Science, 1 Jan 93, Vol. 259, pg. 31 - Faye Flam - Astronomi dell’osservatorio di Tucson hanno annunziato che c’è un fiume di galassie che si muove con una velocità di circa 500 Km/sec una volta sottratta la velocità di espansione dell’universo. Sembra che esista un grande attrattore di enorme massa non identificato.
Science, 1 Jan 93, Vol. 259, pg. 31 - Faye Flam - Un ripple della radiazione di fondo dell’ordine di pochi millesimi di grado è stato misurato dal satellite COBE e da un pallone sonda lanciato nel 1989. Queste piccole variazioni potrebbero essere i semi per la formazione delle galassie dopo il Big Bang.
Science, 26 Feb 93, Vol. 259, pg. 1262 - Faye Flam - Esiste un’annosa controversia sulla determinazione della distanza delle lontane galassie che si traduce in un impasse fra i fautori di un grande universo e quelli più numerosi di un piccolo universo. I primi portano a prova le osservazioni di luminosità delle supernove del tipo II come quella esplosa nel 1987 nella Grande Nube di Magellano. Su questa base è stata calcolata (Kirshner) anche la costante di Hubble, rapporto fra velocità e distanza delle galassie, pari a 60, numero che implica un universo più grande e più vecchio di quello conseguente al valore di 85 derivato da molti altri metodi. Anche una calibrazione con il metodo delle Cefeidi, il cui ciclo di variazione è legato alla luminosità intrinseca, ha portato ad una costante di Hubble di 50 che porta ad un universo due volte più grande e più vecchio (Sandage).
Science, 23 Apr 93, Vol. 260, pg. 492 - Gary Taubes - Dalla velocità di rotazione delle galassie si può dedurre che esse devono contenere una massa più grande di quella deducibile dalla loro luminosità, e questa è nota come materia oscura. Un contributo può essere dato da oggetti noti come MACHO (Massive Compact Halo Objects). Si tratta di oggetti oscuri come pianeti, nane brune, buchi neri di 100 masse solari che si trovano nell’alone intorno alle galassie. Se essi esistono si dovrebbero rilevare usando un fenomeno noto come microlente gravitazionale, proposto nel 1980, secondo il quale, se un oggetto di grande massa si trova nella linea di vista di una stella lontana, il suo campo gravitazionale piegherà la luce della stella come una lente ottica. Come risultato si sarebbe dovuto notare un temporaneo aumento della luminosità della stella. Per un MACHO della massa di Giove il fenomeno dovrebbe durare 2 o 3 giorni, per una nana bruna 2 o 3 settimane e per un buco nero di 30 masse solari da un anno a un anno e mezzo. La probabilità di osservare il fenomeno era molto bassa, ma recentemente con l’introduzione dei CCD (Charge Coupled Devices) si può controllare l’immagine di larghe porzioni del cielo. Si potrebbe monitorare l’intera Grande Nube di Magellano che contiene più di 100 milioni di stelle per individuare dei MACHO ai bordi della nostra galassia. Un programma di ricerca è partito utilizzando un vecchio telescopio da 2,5 m nell’osservatorio australiano di Mount Stromlo ed aggiungendo una telecamera CCD da 32 milioni di pixels che genera 75 Mbyte per immagine e accumula un’immagine ogni 5 minuti. Il fenomeno dovrebbe essere caratterizzato da un simmetrico aumento e diminuzione di luminosità a tutte le lunghezze d’onda dall’infrarosso all’ultravioletto.
Science, 23 Apr 93, Vol. 260, pg. 493 - Faye Flam - Secondo la teoria della relatività quando un oggetto di grande massa accelera produce un’onda gravitazionale che fa increspare la struttura dello spazio tempo. Il big bang ha dovuto produrre un impulso primordiale di tali onde che deve avvolgere tutto l’universo e viene indicato come arcobaleno gravitazionale. Si cercano gli effetti di questo arcobaleno nella radiazione di fondo a microonde. Uno strumento ideato per rivelare direttamente le onde gravitazionali è il LIGO (Laser Interferometer Gravitational Observatory): una coppia di interferometri laser lunghi 4 km. L’idea di rivelare quelle emesse dal big bang è nata circa un anno fa quando, analizzando i dati del COBE (Cosmic Background Explorer) vennero misurate piccole fluttuazioni della temperatura prima interpretate come variazioni di densità della materia, nuclei per la generazione delle galassie. Dopo più attenta analisi, almeno metà di queste fluttuazioni può essere attribuita a onde gravitazionali.
Science, 4 Jun 93, Vol. 260, pg. 1441 - Joshua A. Frieman - I cosmologi si chiedono ancora se l’universo contiene abbastanza materia, oscura e visibile, in modo che l’attuale espansione sia seguita dal collasso gravitazionale. Attualmente si è lontani per un fattore 10 da questo valore critico. Sono stati proposti molti candidati nella composizione di questa materia oscura: dai buchi neri supermassivi di milioni di masse solari alle particelle elementari ipotetiche di tipo esotico come assoni, neutrini massivi e particelle massive ad interazione debole (WIMP = Weakly Interacting Massive Particles), un posto intermedio occupano le nane brune, grandi pianeti oscuri ed in generale i MACHO o Massive Compact Halo Objects non abbastanza caldi da emettere radiazioni. L’esistenza della materia oscura viene desunta dal moto accelerato della normale materia visibile, ma ciò presuppone che la materia oscura abbia tutta interazione di tipo gravitazionale. Se la materia oscura fosse del tipo non barionico questa potrebbe interagire mediante forze a lungo raggio anche più forti della gravità ed in questo caso gli effetti sul moto osservato delle galassie sarebbe diverso. Poiché il raggio di azione di una forza è inversamente proporzionale alla massa dei bosoni che mediano questa forza, una forza a lungo raggio deve essere mediata da particelle molto leggere. Si cerca di rilevare queste nuove forze di interazione cercando uno scostamento dal principio di equivalenza di Einstein secondo il quale non si può distinguere localmente un sistema fermo in campo gravitazionale da un sistema in moto accelerato nello spazio vuoto. Con una bilancia torsiometrica si può misurare l’accelerazione differenziale mediata in un giorno siderale, e quindi diretta verso il centro della galassia, di materiali diversi (berillio e rame).
Science, 11 Jun 93, Vol. 260, pg. 1593 - Faye Flam - Quando negli anni 70 si fece l’ipotesi che il moto delle galassie era affetto dalle azioni gravitazionali di materia non visibile (dark matter) la cosa fu ignorata per molto tempo. Recentemente si è misurata la velocità della galassia a noi più vicina, la Grande Nube di Magellano ed è risultata molto più alta di quella deducibile dalla massa totale della materia visibile che è circa 100 miliardi di masse solari. Ne deriva che la massa totale comprendente la materia oscura dovrebbe essere fra 600 e 800 miliardi di masse solari.
Science, 25 Jun 93, Vol. 260, pg, 1878 - Faye Flam - Nella riunione di giugno dell’America Astronomical Society (AAS) a Berkeley sono stati dibattuti alcun problemi.
Il cluster globulare M15 a 30000 anni luce di distanza nella costellazione del Pegaso ha una densità di circa 100000 stelle in uno spazio di 4 anni luce; inoltre le stelle appaiono stranamente blu come se fossero giovani.
Il destino finale dell’universo, se continuerà per sempre la sua espansione o subirà il collasso gravitazionale, può essere verificato misurando quanto rapidamente la gravità rallenta la sua espansione; questo parametro viene indicato con q. Si tratta di trovare delle sorgenti a distanze diverse e misurare la loro velocità di allontanamento. La distanza è il parametro più difficile da misurare. Le supernove di tipo I hanno tutte la stessa brillantezza assoluta e si tratta quindi di trovarne un numero sufficiente.
Il satellite EUVE (Extreme Ultraviolet Explorer) ha scoperto inaspettatamente che radiazioni molto energetiche provengono anche da distanze all’estremo dell’universo e non ci si sa spiegare chi produca queste radiazioni.
Science, 13 Aug 93, Vol. 261, pg. 831 - Gary Taubes - Secondo gli astrofisici una stella che pesa più di 8 masse solari può finire la sua vita in due modi quando le reazioni nucleari portano alla formazione di un nucleo di ferro. Questo collassa appena cresce fino a 1,5 - 2 masse solari e se la stella è inferiore a 30 masse solari si forma una stella di neutroni esplodendo come supernova di tipo II. Le supernove di tipo I invece producono delle nane bianche senza lasciare residuo. Se la stella di partenza è più di 30 masse solari il collasso non si ferma e si forma nel tempo di millisecondi un buco nero senza fenomeno di supernova. Quindi tutte le supernove di tipo II devono lasciare al centro una stella di neutroni, cosa che non si riesce sempre di trovare. Il caso più noto è quello della supernova del 1987A. Questo fatto fa pensare che ci sia anche un terzo modo per queste stelle di finire la vita. Si pensa che gli elettroni, invece di essere catturati dai protoni per trasformarsi in neutroni con emissione di neutrini, si trasformano in mesoni k negativi, o kaoni, con emissione di neutrini. Nel nucleo della stella rimangono quindi protoni, neutroni e kaoni più comprimibili e quindi più adatti a formare un buco nero.
Science, 5 Nov 93, Vol. 262, pg. 846 - Robert Matthews - Uno dei problemi maggiori della cosmologia è quello di conciliare la giovane età dell’universo con l’età molto maggiore delle più vecchie stelle. L’età dell’universo non si può calcolare direttamente, ma dalla sua velocità di espansione cioè dalla costante di Hubble. Più grande è questa velocità meno tempo è trascorso dal Big Bang. La velocità delle galassie si misura facilmente, ma non così la loro distanza. Il valore calcolato di 80 o 100 km per sec per megaparsec porta ad un universo di soli 8 miliardi di anni cioè 5 miliardi di anni più giovane delle stelle più vecchie. Nuove ipotesi per il calcolo delle dimensioni effettive dei cluster di galassie basate sull’osservazione delle radiazioni X e sull’osservazione dei quasar sotto l’effetto lente di galassie più vicine, hanno portato a valori della costante di Hubble fra 38 e 37 e quindi ad un universo ragionevolmente più vecchio.
L’altro problema è quello della quantità di materia presente nell’universo e se questa è sufficiente a farlo alla fine collassare per gravità. Il valore di transizione per questa quantità di materia corrisponde alla costante cosmologica di Einstein “omega”=1, ma richiede 100 volte la materia visibile nell’universo. Considerando la possibile materia oscura si arriva ad un valore di “omega”=0,2. La domanda che ci si pone è se c’è un motivo perché la “omega” dovrebbe avere un particolare valore.
Science, 5 Nov 93, Vol. 262, pg. 861 - Michael S. Turner - La sonda COBE (Cosmic Background Explorer) ha fornito la misura più accurata della temperatura dell’universo: 2,726 +/- 0,01 K. Questa temperatura è un residuo fossile dell’universo originario ed è legittima la domanda perché si abbia questo valore. Si calcola che 100000 anni dopo il big bang la materia era in uno stato ionizzato ed in equilibrio termico con una temperatura di 3000 K, da quel momento l’espansione ha abbassato l’energia (e quindi la frequenza) della radiazione fino al valore attuale di 2,726 K. Secondo le equazioni di Einstein il tempo trascorso dal big bang t0 è in relazione con la presente densità di energia ρ secondo la formula t0 = c / (6 π G ρ)^1/2 dove G è la costante gravitazionale 6,67 *10E-8 cm3 s-2 g-1, c è la velocità della luce e π è pigreco supposto che la costante cosmologica “omega” sia 1. L’età dell’universo si suppone sia fra 12 e 18 miliardi di anni e quindi la densità dell’energia è di 3*10E-9 erg cm-3 corrispondente ad una densità di materia non relativistica di 3*10-30 g cm-3. Quando l’universo aveva un volume di 10E-4 più piccolo di oggi, energia e materia si equivalevano ed in precedenza l’universo era dominato dall’energia. Oggi, secondo le attuali conoscenze, la normale materia costituisce da 1% a 10% del valore critico per “omega”=1 ed il valore massimo tiene conto anche di tutte le possibili sorgenti di materia oscura. Per la parte mancante sono candidati i neutrini pesanti, i neutralini e gli assoni rimasti come relitti del big bang approssimativamente in quantità uguale, le ultime due particelle costituiscono la materia oscura fredda. La massa dei neutrini dovrebbe essere di circa 20eV; il neutralino viene predetto nel modello standard supersimmetrico e la sua massa va da 10 a 1000 volte quella del nucleone; l’assone viene previsto nella teoria della simmetria CP fra particelle e antiparticelle e la sua massa a riposo dovrebbe essere di 10E-5 eV.
Science, 4 Feb 94, Vol. 263, pg. 612 - Robert Matthews - L’inerzia è una proprietà della materia che ha dato sempre da pensare ai grandi scienziati e filosofi da Ernst Mach (1872) ad Einstein. Ora tre ricercatori, Bernhard Haisch della Lockheed Laboratory, Alfonso Rueda dell’Università di California e Hal Puthoff dell’Institute for Advanced Studies di Austin (Texas), spiegano l’inerzia sulla base della meccanica quantistica. Secondo la meccanica quantistica nel vuoto si forma e si annulla continuamente un mare di particelle subatomiche virtuali e se si cerca di accelerare la materia in questo mare appare una pressione di radiazione. In un approccio diverso si collega l’inerzia ad una forza di Lorenz prodotta dal campo magnetico generato nelle fluttuazioni del vuoto. Questa idea è stata pubblicata il 1 febbraio nel Physical Review.
Science, 18 Feb 94, Vol. 263, pg. 921 - Tim Appenzeller - Ciò che è successo allo spazio tempo nella prima frazione di secondo dopo il big bang viene paragonato alla transizione di fase che si verifica nei cristalli liquidi in cui i domini si uniscono a formare delle corde nel processo di raffreddamento, ma si tratta di un’analogia utile per i matematici.
Science, 25 Mar 94, Vol. 263, pg, 1682 - Gary Taubes - I risultati forniti dalla sonda COBE sul fondo a microonde cosmico hanno mostrato che questo non è completamente uniforme. Le variazioni da rivelare sono di una parte su 100000 sul valore di fondo di 2,726 K cioè dell’ordine di 30 microkelvin e molti sono gli effetti indesiderati da compensare, ma alla base della misura è il principio del Dicke switching. Le variazioni di temperatura, corrispondenti a variazioni di densità dopo il big bang, dovrebbero confermare la teoria delle formazione delle galassie, dei cluster di galassie ed anche di strutture più grandi per effetto della gravità. L’anisotropia dell’universo può essere stata influenzata dal tipo di materia oscura predominante, hot o cold matter, i neutrini di piccola massa sono qualificati hot, i fotini, ipotetiche particelle massive, sono qualificate cold. La cold dark matter favorisce le perturbazioni di densità su piccola scala nella trama dell’universo originario. Un altro effetto di disturbo è quello delle onde gravitazionali prodotte dal big bang nella prima frazione di secondo, queste possono spiegare parte delle differenze di temperatura del fondo a microonde su scala angolare sopra circa 3 gradi. Oltre al COBE altri sistemi di rilevamento, come il MAX (Millimeter Wave Anisotropy Experiment) o il MSAM (Medium Scale Anisotropy Measurement) che sono a bordo di palloni hanno ottenuto anche sensibilità maggiori. Nuove speranze si ripongono su un prossimo satellite ESA detto COBRA (Cosmic Background Radiation Anisotropy) che permetterà una risoluzione angolare di mezzo grado e forse la mappatura di tutto il cielo.
Science, 25 Mar 94, Vol. 263, pg, 1684 - John Travis - A metà del 1980 è stata fatta una prima mappa delle galassie dell’emisfero nord e si sono scoperti grandi agglomerati mostrando un universo molto meno omogeneo di quanto ci si aspettasse. Una mappa corrispondente è stata fatta per l’emisfero sud ed anche qui si sono trovate concentrazioni come il “Great Wall”, un enorme allineamento di galassie. La terza dimensione della profondità è stata data associando ad ogni galassia il suo red shift, più grande è lo spostamento verso il rosso più grande è la distanza. Le irregolarità nella distribuzione delle galassie attualmente non possono essere giustificate dalle fluttuazioni ipotizzate dai cosmologi nell’universo originario in quanto la gravità non può averle amplificate in questa misura nel corso della sua vita.
Science, 8 Apr 94, Vol. 264, pg. 198 - Faye Flam - Il nuovo laser del National Ignition Facility (NFI), se approvato dal DOE, potrebbe permettere di riprodurre in laboratorio molti fenomeni che si verificano nelle stelle e supernove o che sono avvenute durante il Big Bang. Il laser con la sua pressione di radiazione può riprodurre le condizioni esistenti al centro delle stelle: temperature di 50 milioni di gradi e densità di 100 gr per centimicron cubico, e così simulare i processi delle stelle e dell’universo primitivo. Ad esempio, poiché si suppone che la reazione dell’elio-3 sia quella che genera i neutrini solari, riproducendola in laboratorio, si può misurare l’intensità dei neutrini emessi. Un’altra ricerca riguarda la velocità di raffreddamento delle nane brune a cui si fa risalire gran parte della materia oscura, perché sono troppo fredde per essere viste. Infine c’è lo studio del processo di cattura dei neutroni nella generazione degli elementi pesanti comprimendo una mistura di elio e protoni.
Science, 15 Apr 94, Vol. 264, pg. 346 - Ray Jayawardhana - Un gruppo di astronomi sta studiando lo spettro dei più lontani quasar con il telescopio Keck da 10 m a Mauna Kea nelle Hawai, il più grande del mondo. Uno dei risultati inaspettati riguarda l’abbondanza di deuterio riscontrata. Poiché la quantità di deuterio formatasi subito dopo il big bang dipende dalla densità totale di materia presente, nel senso che più grande è la densità di materia minore è stata la resa in deuterio, una misura del deuterio primordiale può dare una valutazione della materia totale nel cosmo. Fino ad oggi la misura dell’abbondanza relativa del deuterio nelle lontane nubi di gas fornisce 2 atomi ogni 10000 di idrogeno, ma poiché l’abbondanza di deuterio vicino a noi risulta 4 volte più bassa, la sua distruzione nelle stelle avrebbe dovuto produrre una quantità di He-3 molto maggiore di quella osservata nel sistema solare e spazi interstellari. Tutte queste misure sono però affette da grandi errori e le estrapolazioni al tempo del big bang sono difficili. Ulteriori misure dello spettro di altri quasar potranno fornire dati più decisivi.
