SOLUZIONE ASTROQUIZ 14: gli organismi igroscopici

Mega ciao!
SOLUZIONE ASTROQUIZ 14
Vi avevo chiesto se è vero o falso che la vita si può sviluppare in ambienti molto salati ed estremamente secchi. La risposta corretta è: VERO. Infatti ci sono degli organismi detti igroscopici che in ambienti molto secchi, come il deserto di Atacama in Cile, riescono ad assorbire direttamente l’acqua presente in atmosfera e ad utilizzarla per le loro funzioni vitali. Gli astrobiologi hanno notato inoltre che in alcune rocce molto ricche di sale si creano colonie di microrganismi. Quindi la vita può svilupparsi senza problemi in ambienti in cui le precipitazioni sono minori di 2 mm all’anno e in cui la salinità è molto alta. In queste condizioni non si sviluppano solo microrganismi. In figura potete vedere il Moloch horridus, chiamato anche diavolo spinoso, un piccolo rettile che vive nei deserti australiani. E’ lungo appena 20 cm e ricoperto di spine. Le squame di questo rettile gli permettono di raccogliere acqua semplicemente toccandola, anche se questa è presente solo in atmosfera. Un sistema di capillari porta l’acqua raccolta alla bocca del rettile attraverso la pelle.
Questo ci dice che la vita vince sempre, anche in luoghi in cui non sembrerebbe possibile!
A presto!

Sara

SOLUZIONE ASTROQUIZ 14: la struttura dei sistemi planetari

Mega ciao!
SOLUZIONE ASTROQUIZ 14
Vi avevo chiesto se i sistemi planetari scoperti dal 1995 ad oggi hanno la stessa struttura del Sistema Solare, con i pianeti rocciosi nella regione interna e i giganti gassosi nella regione esterna. La risposta corretta è: No! Infatti molti dei sistemi conosciuti hanno un gigante gassoso molto vicino alla stella, addirittura in un’orbita molto più piccola rispetto a quella del nostro Mercurio. Come mai c’è questa enorme differenza tra il Sistema Solare e gli altri sistemi planetari? Il nostro sistema è un caso particolare? Probabilmente no! E’ possibile che la mancanza di sistemi simili al nostro sia dovuta semplicemente alle nostre limitate capacità osservative. Infatti la maggior parte degli esopianeti è stata scoperta con il metodo dei transiti, che si basa sulla particolare curva di luce di una stella quando un pianeta le transita davanti. I pianeti di tipo roccioso sono molto più piccoli di quelli gassosi, quindi producono una diminuzione di luminosità molto piccola. Risulta pertanto più semplice scoprire pianeti della dimensione di Giove. I giganti gassosi si possono formare nelle regioni interne di un sistema planetario? Sembrerebbe improbabile. I pianeti gassosi scoperti in orbite molto vicine alla propria stella sono migrati in quella posizione. Questo significa che si sono formati in regioni esterne del loro sistema e che per l’interazione gravitazionale con altri pianeti o con il disco di gas e polvere sono stati portati verso l’interno.
A presto!

Sara

Rappresentazione artistica del sistema 51 Pegasi (Image credits: NASA)

