Fenomenali poteri cosmici e minuscolo spazio vitale

Non sarebbe bellissimo portare l'universo in laboratorio? L’astronomia è una delle parti della fisica che più catturano la fantasia. Svelare i misteri dell’universo, d’altra parte, è indubbiamente affascinante. Purtroppo galassie e buchi neri non collaborano agli esperimenti.

Un gruppo di fisici, che fa capo all’Università Federico II di Napoli, sta lavorando ad una soluzione.

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Wormhole: tunnel attraverso lo spazio

Storie di fantascienza come The Martian o Black Mirror parlano di tecnologie quasi a portata di mano, come andare su Marte. Altre volte è roba più azzardata: è il caso dei wormholes. Però, siccome la relatività generale non li vieta del tutto, continuano ad affascinare scienziati ed autori.

Un esempio di un wormhole che collega due regioni di uno spazio bidimensionale. credit: telegraph.co.uk

Un wormhole (letteralmente, buco di verme) è un tunnel spaziotemporale, una scorciatoia tra due regioni lontane dello spazio-tempo. Il film Interstellar aveva molti difetti, ma la fisica era quantomeno plausibile (grazie alla supervisione della star della fisica Kip Thorne). Infatti spiegano efficacemente l’idea del wormhole: prendete un foglio e piegatelo, poi fateci un buco. Avete creato un wormhole nel vostro universo di carta.

L’entrata, in teoria, dovrebbe avere l’aspetto di un buco nero, un buco in cui luce e materia spariscono per sempre. L’uscita sarebbe l’opposto: una sorgente eterna di luce e materia—un buco bianco. Attraverso un wormhole, si potrebbero coprire distanze immense in tempi relativamente brevi, ma probabilmente non viaggiare nel tempo*.

Quindi, esistono?

Di sicuro non possiamo costruirli. Fare un wormhole con la carta è carino, ma funziona solo perché il foglio ha due dimensioni mentre noi siamo a nostro agio con tre. Per creare un vero wormhole dovremmo lavorare in quattro dimensioni. Auguri.

È anche poco probabile che esistano grossi wormhole naturali. Prima di tutto, almeno vedere una volta un buco bianco darebbe qualche indizio in quella direzione, ma non è mai mai successo. Poi, per tenere aperto un wormhole abbastanza grande serve qualcosa che cambi la gravità da una forza che attrae le cose una verso l’altra ad una che le spinge via. E pure quello non si è mai visto.

Ad ogni modo, trovo fico che possiamo immaginare qualcosa di così assurdo e, grazie al potere della fisica, fare ragionamenti seri e fondati su come potrebbe o no funzionare, anche se non l’abbiamo mai visto.

Una simulazione di come apparirebbe un wormhole tra l’università di Tübingen (Germania) e le dune di Boulogne (Francia). CC-BY-SA CorvinZahn/Gallery of Space Time Travel, via commons

Per saperne di più
  • È pieno di spiegazioni più o meno accurate dei wormhole in giro. A me è piaciuta questa, piuttosto matematica, su Chalkdust
  • La NASA ha fatto un lavoro eccellente per dare risposte serie ad ogni genere di domanda sui wormhole su questa pagina
  • Secondo alcuni, i buchi neri sono l’entrata di wormhole per altri universi. Forse, forse no. I buchi neri sono ben strani!

* MINI SPOILER: Ok, in Interstellar, Cooper fa una specie di viaggio nel tempo. Ma quello succede solo all’interno di altre dimensioni: ci siamo già spostati nell’ambito della magia.

Foto copertina: CC0 Pexels/pixabay

Tutta la fisica è sbagliata!

La Meccanica Quantistica ha torto. La Relatività Generale ha torto. Il Modello Standard della fisica delle particelle ha torto, torto, torto!

Tutta la fisica (diamine, la scienza in generale!) è sbagliata—un po’. E gli scienziati lo sanno! Ma niente panico: la scienza deve avere torto. Perché non cerca la Verità, piuttosto spiega quello che vediamo meglio che si può.

Potrebbero esserci cose nuove che non avevamo visto, o spiegazioni migliori per quelle che conoscevamo già.

