Il mistero dell’universo oscuro: resoconto di una serata all’Antares

Questo articoletto è stato scritto per il sito di Antares (lo trovate anche qui). Qui sul blog non ho forse ancora avuto occasione di citare Antares, il circolo astrofili di Legnano che mi ha permesso, da ragazzina, di incontrare l’astronomia e soprattutto delle persone oneste e estremamente appassionate che mi hanno guidato nella sua scoperta.

Venerdì 10 marzo è stata ospite da noi la dottoressa Paola Battaglia, che ha tenuto una conferenza sui due argomenti di punta della cosmologia contemporanea: la materia oscura e l’energia oscura.

Paola ha lavorato e sta lavorando di persona a questi due problemi aperti della cosmologia. In particolare, si occupa di cosmologia osservativa: ovvero di esperimenti che vanno a cercare di rivelare, misurare e comprendere  questi concetti di cui ancora non si sa quasi nulla e che si sta iniziando a sondare più nel profondo solo ora.

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Inizio della conferenza.
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Inizio della conferenza.
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La sala si riempie…

In questo momento Paola è impegnata nella missione Euclid dell’ESA, che volerà nel 2022 e che è dedicata alla ricerca della materia e dell’energia oscura: il satellite Euclid osserverà dallo spazio galassie e ammassi di galassie per mappare la geometria dell’universo, visibile e oscuro, misurando la forma e il redshift di galassie lontane fino a 10 miliardi di anni luce.

Negli anni passati Paola ha invece lavorato, tra le altre cose, alla missione Planck e all’analisi dei dati raccolti della radiazione cosmica di fondo – la mappa della prima luce del cosmo che svolge un ruolo decisivo in questo racconto.

Questi due concetti – la materia e l’energia oscura – sono forse ciò che c’è di più misterioso e che meno conosciamo sul nostro universo: per questo sentirne parlare in modo chiaro, affidabile e obiettivo da una scienziata che se ne occupa direttamente è stata un’esperienza estremamente interessante e stimolante.

Quello che effettivamente sappiamo sul nostro universo è rappresentato da questo diagramma: la materia detta “ordinaria” – ovvero quella di cui sono composte le stelle, il mezzo interstellare, i pianeti, le creature viventi… la materia che possiamo vedere e studiare perché è visibile in diversi modi – è una frazione piccolissima della composizione totale dell’universo: meno del 5%.

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È però proprio osservando solo questo 5% che gli astronomi hanno potuto pensare a queste altre due forme di energia e di materia che compongono il resto del cosmo – la maggior parte del cosmo.

Materia oscura ed energia oscura sono due concetti ben diversi tra loro, e Paola è andata a ripercorrerli: dallo loro scoperta e conferma, alle speculazioni teoriche e agli esperimenti correnti e futuri.

Non sappiamo cosa questa energia e questa materia siano, ci dice, ma vediamo i loro effetti e si è conosciuto qualcosa di più nei tempi recenti.

Gli ammassi di galassie sono gli oggetti più grandi e maestosi del nostro universo. La scoperta della materia oscura risale agli anni Trenta, quando l’astronomo Zwicky stava studiando l’ammasso di galassie della Chioma, Abell 1656: questo ammasso contiene più di mille galassie ed è lontano 300 milioni di anni luce.

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Ammasso di galassie della Chioma (Abell 1656). Credit: SDSS/Spitzer.

Zwicky stimò la massa dell’ammasso basandosi prima sulle misure di velocità delle galassie componenti, poi basandosi sulla loro luce… e non trovò lo stesso risultato: per giustificare le velocità elevate delle sue componenti, l’ammasso doveva essere in realtà molto più massivo di quanto si potesse stimare solo osservando la sua luce: doveva esserci una componente invisibile, partecipe però dell’attrazione gravitazionale. Negli anni Settanta, sono state compiute altre osservazioni, ad esempio del moto dei nubi di idrogeno nella galassia di Andromeda. Ancora, erano visibili gli effetti gravitazionali di una massa che non si riusciva a rivelare in altro modo.