Science, 24 Jun 94, Vol. 264, pg. 1845 - Ray Jayawardhana - In un modello costruito da Cen e Ostriker della Princeton University che simula l’evoluzione del cosmo, è stata introdotta materia costituita per il 64% da cold dark matter (CDM), per il 30% da hot dark matter (HDM) e per il 6% di materia ordinaria in modo da ottenere l’equilibrio. Facendo evolvere il modello, le galassie sono nate più tardi di quanto suggerisce l’osservazione e con una velocità relativa più alta. Aumentando le percentuali di CDM e HDM le cose peggiorano e sembra che, per adattarsi meglio alla struttura ed alla storia dell’universo reale, si debba arrivare ad una densità cosmica di circa un terzo di quanto necessario per l’equilibrio. Alcuni cosmologi sono pronti ad accettare queste radicali conclusioni, ma altri sono critici.
Science, 28 Oct 94, Vol. 266, pg. 539 - John Travis - Continua la controversia sul valore troppo alto della costante di Hubble da cui dipende l’età dell’universo. Il valore di 80 basato sull’osservazione delle Cefeidi porta al paradosso di un universo più giovane delle più antiche galassie. Il problema è legato alla valutazione delle distanza delle galassie lontane di cui si conosce la velocità di allontanamento. Questa velocità si misura meglio per la galassie più lontane, anche più lontane del cluster Virgo che è posto fra 16 megaparsec ed il doppio. Escludendo le Cefeidi, molto difficili da osservare a queste distanze, si è pensato di ricorrere all’osservazione delle supernove di tipo II delle quali è noto un modello e quindi la massima luminosità durante la sua esplosione; misurando la massima luminosità apparente si può determinare la distanza, ma fino ad ora dalle misure di 18 supernove II la costante di Hubble ha dato un valore di 73 +/- 13. Anche il modello delle supernove II è però dibattuto. Buone speranze ora si ripongono sullo Hubble Space Telescope (HST) per un’osservazione più accurata delle Cefeidi sul cluster Virgo ed oltre. Se il valore della costante di Hubble dovesse rimanere sempre alto i cosmologi dovrebbero rivedere il modello standard dell’evoluzione dell’universo.
Science, 16 Dec 94, Vol. 266, pg. 1806 - Faye Flam - Dopo le correzioni apportate alle ottiche dello Hubble Space Telescope (HST) l’esplorazione dello spazio profondo è arrivata fino a 12 miliardi di anni luce, forse 9/10 del tempo trascorso dal Big Bang. A queste distanze si vedono già galassie ellittiche perfettamente formate e, poiché gli astronomi assumono che è necessario almeno 1 miliardo di anni perché una galassia ellittica si formi per collasso dei gas e delle polveri, i tempi sembrano molto ristretti. Questo favorisce i fautori di un universo contenente meno materia di quanto necessaria per un arresto dell’espansione in futuro perché in un universo meno denso le galassie si possono formare prima. Si pensa di poter vedere più lontano non appena verrà installata sullo HST una nuova camera ad infrarossi durante una prossima missione di manutenzione.
Science, 23 Dec 94, Vol. 266, pg. 1945 - Faye Flam - L’esistenza dei buchi neri, previsti nella teoria generale della relatività di Einstein, non è accettata da tutti perché comporta l’esistenza di singolarità cioè di punti con valore infinito di densità e gravità. Alcuni fisici, fra cui John Moffat dell’università di Toronto, infatti pensano che riformulando la matematica di Einstein si possono fare sparire i buchi neri. Moffat suggerisce di introdurre una nuova geometria dello spaziotempo aggiungendo delle proprietà di torsione. Le equazioni risultanti eliminano le singolarità e includono la teoria della relatività. Il punto debole nell’identificazione dei buchi neri è che tutte le osservazioni non rivelano la natura dell’oggetto, ma solo la sua massa.
Science, 13 Jan 95, Vol. 267, pg. 192 - Craig J. Copi - Uno dei test più importanti per il modello del big bang è il confronto fra predizione e misura della densità nell’universo degli elementi leggeri, deuterio, elio-3, elio-4 e litio-7,. Questi sono stati sintetizzati dopo il primo secondo, quando la temperatura era scesa a 10E10 K. Da queste densità si può determinare la densità dei barioni (protoni e neutroni) nell’universo fra 1,7 e 4,1 x 10E-31 gr/cm3 che corrisponde a 1% o 15% della densità critica. Ciò che manca alla densità critica dovrebbe essere non-barionico cioè costituito da particelle elementari lasciate nei primi momenti dopo il big bang. Un rapporto importante è quello fra barioni e fotoni che rimane costante con l’espansione dell’universo ed i fotoni sono praticamente tutti quelli associati alla Cosmic Background Radiation (CBR) cioè alla temperatura di 2,726 K. Questo rapporto è fra 2,5 e 6 x 10E-10.
Science, 17 Feb 95, Vol. 267, pg. 983 - James G. Bartlett - Attualmente la maggior parte delle osservazioni sperimentali forniscono un valore della costante di Hubble fra 40 e 90 km/sec per megaparsec e questo delude i teorici assertori di un universo piatto, punto di transizione fra un universo che ricollassa ed un universo che si espande per sempre. Questo modello viene preferito perché semplifica molti dei problemi teorici ed anche di osservazione come quelli legati all’età dell’universo, che sarebbe troppo bassa con i valori correnti della costante di Hubble, ma in questo caso la costante di Hubble dovrebbe avere un valore di circa 30 Km/s per megaparsec e l’universo dovrebbe essere a prevalenza di Dark Cold Matter (DCM), cioè di materia non barionica.
Science, 14 Apr 95, Vol. 268, pg. 274 - Joachim Wambsganss - Gli effetti di lente gravitazionale misurano le fluttuazioni del potenziale gravitazionale lungo la linea di mira di oggetti distanti e dipendono dalle disomogeneità della materia a sua volta legate al modello cosmogonico adottato come ad esempio i modelli di CDM (Cold Dark Matter) e HDM (Hot Dark Matter). Ogni modello porta ad una diversa funzione di densità di potenza. L’ampiezza della funzione è stata determinata dalle misure del satellite COBE (Cosmic Background Explorer) con una precisione del 15% e con una discriminazione da 5 a 10 gradi. L’effetto di lente gravitazionale è quello di creare concentrazioni (amplificazione) ed immagini multiple (caustiche). Per il modello di CDM con Omega = 1 ed una costante di Hubble di 50 km/s per megaparsec si sarebbe dovuto vedere un maggior numero di immagini multiple di quasar di quanto attualmente osservato.
Science, 21 Apr 95, Vol. 268, pg. 366 - Alexander Hellemans - Fino ad un milione di anni dopo il big bang per gli astronomi l’universo era molto più semplice e le sue condizioni possono essere ricreate in laboratorio dai fisici delle alte energie. Quando l’universo è diventato abbastanza freddo da risultare trasparente alle radiazioni il riferimento diventa il cosmic background radiation e il livello di abbondanza di elio, come indice del processo di formazione iniziale degli elementi. Uno dei punti fermi rimane la teoria del big bang. I punti controversi sono la quantità di materia, che risulterebbe circa 10 volte più grande di quella visibile per spiegare il moto delle galassie nei cluster, e l’età dell’universo, che attualmente sembra essere più giovane delle stelle più vecchie. Molti ritengono che un gran numero di galassie sfuggono all’osservazione perché sono troppo deboli. Circa l’età dell’universo la misura della temperatura delle nane bianche nei cluster di galassie mostra che il loro raffreddamento è durato più a lungo dell’età del cluster stesso. Può essere errata la tecnica con cui si valuta l’età delle stelle ed il modo con cui le stelle si evolvono nel modello standard.
Science, 23 Jun 95, Vol. 268, pg. 1699 - Gary Taubes - La teoria delle stringhe è una teoria valida per qualunque cosa ed abbraccia tutte le forze della natura. La teoria descrive tutte le particelle elementari come modi di vibrazione di stringhe infinitesime. Il problema è che queste stringhe sono descritte da equazioni in 10 dimensioni. Sei di queste dimensioni devono essere compattate e possono generare infiniti universi a 4 dimensioni, ma di questi bisogna scegliere quello che più si adatta al nostro. La teoria delle stringhe prevede inoltre dei buchi neri con una massa non più grande di una particella elementare e questi possono trasformarsi in stringhe e viceversa; quindi buchi neri e stringhe sono solo due differenti descrizioni dello stesso oggetto.
Science, 23 Jun 95, Vol. 268, pg. 1703 - James Glanz - Per decenni gli astronomi hanno raccolto le potenti emissioni, dal visibile ai raggi X, provenienti da oggetti chiamati Active Galactic Nuclei (AGN) i più potenti dei quali sono noti come quasar, senza riuscire a decifrarne la natura. La scorsa settimana in una riunione della American Astronomical Society a Pittsburgh è stata fatta l’ipotesi che queste sorgenti siano il prodotto di collisioni cosmiche fra due nuclei galattici con i loro buchi neri centrali con masse di milioni di soli; questi iniziano a ruotare intorno ad un centro comune fino a fondersi in uno solo in rapida rotazione. Ruotando, il buco nero interagisce con i campi magnetici ed emette getti di plasma che producono intense radiazioni. L’ipotesi spiega perché non si trovano mai tali AGN nelle galassie a spirali in quanto una collisione fra due galassie porta sempre ad una di tipo ellittico. Inoltre non tutte le ellittiche prodotte da collisione producono queste potenti emissioni; è necessario infatti che i due buchi neri centrali abbiano quasi le stesse dimensioni per produrre un elevato momento di rotazione.
Science, 24 Nov 95, Vol. 270, pg. 1295 - Ann Finkbeiner - C’è ancora un grande disaccordo fra gli astronomi sul valore da dare alla costante di Hubble che misura la velocità di espansione dell’universo ed è misurata in km/s per megaparsec (3,26 milioni di anni luce). Il disaccordo nasce sulla misura della distanza dei corpi celesti lontani la cui velocità si determina invece facilmente dal red shift del loro spettro. Per galassie vicine come quelle del cluster Virgo la distanza viene misurata mediante le variabili Cefeidi il cui periodo è in relazione alla loro luminosità effettiva ed il valore della costane di Hubble è stato per alcuni circa 80 e per altri 50. Per oggetti più lontani del cluster Virgo le Cefeidi sono troppo deboli e si ricorre alle supernove di tipo Ia che esplodono quando una nana bianca assorbe massa da una stella compagna fino a superare le 1,4 masse solari per cui prima collassa ancora e poi esplode raggiungendo una ben determinata luminosità (ma anche qui ci sono diversità di opinioni) che si può prendere a riferimento una volta che ne sia stata calibrata una. Queste supernove sono però rare e cinque delle sei misurate hanno dato per la costante di Hubble 50 in tre casi, 65 in uno e 63 per la migliore. Un valore alto di 80 porta ad un universo di circa 8 miliardi di anni mentre le stelle più vecchie sono di 12 miliardi di anni, età che richiede una costante fra 55 e 65.
Science, 2 Feb 96, Vol. 271, pg. 595 - James Glanz - Nella riunione dell’American Astronomical Society tenuta lo scorso mese un team di astronomi ha annunziato che probabilmente nella nostra galassia il 50% della materia oscura si trova sotto forma di MACHO (Massive Compact Halo Objects); si tratta di stelle nane oscure invisibili perché non emettono radiazioni apprezzabili, ma che possono essere rivelate dal fatto che la loro gravità focalizza per effetto lente la luce di stelle lontane provocandone un temporaneo aumento di luminosità. Gli astronomi hanno monitorato 9 milioni di stelle del Large Magellanic Cloud (LMC) e dopo 2 anni hanno annunziato di aver scoperto 7 MACHO e, dalla durata dell’aumento di luminosità (alcuni giorni), hanno stimato la loro massa fra 0,1 e 1 masse solari.
Science, 29 Mar 96, Vol. 271, pg. 1809 - Andrew Watson - Il Cosmic Microwave Background (CMB) è il fondo di rumore a microonde diffuso nell’universo che fornisce una sua fotografia all’età di 300000 anni quando con il raffreddamento è diventato trasparente alle radiazioni. Con l’espansione questa radiazione è diventata equivalente a quella di un corpo nero a 2,726 K, ma presenta piccole fluttuazioni i cui picchi sono i semi che hanno generato galassie e cluster di galassie. Quattro anni fa la sonda COBE (Cosmic Background Explorer) della NASA ha rilevato un’immagine del CMB, ma la sua risoluzione era solo di 10 gradi. Esperimenti con palloni ed antenne che paragonano i segnali di differenti punti del cielo hanno dato risoluzioni di 1 o 2 gradi senza però poter creare delle immagini. Ora un team del Cavendish Laboratory dell’università di Cambridge ha realizzato un nuovo strumento, detto Cosmic Anisotropy Telescope (CAT), basato sull’interferenza di tre ricevitori raffreddati ad elio liquido associati a tre horn da 70 cm posti a meno di 2 metri di distanza; la definizione ottenuta è stata intorno al terzo di grado con installazione a terra. La sensibilità necessaria di 30 microkelvin su 3 K ha richiesto particolari accorgimenti per eliminare l’influenza dell’ambiente circostante a 300 K: schermaggio dalle emissioni della terra, media dei dati per un periodo di diversi mesi e misure in multifrequenza per eliminare le influenze dell’atmosfera. L’immagine di una regione vicina al Grande Carro è stata soddisfacente. Il team progetta ora di costruire una versione a 10 horn del CAT detto Very Small Array da installare a Tenerife nelle Canarie.
Science, 17 May 96, Vol. 272, pg. 952 - James Glanz - Molte stelle sorgenti di raggi X inviano le loro radiazioni con regolari impulsi perché le stelle di neutroni e le loro zone di accrescimento, che sono i punti di emissione, ruotano rapidamente, ma all’interno di ogni impulso si verificano rapide oscillazioni che sono ancora sotto l’indagine dei teorici. I raggi X si generano quando materia ad alta temperatura cade sulla superficie delle stelle di neutroni. Si pensa che il flusso di materia assuma all’impatto una forma conica e crei delle onde d’urto che oscillano modulando le radiazioni X. Da un’indagine condotta con un modello al calcolatore si è trovato che all’impatto della materia si forma una bolla di fotoni, sorgente dei raggi X, che entra essa stessa in oscillazione. I calcoli però non spiegano altre caratteristiche dell’emissione come la dipendenza della frequenza di oscillazione dalle variazioni di luminosità da un giorno all’altro.
Science, 7 Jun 96, Vol. 272, pg. 1426 - Dennis Overbye - Nonostante i 40 miliardi di nuove galassie scoperti recentemente con lo Hubble Space Telescope (HST), l’ammontare della materia luminosa nell’universo rimane circa l’1% della massa necessaria per la densità critica. Considerando anche la materia oscura ed i suoi effetti gravitazionali non si arriva oltre il 5 o 15% della densità critica. Una nuova tecnica è stata trovata recentemente per misurare il peso dei cluster di galassie mediante l’effetto della loro gravità sulla luce delle galassie più deboli che si trovano dietro di loro, ma anche così il bilancio è sempre insufficiente. I cluster hanno dimensioni tipiche di 5 megaparsec (circa 16 milioni di anni luce) e le massime dimensioni osservate sono di 100 megaparsec che comprendono le costellazioni Perseo e Pesci, il gruppo locale e un’altra grande catena di galassie con Hydra e Centauro nell’altro emisfero. Tutto questo complesso si muove verso sud ad una velocità media di 500 km/s. Questo moto si presume dovuto ad un Grande Attrattore. Questi flussi di galassie hanno indotto gli astronomi ad usare un altro metodo per pesare l’universo: un programma di simulazione detto POTENT, sviluppato dal MIT nel 1989, in cui le galassie sono considerate come un fluido spinto dalla pressione della gravità. Le velocità medie delle galassie diventano così un indicatore delle masse presenti. Usando una mappa delle galassie ottenuta con il satellite IRAS (Infrared Astronomical Satellite), il programma ha fornito un risultato che per la prima volta si avvicina alla densità critica, ma i modi di trattare i dati sono diversi ed i risultati sono in conflitto. Il problema potrebbe essere risolto applicando i principi della meccanica quantistica che considera lo spazio vuoto sede di energia che è un’altra forma di massa. Ciò fornisce una base teorica per l’esistenza di una forza repulsiva a grande distanza che renderebbe l’universo anche più vecchio di quanto non appaia risolvendo così l’attuale contraddizione delle stelle più vecchie dell’età dell’universo.
Science, 7 Jun 96, Vol. 272, pg. 1429 - James Glanz - Un secondo dopo il big bang l’universo si era raffreddato al di sotto di 10 miliardi di kelvin e neutroni e protoni cominciarono ad unirsi per formare idrogeno, deuterio, elio e piccole quantità di litio. Le quantità presenti oggi di questi 4 elementi danno agli astronomi una prova del meccanismo noto come big bang Nucleosynthesis (BBNS). La quantità di deuterio si è poi ridotta rapidamente man mano che si è formata la materia ordinaria (barionica) e quindi la quantità di deuterio rimasta è un indicatore della materia barionica formatasi. Il rapporto deuterio/idrogeno è stato misurato nelle nubi di gas a 10 miliardi di anni luce di distanza con il telescopio Keck, i risultati sono stati però contraddittori. Mentre una prima misura ha dato un valore oltre il limite superiore, una seconda misura ha dato un valore 10 volte inferiore il ché è in accordo con la scarsità di elio-3 presente oggi. In ogni caso il modello di BBNS è in crisi.