Newton pensava che la gravità fosse una forza tra due oggetti con massa. Ci sta. A dirla tutta, è una spiegazione buona abbastanza per arrivare sulla Luna. Di certo non aveva mai pensato che la massa deformasse lo spaziotempo. Ma d’altra parte non aveva mai visto la gravità piegare la luce (anche se non ha massa) o cambiare lo scorrere del tempo. Einstein, con la sua Relatività Generale spiegava tutto, comprese queste cose, senza neanche averle osservate!

Si possono descrivere perfettamente le orbite di tutti i pianeti anche tenendo la Terra al centro. Però è complicato, e più sbagliato che farlo con la gravità di Newton. credit: wikimedia

Difatti una buona teoria deve prevedere fenomeni nuovi, mai visti prima. Prima di Newton, gli astronomi pensavano che stelle e pianeti si muovessero lungo cerchi attorno a cerchi, eccetera. Se qualcosa non funzionava, nessun problema: si aggiungeva un cerchio. Questo sistema descriveva ottimamente tutto, ma non poteva predire nulla. Le leggi di Newton, invece, ci hanno detto dove cercare Nettuno. Ed era là.

Se una previsione si rivela sbagliata, gli scienziati cercano una teoria che spieghi i nuovi dati, fanno nuove previsioni e il ciclo ricomincia.

Prima o poi arriverà qualcosa che darà definitivamente torto alla Relatività Generale. Se chiedete a me, credo che la materia oscura sia un buon campo di battaglia. Per avere ragione, ad Einstein serve che l’universo sia pieno di una sostanza invisibile e intoccabile. Gli sfidanti si stanno già facendo avanti.

Di cos’è fatto l’universo (secondo le nostre teorie): il 95% è materia o energia “oscura” (un modo figo per dire che non abbiamo idea di cosa sia). credit:nasa.gov

Come la Relatività, anche tutte le altre teorie cadranno. Nessuna teoria è perfetta, ma tutte quelle accettate sono meglio delle precedenti. In qualunque momento della storia (almeno da quando abbiamo il metodo scientifico), i dati di fatto scientifici sono le migliori spiegazioni del mondo che abbiamo mai avuto. E vale anche per le teorie attuali.

Tenere una mente aperta è importante, ma è anche importante tenere a mente perché i dati di fatto sono tali e il lungo viaggio che hanno affrontato per diventarlo. Ad aprire troppo la mente, si rischia di far cascare fuori il cervello.

Per saperne di più
  • Si possono scrivere libri interi sulle cose che non sappiamo ancora spiegare. Come ha fatto Jorge Cham.
  • Volete una spiegazione dettagliatissima di cosa funziona e cosa no riguardo alla materia oscura? C’è PBS Spacetime:

 

Foto copertina: Facepalm, CC-BY Brandon Grasley/flickr

LIGO l’ha fatto di nuovo

Quando si fa scienza, la seconda volta può essere importante almeno quanto la prima. Se un esperimento non si può ripetere non vale nulla. Per questo motivo l’osservatorio per le onde gravitazionali LIGO stava aspettando con ansia questo momento.

Dopo aver dato a febbraio la notizia scientifica dell’anno (magari ve la ricordate: ha avuto giusto un po’ di attenzione mediatica, compreso un popolare post di amorefisico), l’osservatorio ha infatti annunciato di aver misurato di nuovo piccole deformazioni del tessuto spazio-temporale.

Anche questa volta sono state causate fusione di due buchi neri, sebbene molto più piccoli della prima volta. E anche questa volta hanno rispettato perfettamente le previsioni della relatività generale.

Buchi neri più piccoli cadono l’uno verso l’altro più lentamente, perciò l’evento registrato da LIGO era molto più lungo questa volta: un intero secondo, quindi c’erano più dati su cui lavorare.

Le onde gravitazionali che hanno prodotto, però, erano anche molto più flebili. Il primo evento, dicono gli scienziati, distaccava nettamente dal “rumore di fondo”, mentre questo è venuto fuori solo analizzando attentamente i dati.

In un certo senso è come se stessimo ascoltando un fuoco crepitare nell’universo profondo. La prima cosa che abbiamo sentito era un forte “POP”, ora abbiamo sentito anche uno scoppiettio più debole.