SOLUZIONE ASTROQUIZ 13: le reazioni endotermiche

Mega ciao!
SOLUZIONE ASTROQUIZ 13
Le stelle massicce riescono a bruciare tutti gli elementi successivi al carbonio fino ad arrivare ad un nucleo composto da ferro-nichel. Vi avevo chiesto che reazione servirebbe per innescare il bruciamento del ferro. La risposta corretta è: una reazione endotermica. Questo è un tipo di reazione che richiede energia per poter avvenire ed è per questo motivo che il bruciamento si ferma al ferro. In natura le reazioni endotermiche non avvengono! Al contrario, quelle esotermiche, cioè che liberano energia, accompagnano la stella lungo tutta la sua evoluzione. Questo è uno dei motivi per cui fino al 2017 la formazione degli elementi più pesanti, come l’oro e l’argento, non era ancora stata spiegata. Cos’è successo nel 2017? E’ stata rivelata la prima onda gravitazionale proveniente dalla fusione di due stelle di neutroni. Questo evento ha generato un’eplosione pazzesca, tanto che gli astronomi le hanno dato un nome potentissimo: kilonova! La cosa interessante è che questo evento ha dato il via all’astronomia multimessaggero. Infatti rivelare un’onda gravitazionale è fantastico, ma non è sufficiente per determinare la posizione della sorgente. Serve la collaborazione di osservatori che lavorano alle diverse lunghezze d’onda dello spettro elettromagnetico. Una volta trovata la controparte ottica è stato possibile analizzarne lo spettro e scoprire quindi che sono questi eventi a generare gli elementi chimici più pesanti. Insomma, come direbbe Vegeta, la kilonova ha un’aura potentissima!
A presto!

Sara

La tavola periodica con l’origine degli elementi
Vegeta

SOLUZIONE ASTROQUIZ 12: Dove cercare stelle vecchie

Mega ciao!
SOLUZIONE ASTROQUIZ 12
Vi avevo chiesto dove dovremmo puntare il telescopio se volessimo studiare una stella vecchia. La risposta corretta è: su un ammasso globulare. Infatti gli ammassi globulari sono composti dalle stelle più vecchie della galassia. Sono dei sistemi a simmetria sferica, situati nell’alone galattico, che orbitano attorno al centro della galassia seguendo orbite ellittiche ad alta velocità. Gli ammassi globulari vengono studiati molto attentamente e, tramite la fotometria, gli astronomi cercano di determinarne l’età. Per farlo si calcola la quantità di luce che arriva dalle singole stelle di un ammasso e si costruisce il diagramma HR, che mostra l’evoluzione stellare. L’età si può determinare con diversi metodi:
– il fit con le isocrone, cioè l’interpolazione con curve teoriche di evoluzione stellare. Questo metodo però è soggetto ad errori dovuti all’incertezza sul modulo di distanza;
– il metodo verticale, che consiste nel calcolo della differenza di magnitudine tra il turn-off e il ramo orizzontale, dove il turn-off è il punto in cui le stelle lasciano la sequenza principale. Questo metodo è soggetto ad errori dovuti al fatto che è difficile determinare con precisione il punto di turn-off e che in alcuni ammassi manca la parte rossa del ramo orizzontale;
– il metodo orizzontale, che si basa sul confronto tra il colore del ramo delle giganti rosse (indipendente dall’età) e quello del turn-off (dipendente dall’età). Di nuovo, il problema sta nella determinazione del punto di turn-off.
Come se non bastasse l’analisi è complicata dal fatto che si è scoperto che negli ammassi globulari ci possono essere sequenze principali multiple, che indica che nell’ammasso abbiamo più generazioni di stelle.
A presto!

Sara

Omega Centauri (Image credits: NASA)
Diagrammi colore-magnitudine di Omega Centauri

La temperatura di Hawking

Mega ciao!
Abbiamo visto che i buchi neri evaporano emettendo radiazione di Hawking. Ora è interessante andare a vedere a che lunghezza d’onda viene emessa questa radiazione. Trascuriamo per semplicità la curvatura dello spazio-tempo. Un fotone di lunghezza d’onda λ uguale al raggio del buco nero ha un’energia E data da:
E = h*ν = h*c / λ = h*c*(c^2) / (2*G*M)
dove h è la costante di Planck, G è la costante di gravitazione universale, c è la velocità della luce, M è la massa del buco nero e ν è la frequenza.
Dato che i buchi neri sono corpi neri, cioè assorbono tutti i fotoni che gli arrivano, possiamo stimarne la temperatura ponendo E = k*T, dove k è la costante di Boltzmann, quindi troviamo:
T = h*(c^3) / (2*G*k*M)
Questa è solo una stima e non è detto che sia esatta, in quanto non c’è ragione per cui la lunghezza d’onda del fotone debba essere uguale al raggio del buco nero. Inoltre è probabile che intervengano effetti quantistici e la curvatura dello spazio-tempo a modificare le cose. Nonostante ciò, questa stima non è molto diversa dalla temperatura calcolata dal grande Stephen Hawking, che risulta di
T_H = h*(c^3) / (16*(π^2)*k*G*M) = 6*10^(-8)*(M / M☉)^(-1) K
dove T_H è la temperatura di Hawking e M☉ è la massa solare.
Questa temperatura talmente bassa da essere astrofisicamente irrilevante, però è un risultato importantissimo: è il primo passo verso la teoria della gravità quantistica!
A presto!

