Plutone e la definizione di pianeta

Mega ciao!

Quando andavo alle elementari e la mitica maestra Paola ci ha spiegato il Sistema Solare mi sono innamorata dell’astronomia! Durante le interrogazioni una delle domande più gettonate era: “Quali sono i pianeti del Sistema Solare in ordine di distanza dal Sole?” Allora partivamo a recitare: “Mercurio, Venere, Terra, Marte, Giove, Saturno, Urano, Nettuno e Plutone”. Nel 2006 però una cosa è cambiata. Ahimè, Plutone è stato declassato a pianeta nano. Nei primi anni 2000 gli astronomi avevano cominciato a scoprire diversi corpi con dimensioni simili al piccolo Plutone, quindi ogni tanto comparivano titoloni sui giornali che recitavano “E’ stato scoperto una altro pianeta nel Sistema Solare!”.

A quel punto la festa dei pianeti stava diventando troppo affollata, quindi gli astronomi hanno deciso di riunirsi e di decidere una volta per tutte la definizione di pianeta.

Cos’è un pianeta?

E’ un corpo che ha abbastanza massa da aver assunto una forma sferica, che deve orbitare attorno al Sole (o ad altre stelle se considerate i pianeti extrasolari) secondo un’orbita ellittica (a Keplero piace questo elemento) e che deve aver ripulito le vicinanze della sua orbita da eventuali detriti (come piccoli asteroidi).

Tutti i pianeti del nostro sistema rientravano in questa definizione tranne il povero Plutone, che è stato declassato a pianeta nano. Nonostante ciò, il piccolo Pluto rimane un oggetto molto interessante. E’ stato scoperto grazie ad un astronomo eccezionale: Percival Lowell. Pensate che lui non ha mai osservato Plutone, ma è riuscito a calcolarne l’orbita in base alle perturbazioni dell’orbita di Nettuno. Nel 1930 l’astronomo Clyde Tombaugh l’ha scoperto nel punto predetto da Lowell. Il pianeta nano però è talmente lontano che, anche utilizzando il telescopio spaziale Hubble, le sue immagini risultano come una serie di pixel sfuocatissimi (qui sotto potete vedere Plutone insieme a Caronte, la sua luna più grande). Per questo motivo alla NASA hanno deciso di spedire una sonda alla volta di Plutone. La New Horizons è partita nel 2006 e ha raggiunto il pianeta nano nel 2015, regalandoci delle immagini spettacolari e raccogliendo dei dati importantissimi che ci hanno permesso di capire meglio le caratteristiche di Plutone.

Cos’ha scoperto?

Lo vedremo nella prossima puntata.

A presto!

Sara

Plutone e Caronte (Image credits: NASA)

SOLUZIONE ASTROQUIZ 17: lo scontro tra due buchi neri

Mega ciao!

Dalle vostre risposte mi sono resa conto di avervi fatto un quiz troppo facile, comunque vediamo subito la

SOLUZIONE ASTROQUIZ 17

Vi avevo chiesto cosa succede quando due buchi neri si scontrano. La risposta corretta è: si fondono tra di loro in un buco nero più massiccio. Questo fenomeno è stato osservato per la prima volta grazie a LIGO, il rivelatore di onde gravitazionali, nel 2015. Questa scoperta è stata veramente eccezionale! Pensate che le onde gravitazionali erano state teorizzate da zio Albert Einstein nel lontano 1915, ma ci sono voluti 100 anni per avere la tecnologia abbastanza avanzata da riuscire a rivelarle. Per questo dobbiamo ringraziare il Prof. Kip Thorne #sempresialodato, che con il suo team in 30 anni di lavoro è riuscito a nell’impresa. Ma perchè due buchi neri si fondono e cosa resta dopo la fusione? I buchi neri si possono trovare legati gravitazionalmente l’uno all’altro in sistemi binari. Nel sistema i due oggetti orbitano attorno al centro di massa, ma possono perdere momento angolare quindi le orbite si stringono e i due oggetti spiraleggiano l’uno verso l’altro. Ad un certo punto si scontrano e si fondono in un buco nero più grande, emettendo onde gravitazionali, cioè delle perturbazioni della metrica dello spazio-tempo che si propagano nell’universo sotto forma di onde. La cosa interessante è che la somma delle masse dei due buchi neri di partenza è superiore rispetto a quella del buco nero risultante. Questo perchè parte della massa viene rilasciata nello spazio sotto forma di energia, in particolare come onde gravitazionali. Come mai? Ce lo dice di nuovo zio Albert Einstein. Massa ed energia sono la stessa cosa! Questo concetto è espresso dalla famosissima formula:E = m*c^2dove E è l’energia, m è la massa dell’oggetto e c è la velocità della luce.Pensate che la prima fusione di buchi neri osservata con LIGO ha coinvolto due oggetti di 29 e 36 masse solari. Il buco nero risultante era di 62 masse solari, quindi 3 masse solari sono state espulse come onde gravitazionali. Questa è una quantità di energia enorme! Ma se l’energia è così grande perchè ci sono voluti 100 anni per riuscire a scoprirle fisicamente? Semplicemente perchè l’ampiezza delle onde è di una parte su 10^(-21), cioè 0.000000000000000000001.