In un certo senso, sentire altri scoppiettii ci dice anche che stiamo davvero ascoltando quel falò: c’era sempre una possibilità (anche se piccola) che avessimo trovato qualcos’altro che sembrava essere onde gravitazionali. Ora siamo molto sicuri e possiamo iniziare ad ascoltare per davvero.

Come ha commentato per la società americana di fisica Julian Krolik, astrofisico dell’università Johns Hopkins,

La prima osservazione era esaltante perché ha mostrato che questo esperimento straordinariamente difficile poteva davvero funzionare. Ulteriori osservazioni [come questa] spostano i riflettori dall’esperimento stesso a quello che ci può mostrare dell’universo.

Tra le cose che speriamo di poter investigare con le onde gravitazionali—oltre, ovviamente, ai buchi neri—c’è la materia oscura che, siccome non si vede, ci era sfuggita finora.

Nel frattempo, LIGO è spento per lavori: gli ingegneri sono al lavoro per aumentarne la sensibilità. Questo autunno ricominceranno le misurazioni, e l’osservatorio VIRGO in Toscana finalmente si unirà al progetto. Poi, nel 2034 dovrebbe essere lanciata la missione europea eLISA, una specie di maxi-LIGO nello spazio. I preparativi e i primi test in orbita, finora stanno andando molto bene.

Ah, se cercate una suoneria da nerd, quelli di LIGO hanno convertito l’oscillazione delle onde gravitazionali in un suono con la stessa frequenza (l’avevano fatto anche l’altra volta, ma questo è venuto meglio).

 

Per saperne di più
  • Arrivo dal futuro per dire che PBS Spacetime ha messo assieme un bel video che riassume la scoperta e il suo significato per il futuro dell’astrofisica

Foto copertina: CC0 rajitha2tPB/pixabay.com

L’esperimento sulla relatività che teniamo in tasca

Con la scoperta delle onde gravitazionali si parla un sacco di relatività generale. Solitamente l’associamo a buchi neri e altre cose non proprio quotidiane. Ma scommetto che negli ultimi 10 minuti ognuno di noi ha tenuto in mano un esperimento sulla relatività.

Difatti, chiunque ha tenuto in mano uno smartphone o qualunque cosa con un chip GPS ha fatto un esperimento sulla relatività generale.

Non tutti sanno che, in realtà, ognuno dei 31 satelliti GPS passa le giornate a trasmettere che ora segna il precisissimo orologio atomico che ha a bordo.

Per arrivare a terra, il segnale impiega qualche centesimo di secondo. Confrontando precisamente l'ora sul nostro orologio con quella arrivata dal satellite, si può calcolare quanto è lontano. Mettendo assieme la distanza da abbastanza satelliti, si trova la propria posizione.

ingegnerando.it

Che c’entra la relatività? Secondo la teoria, più in alto in un campo gravitazionale (ad esempio, in orbita) il tempo scorre più rapidamente. Un minuto in orbita dura qualche frazione di secondo meno di un minuto sulla Terra. L’effetto, come al solito, è impercettibile.

Difatti i satelliti GPS vennero mandati in orbita la prima volta senza correzione relativistica ai loro orologi. Il risultato? In poco tempo la localizzazione era sballata di chilometri. Fortunatamente, gli ingegneri erano preparati e mandarono un comando ai satelliti per attivare la correzione.

Perciò, ogni volta che il navigatore dell’auto ci dice di svoltare nel posto giusto, ogni volta che Google Maps ci dice quanto distante è il bar più vicino, stiamo verificando la relatività generale.

 

Foto: CC-0 Sylwia Bartyzel, via unplash

4 cose fondamentali sulle onde gravitazionali

Il team dell’osservatorio LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory) ha annunciato di aver misurato direttamente le onde gravitazionali emesse dall’unione di due buchi neri. Ma di che parlano? Ecco le risposte alle 4 domande più comuni (più 2 bonus, se vi sentite preparati).

I due buchi neri che si uniscono, e l’onda gravitazionale che ci arriva. NASA

Cosa sono le onde gravitazionali?

Le onde gravitazionali sono increspature dello spazio-tempo previste dalla Relatività Generale di Einstein. Se avete sentito una sola cosa su questa teoria, probabilmente è che la massa di un oggetto deforma lo spazio-tempo attorno.