Sara

SOLUZIONE ASTROQUIZ 12: la radiazione di Hawking

Mega ciao!
SOLUZIONE ASTROQUIZ 12
Questo giro il gioco era un vero o falso. L’affermazione era: I buchi neri sono destinati a restare nell’universo per sempre. La risposta corretta è: FALSO! Infatti grazie al grande Stephen Hawking sappiamo che i buchi neri evaporano, quindi perdono massa. Adesso vi starete chiedendo come sia possibile, dato che ogni altra settimana vi scrivo che la velocità di fuga dai buchi neri è superiore a quella della luce. Sappiamo inoltre che non esiste nessun oggetto massivo, cioè dotato di massa, che può viaggiare alla velocità della luce o a velocità più elevate. Allora com’è possibile che i buchi neri evaporino? Ce lo spiega la meccanica quantistica. Prima di vedere come fa però facciamo un passo indietro. I buchi neri sono stati teorizzati nel 1783 da John Mitchell, che ipotizzò l’esistenza di oggetti la cui velocità di fuga fosse superiore a quella della luce e, per questo motivo, li chiamò Dark Stars (stelle oscure). La teoria della relatività di Einstein ha permesso di descrivere in modo molto accurato questi oggetti. In particolare, Karl Schwarzschild risolvendo le equazioni di Einstein ha descritto la metrica, cioè la forma dello spazio-tempo, attorno ad un buco nero non rotante e ha calcolato il raggio di un oggetto la cui velocità di fuga è quella della luce. Questo raggio definisce l’ubicazione dell’orizzonte degli eventi e può essere calcolato utilizzando delle semplici considerazioni sulla conservazione dell’energia. In particolare sappiamo che l’energia potenziale gravitazionale, U, deve essere uguale all’energia cinetica, K. Andiamo di formule:
K = (1/2)mv^2
dove m è la massa dell’oggetto nel campo gravitazionale considerato.
U = GMm / R_s
dove G è la costante di gravitazione universale, M è la massa del buco nero e R_s è il raggio di Schwarzschild.
Eguagliamo queste due quantità sostituendo la velocità v con quella della luce c
(1/2)mc^2 = GMm / R_s
La massa m si semplifica, quindi il raggio di Schwarzschild è indipendente dalla massa dell’oggetto soggetto al campo gravitazionale del buco nero. Rigiriamo la formula e troviamo
R_s = 2GM / c^2.
Se un oggetto massivo o un fotone supera l’orizzonte degli eventi non riesce più a tornare indietro e resta intrappolato dal buco nero.
Adesso consideriamo un fotone in prossimità dell’orizzonte degli eventi. Il fotone, per effetti quantistici, può disaccoppiarsi in un fotone di energia positiva e uno di energia negativa. In condizioni normali i due fotoni si riuniscono subito in un unico fotone. Ma vicino ad un buco nero il fotone di energia negativa può attraversare l’orizzonte degli eventi prima di ri-accoppiarsi con quello di energia positiva, che invece se ne va indisturbato nello spazio. Einstein con la formula E=mc^2 ci dice che massa ed energia sono equivalenti. L’entrata nel buco nero di un fotone di energia negativa è l’equivalente dell’entrata di una quantità di massa negativa, che sommata a quella del buco nero risulta in una massa inferiore a quella del buco nero di partenza. Quindi l’ingresso nel buco nero di un fotone di energia negativa si traduce in perdita di massa tramite l’emissione della radiazione di Hawking. Il processo di evaporazione dei buchi neri però è estremamente lungo. Se consideriamo un buco nero di 10 masse solari, assumendo luminosità costante, troviamo un tempo di evaporazione di circa 6.3410^70 anni, mentre per un buco nero di 1 massa solare il tempo di evaporazione è di circa 10^67 anni. Per cui vediamo che il tempo di evaporazione di un buco nero è più lungo dell’età dell’universo, pertanto nel corso della vita umana non è osservabile.
A presto!