La settimana scorsa è uscita una notizia pazzesca! E’ stata rivelata un’onda gravitazionale proveniente dalla fusione di due buchi neri di rispettivamente di 85 e 66 masse solari. Il buco nero risultante è di circa 142 masse solari! Questa è la prima osservazione confermata di un buco nero di massa intermedia. Questi oggetti hanno masse comprese tra le 100 e le 100000 masse solari e rappresentano il tassello mancante per capire la formazione dei buchi neri supermassicci. Infatti, sappiamo che i buchi neri supermassicci che si trovano al centro delle galassie hanno masse superiori a 1 milione di masse solari. Però non esiste nessuna stella che possa raggiungere una massa del genere. Quindi si è ipotizzato che i buchi neri supermassicci possano formarsi dalla fusione di buchi neri di massa intermedia. Il problema è che, fino alla settimana scorsa, le prove dell’esistenza di questi oggetti erano ben poche. Infatti con i telescopi che analizzano dati a diverse lunghezze d’onda dello spettro elettromagnetico possiamo ottenere solo dei limiti sulla massa degli oggetti che osserviamo, non la certezza assoluta. La cosa fenomenale delle onde gravitazionali è che permettono di calcolare con precisione grandiosa le masse degli oggetti di partenza e di quello risultante.

Quindi finalmente abbiamo la prova assoluta: i buchi neri di massa intermedia esistono!

Boom!

Quanto mi gasano queste notizie!

A presto!

Sara

Simulazione numerica della fusione di due buchi neri consistente con il segnale GW190521, che ha confermato l’esistenza dei buchi neri di massa intermedia (Image Credits: N. Fischer, H. Pfeiffer, A. Buonanno, Max Planck Institute for Gravitational Physics)

SOLUZIONE ASTROQUIZ 16: le stelle cadenti

Mega ciao!

SOLUZIONE ASTROQUIZ 16

Questo giro siete stati proprio bravi! Vi avevo chiesto cosa sono le stelle cadenti. La risposta corretta è: polvere cometaria. Infatti le stelle non cadono! Vediamo quindi come si formano le stelle cadenti. Le comete di solito si trovano nella fascia di Kuiper, tra le 35 e le 1000 unità astronomiche di distanza dal Sole, oppure nella Nube di Oort, che arriva fino a circa 2 anni luce di distanza e confina probabilmente con la Nube di Oort di un altro sistema planetario. Le comete sono corpi rocciosi che arrivano ad avere una dimensione di qualche decina di chilometri, ricoperte da ghiaccio secco e ghiaccio d’acqua. Orbitano attorno al Sole seguendo orbite ellittiche e, a volte, possono passare attraverso il Sistema Solare interno. Man mano che si avvicinano al Sole sentono più calore, quindi il ghiaccio si scioglie e libera nello spazio le polveri che vi erano intrappolate, che vanno a formare la coda delle comete. Se passano abbastanza vicino all’orbita terrestre ad un certo punto la polvere può entrare in atmosfera e ionizzare le particelle presenti che producono la scia luminosa delle stelle cadenti. E’ sempre uno spettacolo bellissimo quindi non perdetevi il prossimo sciame di stelle cadenti! La notte di San Lorenzo si avvicina!

Buona caccia!

A presto!

Sara

Image credits: NASA

SOLUZIONE ASTROQUIZ 15: La definizione di vita

Mega ciao!

SOLUZIONE ASTROQUIZ 15

Vi avevo chiesto che caratteristiche deve avere un corpo per essere considerato vivo. Tra le opzioni vi avevo messo essere intelligente oppure avere un metabolismo e respirare. La risposta corretta è che non c’è ancora una risposta. Infatti il dibattito sul concetto di vita è ancora apertissimo! La definizione dovrebbe avere delle caratteristiche specifiche come:

– comprendere tutte le cose che sono vive;

– escludere tutte le cose che non lo sono;

– dovrebbe essere stabile, cioè non dovrebbe cambiare se scopriamo organismi strani;

– rispondere a domande difficili, come dove sia meglio cercare la vita e se i virus siano vivi o no;

– comprendere le teorie biologiche;

– tener conto della nostra attrazione per la vita.

La definizione di vita è importante dal punto di vista astrobiologico. Infatti uno degli obiettivi dell’astrobiologia è individuare forme di vita extraterrestre, per esempio su Marte o su alcuni satelliti del Sistema Solare. Alcune missioni sono focalizzate sulla ricerca di tracce di vita presente o passata su Marte (Perseverance partirà molto presto!), nei laghi di metano di Titano e negli oceani di Europa ed Encelado. La domanda è: cosa dobbiamo cercare? Come possiamo definire la vita in modo universale, così da essere in grado di riconoscerla su altri pianeti? So che può sembrare un problema banale, ma non lo è affatto! Per farvi capire l’entità di questo grande dilemma vi faccio un esempio che trovo particolarmente interessante. Supponiamo di inviare una sonda o degli astronauti su un pianeta che orbita attorno ad una stella diversa dal Sole. Supponiamo inoltre che su questo pianeta ci siano delle forme di vita statiche, cioè che non si muovono, e che comunicano solo telepaticamente. In questo caso per gli astronauti risulterebbe molto difficile accorgersi della loro presenza. Quindi come potrebbero fare a capire che sono delle forme di vita? Come possiamo farle rientrare nella definizione di vita stessa?

A presto!

Sara

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