Science, 7 Jun 96, Vol. 272, pg. 1436 - James Glanz - Il primo rilievo fotografico di una mappa delle galassie che includeva il red shift per aggiungere la coordinata distanza, è stato compiuto a metà degli anni ‘80 dallo Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA). La mappa ha rivelato la struttura del Great Wall e la presenza di grandi regioni vuote. Ora ricercatori di 8 grandi istituzioni: Princeton Univ., l’Institute for Advanced Study di Chicago, il Fermi Lab., la John Hopkins Univ., l’Università di Washington, lo US Naval Observatory ed il Japanese Promotion Group, hanno deciso un programma di 5 anni per una più completa mappa tridimensionale delle galassie. Il programma userà metodi ad elevato grado di automazione con dispositivi CCD per creare immagini digitali e la misura dello spettro di 600 galassie alla volta. Alla fine si dovrà coprire un quarto del cielo con una profondità di parecchi miliardi di anni luce.
Science, 2 Aug 96, Vol. 273, pg. 576 - Gary Taubes - Dietro il concetto delle stringhe cosmiche c’è l’idea che l’universo, raffreddandosi dall’istante del big bang, sia passato attraverso una serie di transizioni di fase che hanno rotto la simmetria iniziale passando da una sola forza unificata alle 4 forze esistenti oggi: l’elettromagnetismo, le forze deboli e forti e la forza di gravità. Queste transizioni di fase si sarebbero verificate troppo rapidamente e si sarebbero creati dei difetti di forme diverse nella trame dello spaziotempo fra cui la stringa monodimensionale. Queste stringhe sarebbero molto massive con un nucleo superconduttivo e, fluttuando nel tempo, sarebbero state una strada per creare le galassie. Nel 1985 Wojociech Zurek, del Los Alamos National Laboratory, suggerì un modo per simulare questa teoria in laboratorio mettendo in evidenza che dal punto di vista matematico la transizione dell’elio liquido nella fase di superfluido, in cui si comporta come il vuoto dove un oggetto si muove senza incontrare resistenza, è simile a quella verificatasi nel primo universo. L’esperienza consiste nell’usare dell’elio-3 portato allo stato di superfluido a 2-3 millesimi di kelvin e quindi inviare un neutrone all’interno. Questo riscalda una regione cilindrica che subito dopo si raffredda di nuovo provocando nei due sensi la transizione di fase. Si può così osservare come si formano dei difetti topologici e confrontarli con la teoria.
Science, 2 Aug 96, Vol. 273, pg. 581 - James Glanz - Gli astronomi hanno scoperto le radiazioni di una gigantesca nube di monossido di carbonio (CO) che rimonta alle origini dell’universo, infatti la nube circonda un quasar il cui red shift è di 4,7 corrispondente al 10% dell’età dell’universo. La presenza di tanto CO suggerisce che un miliardo di anni dopo il big gang si era già in presenza di una seconda e forse di una terza generazione di stelle.
Science, 30 Aug 96, Vol. 273, pg. 1168 - James Glanz - Fra il 24 ed il 27 giugno la Carnegie Institution of Washington ha tenuto un Critical Dialogue on Cosmology, un confronto di idee fra circa 200 astronomi che ha coperto virtualmente tutti i più importanti argomenti della cosmologia di oggi. Un primo argomento di dibattito è quello dell’inflazione verificatasi nella prima vita dell’universo che è stata concepita dai teorici con un tale numero di varianti che si adatta a tutti i dati osservati e risulta quindi inutile come teoria predittiva. Un altro argomento controverso riguarda la quantità di materia nell’universo che la teoria prevede debba essere quella critica per fermare l’universo nella sua espansione, ma ogni estrapolazione dei dati osservati non va oltre il 20% di questo valore. L’altra accesa discussione è aperta sulla costante di Hubble e sulla vita dell’universo: i valori misurati vanno da 70 +/- 10 a 55 +/-10 km/s per megaparsec a cui corrispondono età dell’universo di 9 e 12 miliardi di anni rispettivamente, ma le osservazioni danno un’età delle stelle più antiche di 15 miliardi di anni. Il calcolo è fatto per la densità di materia critica, se la densità fosse più bassa l’universo potrebbe essere più vecchio perché avrebbe decelerato più lentamente. Una soluzione ricorre alla costante cosmologica che prevede una forza di repulsione su grande scala prodotta dall’energia contenuta nello spazio vuoto; questa repulsione rallenta l’espansione e si traduce in un universo più vecchio, ma il fenomeno alla base di questa costante potrebbe giustificare un valore anche 50 volte superiore ed in questo caso l’universo non si sarebbe mai evoluto. C’è anche l’affermazione del principio antropico secondo il quale l’universo è così perché ha reso possibile l’esistenza degli uomini che lo possono misurare e questo porta ad assumere l’esistenza di multipli universi o più regioni in uno stesso universo in cui i parametri assumono valori diversi più plausibili mentre sono rari quelli come il nostro che hanno un valore basso e rendendo possibile l’evoluzione dell’uomo.
Science, 27 Sep 96, Vol. 273, pg. 1799 - Gretchen Vogel - Dagli anni ‘60 i ricercatori hanno creduto che elio ed idrogeno si siano formati subito dopo il big bang mentre gli elementi più pesanti del boro si sono formati all’interno delle stelle. L’origine degli elementi intermedi come il boro è invece discussa. Misurando l’intensità dello spettro del boro di 11 stelle di varie età si è notata una particolare abbondanza di boro nella nostra galassia ed anche nelle stelle più vecchie. La spiegazione più semplice è che i raggi cosmici siano formati da nuclei di ossigeno, carbone e azoto che si spezzano collidendo con il fondo di atomi di idrogeno ed elio e non viceversa.
Science, 4 Oct 96, Vol. 274, pg. 69 - Scott Dodelson - L’universo è iniziato come una zuppa quasi omogenea di particelle fondamentali ed ora è arrivato alle grandi strutture come le stelle, le galassie, i cluster di galassie ed i supercluster. Per creare queste strutture con la semplice attrazione della gravità, partendo dalle disuniformità misurate nel Cosmic Background Radiation (CBR), sarebbero stati necessari 15 miliardi di anni. Per il modello standard la quantità di materia presente deve essere pari a quella critica per arrestare l’espansione, ma la materia barionica contribuisce solo per un 5% del totale; la maggior parte di ciò che manca sarebbe costituita dalla Cold Dark Matter (CDM) cioè da particelle elementari a bassa velocità. Queste particelle possono essere il neutralino di massa da 10 a 500 GeV, predetto dalla teoria della supersimmetria, e l’assone di massa da 10^-6 a 10^-4 eV. Altra massa potrebbe venire come Hot Dark Matter (HDM) dai neutrini se almeno uno dei tre ha una massa fra 2 e 30 eV. Con la HDM tuttavia si sarebbero formate prima la grandi strutture (cluster) e poi per frammentazione le piccole, cosa che contrasta con l’osservazione. L’età delle stelle più vecchie è di 12 miliardi di anni mentre le misure della costante di Hubble danno un tempo trascorso dal big bang al più di 10 o 11 miliardi di anni. L’introduzione della costante cosmologica porterebbe ad un universo più vecchio. Si ripongono speranze nelle nuove missioni NASA (MAP) e ESA (COBRAS-SAMBA) per la misura più accurata del CBR e dello spettro di potenza angolare che permetterebbe di discriminare teoria dell’inflazione e modelli di CDM.
Science, 8 Nov 96, Vol. 274, pg. 923 - Random Samples - La costante di Hubble, che misura la rapidità con cui l’universo si espande, può essere misurata comparando la differenza di tempo impiegata dalla luce di un quasar seguendo due percorsi curvati da una lente gravitazionale. Misurando questo tempo di ritardo si determina la distanza della galassia lente e quindi la costante di Hubble. Monitorando per 15 anni il quasar QSO 0957+561, astronomi dello Havard Smithsonian Center for Astrophysics (CfA) hanno misurato un tempo di ritardo di 405 giorni, altre misure hanno dato 540 giorni, ma ulteriori misure si sono avvicinati al primo valore. Il valore della costante di Hubble è risultato di 63 km per sec per megaparsec, vicino ai valori ottenuti con altri metodi.
Science, 31 Jan 97, Vol. 275, pg. 626 - Paul Hewett - La prima osservazione dell’effetto di lente gravitazionale è stata l’esperienza di Eddington durante l’eclisse solare del 1919 sulla deviazione dei raggi di una stella che passavano vicino al Sole. Un’altra conseguenza dell’effetto lente è l’aumento di intensità apparente delle stelle, per focalizzazione della luce, che passano dietro un oggetto massivo. Nel 1993 uno studio sui Massive Compact Halo Object (MACHO) cominciò a monitorare la luminosità apparente delle stelle della Large Magellanic Cloud, una nostra galassia satellite, a distanza di 50 kpc. La probabilità di un tale evento è di 10E-6 per anno per ogni singola stella ed il massimo viene preceduto e seguito da due variazioni simmetriche di luminosità che possono durare tipicamente una decina di giorni. Un monitoraggio di due anni ha prodotto 8 eventi. L’acquisizione dei dati è diventata poi molto automatica e lo scorso anno il team ha rivelato 41 eventi di effetto lente.
Science, 7 Mar 97, Vol. 275, pg. 1416 - James Glanz - L’effetto lente gravitazionale può produrre risoluzioni spaziali 8000 volte più grandi di quelle dello HST anche se ciò richiede un perfetto allineamento fra stella osservata e stella lente. Il telescopio del Mount Stromlo Observatory in Australia sta monitorando le stelle della Grande Nube di Magellano per scoprire le variazioni di luminosità dovute all’effetto lente. La maggior parte mette in evidenza una curva di luminosità standard prima crescente e poi decrescente, in un caso, chiamato MACHO Alert 95-30, l’allineamento è stato così perfetto che lo spettro della stella cambiava da punto a punto passando davanti alla stella identificata come una gigante rossa.
Science, 21 Mar 97, Vol. 275, pg. 1736 - Andrew Watson - Si suppone che circa il 90% della massa dell’universo sia invisibile. Questa “dark matter” può consistere in stelle oscure, nei cosiddetti MACHO (Massive Compact Halo Object), o semplicemente di neutrini che raramente interagiscono con la materia. Altra alternativa esotica è costituita da particelle dette WIMP (Weakly Interacting Massive Particles) le cui proprietà sono largamente sconosciute. La prova dell’esistenza dei MACHO è data dall’effetto di lente gravitazionale che provocano sulle stelle di galassie più lontane. I WIMP sono invece completamente ipotetici, relitti del big bang predetti da teorie come la supersimmetria. La tecnica di rivelazione si basa sulla scintillazione, flebili lampi di luce emessi da certi cristalli come quelli di iodato di sodio quando una di queste particelle colpisce un atomo. Il rivelatore è quindi costituito da 6 kg di cristalli di iodato di sodio con una coppia di fotomoltiplicatori. Invece di rivelare la scintillazione si può misurare l’energia che si deposita nel materiale rivelatore. Se si raffredda il cristallo a 0,02 kelvin, una particella che deposita pochi keV provoca un aumento di temperatura di un milionesimo di grado sufficiente per misurarlo. Per distinguere i WIMP dai raggi cosmici si devono anche analizzare le particelle cariche emesse, elettroni e nuclei, perché le radiazioni cosmiche interagiscono con gli elettroni ed i WIMP con i nuclei, inoltre le prove vanno eseguite dentro delle miniere che sono schermate dai raggi cosmici. Sono agli inizi nuovi progetti di misura fra cui il CDMS (Cryogenic Dark Matter Search) con un bolometro Ge/Si presso lo Stanford, USA, il CRESST (Cryogenic Rare Event Search with Superconducting Termometer) europeo con un bolometro allo zaffiro nei laboratori del Gran Sasso ed il francese EDELWEISS (Experience pour Detecter les Wimps en Site Souterrain) con bolometro al Ge da tenersi in un laboratorio sotterraneo del Fréjus nelle Alpi. Nonostante gli sforzi c’è la possibilità che i risultati siano nulli.
Science, 4 Apr 97, Vol. 276, pg. 37 - Donald Goldsmith - Con lo studio delle supernove di Tipo Ia, visibili a distanze corrispondenti alle epoche più antiche, ed utilizzando la loro brillantezza come indicatore della distanza, si comincia a vedere la variazione della velocità di espansione. I risultati basati su 7 supernove, da parte di due gruppi del Lawrence Berkeley National Lab. in Califonia e dell’Australian National Observatory, suggeriscono che la densità di materia sia sufficiente per fermare l’espansione dell’universo anche se forse in un tempo infinito. Le supernove di Tipo Ia sono prodotte dall’esplosione di nane bianche che hanno assorbito abbastanza materiale da stelle compagne fino a raggiungere una massa critica. L’esplosione è fra le più violente e raggiunge il massimo in 2-3 settimane. Recentemente si è anche trovato il modo di correggere la riduzione di intensità dovuta all’assorbimento delle polveri dello spazio attraversato dalla loro luce.
Science, 16 May 97, Vol. 276, pg. 1089 - Eric J. Chaisson - Continua il dibattito sulla vessata questione dell’età dell’universo. Per un universo che si espande uniformemente la sua età è l’inverso della costante di Hubble, H0, ma questo è vero solo se la densità di materia fosse molto più bassa di quella critica per un universo piatto, in quest’ultimo caso l’età sarebbe 2/3 del valore precedente. Per un valore H0 di 70 km/s/Mpc l’età sarebbe di 10 miliardi di anni, ma le più antiche stelle dei cluster globulari sembrano più vecchie e arrivano a 15 +/- 3 miliardi di anni. Recentemente i dati del satellite Hipparcos sulla luminosità di molte stelle variabili fa supporre che l’età dei cluster globulari sia stata sovrastimata di un 20% portando la loro età a 12 miliardi di anni e avvicinandola a quella dell’universo. In realtà le discrepanze sono piccole rispetto agli errori con cui si conoscono molte altre grandezze cosmologiche che hanno fattori di incertezza di 10.
Science, 24 Oct 97, Vol. 278, pg. 574 - Andrew Watson - Il punto di partenza della moderna cosmologia è il big bang avvenuto fra 10 e 20 miliardi di anni fa, ma i teorici sanno poco di come si sono formate le più larghe strutture come galassie e cluster di galassie e non sanno spiegare come si siano formate le disomogeneità che ne sono state il seme. Un’ipotesi è l’inflazione cioè un breve periodo di espansione superveloce fra 10E-34 e 10E-35 sec. dopo il big bang che ha amplificato le microscopiche fluttuazioni quantistiche nelle variazioni più macroscopiche evidenti nella radiazione di fondo a microonde. L’ipotesi rivale è quella dei difetti: a 10E-36 sec., quando l’universo non era più grande di un pompelmo, le forze fondamentali della natura, che prima erano unificate si sono separate, con un processo detto di rottura della simmetria. I difetti nella trama dello spazio si sono formati perché la rottura di simmetria è avvenuta in modo diverso in diverse regioni dello spazio come i difetti che si formano nei cristalli in una soluzione in raffreddamento rapido con regioni di differente allineamento. I modelli per questa teoria sono altamente non lineari e difficili da calcolare, tuttavia l’ultimo algoritmo di evoluzione del meccanismo dei difetti ha mostrato che il livello di fluttuazione predetto è più basso di un fattore 2 rispetto valori misurati e ciò è considerato fatale per la teoria. La teoria dell’inflazione si adatta meglio, ma predice più cluster di galassie di quante ce ne siano.
Science, 31 Oct 97, Vol. 278, pg. 799 - James Glanz - Osservando le esplosioni stellari a distanze corrispondenti alla metà circa della vita dell’universo ed analizzandone la luce, due gruppi di astronomi hanno cercato di misurare quanto sia cambiata la velocità di espansione. I due gruppi hanno lavorato indipendentemente, ma i loro risultati sono in accordo: l’espansione è rallentata così poco che la gravità non sarà mai capace di fermarla. L’universo contiene quindi molto meno massa di quanto non si supponeva, a giustificare la massa stimata rimane la possibilità che la cosiddetta costante cosmologica, proprietà ipotetica dello spazio vuoto, possa generare una forza repulsiva con azione antigravitazionale. Tuttavia il piccolo numero di supernove osservate lascia un margine di incertezza e le conclusioni non sono definitive. Una delle supernove osservata dallo Hubble Space Telescope (HST) aveva un red shift di 0,83, corrispondente a circa 7 miliardi di anni luce, ed i suoi dati sono consistenti con una bassa densità di materia.
Science, 14 Nov 97, Vol. 278, pg. 1230 - Alexander Hellemans - I dati provenienti dal satellite europeo Hipparcos sembra dimostrino che nella nostra galassia non si trovi dark matter in quantità apprezzabile mentre gli astronomi ritengono che nell’universo questa costituisca circa il 90% della massa totale. Studiando il moto di circa 10000 stelle e determinando le forze gravitazionali che lo determinano si trova che nella nostra galassia la densità di materia è di 0,11 masse solari per parsec cubico (1 parsec = 3,26 anni luce). Questo valore è vicino a quello stimato per tutte le stelle visibili nel disco galattico. La maggior parte delle galassie invece ruota più rapidamente di quanto non consenta la massa di tutte le loro stelle visibili, inoltre le stelle esterne si muovono altrettanto rapidamente quanto quelle interne il ché dimostra che la materia è dispersa in tutto il volume i non concentrata nel nucleo.
Science, 30 Jan 98, Vol. 279, pg. 651 - James Glanz - Le ultime analisi sulle più lontane supernove danno supporto all’ipotesi di un universo che si espanderà indefinitamente, ma in aggiunta provano che vi agisca una forza repulsiva su larga scala. L’energia che produce questa forza viene fatta derivare dalle proprietà quanto meccaniche dello spazio vuoto ed è chiamata costante cosmologica e indicata con . Lo studio di 40 nuove supernove ha mostrato come la velocità di espansione sia cambiata nel tempo e non solo essa è rallentata troppo poco per portare all’arresto, ma c’è la presenza di un contributo opposto come quello prodotto da una costante cosmologica.
Science, 13 Feb 98, Vol. 279, pg. 981 - Andrew Watson - Quattro anni fa si era in piena crisi delle teorie cosmologiche perché sembrava che l’universo avesse un’età circa la metà (8 miliardi di anni) di quella delle sue stelle più antiche contenute nei cluster globulari (16 miliardi di anni). Ora il satellite Hipparcos ha eseguito la mappatura di 120000 stelle con grande accuratezza ed ha ridotto l’età dei cluster globulari aumentandone la loro effettiva distanza mentre il telescopio spaziale Hubble ha ridotto a 12 miliardi di anni l’origine del big bang; infatti la più giovane età dell’universo era basata sull’assunzione che l’universo fosse piatto, cioè tendesse ad arrestare la sua espansione mentre le recenti osservazioni indicano che l’universo è aperto e quindi più vecchio a parità di costante di Hubble.