Sara

John Mitchell
Karl Schwarzschild
Stephen Hawking

SOLUZIONE ASTROQUIZ 11: il tempo è relativo

Mega ciao!
SOLUZIONE ASTROQUIZ 11
Tars e R2-D2 partono per un viaggio spaziale rispettivamente a bordo dell’Endurance e del Millennium Falcon. Tars viaggia a velocità moderate mentre R2-D2 viaggia a velocità prossime a quelle della luce. Ad un certo punto si incontrano sul pianeta di Edmunds e confrontano i loro orologi. Vi avevo chiesto se per R2-D2 il tempo è trascorso più lentamente o più velocemente. La risposta corretta è: più lentamente. Questa è una conseguenza della teoria della relatività del buon vecchio zio Albert. Infatti, secondo Einstein, il tempo è relativo quindi scorre in modo diverso a seconda del sistema di riferimento considerato. Questo può sembrare un po’ strano perchè dal liceo siamo abituati a sentir parlare di relatività galileiana, in cui il tempo è lo stesso in ogni sistema di riferimento. In particolare, eventi simultanei per un osservatore saranno simultanei per ogni altro osservatore posto in qualsiasi altro sistema di riferimento. Einstein ha scoperto che non è vero: due eventi che per me sono simultanei possono non essere simultanei per un altro osservatore. Quindi il tempo è relativo. Il tempo scorre più lentamente per un osservatore che viaggia a velocità prossime a quelle della luce. Se consideriamo un sistema di riferimento in moto con velocità v e uno a riposo, allora il tempo tra due tick successivi dell’orologio in moto sarà più lungo di un fattore γ = (1-(v/c)^2)^(1/2) rispetto a quello a riposo:
Δt = γ*Δt_riposo
La cosa interessante di questa formula è che se considerate velocità v molto più piccole di quella della luce allora ritrovate il risultato classico, cioè che i due tempi sono uguali. Infatti in questo caso il fattore γ tende a 1 in quanto v/c tende a 0. Quindi avete uno slittamento temporale solamente se vi state muovendo a velocità abbastanza elevate.Cosa vuol dire? Supponete di avere un fratello gemello e di voler invecchiare meno di lui. Per cercare di far andare più lentamente il vostro orologio cominciate a correre alla velocità di Usain Bolt. Dopo 10 km tornate da vostro fratello e confrontate i vostri orologi. Cos’è cambiato? Nulla, tranne il fatto che andare alla velocità vi decisamente stremati. Allora decidete di andare a correre la maratona di New York, andando a velocità un po’ più basse di quelle di Bolt, ma questo giro correte per 40 km. Tornate da vostro fratello stanchi morti, confrontate gli orologi e vi accorgete che….segnano lo stesso tempo. Non è cambiato nulla perchè siete andati troppo lenti. Per avere uno slittamento temporale e invecchiare meno del vostro gemello dovete andare a velocità molto più elevate! Gli unici gemelli su cui l’esperimento è riuscito sono i gemelli Scott e Mark Kelly, due astronauti della NASA. Uno di loro è andato a vivere sulla ISS per 1 anno mentre l’altro è rimasto a casa. Hanno seguito lo stesso regime alimentare, fatto lo stesso tipo di attività fisica e svolto gli stessi lavori. Grazie a loro abbiamo ottenuto un’altra prova della teoria della relatività. Se non siete astronauti però non potete farcela, quindi invece di allenarvi per la maratona vi consiglio un bel panino onto 😉
Un’ultima cosa che non ha nulla a che fare con la relatività. Domani ci sarà un’eclisse parziale di Luna. Ovviamente pioverà ma mi sembrava giusto menzionarla. Nel caso fortunatissimo in cui non piova sarà comunque visibile per pochissimo tempo, in quanto la Luna sorge verso le 20:50 e l’eclisse finisce poco dopo le 21:00. Però non disperatevi! Il 5 luglio ci sarà un’altra eclisse parziale di Luna! Questa durerà quasi 3 ore, ma dovrete alzarvi prestissimo. Infatti comincerà alle 3:04 di mattina. Io ovviamente non me la perderò! Voi cosa farete?
A presto!