Un’altra prova, esposta nei dettagli, della necessità di introdurre un tipo di materia nuovo, risiede proprio nella radiazione di fondo cosmico: essa apparirebbe in modo completamente diverso se materia ordinaria e oscura ed energia oscura fossero presenti in altre proporzioni tra loro. Un universo privo di materia oscura presenterebbe tutta un’altra “impronta” di fondo cosmico.

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Mappa della radiazione cosmica di fondo. Credit: PLANCK (ESA)

Paola ci ha narrato le tecniche principali usate per lo studio della materia oscura: le lenti gravitazionali e gli scontri tra galassie.

La materia deforma lo spaziotempo e la luce nel suo moto ne segue la curvatura: la luce che viaggia nello spazio  intergalattico fino a noi incontra le strutture cosmiche e ci indica in questo modo la presenza e la distribuzione di materia. Un ammasso di galassie è come se “piegasse” la luce e facesse da lente di ingrandimento: ci permette di vedere l’immagine,  ad esempio, di un’altra galassia, debole e lontana, nascosta dietro di esso. L’immagine di questa galassia viene deformata, moltiplicata, amplificata. A volte si distorce così tanto da formare un anello.

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Lente gravitazionale. Ammasso di galassie Abell 2218. Credit: ESA/HUBBLE.
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Lente gravitazionale. LRG 3-757. Credit: ESA/HUBBLE.

Aloni giganteschi di materia oscura circondano le galassie e gli ammassi di galassie, distorcendo fortemente lo spaziotempo con la loro massa.

La radiazione cosmica di fondo, anch’essa, altro non è che fotoni di luce partiti 380 mila anni dopo il Big Bang: anche questa luce aiuta a mappare la distribuzione di materia dell’universo: essa ha viaggiato 13 miliardi di anni ed è giunta fino a noi, attraversando l’intero universo osservabile.

Le galassie possiedono dunque al loro interno una grande quantità di materia oscura. Gli scontri tra galassie ci permettono di osservare come le stelle, le polveri e la componente oscura interagiscono con loro stesse.

L’energia oscura è un concetto, si può dire, ancora più nebuloso: una forma di energia introdotta per spiegare l’espansione accelerata dell’universo, la quale è stata scoperta studiando le velocità di allontanamento delle galassie lontane.

Negli anni venti, Hubble scoprì la legge lineare che lega la distanza alla velocità di recessione delle galassie: più una galassia è lontana, più si allontana velocemente rispetto a noi, perchè l’universo stesso che la trascina via nella sya espansione. Tempo dopo, sondando distanze più profonde e quindi tempi più remoti, si è visto che nel passato l’universo si è espanso più lentamente, per poi aumentare la sua velocità di espansione circo 8 miliardi di anni fa. Questa accelerazione è imputata ad una forma di energia che non era riconducibile a nulla conosciuto e per questo è stata chiamata oscura.

Anche la mappa della radiazione di fondo cosmico ha un ruolo decisivo nel provare l’esistenza dell’energia oscura…

Sono state citate tutte le teorie che stanno cercando di spiegare la natura di materia ed energia oscura. Ad esempio, ci ha raccontato quali tipi di particelle sono le possibili candidate per la composizione della materia oscura. Naturalmente, tutte le teorie fisiche aspettano una conferma sperimentale, e così ci ha parlato di quali esperimenti sono in atto e quali in programma.

Paola ha infine risposto alle domande del pubblico, facendo chiarezza, anche, su molte affermazioni fuorvianti che vengono riportate dai media e dai libri divulgativi.

Una serata, in definitiva, in cui si sono toccate due delle principali questioni aperte della cosmologia, e che ha fatto, in un certo senso, un po’ di luce su queste questioni “oscure”.

 

Visita al CNAO di Pavia

Parlando di scienza: fisica delle particelle, biologia umana e medicina – l’acceleratore di particelle a Pavia.

Questo che riporto è un piccolo pezzo che ho preparato per il blog di AISF, e che trovate qui[link].

Giovedì 12 gennaio un gruppo di AISF Unimi – con l’aggiunta di alcuni ragazzi da Pavia e da Bologna- è stato in visita al CNAO di Pavia, ovvero al Centro Nazionale di Adroterapia Oncologica –un centro recente in cui la fisica delle particelle trova un’applicazione estremamente avanzata in campo medico.

