atomi) determina per quale luce è trasparente.

Nel vetro di una finestra, ad esempio, gli elettroni hanno un grosso scalino energetico da scalare, e non si accontentano di fotoni di luce visibile, ma assorbono molta luce ultravioletta, che ha più spinta. Perciò il vetro è trasparente. Gli elettroni del muro intorno alla finestra, invece, sono ben contenti di prendersi anche la luce visibile e non possiamo vedergli attraverso.

Come la bellezza, la trasparenza del mondo è nell’occhio di chi guarda. O almeno nella luce che vede.

Per saperne di più

 

Foto copertina: Galena Window with Horse, CC-BY-NC-ND Terence Faircloth, via Flickr. Some rights reserved.

*Correzione: Originariamente, questo post diceva che era la struttura in cui sono disposte le molecole di materiale a determinare la sua trasparenza. Sebbene la struttura abbia una piccola parte, non è il motivo principale.

Cannocchiali nello spazio

Da Galileo in poi, usiamo lenti e cannocchiali per esplorare l’universo. Ma l’universo stesso ci dà delle lenti con cui osservarlo. Anche se è un po’ più complicato.

Questa bellissima foto mostra quattro galassie (i quattro pallini gialli al centro), che si stanno lentamente scontrando l’una con l’altra a circa un miliardo di anni luce da noi. Dandogli tempo, finiranno per essere un unico blob galattico.

La mia parte preferita è quella specie di aura blu che si vede intorno a queste galassie. Quella è la luce di un’altra galassia, lontano sullo sfondo, che non si vede perché è coperta dalle quattro davanti. Guardando bene, infatti, si vede pure che l’aura blu è fatta di quattro immagini distorte della galassia: si vede il centro (i pallini più chiari), la struttura a spirale della galassia e tutto quanto.

Quando l’ho vista mi sono entusiasmato perché per la prima volta ho visto una lente gravitazionale in funzione.

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Uno schema di come la luce della galassia lontana ci raggiunge attraverso una lente gravitazionale. Credit: NASA/ESA

La lente gravitazionale funziona più o meno così: la gravità di un oggetto nello spazio devia la luce che gli passa vicino, seppure di pochissimo. Più massa ha un oggetto, più riesce a deviare la luce. Perciò un oggetto con moltissima massa, come una galassia, devia significativamente la luce, così anche cose nascoste in secondo piano diventano visibili. Ed ecco che appare la nostra galassia blu, distorta attorno alle quattro che gli stanno in realtà davanti.

Oltre che una figata, le lenti gravitazionali sono anche utili. Infatti, sapendo di quanto la luce è stata deviata, si può stimare abbastanza precisamente la massa delle galassie in primo piano, compresa la materia oscura, che altrimenti non sarebbe misurabile.

Foto di copertina: Dr Richard Massey, Durham University.