Sara

SOLUZIONE ASTROQUIZ 10: la velocità della luce nel vuoto

Mega ciao!
SOLUZIONE ASTROQUIZ 10
Vi avevo chiesto se la velocità della luce nel vuoto è la stessa per ogni osservatore. La risposta corretta è: vero! So che questo può sembrare un po’ strano perchè dalle lezioni di fisica del liceo abbiamo imparato come Galileo e Newton calcolavano la velocità relativa di due corpi. In particolare supponiamo di avere due osservatori: Case è fermo nel suo sistema di riferimento mentre Tars è in moto con velocità u. Supponiamo che Tars lanci una pallina con velocità v. La velocità della pallina relativa a Case V sarà:
V = u + v.
Vediamo quindi che le velocità si sommano. Se invece di avere una pallina abbiamo un fotone, che quindi viaggia alla velocità della luce, da questo discorso sembrerebbe ovvio che la velocità del fotone relativa a Case sia:
V = u + c.
Questo però è assurdo! Infatti sappiamo che non esiste niente che può viaggiare a velocità superiore a quella della luce. I fisici nel tempo hanno ideato diversi esperimenti per provare che la luce viaggia a diverse velocità a seconda della direzione. Infatti visto che Maxwell aveva dimostrato che la luce è un’onda pensavano che avesse bisogno di un mezzo nel quale propagarsi, esattamente come accade per il suono. Quando parlate mettete in vibrazione le corde vocali. L’onda prodotta mette in vibrazione le particelle presenti nell’aria e si propaga fino a raggiungere l’orecchio di chi vi sta ascoltando. Nel vuoto non ci sono particelle da mettere in vibrazione, quindi se faceste esplodere una navicella spaziale non sentireste alcun suono. I fisici dunque supponevano che la Terra fosse immersa in un mezzo, chiamato etere, che permetteva la propagazione della luce. Si aspettavano quindi che la sua velocità fosse diversa quando si muoveva nella stessa direzione del moto della Terra rispetto a quando si muoveva perpendicolarmente ad esso. Questo è quello che hanno cercato di provare con l’esperimento di Michelson e Morley, ma non hanno trovato differenze nelle due velocità.
Come risolvere il problema? E’ arrivato zio Albert Einstein che, con la formulazione della teoria della relatività speciale, ci ha fornito una nuova legge fisica fondamentale: la velocità della luce ha un valore fissato, che chiamiamo c. Dal principio di relatività segue che ogni osservatore che misuri la velocità della luce troverà sempre lo stesso valore. Questo è vero anche se due osservatori si muovono l’uno rispetto all’altro e misurano la velocità dello stesso raggio di luce. Se andiamo a velocità prossime a quelle della luce infatti la formula per trovare la velocità relativa è un po’ diversa rispetto a quella che usavano Newton e Galileo. La composizione delle velocità in questo caso è:
V = (u + v) / (1 + uv / c^2)
La cosa interessante di questa formula è che nel limite in cui u e v siano velocità piccole rispetto a quella della luce fornisce il risultato di Galileo e Newton. Infatti il termine
uv / c^2 quando u e v sono piccole tende a 0.
A presto!

Sara

SOLUZIONE ASTROQUIZ 9: dove troviamo i buchi neri?