L’adroterapia consiste nella cura di tumori tramite l’uso di adroni – particelle composte da quarks e che risentono dell’interazione forte. Vengono utilizzati protoni e ioni carbonio, prodotti e accelerati nel sincrotrone situato nell’edificio stesso.

È essenzialmente lo stesso tipo di sincrotrone utilizzato per la ricerca fondamentale, come nel caso dell’LHC. La peculiarità di questi acceleratori di particelle costruiti e utilizzati per trattamenti medici e per ricerche cliniche  è però proprio la loro “calibrazione” in termini umani, biologici. Le modalità, le finalità e in parte le limitazioni con cui la ricerca viene portata avanti sono anch’esse differenti.

I tumori trattati sono di una tipologia molto difficile: sono di tipo radio resistente, e quindi non trattabili con la radioterapia convenzionale. Vengono curati inoltre quei tumori che si trovano in profondità e vicino ad organi critici – all’interno della testa o vicino alla spina dorsale (tumori cerebrali, melanomi oculari…).

Per questa ragione sono necessarie particelle che riescano a raggiungere la zona malata senza danneggiare il tessuto sano circostante. Gli adroni, a differenza dei fotoni usati in radioterapia, hanno proprio questa caratteristica: rilasciano la maggior parte della loro energia in corrispondenza di quello che viene definito il loro picco di Bragg. Si riesce ad agire nella zona del tumore in modo estremamente accurato ed efficace. Quello che accade è la rottura dei legami chimici delle macromolecole e specialmente la rottura in più punti del DNA delle cellule tumorali, che non riesce così più a ripararsi e a riprodursi.

Una precisione così elevata nella tecnica di irraggiamento combacia con un’altrettanto elevata precisione nel posizionamento del paziente: un braccio robotizzato orienta il lettino, maschere di un particolare materiale immobilizzano il paziente, la cui posizione viene costantemente monitorata attraverso telecamere all’infrarosso e tubi a raggi X, oltre ad un piano tridimensionale messo a punto con l’uso di TC, RM, PET.

Il sincrotrone del CNAO viene fermato ogni tre mesi per controlli e manutenzione e proprio in queste occasioni è possibile visitarlo e osservare tutte le sue parti: è situato nel bunker sotterraneo del centro e si tratta di un anello di 25 metri di diametro e con  una circonferenza di 80 metri.

In due sorgenti vengono prodotti i protoni e gli ioni carbonio, che attraversano inizialmente un acceleratore lineare (LINEAR) e sono poi condotti nell’anello vero e proprio, dove raggiungono velocità quasi relativistiche. Una parte del fascio viene poi estratta dall’anello per essere guidata in una delle tre sale di trattamento dove il paziente viene irraggiato.

La progettazione e realizzazione  di questo sincrotrone ha visto la collaborazione di ingegneri e fisici della Fondazione CNAO e di esperti di vari istituti come INFN e CERN. Fisici e medici lavorano in parallelo.

A farci da guida sono stati un fisico – il Dr. Marco Pullia – e un tecnico di radiologia. Fisica e medicina, infatti, collaborano fianco a fianco in questo che è l’unico centro in Italia per l’adroterapia, e uno dei più importanti e all’avanguardia nel mondo.

Per  noi che siamo studenti universitari a Fisica, è stato impressionante ascoltare e osservare da vicino applicazioni così avanzate e così delicate della fisica delle particelle. È un settore, inoltre, ancora giovane e in cui ci sarà molto da sviluppare. Sicuramente è stato un pomeriggio densissimo di stimoli e riflessioni.

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Vista dall’alto del sincrotrone. In blu sono i dipoli. In fondo alla sala, quattro percorsi portano il fascio nelle tre sale di irraggiamento. Parallelamente alle scale si vede continuare la struttura della macchina verso l’alto: un fascio viene condotto ad un piano rialzato, perchè poi possa arrivare anche verticalmente.
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Vista dall’alto del sincrotrone. Le sorgenti sono le due scatole grigie.
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Vista dall’alto del sincrotrone. Il LINEAR è il blocco magenta.
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Quadrupoli in verde…
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… e sestupoli in giallo.