Science, 27 Feb 98, Vol. 279, pg. 1298 - James Glanz - Le ultime misure sulla variazione nel tempo della velocità di espansione delle galassie hanno portato gli astronomi a concludere che lo spazio sia permeato da una forza repulsiva che contrasta la gravità con un grado di confidenza del 98,7-99,99%. I fisici non hanno una chiara spiegazione su quale sia la sorgente di questa forza, potrebbe essere legata al formarsi nello spazio vuoto di particelle virtuali secondo i principi della meccanica quantistica, sarà necessario del tempo per digerire questa novità.
Science, 27 Feb 98, Vol. 279, pg. 1321 - G. S. Bisnovatyi-Kogan - L’epoca delle moderne scoperte dell’astronomia è iniziata nel 1962 con l’osservazione delle radiazioni X dal cielo, sono seguite le osservazioni dei quasar, della radiazione di fondo, delle stelle di neutroni, delle pulsar e sorgenti a raggi X ed infine dei gamma ray bursts, ma gli oggetti più strani sono i buchi neri, predetti teoricamente 60 anni fa e sulla cui esistenza si sono avute prove nel 1972 con il satellite UHURU che ha osservato le radiazioni X del Cyg X-1, un sistema binario nel quale la massa di una stella compatta eccede il limite di tre masse solari oltre il quale si crea lo stato di buco nero. Questo può essere osservato solo dalle radiazioni emesse dai gas che lo circondano e spiralizzano verso il centro; ci sono circa 40 casi in cui l’esistenza del buco nero è stata stabilita e 3/4 sono oggetti supermassivi con miliardi di masse solari.
Science, 15 May 98, Vol. 280, pg. 1008 - James Glanz - Dopo le ultime osservazioni sulle supernove gli astronomi hanno una nuova visione dell’universo con implicazioni che fanno discutere. Una interpretazione introduce una forza repulsiva nella materia che accelera espansione contrastando la forza di gravità. Ulteriori analisi fanno pensare che noi viviamo in una “bolla di Hubble” una regione dell’universo dove l’espansione è più rapida che altrove; questa regione corrisponderebbe a distanze dove si trovano grandi concentrazioni di galassie come il Great Wall scoperto nel 1980 che provocano una trazione gravitazionale sulle regioni a noi vicine accelerando localmente l’espansione.
Science, 19 Jun 98, Vol. 280, pg. 1835 - Meher Antia - Le stelle di neutroni appena nate sono delle potenti sorgenti di onde gravitazionali, le oscillazioni della trama dello spaziotempo predette da Einstein nella sua teoria della gravità. Quando una stella gigante collassa per formare una stella di neutroni l’energia del suo momento angolare viene dissipata come onde gravitazionali ed in circa un anno la velocità di rotazione della nuova stella passa da 1000 rotazioni al secondo a 100; questo spiega perché gli astronomi non hanno mai osservato stelle di neutroni ruotanti ad alta velocità. Fino ad ora nessuno ha rivelato le onde gravitazionali e si attende la costruzione del grande rivelatore chiamato LIGO progettato per rivelare onde di grande intensità come quelle emesse dalla collisione di due stelle di neutroni. Forse solo dopo ulteriori miglioramenti si potranno rivelare le onde emesse dalle stelle di neutroni appena nate.
Science, 31 Jul 98, Vol. 281, pg. 637 - James Glanz - L’effetto di curvatura prodotto da una galassia sui raggi di luce provenienti da lontani quasar allineati è quello di una lente gravitazionale che permette una risoluzione superiore di 20 volte a quella dello Hubble Space Telescope. Si possono ottenere dei dettagli a miliardi di anni luce paragonabili a quelli che si ottengono nella nostra galassia. Sono state analizzate così anche nubi di materia fino a 10 miliardi di anni luce, alle origini dell’universo, attraverso le righe di assorbimento delle radiazioni dei quasar che le illuminano. Mediante lo spettrografo del telescopio Keck delle Hawaii sono state analizzate una serie di righe di assorbimento Lyman-alfa corrispondenti a valori diversi di red shift e quindi diverse posizioni della nube.
Science, 4 Sep 98, Vol. 281, pg. 1428 - Alexander Hellemans - Gli astronomi hanno analizzato un gran numero di stelle vecchissime nella nostra galassia, alcune che hanno più di 13 miliardi di anni, formatesi solo 1-2 miliardi di anni dopo la formazione della galassia. Dopo 20 anni di ricerche, iniziate nel 1978, sono state identificate circa 1000 di queste stelle che contengono pochissimi elementi chimici pesanti e danno una testimonianza dell’età dell’universo e della sua composizione iniziale. L’analisi delle galassie più lontane e quindi più antiche è meno precisa perché non si possono distinguere le singole stelle e si trovano sempre degli elementi pesanti prodotti dalle prime generazioni. Nella nostra galassia l’alone che circonda il disco galattico contiene stelle molto antiche perché molto piccole il cui spettro rivela un piccolo contenuto di elementi più pesanti del boro. Tuttavia anche queste stelle non sono le prime e devono essere state precedute da una prima generazione perché contengono tracce di elementi come il torio che ha un tempo di dimezzamento di 14,1 miliardi di anni e l’europio che è invece stabile ed ha uguale origine; il rapporto fra le due quantità fa risalire all’età di formazione. Il contenuto di litio in queste stelle è poi un indice della quantità formatasi al big bang.
Science, 13 Nov 98, Vol. 282, pg. 1249 - James Glanz - All’inizio dell’anno due team di astronomi sono giunti alla straordinaria conclusione che le più lontane supernove indicano un’accelerazione nell’espansione dell’universo come se fosse presente una forza repulsiva. In un workshop tenuto nell’università di Chicago alla fine di ottobre si è fatta un’analisi approfondita di tutti i fattori che potrebbero spiegare le osservazioni, come la polvere cosmica o esplosioni più deboli a distanza o altre, ma la conclusione non è cambiata. Anche le più recenti osservazioni di numerose supernove hanno rinforzato la stima fatta che l’accelerazione osservata implica che il 70% dell’energia contenuta nell’universo sia nella forma di questa forza repulsiva chiamata già “lambda” da Einstein.
Science, 18 Dec 98, Vol. 282, pg. 2204 - Th. Henning and F. Salama - Più del 75%delle 118 molecole identificate ad oggi nelle polveri interstellari contengono carbonio. Il ruolo del carbonio è importante nell’evoluzione del mezzo interstellare (ISM) perché fornisce molti elettroni liberi che riscaldano le nubi interstellari. Il carbonio ionizzato si combina poi con vari elementi e forma molecole complesse, catene e cluster di carbonio e idrocarburi policiclici aromatici. Negli ultimi 10 anni molto si è capito di queste varie strutture incluse quelle di carbonio cristallino che hanno portato alla scoperta della chimica dei fullereni. Il carbonio è il primo degli elementi leggeri che si forma all’interno delle stelle quando la temperatura e la pressione si alza ed il nucleo di elio fonde. Tre atomi di elio formano un atomo di carbonio ed il processo è più efficiente di quello della formazione dell’ossigeno da 4 atomi di elio; i nuovi elementi vengono poi trasportati per convenzione sugli strati esterni delle stelle e quindi nel mezzo interstellare. L’analisi spettrografica ha permesso di studiare la composizione delle nubi interstellari. L’abbondanza relativa di carbonio, ossigeno, idrogeno e azoto nel mezzo interstellare produce la molecola stabile CO e molecole organiche o radicali liberi CH-, CnH, CN e molecole di idrocarburi policiclici aromatici. Si formano anche catene di idrocarburi non saturi CnHm (n<<m) con in media 20-30 atomi di C. Il carbonio solido è presente nelle forme cristalline di diamante tetraedro in strutture cubiche, grafite esagonale in strutture planari, fullerite a reti sferoidali di anelli pentagonali ed esagonali di carbonio e carbide: lunghe catene di atomi di carbonio con doppi e tripli legami. Sono anche presenti forme non cristalline amorfe non strutturate. Campioni di questi materiali derivano dalle meteoriti condritiche non alterate (primitive) che cadono sulla Terra; queste contengono nanodiamanti e particelle di grafite, i primi delle dimensioni di 2 nm corrispondono a circa 100 atomi di carbonio, le particelle di grafite di dimensioni da 1 a 20 micrometri contengono anche isotopi del carbonio e gas nobili.
Science, 1 Jan 99, Vol. 283, pg. 13 - James Glanz - I risultati di un esperimento condotto presso i laboratori del Gran Sasso in Italia in collaborazione fra Università di Roma e Centro di Astrofisica dell’università di Berkeley in California sembrano confermare il passaggio di una strana particella 60 volte più pesante del protone che dovrebbe appartenere alla famiglia dei WIMP (Weakly Interacting Massive Particles) previste dalla teoria della Supersimmetria che costituirebbero la Dark Matter, la materia oscura che riempie per circa il 90% l’universo. La nostra galassia e le altre ruotano più velocemente di quanto non giustifichi la gravità prodotta dalla materia visibile che le compongono ed i WIMP sono attualmente i candidati favoriti per coprire questo deficit. Il rivelatore di tali particelle è costituito da 9,7 kg di cristalli di iodato di sodio che emette lampi di luce quando i suoi elettroni o nuclei interagiscono con particelle cosmiche. Poiché il bombardamento di particelle è continuo, si cerca di rivelare una piccola modulazione stagionale dovuta al fatto che il flusso dei WIMP non partecipa al moto di rotazione della galassia che è di circa 220 km/s intorno al suo centro. Infatti mentre la rotazione della galassia si è prodotta per effetto del collasso gravitazionale della materia normale, i WIMP non interagiscono emettendo fotoni e non possono aver subito lo stesso collasso. Poiché la Terra nel suo moto orbitale aggiunge e sottrae la sua velocità a quella del Sole nella galassia, si dovrebbe notare una modulazione annuale nella scintillazione del rivelatore. Il progetto, chiamato DAMA per Dark Matter, ha raccolto dati dal novembre 1996 fino al luglio 1997 ed è stato effettivamente notato un aumento delle scintillazioni. Bisognerà però aspettare altri dati nel corso di un intero anno per costatarne anche la periodicità.
Science, 15 Jan 99, Vol. 283, pg. 319 - Govert Schilling - Lo SWAS (Submillimeter Astronomy Satellite) è stato lanciato dalla NASA il 5 dicembre scorso ed è il primo satellite capace di osservare l’universo nel campo delle lunghezze d’onde submillimetriche emesse dalle molecole a bassa temperatura, come l’acqua, nelle nubi di gas e polveri dove si generano le nuove stelle. Alla riunione dell’American Astronomical Society tenutasi dal 4 al 9 gennaio il team dello SWAS ha riferito che nelle prime 2 settimane le osservazioni hanno rivelato che nelle nubi fredde si trova circa una molecola di acqua ogni milione di molecole di idrogeno, 10 volte il valore desunto dalle osservazioni fatte con un aeroplano. Già dal satellite ISO (Infrared Space Observatory) dell’ESA si erano rivelate grandi quantità di acqua nelle nubi più calde (intorno a 100 K) che emettono radiazioni infrarosse, ma nulla si sapeva circa la chimica delle nubi più fredde.
Science, 29 Jan 99, Vol. 283, pg. 616 - Govert Schilling - Lo scorso sabato, 23 gennaio, il satellite BeppoSAX ed il Gamma Ray Observatory (GRO) della NASA hanno rivelato un gamma ray burst molto intenso che doveva quindi avere un’origine vicina. L’analisi del transiente ottico nella direzione di provenienza effettuato da telescopio di Mauna Kea e da quello di La Palma nelle Canarie ha localizzato invece la sorgente a un red shift di 1,6. A questa distanza l’energia emessa avrebbe dovuto essere quella di 100000 galassie. La presenza di una piccola galassia con red shift di 0,2-0,3 nella stessa direzione ha fatto concludere che si era in presenza di un effetto di lente gravitazionale che ha aumentato l’intensità apparente di un fattore da 10 a 50; questo è primo caso trovato. Se questo è vero ci si può aspettare anche l’arrivo di un secondo burst rifratto su un percorso più lungo.
Science, 26 Mar 99, Vol. 283, pg. 2003 - Govert Schilling - Due mesi fa, all’alba del 23 gennaio, gli astronomi hanno rivelato forse l’evento più violento mai osservato nell’universo, un lampo di raggi gamma (GRB) seguito da un quasi simultaneo lampo di luce ottica. L’energia proveniva da un punto della costellazione di Boote indicato ora come GRB 990123 ed è la prima volta che un’emissione ottica è stata rivelata con un burst di raggi gamma. La cosa è stata possibile per la prontezza del sistema di allarme per cui, appena rivelato il GRB dal satellite BeppoSAX e dal Compton Gamma Ray Observatory (CGRO), entro 10 secondi una telecamera automatica al Los Alamos National Laboratory, la ROTSE (Robotic Optical Transient Search Experiment) ha iniziato a scattare foto nella direzione indicata e, 22 secondi dopo, il GRB ha catturato il lampo di luce ottica. Ciò che ha stupito è l’enorme energia rilasciata dal GRB 990123, la sorgente ha un redshift di 1,6 equivalente ad una distanza di parecchi miliardi di anni luce e le osservazioni dello HST, fatte l’8 ed il 9 febbraio, hanno scoperto una irregolare galassia di stelle in formazione. Assumendo che l’energia sia irradiata in tutte le direzioni con pari intensità, questa sarebbe colossale, pari a 3,4*10E54 erg cioè quella generata da due masse pari a quelle del sole convertite completamente in energia. All’inizio si è pensato all’effetto di una lente gravitazionale provocato da una concentrazione di masse in posizione intermedia, ora gli astronomi pensano invece alla concentrazione su due fasci (jet) in opposizione come quelli che emergono dai due poli di un buco nero ruotante. Due giorni dopo l’evento l’emissione ha iniziato ad attenuarsi in modo molto rapido.
Science, 2 Apr 99, Vol. 284, pg. 34 - Robert Irion - Alla riunione dal 20 al 26 marzo per celebrare il 100mo anniversario dell’American Physical Society sono stati presentati numerosi abstracts. Fra questi il cosmologo Michael Norman del National Center for Supercomputing Applications (NCSA) ha mostrato i risultati di una simulazione sull’evoluzione del cosmo subito dopo il big bang. Il programma utilizzava un “adaptive mesh refinement” iniziando in un volume di 18000 anni luce di lato e quindi passando ad analizzare dettagli sempre più piccoli fino a 0,3 anni luce pari alle dimensioni della nube di comete nel nostro sistema solare; in tal modo si poteva seguire la crescita dei primi ammassi. La simulazione ha indicato che i primi insiemi formatisi erano centinaia di volte più massicci del nostro Sole. Queste stelle gigantesche hanno avuto una vita breve ed hanno consumato il loro combustibile in pochi milioni di anni; dopo essere esplose, hanno disperso gli elementi pesanti prodotti nei loro nuclei, come carbonio, ossigeno, fino al ferro. I successivi cicli stellari hanno sempre più arricchito lo spazio di elementi pesanti, questi irradiano più facilmente permettendo a masse più piccole di perdere energia e collassare. Statisticamente le stelle sono diventate sempre più piccole e queste hanno una vita più lunga. Stelle con massa pari all’80% di quella del nostro Sole, se si fossero formate alle origini, sarebbero ancora in vita, ma non ne sono state trovate senza contenuto di elementi pesanti e quindi non possono appartenere ad una prima generazione.
Science, 28 May 99, Vol. 284, pg. 1438 - Ann Finkbeiner - Questa settimana, il 25 maggio in una conferenza stampa, un gruppo di astronomi del Key Project dello Hubble Space Telescope (HST) ha annunziato il valore più attendibile per la costante di Hubble, la velocità con cui attualmente si espande l’universo: 70 km/s per megaparsec (3,26 milioni di anni luce) di distanza. Da quando nel 1929 Hubble aveva portato le prove dell’espansione dell’universo questo valore è cambiato numerose volte da un primo valore di 558, che faceva l’universo più giovane delle rocce terrestri, fino a valori compresi fra 100 e 50. Nel 1991 fu iniziato il Key Project per lo HST con lo scopo di risolvere il problema usando diversi metodi di misura. Tutti i metodi si basavano su oggetti di cui si conoscesse la luminosità vera per funzionare da “standard candles”. Le più note sono le variabili Cefeidi che lo HST può riconoscere fino a 25 megaparsec, distanza delle vicine galassie, ma una distanza alla quale il moto locale è trascurabile rispetto a quello di espansione è di almeno 100 megaparsec. Si sono assunte allora come candele campioni le galassie a spirali misurandone il moto di rotazione che dipende dalla loro massa e presumibilmente dalla loro luminosità; con queste si ottiene un errore del 20%. Più precise sono le supernove di tipo Ia che esplodono con luminosità predicibile e sono visibili fino a 500 megaparsec. Il Key Project ha considerato 18 galassie ed osservato in esse 800 Cefeidi per calibrare la loro luminosità, le supernove tipo Ia hanno dato una costante di 68, le galassie ellittiche 78; combinando le misure si è ottenuto un valore di 70 con un’incertezza dell’8%. Ci sono ancora delle controversie: le supernove Ia sono rare e ne sono state osservate solo 8 a distanze dove è possibile vedere le Cefeidi e calibrarle, in questo caso si è ottenuto per la costante un valore di 61. Un valore fra 60 e 70 è compatibile con l’età dell’universo. Gli astronomi oggi credono che la densità di materia sia bassa e l’espansione viene accelerata da un’energia che pervade lo spazio vuoto, detta costante cosmologica, da ciò risulta un’età dell’universo di 13 miliardi di anni mentre le più vecchie stelle sono di 11 e 14 miliardi di anni e tutto rientra nelle tolleranze. Sarà questione di tempo: i satelliti del prossimo decennio potranno fornire un’accuratezza dell’1%.