Se la massa accelera nel modo giusto, dovrebbe (in teoria) creare onde gravitazionali. Queste si propagano come le onde su uno stagno quando ci lanciamo un sasso.

Al loro passaggio deformano impercettibilmente lo spazio stesso: lo allungano e stringono, poi lo accorciano e allargano, e così via.

Credit: MOBle/English Wikipedia

Credit: MOBle/English Wikipedia

Quanto grande è l’effetto?

Piccolo. Meno di piccolo: immani catastrofi (scontri tra enormi buchi neri, supernove che esplodono, cose così insomma), relativamente vicine (cioè nella nostra galassia) cambiano la distanza tra la Terra e la Luna di un millesimo dello spessore di un atomo. Come si può immaginare, è anche molto difficile da misurare.

Come le abbiamo trovate?

ligo.org

LIGO è un interferometro laser. Funziona dividendo un raggio laser in due parti. Una continua il suo percorso in un lungo tubo, l’altra devia di 90 gradi in un altro. Ognuna poi rimbalza avanti e indietro qualche centinaio di volte. Le parti vengono ricongiunte in modo che le onde di luce di cui sono fatte interferiscano, annullandosi perfettamente a vicenda.

Se, però, un’onda gravitazionale attraversa il dispositivo, allunga uno dei bracci e accorcia l’altro, poi viceversa, ciclicamente. Così la corrispondenza tra le onde non è più perfetta. Gli scienziati sono andati a cercare proprio quel tipo di segnali.

Per essere sicuri di eliminare qualunque disturbo, poi, hanno cercato tracce identiche che apparissero contemporaneamente in entrambi i loro osservatori (uno nel nord-ovest degli Stati Uniti, l’altro a sud-est, e quest’anno poi si aggiungerà anche l’osservatorio VIRGO in Toscana).

Se sono così impercettibili perché ci dovrebbero interessare?

Perché ci danno un modo completamente nuovo di studiare l’universo. Come ha detto Catherine Man, dell’Observatoire de la Côte d’Azur:

Ora non stiamo più solo “guardando” l’universo usando luce ultravioletta o visibile, ma stiamo “ascoltando” i rumori prodotti della gravità dei corpi celesti sul tessuto dello spazio-tempo

Tra le cose che possiamo “ascoltare” c’è l’eco della gioventù dell’universo. Fino a 380mila anni dalla sua formazione, infatti, l’universo era opaco alla luce, perciò non possiamo vedere più indietro di così. Ma le onde gravitazionali esistevano già: ascoltandole scopriremo molto di nuovo.

Domande bonus per quelli davvero preparati

Non le avevano già trovate qualche anno fa?

Nì: le onde gravitazionali trasportano energia, nel 1993 Russel Hulse e Joseph Taylor hanno vinto il Nobel per la fisica per aver osservato quell’energia. Ma prima d’ora nessuno aveva osservato direttamente le onde gravitazionali.

L’annuncio dell’anno scorso del progetto BICEP2, invece, era proprio un falso allarme. E ci han fatto una figuraccia.

 

Che succede ora con eLISA?

Probabilmente non molto. eLISA è un osservatorio spaziale per onde gravitazionali dell’ESA (l’Agenzia Spaziale Europea), dovrebbe andare in orbita nel 2034. Anche se le onde gravitazionali non saranno più una novità, eLISA sarà molto più sensibile di LIGO.

In pratica, sarà un orecchio più grande con cui ascoltare, può misurare onde da fonti più deboli o più lontane. Ed essendo nello spazio, ha anche meno fonti di disturbo.

 

 

Foto copertina: CC0 Austin Schmid, via unsplash.

Einstein alla radio

Da misteriosi luoghi, nelle profondità dell’universo, ogni tanto arrivano brevi segnali nelle radiofrequenze, chiamati Fast Radio Bursts. Ricercatori dell’università di Penn State vogliono usarli per sondare un principio fondamentale della fisica.

Il Principio di Equivalenza (un tema da seguire quest’anno) dice che la massa che determina la gravità di un oggetto è la stessa cosa che entra in tutte gli altri fenomeni fisici.