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Maschera e marcatori.
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Foto di gruppo!

Credits: le foto sono scattate da me tranne quella di gruppo.

Site update – spettri di Altair, Deneb, Vega (il Triangolo Esitivo)

Altair, Deneb e Vega sono le tre stelle bianche e luminose che, insieme, formano il Triangolo Estivo.

Queste sono le prime stelle che iniziano a brillare al tramonto, assieme ai pianeti: Saturno, Marte e la stella Antares, questa estate, sono vicinissimi sull’orizzonte ovest, deformando il pattern della costellazione dello Scorpione. Questo è stato l’anno di una bella opposizione di Marte, con il pianeta molto vicino alla Terra.

Altair, Deneb e Vega sono rispettivamente le stelle alpha dell’Aquila, del Cigno e della Lira. Sono tutte di classe A – Altair e Vega sono stelle di sequenza principale: A7 V e A0 V, mentre Deneb è una supergigante, di tipo spettrale A2Ia. Sono stelle – ho scoperto in più vecchie letture – molto diverse tra loro.

Abbiamo ripreso i loro spettri – qui racconto tutta la storia:

http://www.alexstargazing.net/spectra/20160814-hounslow-summer_triangle.html

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AF 3-22. The Summer Triangle, eastern horizon – Vulpeca, Saggita, Vega, Altair and Deneb. Credit: © Akira Fujii/DMI

 

Buona lettura!

La bellezza nelle teorie fisiche

Mi sono imbattuta in una citazione, nelle dispense di un corso universitario, sulle scoperte teoriche nella fisica:

In some strange way, any new fact or insight that I may have found has not seemed to me as a “discovery” of mine, but rather something that had always been there and that I had chanced to pick up. – S. Chandrasekhar

Tratta dal libro Truth and Beauty – Aesthetics and Motivations in Science di Chandrasekhar (1987), che raccoglie quattro sue conferenze sul tema delle motivazioni e del processo creativo dello scienziato, sugli aspetti estetici intrinsechi ad una teoria scientifica e sul legame che può esserci tra i due mondi quasi recisi dell’artista e dello scienziato.

Questa citazione mi ha fulminato in rapporto ad altri echi di questo tema che sto intravedendo frequentando le lezioni universitarie alla facoltà di Fisica. Queste parole esprimono bene un pensiero che in un certo senso… ricorre, più o meno esplicito. Mi ha ricordato il libro Fisica e Oltre – Incontri con i protagonisti (1920-1965) di Heisenberg (bellissimo e sorprendente, consiglio assolutamente la sua lettura) , nonchè, senza scomodare nomi altisonanti, delle impressioni che sorgono alle volte seguendo certi particolari corsi, o che sono trasmesse direttamente dal alcuni professori nelle loro esposizioni – nel modo con cui esprimono un argomento, nel linguaggio che usano o nel quadro generale che cercano di rendere evidente.

Ho preso una copia in italiano del libro di Chandrasekhar in biblioteca, anche se mi dispiace non poter leggere l’originale in inglese. È un libretto irrigidito dal tempo pubblicato nella collana I Coriandoli della Garzanti, e risale al 1990. Nel risvolto di coperina è ancora inserito un cartoncino dei prestiti del 1995-96. Mi incuriosisce andare ora a vedere cosa scrive questo astrofisico il cui nome è strattemente legato agli oggetti “esotici” del cielo come nane bianche e buchi neri.

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Vorrei cercare, più avanti, di dire qualcosa di personale su questo argomento affascinante – sulla “bellezza” che può far da guida nel formulare una teoria fisica ed esserne in ultimo anche il giudice; sulla percezione di bellezza e armonia che si ha del reale e della sua possibilità di tradurlo in termini comprensibili e trattabili, scoprendo così strutture e simmetrie impensabili; sulla percezione di bellezza e armonia che si può avere anche solo guardando una certa formula matematica.

Update: gennaio 2017