Science, 3 Sep 99, Vol. 285, pg. 1499 - Michiel van der Klis - La sonda della NASA Rossi X-ray Timing Explorer (RXTE) sta ora fornendo la prima misura diretta del moto orbitale della materia in un ambiente a spaziotempo fortemente curvo dove le leggi del moto sono qualitativamente diverse da quelle di Newton. Le zone a spaziotempo fortemente incurvate sono quelle vicine a stelle massive collassate molto più grandi della massa del Sole; alcune di queste possono essere buchi neri ed il raggio di un buco nero in km è circa tre volte la sua massa in unità di masse solari. Nel caso di stelle di neutroni, generate da stelle fra 1,4 a 3,5 masse solari dove gli elettroni ed i protoni si sono compenetrati in modo da formare solo neutroni, il raggio è da 7 a15 km. La misura del moto della materia in un’orbita stretta intorno ad una stella di neutroni o ad un buco nero ci da informazioni sulle proprietà dello spazio tempo mentre la misura della massa e del raggio di una stella di neutroni fornisce informazioni sulle proprietà fondamentali della materia. In presenza di stelle doppie, delle quali una è una stella di neutroni o un buco nero, si forma un flusso di plasma che spiralizza verso quella collassata ad una velocità che si avvicina a quella della luce e con un periodo inferiore al millisecondo. Lo spettro a raggi X di questo plasma mostra due distinti periodi. Il periodo più breve con una stella di neutroni è stato di 0,75 millisecondi corrispondente ad un raggio orbitale di 12 km vicino a quella di stabilità marginale al di sotto del quale, secondo Einstein, la materia non può rimanere in orbita, ma cade sul corpo centrale. Se questo è vero si deve verificare una frequenza di cutoff per questo periodo. Questo periodo è stato osservato fino ad ora in 20 stelle di neutroni.
Science, 10 Sep 99, Vol. 285, pg. 1658 - James Glanz - La distanza della Grande nube di Magellano (LMC), la vicina galassia scoperta insieme alla Piccola Nube dal navigatore Portoghese nell’emisfero australe, è valutata fra 40 e 60 kiloparsec (kpc) e questa incertezza ha un’enorme importanza per la calibrazione delle Cefeidi e quindi per la misura della distanze cosmiche da cui dipende il calcolo dell’età dell’universo e della sua velocità di espansione. La calibrazione delle Cefeidi che si trovano nella nostra galassia, la cui distanza è misurabile tramite parallasse, ha molte incertezze a causa della presenza di polveri con elementi pesanti nel piano galattico che riducono la luminosità apparente. Nel 1992 la distanza della LMC è stata fissata a 50,1 kpc con riserva di migliorarla in seguito. Nel 1997 sono stati pubblicati i risultati della sonda Hipparcos che ha misurato le parallassi di più di 200 Cefeidi della nostra galassia e la distanza della LMC è aumentata a 55 kpc, ma il valore è dominato dalle 3-5 Cefeidi più vicine alla Terra e questo lascia dei dubbi. Altri indicatori di distanza sono le variabili RR Lyraes con le quali la LMC si porta fra 44 e 53,7 kpc, ma la sonda Hipparcos ha misurato anche la parallasse di oltre 1000 stelle giganti rosse o red clump che hanno un nucleo di elio di circa mezza massa solare e sono dei buoni indicatori standard di luminosità, ed il risultato è stato contraddittorio portando la LMC a 43,3 kpc. Anche la Supernova 1987A esplosa nella LMC ha dato risultati variabili e gli astronomi hanno applicato a questa anche dei criteri geometrici considerando le dimensioni dell’anello di gas formatosi intorno al centro dell’esplosione 10 anni dopo: il tempo per la velocità della luce fornisce la reale dimensione e quindi la distanza. Anche con questo metodo la distanza della LMC è stata portata a 47 kpc. Il metodo geometrico più promettente è quello dell’eclissi delle binarie orbitanti. La durata e la frequenza delle eclissi, combinata con la velocità orbitale misurata con l’effetto doppler, danno le dimensioni delle stelle e combinando queste informazioni con la temperature data dal colore, si calcola la luminosità assoluta e da questa la distanza. Anche l’osservazione delle binarie nella LMC ha favorito però un valore basso della distanza di 45,7 kpc. Grandi speranze si ripongono nei metodi interferometrici per la misura della parallasse con array di telescopi funzionanti in sincronismo nello spazio. La NASA ha previsto la Space Interferometry Mission nel 2005 per misurare direttamente la parallasse della LMC.
Science, 17 Sep 99, Vol. 285, pg. 1831 - Mark Sincell - Nei primi 100000 anni dopo il big bang l’universo era così denso e caldo che materia e luce si comportavano come un unico fluido. Raffreddandosi con l’espansione, luce e materia si sono separate e le fluttuazioni a questo istante sono rimaste nella memoria del cosmic microwave background (CMB). Misurando l’angolo per il quale la fluttuazione è più comune, i cosmologi possono tracciare la geometria dell’universo che è determinata dall’ammontare di energia e materia che contiene. Una geometria piatta, al limite fra un universo chiuso e aperto, prevede un angolo di circa 1 grado. La misura di quest’angolo richiede misure molto precise della temperatura del cielo ed i primi risultati mostrano un ripple massimo da 1/6 di grado fino a 1 grado. In attesa del lancio del Microwave Anisotropy Probe, previsto per il 2000, l’universo sembra essere ad di sotto della densità critica, a circa il 30%.
Science, 10 Dec 99, Vol. 286, pg. 2059 - Andrew Watson - Quando un oggetto di grande massa come una stella di neutroni cattura materia da una stella compagna, si forma un disco di accrescimento che si scalda ed emette raggi X. Lo spettro dei raggi X rivela temperatura e densità del disco di accrescimento e le forze che lo sollecitano. Modelli al calcolatore vengono usati per lo studio di questi fenomeni, ma recentemente sono stati eseguiti anche test sperimentali presso gli Scania National Laboratories di Albuquerque. La macchina usata, detta Z, è come un enorme fusibile, un avvolgimento di 300 spire di un filo sottile di tungsteno (10 micron di diametro) su cui passano 10 milioni di ampere. Il campo magnetico creato spinge il filo verso il centro, lo vaporizza e viene emesso un impulso di raggi X con una potenza di 120 terawatt, la più potente sorgente del mondo. Quando la macchina funziona tutta la terra trema. Ciò che è interessante è vedere ciò che succede sotto i raggi X quando un foglio di ferro viene posto vicino al centro. Il ferro è un elemento abbondante nello spazio ed il suo spettro è molto complesso e difficile da predire. Ciò che succede nella macchina Z è simile a quello che succede vicino alla stella di neutroni o ad un buco nero, ma non tutto perché il moto e la gravità perturba l’emissione dei raggi X. Gli spettri osservati sono però importanti per modellare ciò che succede nei gas vicino alle galassie ed alle stelle.
Science, 28 Jan 2000, Vol. 287, pg. 572 - Mark Sincell - Già da 20 anni si è notato il curioso comportamento di massicce nubi di idrogeno che ruotano intorno a galassie a spirali a velocità maggiori di quelle giustificabili dalle masse visibili delle galassie stesse. Il fatto viene spiegato con l’effetto gravitazionale della materia oscura che potrebbe raggiungere il 90% di quella visibile, ma una spiegazione alternativa fa riferimento alla Modified Newtonian Dynamics (MOND) che predice una forza locale gravitazionale più forte a grande distanza. Questa teoria proposta nel 1983 introduce un’altra costante universale, la MOND critical acceleration, che interviene quando l’accelerazione di gravità scende al di sotto di una soglia critica e rende la legge di gravitazione inversamente proporzionale alla distanza. Ora un test decisivo fra un universo dominato dalla materia oscura o dalla legge MOND è legato alla misura delle fluttuazioni del Cosmic Microwave Background, queste dovrebbero avere nel cielo almeno le dimensioni di un grado, il doppio delle dimensioni della Luna, ma in presenza di materia oscura ci si aspettano dimensioni anche minori rispetto a quanto predicibile con la MOND. L’attuale sonda Cosmic Background Explorer ha mappato fluttuazioni di un grado, ma bisogna attendere le missioni dei prossimi anni con sonde più accurate per discriminare fra MOND e materia oscura.
Science, 3 Mar 2000, Vol. 287, pg. 1570 - Adrian Cho - I ricercatori del Dark Matter Experiment (DAMA) del Laboratorio Nazionale del Gran Sasso in Italia, in una conferenza del 25 febbraio scorso, hanno comunicato che il numero delle particelle rivelate nei loro esperimenti sotterranei variano leggermente con le stagioni e questo prova che la nostra galassia si muove in mezzo ad una gigantesca nube di particelle a bassa interazione: i WIMP. Nella stessa conferenza però i fisici del Cold Dark Matter Search (CDMS) dell’università di Stanford della California hanno detto di non aver avuto nessuna evidenza del fenomeno. I ricercatori del DAMA usano un array di 9 rivelatori formati da cristalli di ioduro di sodio ciascuno dal peso di 1kg posti più di un km sotto terra; i rivelatori producono un flash al passaggio di una particella e le prove si sono protratte per 4 anni; un primo annunzio era stato dato lo scorso anno ed oggi si valuta a 1/10000 la probabilità che si tratti di un effetto statistico. I rivelatori usati dal CDMS sono costituiti da tre dischi di germanio del peso totale di 0,5 kg tenuti a 0,1 K. Sono stati rivelati 13 eventi che vengono attribuiti a neutroni. Si dovrà ancora indagare se i risultati del DAMA siano dovuti a particelle come i neutroni e ad effetti locali e non galattici.
Science, 7 Apr 2000, Vol. 288, pg. 43 - Random Samples - I cosmologi hanno ideato il modo per realizzare il motore più efficiente in assoluto sfruttando un buco nero. Un buco nero trasforma materia in energia accelerandola mentre cade spiralizzando e facendo emettere radiazione. Nel 1974 il fisico Kip Thorne del California Institute of Technology ha dimostrato che il 31% della materia che cade in un buco nero viene convertita in energia mentre il resto è perduto e va ad incrementare le dimensioni del buco nero. Per molti anni questo è stato considerato il massimo, ma ora da Princeton viene proposto un altro modello più efficiente che sfrutta un doppio ciclo. Nella prima fase si lascia cadere della materia che ha come effetto anche di aumentare la rotazione del buco nero, si ferma quindi il rilascio di materia ed il campo magnetico del buco nero cede energia per accoppiamento al disco esterno accelerandolo, il rendimento salta così al 43%. Naturalmente si tratta di un esercizio mentale e non è prevedibile un’applicazione pratica.
Science, 28 Apr 2000, Vol. 288, pg. 595 - Charles Seife - Il 27 aprile la rivista Nature ha pubblicato una mappa con i risultati del Cosmic Microwave Background (CMB) misurato dal BOOMERANG (Balloon Observations of Millimetric Extragalactic Radiation and Geophysics), un pallone ad elio munito di un rivelatore di microonde, che alla fine del 1998 ha eseguito misure per 10 giorni sopra il polo sud. Il CMB è una istantanea della radiazione emessa 300000 anni dopo il big bang quando si è separata materia e radiazione. Questa è la prima mappa ad alta risoluzione di una porzione sufficientemente grande del cielo e la risoluzione di circa 1/3 di grado è molto più grande di quella ottenuta dal satellite COBE nel 1992 che era di 7 gradi. Le fluttuazioni misurate nella mappa hanno mostrato che lo spazio non è distorto, né da una curvatura positiva (sferico), né da una curvatura negativa (a sella), ma è piatto (euclideo) e questo ha delle conseguenze importantissime sulle teorie cosmologiche, come quella dell’inflazione, e sui valori dei parametri cosmologici come la costante cosmologica o densità di energia del vuoto.
Science, 12 May 2000, Vol. 288, pg. 947 - Adrian Cho - Recenti misure dello Hubble Space Telescope (HST) fanno pensare che nello spazio fra le galassie sia diffusa una grande quantità di materia invisibile sotto forma di idrogeno ionizzato. Infatti puntando lo Hubble su un quasar sono state notate nella regione dell’ultravioletto delle righe di assorbimento di ossigeno ionizzato, mancante di 5 dei suoi 8 elettroni. Se si trova ossigeno ionizzato nello spazio si deve trovare anche idrogeno che è l’elemento più abbondante ed è invisibile se ha perso il suo elettrone. Quando gli astronomi guardano ai quasar più lontani osservano una foresta di righe di assorbimento cosa che dimostra come fino a due miliardi di anni dopo il big bang lo spazio era pieno di nubi di idrogeno; per le quasar più recenti, ad esempio vecchie solo di 5 miliardi di anni, le righe di assorbimento sono poche. Si deve pensare che l’idrogeno sia scomparso o sia divenuto invisibile cioè ionizzato. Il collasso delle nubi di idrogeno ne ha provocato l’aumento di temperatura da 100000 a 10 milioni di K sufficienti a scacciare l’elettrone, ma ancora insufficiente per emettere raggi X. Molta della materia nello spazio si trova oggi in una condizione difficile da osservare e questo fa pensare che le nubi di gas ionizzato contengono tanta materia quanta tutte le galassie.
Science, 16 Jun 2000, Vol. 288, pg. 1946 - Robert Irion - Vi sono tre ipotesi sull’origine dei buchi neri massivi al centro delle galassie. Nella prima ipotesi i buchi neri si sono formati per primi e quindi hanno attratto la materia vicina che gradualmente ha formato la galassia. Per la seconda ipotesi al contrario si sono formate prima le galassie e quindi al centro la materia ha collassato a formare un buco nero. La terza ipotesi mescola le prime due e suppone che buco nero e galassia si siano formati contemporaneamente e questa sembra intuitivamente la più ovvia. L’osservazione delle galassie con lo spettrografo rivela il rapido moto orbitale delle stelle intorno al centro e permette di stimare la massa dell’invisibile buco nero. Questa massa varia a seconda delle galassie da 3 milioni a 2 miliardi di volte la massa del nostro Sole. Le misure hanno mostrato poi una stretta correlazione fra massa del buco nero e massa del rigonfiamento centrale della galassia; il buco nero ha circa 1/500 della masse del rigonfiamento e questo fa pensare che la loro formazione sia comune.
Science, 13 Apr 2001, Vol. 292, pg. 189 - Charles Seife - La scorsa settimana ad una conferenza presso lo Space Telescope Science Institute è stata postulata la prima credibile alternativa al modello del big bang ed all’inflazione. L’inflazione è stata introdotta negli anni ‘80 dal fisico Alan Guth per risolvere molti problemi della teoria del big bang in particolare il fatto che l’universo appare piatto ed ha le stesse proprietà ovunque, non spiegabili dal semplice modello del big bang. L’inflazione propose che l’universo all’inizio abbia avuto una rapida e violenta espansione in meno di 10E-32 secondi che gli ha conferito la piattezza e l’isotropia che oggi osserviamo. Per 20 anni quasi tutti i cosmologi accettarono l’inflazione. Ora Paul Steinhardt della Princeton University insieme ad altri fisici delle Cambridge e della Pennsylvania University hanno creato quello che chiamano il “modello ekpyrotico” (un termine con cui gli Stoici indicavano un universo che periodicamente si consumava nel fuoco) che non richiede l’intervento dell’inflazione. Il nuovo modello è basato su un’estensione della teoria delle stringhe, nota come M-theory, che prevede uno spazio a 11 dimensioni sei delle quali sono collassate e possono essere ignorate, nelle cinque restanti fluttuano due membrane a quattro dimensioni come due fogli, uno è il nostro universo e l‘altro è un universo nascosto parallelo che fluttua ed accelera davanti al nostro e l’energia delle collisioni produce l’energia e la materia del nostro cosmo. Invece di un punto singolare di origine, come nel modello del big bang, il nostro universo si è formato in uno splash piano. Questa teoria mette insieme per la prima volta la cosmologia e la teoria delle stringhe e, poiché il nuovo modello produce tipi di onde gravitazionali diversi dal modello big bang, queste potrebbero essere un giorno rivelate e portare ad una verifica della teoria. La teoria prevede anche che il nostro universo può essere distrutto un giorno da un’altra membrana che venga a collidere e forse l’accelerazione all’espansione costatata di recente è un precursore di tale collisione (ecco il motivo del nome ekpyrotico).
Science, 4 May 2001, Vol. 292, pg. 823 - Charles Seife - Il 29 aprile, alla riunione dell’American Physical Society, tre gruppi di ricerca hanno presentato risultati di misure indipendenti del Cosmic Background Radiation (CBR). I primi risultati del pallone BOOMERANG sono quelli dell’aprile 2000. Secondo la teoria del big bang, 300000 anni dopo il suo inizio, l’universo era una grande palla di plasma che vibrava con onde di pressione che causavano fluttuazioni di densità. Dalle misure della durata di queste fluttuazioni si deduce che l’universo è piatto in quattro dimensioni. Il modello acustico prevede anche che queste oscillazioni abbiano delle armoniche ed ora i ricercatori del BOOMERANG dell’Università di S. Barbara in California hanno presentato le loro analisi su un ammontare di dati 14 volte più numeroso in cui si notano, oltre al primo picco, altre due oscillazioni armoniche. Nella stessa sessione l’Università di Chicago ha presentato i primi risultati del Degree Angular Scale Interferometer, un telescopio dell’Antartico che usa una diversa tecnica per misurare il CBR: si vedono il primo ed il secondo picco e si intravede anche il terzo. Anche dai risultati del progetto MAXIMA, un altro esperimento su pallone simile al BOOMERANG, si hanno prove dell’esistenza del terzo picco. Questi risultati sono ancora l’inizio, entro un anno gli scienziati si aspettano di avere misure di polarizzazione della radiazione di fondo, che fornirà nuove informazioni sul primo universo, e dati più precisi sull’intera volta celeste.
Science, 22 Jun 2001, Vol. 292, pg. 2230 - Charles Seife - Christos Tsagas, un fisico dell’università di Portsmouth in Inghilterra, analizzando le equazioni fondamentali della Relatività Generale che tratta lo spaziotempo come una membrana elastica, ha scoperto che il campo magnetico tende ad appiattire ed irrigidire il tessuto dello spaziotempo. La scoperta richiede un riesame dell’evoluzione del cosmo alla luce degli effetti cosmologici del campo magnetico. Se il big bang ha creato un campo magnetico primordiale la rigidità indotta ha provocato una certa resistenza al processo di inflazione riducendo la curvatura dello spaziotempo. Altra conseguenza è lo smorzamento delle onde gravitazionali rendendole più difficili da rivelare. I teorici dei buchi neri devono inoltre rivedere i loro modelli in presenza di forti campi magnetici.