“Se è corretto—dice Peter Mészáros, a capo della ricerca—qualunque ritardo tra l’arrivo di questi fotoni non sarebbe dovuto ai campi gravitazionali che incontrano nel loro tragitto, ma a qualche altro effetto”.

Secondo la relatività generale, i fotoni dei Fast Radio Bursts vengono deflessi dagli oggetti massicci che incontrano nel loro tragitto. Per il Principio di Equivalenza, inoltre, questa deviazione è indipendente dalla loro frequenza: fotoni emessi contemporaneamente arriverebbero contemporaneamente.

“Misurando quanto ravvicinati arrivano due fotoni di diverse frequenze, possiamo verificare quanto rispettano il Principio di Equivalenza—continua Mészáros—Finora, la nostra analisi mostra che succede almeno al 99.999999%”.

I Fast Radio Bursts sono rari, e il gruppo spera in nuovi dati per migliorare la precisione.

Foto: CC0 Ryan McGuire, gratisography.com

Interferenza costruttiva

Di solito pensiamo alle interferenze come a fastidiosi disturbi. Ma sono molto di più, e aiutano la missione eLISA a svelare uno degli ultimi misteri della relatività.

Semplificando, se lanciamo due sassi in uno stagno e guardiamo come interferiscono tra loro le increspature che creano, possiamo calcolare (con l’interferometria) quanto sono lontani tra loro.

La misura è tanto più precisa quanto meglio conosciamo le onde. La luce laser è ottima per questo perché è un’onda estremamente regolare, e si può impostare molto precisamente.

La missione eLISA dell’Agenzia Spaziale Europea, prevista per il 2034 è fatta di tre sonde, che orbitano attorno al Sole, non troppo lontane dalla Terra, a circa 1 milione di chilometri l’una dall’altra. Usando l’interferometria laser e strumentazioni accuratissime, eLISA misurerà questa distanza al miliardesimo di millimetro.

elisa_orbit

Dentro ogni sonda c’è un cubo d’oro. La distanza tra questi cubi è quella che davvero ci interessa. Perciò ognuno è schermato da qualunque cosa lo possa muovere dal percorso stabilito: è in orbita (quindi in caduta libera come gli astronauti), e la sonda che lo contiene si sposta per assorbire ogni altra forza, perfino la spinta del vento solare.

La tecnica con cui la sonda sta intorno al cubo e assorbe le forze non si può testare sulla Terra, perciò la scorsa settimana è partita la missione LISA Pathfinder.

Le misure di eLISA saranno così precise e i cubi così isolati che si dovrebbe poter rilevare i microscopici spostamenti tra loro causati dalle onde gravitazionali.

E se non le trovassimo? Sarebbe comunque un gran risultato. Sarebbe la prima volta che la teoria relatività si sbaglia. Vorrebbe dire che abbiamo qualcosa di nuovo da imparare sull’universo.

Immagini: ripples, CC-BY-NC-ND Geoanne Millares, via Flickr. Some rights reserved, Artist’s impression of eLISA formation, AEI/MM/exozet

Un sentiero per Lisa

Con il lancio della sonda LISA Pathfinder, l’Agenzia Spaziale Europea (ESA) ha iniziato a tracciare la strada per l’ambiziosa missione LISA.

LISA (Laser Interferometry Space Antenna) cercherà di misurare direttamente le onde gravitazionali: increspature dello spazio-tempo create dal movimento di oggetti con massa. Quando passano, cambiano di pochissimo la distanza tra due punti nello spazio.

“Pochissimo” non rende l’idea. Secondo l’ESA, le onde emesse da buchi neri allungherebbero una barra lunga un milione di chilometri di appena la dimensione di un atomo!

LISA sarà composta da tre sonde, distanti alcuni milioni di chilometri tra loro, che orbiteranno sincronizzate attorno al Sole. Usando il laser, le sonde saranno in grado di misurare precisamente distorsioni nello spazio tra loro.

Le sue apparecchiature dovranno essere estremamente precise, nonché perfettamente isolate da qualunque influenza esterna. L’unico posto per testarle, quindi, è lo spazio.

Questo è il compito di Pathfinder: letteralmente tracciare la strada per la missione, che partirà nel 2034.

Foto: CC0 Tirza van Dijk, via unsplash