Mega ciao!
SOLUZIONE ASTROQUIZ 9
Vi avevo chiesto dov’è più probabile trovare un buco nero. La risposta giusta è: nell’alone galattico. Infatti nei pressi del Sistema Solare, cioè ad alcuni anni luce di distanza, al momento non ne sono stati scoperti. L’alone galattico è formato da stelle molto vecchie che spesso si raggruppano a formare ammassi globulari, cioè insiemi di centinaia di migliaia di stelle che vediamo molto vicine in una struttura praticamente sferica. Negli ammassi globulari, che sono molto densi, è possibile che si siano formati sistemi binari di buchi neri. Questi oggetti collassati possono trovarsi in sistemi instabili, perdere momento angolare, spiraleggiare l’uno verso l’altro e infine fondersi tra loro. Il rinculo prodotto dalla fusione può far superare all’oggetto risultante la velocità di fuga dall’ammasso e scagliarlo quindi nell’alone galattico. La cosa interessante è che questi buchi neri, che vagano per conto loro nell’alone, risultano molto difficili da individuare. Come mai? Beh, i buchi neri sono neri. Se durante l’epulsione dall’ammasso non si sono trascinati dietro un po’ di gas o qualche stella risulterà impossibile riuscire ad individuarli. Vi ricordo infatti che i buchi neri vengono individuati con metodi indiretti, cioè non si osserva direttamente l’oggetto ma gli effetti che ha sull’ambiente circostante. Tantissimi buchi neri vengono individuati grazie all’emissione in banda X del disco di accrescimento, un disco di gas e polvere che spiraleggia verso in buco nero e raggiunge temperature elevatissime nelle regioni interne. Un altro metodo per scoprire i buchi neri è osservare le orbite delle stelle: se una stella compie un’orbita ellittica attorno ad un punto in cui non c’è nulla, in base ai parametri orbitali potete calcolare la massa all’interno dell’orbita stessa. In questo modo è stato scoperto che al centro della nostra galassia c’è un buco nero supermassiccio, con una massa di circa 3 milioni e 610 mila masse solari.
Vi ricordo che domani alle 18:00 ci sarà un altro Astro Aperitivo in diretta Facebook. Questo giro vi parlerò delle scoperte fatte negli ultimi 30 anni dal Telescopio Spaziale Hubble.
Vi aspetto numerosi!
A presto!

Sara

Sgr A*, il buco nero al centro della Via Lattea, e i suoi dintorni (Image credits: NASA)

SOLUZIONE ASTROQUIZ 8: i buchi bianchi

Mega ciao!
SOLUZIONE ASTROQUIZ 8
Vi avevo chiesto se esistono i buchi bianchi. Erika nei commenti ha scritto che non sapeva cosa votare per dei motivi che vedremo tra un po’. In effetti era una domanda trabocchetto! La risposta non è nè si nè no, ma è BOH! Infatti i buchi bianchi sono previsti dalla teoria della relatività e sono una delle soluzioni delle equazioni di Einstein. Ma cosa sono questi buchi bianchi? Sapete tutti che nello spazio esistono i buchi neri, oggetti talmente massicci che deformano moltissimo la struttura dello spazio-tempo e non lasciano scappare nemmeno la luce. Potete considerarli come dei sensi unici spaziali: una volta arrivati in prossimità di un buco nero potete tranquillamente entrarci (attenzione che se ne scegliete uno formato dal collasso di una stella morirete malissimo), ma non potete uscire. I buchi bianchi sono sempre dei sensi unici spaziali ma che vanno nel verso opposto: qualsiasi cosa può uscire da un buco bianco ma non può entrarci! E’ stato ipotizzato che buchi neri e buchi bianchi siano collegati dal ponte di Einstein-Rosen, quindi la materia entrerebbe nei primi per uscire dai secondi. Forte vero? Peccato che i buchi bianchi non siano ancora stati osservati! Esistono quindi matematicamente ma non sono ancora stati scoperti fisicamente.
A presto!

Sara