Science, 22 Jun 2001, Vol. 292, pg. 2236 - Charles Seife - Una nuova mappa del Cosmic Microwave Background (CMB), il debole residuo del muro di fuoco del big bang, è stata ricostruita lo scorso aprile dalle misure delle missioni BOOMERANG, Cosmic Backgroud Imager (MAXIMA) e Degree Angular Scale Interferometer (DASI). Un’altra mappa, estesa all’intero cielo, verrà prodotta a partire da quest’estate dal Microwave Anisotropy Probe (MAP). Nuove misure saranno poi eseguite con lenti polarizzate e daranno altre informazioni su come lo spaziotempo ha reagito all’enorme pressione della materia e dell’energia. Il CMB, scoperto nel 1965 da due ingegneri del Bell Telephone Laboratories, è stato la prima prova del modello del big bang, allora in competizione con il modello dello stato stazionario. La teoria del big bang stabilisce che tutta la massa e l’energia, insieme al tessuto dello spaziotempo, è stata creata in una grande esplosione seguita, dopo una frazione di secondo, da una rapida inflazione. L’espansione poi rallentò e l’universo si andò raffreddando; in pochi minuti la temperatura scese abbastanza da far aggregare protoni e neutroni formando i nuclei degli elementi semplici in un plasma di nuclei, elettroni e fotoni come un globo di fuoco. Dopo 300000 anni il raffreddamento raggiunse il punto in cui gli elettroni si combinarono con i nuclei ed a quel punto l’universo divenne trasparente alla luce (ricombinazione). Continuando l’espansione la radiazione originale perse energia per effetto doppler passando dai raggi gamma ai raggi X fino alle microonde che oggi, dopo 15 miliardi di anni, vediamo nel CMB corrispondenti ad una temperatura di corpo nero di 2,7 K, ma con sovrapposta una debole fluttuazione di fondo. Agli inizi degli anni ‘70 il fisico russo Iakov Zel’dovich comprese che la fluttuazione di fondo conservava la storia di un’oscillazione di compressione ed espansione, come una risonanza nel processo di ricombinazione. Nel 1990 il satellite Cosmic Background Explorer (COBE) confermò lo spettro del CMB e le fluttuazioni, ma ancora con una precisione grossolana. Solo lo scorso anno il pallone BOOMERANG arrivò ad un dettaglio di un grado e da questa granulosità i teorici hanno concluso che l’universo è piatto e non curvo; non è sferico, e quindi dominato dalla gravità, né aperto e quindi divergente (iperbolico), infatti nel primo caso i dettagli si sarebbero visti più grandi e nel secondo più piccoli. Lo scorso anno, infine, il pallone BOOMERANG e gli altri esperimenti hanno permesso di trovare nello spettro del CMB un secondo ed un terzo picco che hanno confermato sia il modello delle oscillazioni di risonanza sia la composizione del cosmo. Misurando il rapporto fra primo e secondo picco gli scienziati hanno calcolato la percentuale di materia barionica dell’universo che risulta essere il 4% di tutta la materia ed energia; il 30% è formato da “dark matter”, particelle che hanno massa, ma che interagiscono poco con la luce; i restanti due terzi circa sono costituiti da “dark energy” o “quintessence” un’energia antigravitazionale che spinge l’universo ad espandersi per sempre. Ora gli scienziati cercano di misurare la polarizzazione che caratterizza il CMB. Questa potrà rivelare come la materia fosse distribuita nel primo universo perché, non essendo influenzata dal campo gravitazionale, è un’informazione più completa della temperatura. La polarizzazione ci dirà anche quando è ricomparsa la ionizzazione provocata dalle radiazioni emesse da galassie e quasar. Questo è successo circa un miliardo di anni dopo il big bang. Anche le onde gravitazionali potranno dirci in futuro qualche cosa sull’inflazione.
Science, 24 Aug 2001, Vol. 293, pg. 1410 - Charles Seife - Dopo aver analizzato la luce di galassie distanti, un gruppo internazionale di fisici ha concluso che la costante della struttura fine della materia è cambiata nel tempo. La costante della struttura fine è una combinazione della velocità della luce, della carica dell’elettrone e della costante di Planck e da una misura della forza di interazione elettromagnetica come quella che vincola l’elettrone all’atomo. Si pensava che questa fosse immutabile e pari a circa 1/137. Ora nell’edizione del 27 agosto del Physical Review Letters si sono portate prove che questa costante era diversa nell’universo primitivo. La prova è basata sull’osservazione della luce di 72 quasar distanti passata attraverso nubi di materia assorbente contenenti ioni di magnesio, ferro, nichel e zinco che provocano particolari righe di assorbimento nel loro spettro. Quando il team di fisici analizzarono i dati raccolti dai lontani quasar si accorsero che le spaziature delle righe non erano corrette e sembravano indicare che la costante della struttura fine fosse 0,001% più piccola per la luce proveniente da miliardi di anni fa, ma altri fisici sono scettici perché le misure sono molto sensibili ad errori sistematici, gli ioni in differenti regioni dello spazio possono avere velocità diverse e quindi la posizione delle righe di assorbimento può essere spostata per effetto doppler. Il team afferma però che si è già tenuto conto di questo effetto tuttavia si attende che le misure vengano ripetute con telescopi e strumenti differenti per togliere ogni dubbio.
Science, 14 Sep 2001, Vol. 293, pg. 1970 - Charles Seife - In una riunione tenuta a Washington DC nei primi giorni di settembre per ricordare due anni di osservazioni del Chandra X-ray Observatory, gli astronomi hanno affermato che osservando i raggi X emessi da cluster di galassie è possibile misurare la temperatura dei gas e, dalla densità e le dimensioni, si può risalire alla massa complessiva. Questa misura si può confrontare con quella indipendente fornita dallo Hubble Space Telescope sulla base dell’effetto lente gravitazionale dello stesso cluster di galassie. Ambedue i metodi danno lo stesso risultato circa il rapporto fra materia ordinaria e materia oscura ( 5% e 25% di quanto necessario per una massa critica), ma un altro importante risultato riguarda la capacità della materia oscura di interagire con se stessa; se questa interazione è elevata la materia oscura si diffonderebbe facilmente, invece le misure del Chandra mostrano che la diffusione è scarsa e quindi l’auto interazione della materia oscura non è provata.
Science, 19 Oct 2001, Vol. 294, pg. 529 - Brian D. Fields - Nuovi dati che rivelano le connessione fra i due avvenimenti dell’universo primordiale, cioè la Big Bang Nucleosynthesis (BBN) ed il Cosmic Microwave Background (CMB), permettono di censire materia ed energia del presente universo. La teoria del big bang ci dice che l’universo era in origine molto denso e molto caldo. La BBN spiega la formazione della materia ordinaria, i barioni cioè protoni e neutroni, fra il primo secondo e circa 3 minuti dopo il big bang quando l’universo aveva una temperatura maggiore di 10E9 K e protoni e neutroni erano liberi. Non appena l’espansione provocò un ulteriore raffreddamento protoni e neutroni si sono combinati formando i nuclei e la loro prima composizione era del 76% di idrogeno, 24% di elio e tracce di isotopi deuterio, elio3 e litio7. La teoria predice l’abbondanza di questi componenti ed i loro rapporti con l’idrogeno in funzione della densità complessiva di materia dell’universo ed in rapporto al suo valore critico necessario a fermarne l’espansione. La teoria può essere provata osservando la densità di questi elementi leggeri in differenti ambienti, per esempi l’elio4 nelle galassie nane ed il deuterio nelle nubi lontane di protogalassie. Queste misure indicano che la densità di materia barionica è compresa fra 2,6 e 4,6 di quella critica. Altri modi di pesare l’universo indicano poi che la densità totale di materia è maggiore del 30% di quella critica e quindi la maggior parte è costituita da materia esotica diversa da protoni e neutroni. Un altro modo di misurare la densità totale e quella barionica è attraverso il CMB. Dopo 300000 anni dal big bang l’universo si raffreddò a 3000 K e gli elettroni si combinarono con i nuclei formando atomi neutri e rendendo l’universo trasparente alla luce. La radiazione termica emessa in questo istante in forma di radiazioni ultraviolette ha perso energia fino ad oggi per effetto dell’espansione ed ora viene vista nello spettro delle microonde come CMB uniforme in tutte le direzioni, ma non piccole fluttuazioni in angoli minori di 1°. Queste fluttuazioni codificano molte informazioni sui parametri cosmologici inclusa la densità dei barioni e sono in accordo con le misure della BBN. Queste misure sono ancora preliminari. Una prossima missione spaziale con il Microwave Anisotropy Probe (MAP) lanciato nel luglio di quest’anno, fornirà i primi risultati nel 2002 con maggiori dettagli nelle fluttuazioni del CMB e fornirà una misura della densità barionica accurata a qualche percento.
Science, 25 Jan 2002, Vol. 295, pg. 616 - Govert Schilling - Dall’ultima riunione dell’American Astronomical Society sono emersi alcuni interessanti risultati.
Pianeti extrasolari. Per avere la prima immagine diretta di un pianeta extrasolare non è necessario attendere il costoso osservatorio spaziale, ma si possono usare gli attuali telescopi terrestri da 10 m che usano l’ottica adattiva. Questa rivoluzionaria tecnica permette di compensare le distorsioni dell’immagine dovute alla turbolenza dell’atmosfera mediante una ultrarapida deformazione di uno specchio flessibile controllato da un calcolatore. In tal modo la nitidezza dell’immagine è pari a quella dello Hubble Space Telescope (HST), in più il telescopio Keck da 10 m e quello Gemini North da 8,1 m, ambedue a Mauna Kea nelle Hawaii, raccolgono più luce dello HST e sono quindi più sensibili. Una prova è stata eseguita su una nana bruna (stella fallita) che orbita intorno ad una stella simile al Sole a 58 anni luce dalla Terra su un’orbita come quella del pianeta Urano.
Buchi neri. Esiste una classe di strani buchi neri intermedia fra quelli massivi che si trovano al centro delle galassie e quelli che si formano dopo l’esplosione di supernove. Questi buchi neri si riconoscono dalle radiazioni X che emettono le nuvole di gas che spiralizzano intorno prima di essere inghiottite; la loro massa è fra centinaia e migliaia di volte quella del Sole e non può essere stata prodotta da una singola supernova, ma forse dalla fusione di molti buchi neri. Questi buchi neri intermedi sembrano molto più comuni di quanto prima si pensava e si formano con meccanismi diversi all’interno dei cluster globulari nell’alone della nostra galassia o in regioni dove sono numerose le nuove stelle in formazione.
Corona di gas nella Via Lattea. Il satellite della NASA Far Ultraviolet Spectroscopic Explorer (FUSE) ha scoperto che al centro della Via Lattea si trova un’enorme bolla di gas alla temperature di un milione di gradi, ma estremamente tenue (10E-18 atmosfere). Questa bolla o corona si estende fino alle vicine Nubi di Magellano, è formata da idrogeno neutro e cade verso il centro con una velocità di poche centinaia di km al secondo; potrebbe essere un relitto della formazione della galassia.
Science, 22 Mar 2002, Vol. 295, pg. 2223 - Craig J. Hogan - Le misure sul Cosmic Microwave Background (CMB) effettuate dal satellite COBE (Cosmic Background Explorer) in 4 anni e quelle effettuate negli ultimi due anni da palloni intorno all’Antartico e tuttora in corso con il satellite della NASA MAP (Microwave Anisotropy Probe), hanno fotografato la struttura dello spaziotempo del primo universo con le piccole perturbazioni quantistiche dilatate dall’espansione cosmica. La prossima missione del satellite europeo PLANCK fornirà una mappa ancora più dettagliata entro pochi anni. Lo studio approfondito attualmente in corso delle piccole perturbazioni del CMB fornirà una misura precisa dei parametri globali dell’universo e dati precisi sulle connessioni fra meccanica quantistica e gravità. Gli oggetti più grandi e quelli più piccoli dell’universo sono collegati da un insieme di idee che formano la cosmologia inflazionaria la quale postula il controllo dell’universo delle origini da parte di un nuovo campo detto di inflazione che si comporta come il campo di Higgs nell’interazione delle particelle del Modello Standard responsabile della massa delle singole particelle. Con l’inflazione l’universo è dominato all’inizio da una gravità repulsiva che porta ad una espansione esponenziale e dopo dalle forme familiari di energia come la luce e la materia; il tutto ha origine da un infinitesimo di vuoto instabile. Le irregolarità quantistiche dell’universo inflazionario hanno una dimensione L relazionata all’energia E da E = hc/L dove h e la costante di Planck e c la velocità della luce. L’espansione, caratterizzata dalla costante di Hubble H, definisce una particella quantistica di dimensioni L=c/H ed i quanti di energia del campo di inflazione sono quindi E = hH e sono congelati nelle anisotropie del CMB. Da una maggiore definizione del CMB, come quella del MAP o del PLANCK, si potrà misurare la polarizzazione dell’anisotropia separando i contributi dei campi di gravità ed inflazione e questo allargherà il dibattito al multiuniverso, alla molteplicità di big bang ed all’interpretazione del campo di inflazione come una extra dimensione. Da una congettura sulla gravità quantistica deriva dal principio olografico secondo cui ciò che accade in un volume tridimensionale può essere rappresentato dall’informazione presente sulla superficie esterna che lo contiene; il mondo è come un ologramma, appare fisicamente tridimensionale, ma tutto avviene sulla proiezione di una superficie bidimensionale. Il principio olografico limita l’informazione portata dai quanti durante l’inflazione a π/H^2 in unità di Planck, quindi non infinita. L’epoca dell’inflazione costituisce così il confine fra la configurazione attuale del campo quantistico nello spaziotempo a quattro dimensioni e la nuova teoria quanto-meccanica della gravità e della materia con gradi di libertà trascendenti. Questo sarebbe in senso tecnico l’origine del tempo.
Science, 26 Apr 2002, Vol. 296, pg. 639 - Charles Seife - Vi sono nuovi sviluppi nella teoria dell’universo ciclico proposta già l’anno scorso (13 Apr 2001) da Neil Turok e altri dell’università di Cambridge come alternativa all’inflazione. La nuova teoria è basata sugli sviluppi matematici della M-theory, evoluzione della string-theory e suppone che l’universo sia costituito da due membrane quadridimensionali infinite che, collidendo lo distruggono, ma poi ne rigenerano materie ed energia con un processo che si ripete all’infinito. Alan Guth, autore dell’attuale modello inflazionario dell’universo riconosce che il modello è interessante, ma non garantisce sul suo futuro. Anche Turok dichiara di essere stato agli inizi scettico ma, andando avanti nello studio, ha sempre più apprezzato il nuovo modello dal punto di vista matematico ed estetico perché non ha bisogno di ipotizzare un inizio del tempo.
Science, 24 May 2002, Vol. 296, pg. 1418 - Charles Seife - La storia dello spaziotempo inizia nel 1915 quando Einstein formulò la sua teoria generale della relatività le cui equazioni legavano spazio e tempo in una trama flessibile come un foglio di gomma definendo così grandezze come curvatura e torsione nella geometria dello spaziotempo. Einstein comprese che il moto in uno spazio a tre dimensioni influenza il fluire del tempo, la quarta dimensione, e quando ci si muove molto rapidamente il proprio orologio rallenta rispetto ad un altro rimasto fisso, quindi spazio e tempo formano un solo insieme a quattro dimensioni. La relatività generale definisce così le relazioni fra curvatura dello spaziotempo e materia ed energia che vi sono contenuti. Un oggetto pesante come il Sole distorce la trama dello spaziotempo nelle sue vicinanze ed un asteroide vicino ad esso si muove secondo la curvatura locale e non a causa di una forza gravitazionale. La nuova teoria spiegò la misteriosa anomalia dell’orbita di Mercurio che non era stata spiegata da Newton. Il 29 maggio del 1919, durante un’eclisse di sole nell’isola di Principe vicino alla costa dell’Africa occidentale, Sir Arthur Eddington scattò 16 fotografie del Sole e delle stelle vicine e fece il primo test dalla teoria. Le stelle si trovavano nel posto sbagliato perché la loro luce era stata deviata dalla curvature dello spaziotempo rivelando il primo effetto di lente gravitazionale. Dopo sessanta anni gli astronomi hanno osservato un altro macroscopico effetto di lente gravitazionale prodotto quando un grande ammasso di materia, come un cluster di galassie lontane, si interpone fra noi ed un altro oggetto luminoso più lontano; i raggi di questo saranno incurvati secondo percorsi multipli e ne risulta un’immagine multipla. Nel frattempo si è studiata un’altra conseguenza delle trama dello spaziotempo: le onde gravitazionali. Il moto di oggetti di grande massa provoca increspature nella trama che si propagano alla velocità della luce e queste onde trasportano energia. Dopo la scoperta delle pulsar nel 1967, Joseph Taylor, un astronomo della Princeton University ed un suo assistente, Russel Hulse, scoprirono una pulsar binaria che orbitava con una compagna invisibile, in questo movimento dovevano essere generate onde gravitazionali e ci doveva essere una perdita di energia. Nel 1978 i due astronomi misurarono che il periodo dell’orbita diminuiva di 75 millisecondi ogni anno, questa fu la prima prova indiretta delle onde gravitazionali e nel 1993 ai due fu assegnato il premio Nobel. Un’altra conseguenza, difficile da misurare, è il trascinamento della trama dello spaziotempo in presenza di un oggetto massivo rotante; l’orientamento di un giroscopio rispetto alle galassie lontane cambierebbe continuamente per la torsione dello spaziotempo. Nel 1997 l’effetto fu osservato nei dischi di gas orbitanti intorno a grandi stelle rotanti, poi in un buco nero rotante ed infine nelle stelle di neutroni rotanti. Per avere dei risultati più conclusivi, nel 2003 sarà lanciato un satellite da mezzo miliardo di US$, il Gravity Probe B, un giroscopio sensibilissimo che misurerà la torsione provocata dalla Terra. Gli scienziati sperano prossimamente di rivelare in modo diretto le onde gravitazionali con l’esperimento noto come Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory (LIGO) che userà due sistemi uguali, uno a Washington ed uno in Louisiana ormai in corso di messa a punto. Per il momento non si sa se si riuscirà a vedere qualcosa ma, in caso positivo, si sarebbe raggiunto un traguardo importantissimo e si avrebbe un altro potente strumento di indagine. Indipendentemente dall’osservazione delle onde gravitazionali l’effetto di curvatura dello spaziotempo, con il fenomeno detto di microlente, rivela la presenza di materia oscura concentrata: i MACHO (Massive Compact Halo Object), buchi neri, stelle esaurite, nane brune o stelle mancate. A causa della loro massa, quando un MACHO passa davanti ad una stella più lontana, crea un effetto di focalizzazione e per il tempo del suo passaggio di alcune settimane ne aumenta la luminosità. Dal 1993 sono stati scoperti centinaia di questi eventi ed hanno permesso di stabilire dove si trova questa materia oscura nella nostra galassia ed ipotizzarne la natura perché ad esempio i buchi neri distorcono lo spaziotempo in modo diverso dalle nane brune. Oltre alla curvatura locale l’universo ha una propria curvatura globale, può essere piano (euclideo) o avere una curvatura positiva come una sfera o una curvatura negativa come una sella. Negli ultimi due anni si è studiata la geometria dell’universo osservando le caratteristiche della radiazione di fondo a microonde (Cosmic Background Radiation). In essa vi sono macchie ed irregolarità di una certa dimensione teorica; misurandone la dimensione apparente si può stabilire la geometria dell’universo. Infatti se lo spazio tempo è piatto due raggi paralleli rimangono alla stessa distanza e non cambia l’angolo sotto cui si vedono queste macchie; nel caso di curvatura positiva i raggi convergono allontanandosi e gli oggetti lontani si vedono quindi sotto un angolo più grande; nel caso di curvatura negativa i raggi divergono allontanandosi e gli oggetti lontani si vedono sotto un angolo più piccolo. Nel 2000 un osservatorio montato su un pallone, il BOOMERANG, ha misurato le macchie del fondo di radiazione ed ha scoperto che le loro dimensioni sono quelle che ci si attende in uno spazio piatto cioè senza curvatura; questo risultato è stato confermato da successivi esperimenti (DASI e Maxima). La curvatura complessiva dello spazio ci dice quanto sia la massa e l’energia totale contenuta nell’universo e, poiché gli astronomi valutano che il totale sia solo il 35% di quanto necessario a rendere piatto l’universo, questo dovrebbe avere curvatura negativa. La conclusione è che deve esistere una misteriosa energia oscura che rende piatta la trama dello spaziotempo e lo fa anche espandere in modo accelerato. L’ultima indagine è quella che riguarda le oscillazioni gravitazionali che hanno scosso l’universo poco dopo il big bang e che devono aver avuto effetto sulla polarizzazione della radiazione di fondo. Per misurare questa polarizzazione però è necessario attendere il satellite Planck che sarà lanciato nel 2007.
Science, 24 May 2002, Vol. 296, pg. 1422 - Lisa Randall - In genere siamo tutti convinti di vivere in un mondo dotato di tre dimensioni spaziali infinite, ma l’idea dell’esistenza di altre dimensioni spaziali si è andata affermando con lo sviluppo della fisica delle particelle. Esse possono avere potenziali implicazioni per comprendere questioni fondamentali circa la natura della gravità e l’evoluzione del nostro universo. La prima spinta a considerare altre dimensioni è venuta dalla teoria delle stringhe motivata dalla incapacità della teoria classica della gravità a funzionare su scala di distanza molto piccola ed a alte energie quando non si possono trascurare gli effetti della meccanica quantistica. L’unico modo di riconciliare la meccanica quantistica e la teoria della gravità di Einstein sembra essere la teoria delle stringhe. In essa gli oggetti fondamentali che costituiscono il nostro universo non sono particelle, ma oggetti allungati cioè stringhe, e ciascuna di queste corrisponde ad una dimensione spaziale aggiuntiva, in tutto sei o sette, compattata o localizzata all’interno del nostro spazio che si comporta a tre dimensioni da 1/10 di millimetro alle distanze astrofisiche e forse cosmologiche. La grandezza compattata di queste dimensioni addizionali non è definita e potrebbe essere quella della lunghezza di Planck di 10E-33 cm non misurabile. Sperimentalmente queste dimensioni aggiuntive devono essere almeno più piccole di 10E-16 mm, ma alcuni affermano che, considerando la sola gravità queste dimensioni possono arrivare al millimetro sulla base dell’esistenza di membrane (branes) prevista nella teoria delle stringhe. Le membrane sono oggetti estesi in uno spazio di maggiori dimensioni dove sono confinati forze e materia; un fotone confinato in una membrana a tre dimensioni non può esplorare le altre dimensioni che per lui non esistono e tutti i fenomeni di elettromagnetismo vi rimangono confinati, ma lo stesso non si applica alla gravità che può estendersi a tutte le altre dimensioni quindi, poiché le membrane non sono isotrope, l’intensità della forza gravitazionale diminuisce esponenzialmente con la distanza dalla membrane e diventa debole lontano dalla membrana. Il modello è quello di una membrana piana a 4 dimensioni (spaziotempo) in uno spazio a 5 dimensioni dove la quinta dimensione può essere anche infinita. La gravità è concentrata vicino alla membrana; il mondo si comporta come avente 4 dimensioni (spaziotempo) e le dimensioni aggiuntive non sono a noi accessibili. Questo modello potrebbe risolvere il cosiddetto problema gerarchico dei fattori di scala fra modello standard delle particelle (quark e leptoni) con un livello di energia di 1000 GeV e quello di Planck di 16 ordini di grandezza maggiore (10E19 GeV) che è quello a cui gli effetti quantistici della gravità diventano importanti. La costante di Newton è inversamente proporzionale al quadrato della massa di Planck e ci si chiede perché debba essere così bassa. Si pensava di risolvere il problema gerarchico con la supersimmetria che ipotizza per ogni particella una superparticella di grande massa e si attendono per questo gli esperimenti con il Tevatron e il Large Hadron Collider. Con l’ipotesi di extra dimensioni si cercano conferme negli scostamenti dalla legge di Newton su scala inferiore al millimetro ed attraverso gli stessi grandi acceleratori cercando di scoprire effetti di perdita di energia, ad esempio generando particelle gravitazionali che sfuggano nella dimensione esterna e spariscano così alla nostra osservazione. La debolezza della gravità sarebbe dovuta al fatto che essa è distribuita nel volume più ampio della extra dimensione. Un altro modello ipotizza l’esistenza di due membrane, una (Planck brane) dove si concentra la gravità che però si estende anche fuori, e l’altra (TeV brane) dove sono confinati quark, leptoni e fotoni. Data la riduzione esponenziale della gravità con la distanza dalla Planck brane, basta una distanza modesta dalla TeV brane per giustificare una differenza di scala di 10E16. Come conseguenza nella fisica delle particelle, dovranno esistere particelle associate ai gravitoni con spin 2 che decadono in particelle note.
Science, 24 May 2002, Vol. 296, pg. 1436 - Paul J. Steinhardt - L’attuale modello standard della cosmologia combina il modello del big bang con lo scenario di inflazione, corrispondente ad un breve periodo (10E-30 s) di rapida espansione subito dopo il big bang, questo spiega l’omogeneità e l’isotropia dell’universo su larga scala (>100 Mpc). Tuttavia il modello standard ha dei problemi. La recente scoperta di un’accelerazione cosmica e l’ipotesi di un’energia repulsiva non era prevedibile. Inoltre il modello standard non spiega l’inizio del tempo, le condizioni iniziali dell’universo e ciò che succederà nel lontano futuro. Viene ora presentato un nuovo modello cosmologico con una sequenza senza fine di cicli di espansione e contrazione, questo spiega il ruolo della materia oscura e l’omogeneità dell’universo senza invocare l’inflazione. Già negli anni ‘30 era stato introdotto il modello di un universo chiuso con una sequenza di contrazioni ed esplosioni che passava attraverso delle singolarità in cui energia e temperatura divergevano; si era però osservato che l’entropia prodotta in un ciclo si sommava a quella del ciclo successivo e questo durava più a lungo del precedente quindi, estrapolando nel passato, l’universo avrebbe dovuto avere un’origine. Nel nuovo modello ciclico l’universo è infinito e piatto, come recentemente verificato, e c’è un’energia potenziale negativa invece di una curvatura spaziale che causa l’inversione da espansione a compressione. L’espansione accelerata è necessaria per diluire l’entropia, buchi neri ed altri detriti del ciclo precedente, prima di tornate allo stato primitivo di vuoto, contrarsi, esplodere ed iniziare un nuovo ciclo. Lo scenario viene descritto in termini dell’evoluzione del potenziale (V) di un campo scalare φ in un campo quantistico a 4 dimensioni. Per φ tendente a meno infinito si verifica il big crunch, quindi il big bang rilancia φ verso i valori positivi. Il nuovo modello si collega alla teoria delle stringhe ed alla M-theory. La teoria viene formulata in uno spazio a 11 dimensioni in cui però 6 dimensioni sono compattate e le 5 rimanenti formano due domini piani, o membrane (brane), di spaziotempo a 4 dimensioni che fluttuano in una quinta dimensione. La gravità emana da una delle membrane e si estende a tutte le 5 dimensioni mentre le particelle del nostro universo visibile sono confinate sulla seconda membrana. La prima membrana interagisce con la seconda solo attraverso la gravità e si comporta come materia oscura. Il campo scalare φ determina la distanza fra le due membrane, un grande valore di phi corrisponde ad un grande valore della distanza. Non ci sono singolarità nel big crunch perché solo la distanza fra le due membrane si annulla momentaneamente (per φ uguale a meno infinito) e provoca con un processo non adiabatico la produzione di nuove particelle. Noi siamo ora 14 miliardi di anni dopo l’inizio del ciclo ed è iniziata l’accelerazione cosmica che durerà trilioni di anni appiattendo l’universo e diluendo l’entropia fino ad una densità di materia inferiore a una particella per volume di Hubble. Alla fine il campo scalare φ ritorna indietro iniziando la fase di compressione. In futuro una misura diretta delle onde gravitazionali ed il loro effetto sulla polarizzazione del cosmic microwave background sarà un test cruciale per distinguere il modello inflattivo dal modello ciclico.
Science, 27 Sep 2002, Vol. 297, pg. 2184 - Charles Seife - Alla riunione di Cosmo-02 del 18-21 settembre scorso i fisici dell’università di Chicago hanno annunziato la prima misura della polarizzazione del Cosmic Microwave Background (CMB). Questa è una ulteriore conferma del modello standard e da inizio ad un nuovo modo per decifrare il CMB. Il risultato proviene dal Degree Angular Scale Interferometer (DASI), un telescopio a microonde posto vicino al Polo Sud. La luce diffusa quando si formarono i primi atomi 400000 anni dopo il big bang, modificata in frequenza dall’espansione dell’universo ed attenuata da 14 miliardi di anni di percorso, è quasi uniforme in tutte le direzioni dello spazio ed ha permesso di creare una mappa delle piccole variazioni di temperatura. La polarizzazione, cioè l’orientamento della luce emessa, fornisce un’altra dimensione ai dati della mappa del CMB. I teorici avevano a lungo supposto che queste radiazioni fossero polarizzate. A causa dell’effetto doppler la radiazione emessa doveva avere una polarizzazione preferita e, poiché la polarizzazione non viene distorta come la temperature dagli effetti gravitazionali nel suo viaggio attraverso lo spazio, fornisce un’immagine più realistica del primo universo. Nei prossimi anni altre misure forniranno ai fisici indicazioni accurate su come la materia si muoveva alle origini per effetto della radiazione e della gravità. Un miglioramento in sensibilità fino a 10 volte ci si aspetta con il nuovo satellite Planck che sarà lanciato nel 2007 e potrebbe anche rivelare le prime onde gravitazionali.
Science, 27 Sep 2002, Vol. 297, pg. 2188 - Robert Irion - L’astrofisico John Archibald Wheeler dell’università di Princeton ha proposto un modo diretto per rivelare la presenza di un buco nero vicino al nostro sistema solare utilizzando la luce del Sole che ruoterebbe intorno al buco nero creando degli anelli di luce intorno ad esso visibili dalla Terra quando questa si trova nella congiungente fra Sole e buco nero. Questo evento potrebbe essere molto raro se il buco nero non si trova nel piano dell’eclittica, ma sarebbe estremamente interessante osservarlo. Infatti secondo la teoria generale della relatività l’intenso campo di gravità intorno all’orizzonte degli eventi di un buco nero porta alcuni fotoni ad orbitare intorno diffondendoli in tutte le direzioni; se un osservatore si trova fra il Sole ed il buco nero vedrà tutti i fotoni che avranno percorso mezza orbita formare un anello luminoso intorno al buco nero, ma anche quelli che avranno percorso un numero dispari di mezze orbite formeranno altri anelli più deboli e più vicini al centro. Wheeler ed i suoi colleghi calcolano che un buco nero che si trovi 50 volte più lontano dell’orbita di Plutone con una massa 10 volte quella del nostro Sole potrebbe essere visibile per la durata di un giorno; sarebbe difficile risolvere gli anelli, ma i grandi telescopi dovrebbero poter osservare la debole riflessione. Tuttavia gli attuali telescopi a stento potrebbero osservare il fenomeno per un buco nero ai confini del nostro sistema solare e normalmente i buchi neri isolati si trovano a dozzine di anni luce ed è difficile che si avvicinino, c’è il 50% di probabilità che l’evento si sia verificato una volta nella storia della nostra galassia. L’idea rimane quindi speculativa, ma non si sa quale sarà la sensibilità dei telescopi fra 50 anni.
Science, 8 Nov 2002, Vol. 298, pg. 1166 - Adrian Cho - I fisici ritengono che lo spazio ed il tempo sono due aspetti di una stessa cosa detta spaziotempo che per il principio di indeterminazione della meccanica quantistica è sottoposto a delle fluttuazioni e si presenta come una schiuma alle dimensioni di 10E-36 m. L’ultima teoria è detta “loop quantum gravity” e concilia la meccanica quantistica con la gravità vista come deformazione della trama dello spaziotempo. Si tratta ancora di una teoria in elaborazione che sembra però superare i problemi presentati dalla più popolare teoria delle stringhe. Mentre questa comincia assumendo come lo spaziotempo si deforma, la teoria della loop quantum gravity costruisce dal nulla la geometria dello spaziotempo. La teoria delle stringhe suppone che ogni particella fondamentale sia costituita da una piccola stringa più grande delle fluttuazioni dello spaziotempo che si comporta come un continuo deformabile preesistente. La loop quantum gravity è invece una teoria indipendente dal background; fu iniziata nel 1986 alla Pennsylvania State University scrivendo le equazioni della gravità di Einstein in termini di connessioni fra nodi intesi come bit di spazio congelati ad un istante di tempo. I collegamenti fra i nodi sono solo pesi numerici detti “spin networks” e la struttura si evolve nel tempo. I fisici hanno applicato questa descrizione dello spazio ad un buco nero; quando materia e radiazione entrano nell’orizzonte degli eventi si consuma anche informazione e la loop quantum gravity prevede che questa perdita di informazione uguagli 1/4 dell’area dell’orizzonte degli eventi cosa che era già nota dai principi della termodinamica e questo è presentato come un primo successo, ma a patto di aggiustare particolari quantità fisiche che però rimangono valide per ogni tipo di buco nero. Forse un giorno teoria delle stringhe e teoria della loop quantum gravity si unificheranno, ma non si sa quale delle due assorbirà l’altra. Ora i fisici cercano degli esperimenti che possano differenziarle. Se la loop quantum gravity è corretta la velocità della luce dovrebbe dipendere dalla lunghezza d’onda e l’effetto si dovrebbe osservare nei gamma ray bursts che provengono dalle regioni più lontane dell’universo: le radiazioni a più alta energia dovrebbero arrivare prima. Questa differenza potrebbe essere osservabile con il Gamma-ray Large Area Space Telescope della NASA che sarà lanciato nel 2006; si tratta di attendere.
Science, 15 Nov 2002, Vol. 298, pg. 1349 - Eric Hivon and Marc Kamionkowski - Nel recente workshop Cosmo ‘02 di Chicago è stato dato il grande annunzio della prima rivelazione della polarizzazione del Cosmic Microwave Background (CMB), la radiazione a 2,726 K lasciata dal big bang. Rees nel 1968 predisse che il CMB doveva essere polarizzato e la nuova scoperta riportata dalla Degree Angular Scale Interferometer (DASI) ne è la conferma ed apre una nuova finestra sul primo universo. La radiazione CMB è stata emessa circa 14 miliardi di anni fa quando elettroni e nuclei si sono ricombinati a formare gli atomi e l’universo aveva un’età di circa 400000 anni. Le variazioni di temperatura che si registrano sul CMB riflettono anche le variazioni di densità, pressione e velocità della materia. Per breve tempo la gravità è potuta essere repulsiva e si è prodotto un periodo di espansione accelerata, o inflazione, che spiega l’uniformità delle irregolarità nel CMB. La mappa delle temperature del CMB ed il suo spettro di potenza permettono di quantizzare distribuzione e dimensioni dei punti caldi e freddi e la compatibilità con l’ipotesi dell’inflazione. La polarizzazione del CMB indica la direzione all’inizio dell’emissione e fornisce altri dati cosmologici. Per il momento le misure non sono abbastanza precise da verificare tutte le previsioni dell’inflazione, ma l’ampiezza è consistente con quanto atteso. Misure più precise della polarizzazione forniranno una mappa delle velocità che attualmente è combinata con le inomogeneità delle masse nella mappa delle temperature. La polarizzazione può anche fornire una migliore distribuzione delle masse nell’universo recente attraverso l’effetto di lente gravitazionale che provoca distorsioni sulla radiazione CMB polarizzata. Misure più precise di polarizzazione sono ora in corso o pianificate. La NASA ha recentemente lanciato il Microwave Anisotropy Probe (MAP). Questo sarà seguito da altri esperimenti da terra e con palloni che anticiperanno il lancio dell’ESA del satellite Planck nel 2007.
Science, 3 Jan 2003, Vol. 299, pg. 70 - Christopher Sneden - La nucleosintesi degli elementi chimici stabili noti, circa 90, rimonta alla nascita delle prime stelle avvenuta fra 10 e 15 miliardi di anni fa. Osservando la composizione del nostro primitivo sistema solare attraverso l’analisi dello spettro solare e dei meteoriti di condriti carbonacee, si trova che, al di fuori dell’idrogeno e dell’elio che costituiscono la parte predominante, gli altri elementi si trovano in quantità sempre più piccole aumentando il numero atomico (Z) e quelli con Z pari sono più abbondanti. Idrogeno, elio e piccole quantità di litio si sono formati al momento del big bang, litio, berillio e boro si sono formati poi all’interno delle stelle, vengono distrutti per cattura di neutroni nella formazione di carbonio, azoto ed ossigeno e si riformano nello spazio interstellare per bombardamento di raggi cosmici e neutrini. Tutti gli altri elementi con Z da 6 a 30, fino al gruppo del ferro, si formano per fusione all’interno delle stelle purché abbiano masse maggiori di 8 volte quelle del nostro Sole per poter raggiungere pressioni e temperature sufficientemente elevate. Per gli elementi con Z>30 l’abbondanza scende drasticamente ed il processo non è più per fusione perché al di là del gruppo del ferro la fusione non è più esotermica. Il processo è quello della cattura di neutroni che porta all’instabilità del nucleo, al decadimento beta ed alla trasformazione di neutroni in protoni. Questo processo è relativamente lento ed è detto s-process. Durante il collasso delle stelle e l’inizio delle esplosioni di supernova di tipo II si formano un gran numero di neutroni liberi con la reazione: protone + elettrone = neutrone + neutrino e la cattura dei neutroni da parte di elementi pesanti avviene più rapidamente del decadimento beta. Questo è detto r-process, non ancora ben compreso, ed è responsabile della formazione degli elementi più pesanti. La presenza di tali elementi nel nostro Sole proviene da precedenti generazioni di stelle che li hanno lasciati nel mezzo interstellare. La determinazione degli elementi nelle stelle e della loro abbondanza è un’area di indagine della spettroscopia stellare. La presenza di europio è un indice di r-process nella nucleosintesi. Anche l’età delle stelle e della nostra galassia può essere determinata dall’abbondanza di certi elementi radioattivi, il torio ad esempio ha un tempo di dimezzamento di 14 miliardi di anni. Il tempo di formazione delle prime galassie dal momento del big bang si assume sia un miliardo di anni; le prime stelle sono ormai sparite perché erano molto massive, con più di 100 masse solari. Esse hanno iniziato la sintesi degli elementi pesanti, ma non è stata scoperta nessuna stella senza metalli.
Science, 3 Jan 2003, Vol. 299, pg. 77 - Vadim N. Gamezo - Molte stelle che bruciano il loro combustibile per milioni o miliardi di anni finiscono improvvisamente la loro vita con una potente esplosione e la formazione di una supernova. L’esplosione è innescata dall’energia gravitazionale emessa nel collasso della stella o da una reazione termonucleare esplosiva. Il caso delle supernove tipo Ia (SN Ia) è l’esplosione che si produce nelle nane bianche (WD) composte da carbonio ed ossigeno con elettroni degenerati cioè disposti negli stati quantici più bassi. Le WD si formano alla fine dell’evoluzione di stelle più grandi di 8 masse solari dopo aver eiettato nello spazio gli strati esterni. La massa finale è sempre inferiore al limite di Chandrasekhar cioè 1,4 masse solari, il nucleo di carbonio-ossigeno è stabile e, se la stella è isolata, può rimanere inerte indefinitamente raffreddandosi lentamente. Quando però le WD fanno parte di un sistema binario ravvicinato la WD si accresce con il materiale della compagna vicina e appena la sua massa si avvicina al limite di Chandrasekhar inizia la compressione con aumento della temperatura e si innescano le reazioni nucleari. La stella esplode rilasciando circa 10E51 erg pari a tutta l’energia emessa dal Sole in 8 miliardi di anni. Le reazioni termonucleari sono quelle che portano alla trasformazione del carbonio ed ossigeno negli elementi più pesanti del gruppo del ferro; si formano anche elementi di massa intermedia come quelli dal sodio al calcio. La reazione inizia dal centro, diventa turbolenta ed accelera, da un regime subsonico detto di deflagrazione passa ad un regime supersonico di detonazione con un’onda d’urto che precede il fronte di reazione. La luminosità della SN Ia è prodotta dal decadimento radioattivo 56Ni -->56Co -->56Fe, raggiunge il suo massimo 15-20 giorni dopo l’esplosione e quindi diminuisce lentamente. Il massimo è comparabile alla luminosità di un’intera galassia e può essere usato come candela standard per misurare le distanze stellari ed i parametri cosmologici. La determinazione del massimo si fa anche partendo dall’andamento della luminosità nella fase decrescente, ma ci si basa su un modello bidimensionale che è solo una prima approssimazione. Il modello esatto è però quello tridimensionale che postula la transizione dalla deflagrazione alla detonazione ad un certo stadio dell’esplosione nucleare. Costruire un tale modello numerico è un complicato problema interdisciplinare che coinvolge astrofisica, fisica nucleare, fisica della combustione e calcolo. Il modello numerico fisico è basato sulle equazioni di Eulero e la leggi di conservazione dell’energia in un fluido, le proprietà del fluido sono quelle della materia degenerata note dalle teorie di Fermi-Dirac e della radiazione di Planck. Il meccanismo dell’esplosione viene simulato supponendo che parta dal centro e considerando solo un ottante ed una simmetria speculare sui tre piani; instabilità e turbolenze fanno propagare l’esplosione con accrescimento a forma di funghi multipli. Un parametro di confronto fra i risultati della simulazione e l’osservazione si fa misurando l’energia cinetica della materia durante l’espansione tramite l’effetto doppler delle linee spettrali. Nella simulazione la turbolenza della deflagrazione rende la combustione del materiale (carbonio ed ossigeno) incompleta al centro per l’80-90% mentre l’osservazione mostra che gli elementi incombusti si trovano solo negli strati esterni. Per rendere i risultati consistenti con l’osservazione bisogna supporre che la detonazione venga innescata nella fase turbolenta della deflagrazione.
Science, 14 Feb 2003, Vol. 299, pg. 991 - Charles Seife - Le immagini del Cosmic Microwave Background (CMB) prese dal satellite MAP (Microwave Anisotropy Probe) di 145 milioni di US$, lanciato nel giugno 2001 con un razzo Delta II e posizionato in un’orbita a 1,5 milioni di km dalla Terra, rappresentano la carta più dettagliata del cielo ed un grande progresso rispetto alle misure degli ultimi anni con strumentazioni su palloni e con impianti terrestri. La mappa rappresenta la prima radiazione emessa dall’universo 400000 anni dopo il big bang all’atto della ricombinazione fra nuclei ed elettroni. La mappa conferma che l’universo è costituito per due terzi da dark energy e che la sua età è di 13,7 miliardi di anni con un errore dell’1%. Il MAP ha misurato anche la polarizzazione del CMB trovata lo scorso anno dal sistema DASI da terra. La polarizzazione si presenta a macchie interrotte dal ritorno della ionizzazione provocata dalla nascita delle prime stelle e galassie. Queste macchie sono più piccole di quanto previsto indicando che la ionizzazione è ricominciata 200 milioni di anni dopo il big bang invece degli 800 milioni stimati. Ciò indica che prima dei quasar e delle galassie si è formata una popolazione di stelle massive.
Science, 7 Mar 2003, Vol. 299, pg. 1532 - Sarah L. Bridle - Le recenti informazioni dal team del satellite WMAP sulle misure del Cosmic Microwave Background (CMB) hanno confermato importanti aspetti del modello cosmologico standard. In particolare si conferma che lo spazio è piatto invece di curvo e che la maggior parte dell’energia dell’universo è “energia oscura” e quindi repulsiva cosa che accelera l’espansione dell’universo. Le misure indicano che le variazioni di densità e temperatura dello spazio che hanno generato la formazione delle galassie sono uniformi su grande scala ed hanno una distribuzione gaussiana come predetto dal modello del big bang inflazionario. La vita dell’universo è stata determinata a 13400 +/-300 milioni di anni ed infine le nuove misure i polarizzazione del CMB mostrano che l’epoca della reionizzazione associata alla formazione delle prime stelle è avvenuta diverse centinaia di milioni di anni dopo il big bang. Vi sono ancora importanti problemi aperti. Non è chiaro se lo spettro delle fluttuazioni di temperatura sia consistente con l’inflazione e non sono state ancora osservati gli effetti della presenza di onde gravitazionali. Inoltre non si sa se l’energia oscura è dovuta ad una uniforme energia del vuoto (detta anche costante cosmologica) o ad un campo dinamico cosmico che cambia nel tempo e nello spazio (noto come quintessenza). Misteriosa rimane anche la “materia oscura” che è di natura attrattiva. Per il big bang infrazionario l’universo comincia in uno stato di temperatura e densità infinita e quasi immediatamente entra in una fase di rapida accelerazione ed espansione detta inflazione. Questa espansione rende uniforme la distribuzione dell’energia, appiattisce la curvatura dello spazio e crea le sottili variazioni di densità che sono all’origine delle grandi strutture dell’universo attraverso il collasso gravitazionale. I risultati provenienti dalle misure del WMAP sono conseguenze dirette e molto affidabili, altri risultati derivano dalla combinazione di questi dati con altre misure cosmologiche e questi vanno visti con più cautela perché dipendono dall’assunzione di altre ipotesi. Così ci si chiede se i dati WMAP siano consistenti unicamente con il modello inflazionario. Ci sono anche alternative come la configurazione ciclica secondo la quale l’universo ha delle sequenze cicliche e all’espansione segue una contrazione ed un big crunch seguito ancora da un big bang; questo offre una diversa immagine della storia cosmica che tuttavia è coerente con tutte le attuali osservazioni. Anche se il modello standard è corretto, esso è incompleto ed il campo di inflazione che causa questa espansione rimane sconosciuto come la natura della materia oscura. Circa la natura dell’energia oscura (energia del vuoto o quintessenza) questa dipende dal fattore w, rapporto fra pressione e densità dell’energia. Una prima analisi propende per l’energia del vuoto, ma l’esame su larga scala mostra che non si trovano le fluttuazioni attese e questo potrebbe essere un primo segno della sua natura di quintessenza. Ancora è molto grande l’incertezza sulla densità della materia oscura e sull’ampiezza delle fluttuazioni di densità e c’è ancora molto spazio per delle sorprese.
Science, 20 Jun 2003, Vol. 300, pg. 1894 - Robert Irion - Negli anni recenti le ricerche degli astronomi hanno confermato che tutto ciò che si vede nell’universo è solo una piccola parte di quello che c’è in realtà. Un quarto è costituito da materia oscura e tre quarti da energia oscura cioè un tipo di materia completamente sconosciuto in natura ed un’energia che provoca l’espansione dell’universo. Per scoprire le proprietà della materia oscura gli astronomi devono trovare prima dove si trova ed hanno scoperto una nuova tecnica che si basa sulla curvatura prodotta nello spazio dalla materia oscura detto effetto debole di lente gravitazionale rivelando la leggera distorsione che essa provoca sull’allineamento di milioni di galassie lontane. Questo effetto non è evidente all’occhio, ma altera il modo di apparire del fondo delle lontane galassie. Queste galassie del fondo sono quelle formatesi quando l’universo aveva meno della metà della presente età e l’effetto di distorsione è provocato dalla materia oscura che si trova più vicina. Le immagini che vengono analizzate sono delle dimensioni di una Luna piena ed hanno sullo sfondo circa 20000 galassie. Applicando la fisica della relatività alle piccole distorsioni si determina la presenza di masse sia luminose che oscure fra noi e le galassie del fondo. Questa analisi ha mostrato che la massa che provoca questa distorsione è in parte visibile ed in parte oscura ed il rapporto varia considerevolmente. Ci sono anche dei cluster di materia oscura senza materia visibile e questo risultato era inatteso. Correlando poi la distorsione con la distanza approssimate delle galassie si converte la proiezione piana della massa totale in volumi 3D e si rivelano le montagne di materia oscura nello spazio con 10-20% di accuratezza. Ci si aspetta di identificare entro il 2004 200 cluster fino alla distanza di 7 miliardi di anni luce.
Science, 20 Jun 2003, Vol. 300, pg. 1896 - Charles Seife - L’idea dell’energia oscura risale al tempo di Einstein quando l’autore della Relatività Generale la introdusse come termine di compensazione nelle sue equazioni e successivamente considerò un errore. Oggi l’energia oscura ha assunto presso i cosmologi una grande importanza come antigravità anche se nessuno sa dire che cosa sia e come funzioni. L’energia oscura è entrata di prepotenza nel 1997 quando i cacciatori di supernove del Lawrence Berkeley National Laboratory in California dimostrarono che l’universo si espandeva sempre più velocemente invece di rallentare come i fisici si aspettavano. Le conclusioni erano basate sull’osservazione di un gran numero di supernove del tipo Ia che all’esplosione hanno tutte la stessa luminosità in modo che gli astronomi possono determinare, dalla loro luminosità apparente, la loro distanza e, dall’effetto doppler, a che velocità si allontanano. Calcolando così come l’universo si espandeva nel passato, ci si accorse con sorpresa che l’espansione va accelerandosi invece di rallentare. All’inizio del big bang l’energia ha provocato l’espansione rapida dell’universo dopo, appena la materia si condensò in particelle, stelle e galassie, la gravitazione ha iniziato a frenare l’espansione. I dati delle supernove aggiungono qualcosa di nuovo; c’è una misteriosa forza di antigravità che forza la trama dell’universo a gonfiarsi più rapidamente di quanto la gravità non tenda a farla collassare. Guardando poi la radiazione di fondo del primo universo ci si accorge che questo nel suo complesso è piatto cioè senza curvatura. Ci si chiede allora che cosa sia questa energia oscura. Alcuni teorici dicono che è l’energia latente dello stesso vuoto che secondo la meccanica quantistica crea particelle virtuali capaci di esercitare una pressione. Altri fisici sospettano che alla base dell’accelerazione cosmica vi sia la fisica dell’inflazione, un’espansione super rapida all’inizio del big bang. I cosmologi hanno cominciato ora a definire un parametro w che caratterizza l’energia oscura e la sua equazione di stato. Al contrario di un gas in espansione, la cui pressione diminuisce all’aumentare del volume, l’energia oscura esercita una pressione maggiore man mano che lo spazio si espande e questa proprietà fa di w un numero negativo, si tratta ora di determinare il suo valore. Se la pressione è stata costante in tutta la storia dell’universo deve essere w = -1, se le proprietà dell’energia oscura sono cambiate nel tempo come suggeriscono varie teorie di “quintessenza”, w varierà fa 0 e -1. Per il momento le misure indicano che w è quasi -1. I dati delle supernove lasciano aperta anche la possibilità che w sia minore di -1 (-1,1 ... -1,2) e quindi che l’energia oscura diventi sempre più repulsiva. In questo caso l’universo morirebbe di una morte orribile, in pochi miliardi di anni i cluster di galassie si disintegrerebbero, diverse centinaia di milioni di anni dopo le stesse galassie, inclusa la nostra, andrebbero in frantumi, poi il sistema solare ed i pianeti ed infine anche gli atomi e lo spazio stesso diventerebbe instabile. L’universo finirebbe in un “big rip” lacerando la sua stessa trama. Anche se un tale scenario non goda molto favore, gli astronomi cercano ora di trovare con precisione il momento nel passato in cui la forza espansiva dell’energia oscura abbia equilibrato quella di contrazione della gravità. Si pensa che ciò sia avvenuto circa 4 miliardi di anni fa e prima l’universo doveva essere in fase di rallentamento. La determinazione di questo istante potrebbe dare più informazioni sulla natura dell’energia oscura dello stesso parametro w.
Science, 20 Jun 2003, Vol. 300, pg. 1898 - Mitchell C. Begelman - I buchi neri sono luoghi dove la gravità è così forte che nulla di ciò che entra può sfuggire, neanche la luce; anche il tempo e lo spazio sono distorti in modo da non offrire via di uscita. La natura di questa singolarità non è ben compresa ed è probabile che le teorie fisiche vengano meno vicino a questa singolarità. Per gli astronomi questa singolarità è nascosta alla vista dal cosiddetto orizzonte degli eventi che per un buco nero non rotante e senza carica è caratterizzato dal raggio di Schwarzschild Rs = 2gMo/c^2 dove G è la costante di Newton della gravità, Mo è la massa del buco nero e c la velocità della luce. Rs avrebbe il valore di 3 km per un corpo avente la massa del Sole concentrata al centro. All’esterno però un buco nero si comporta in modo molto semplice. Un buco nero è caratterizzato dalla sua massa, momento angolare e carica elettrica, quest’ultima non è importante dal punto di vista astrofisico e quindi i parametri sono solo due. Lontano dall’orizzonte degli eventi un buco nero esercita una gravitazione come qualsiasi altra massa sferica e che esista un buco nero viene dedotto dall’intensità degli effetti gravitazionali quando l’oggetto risulta troppo massivo per essere una stella di neutroni. In molti casi si può osservare la radiazione emessa da gas vicini all’orizzonte degli eventi o da getti di plasma a velocità vicine a quelle della luce. L’energia liberata dalla materia vicina all’orizzonte degli eventi è prodigiosa specie per i grandi buchi neri al centro delle galassie che possono essere responsabili di certi tipi di gamma-ray burst. I buchi neri possono derivare dal collasso di stelle massive. Diverse dozzine di candidate si trovano nelle binarie che emettono raggi X quando la materia di una stella compagna viene trasferita al buco nero ed emette raggi X prima di essere ingoiata. In questo caso si deve stabilire che la massa della compagna oscura sia maggiore di 2-3 masse solari. Risulta difficile invece riconoscere buchi neri isolati che non catturano abbastanza gas dal mezzo interstellare e nella nostra galassia potrebbero essere da 10 milioni ad un miliardo. Buchi neri supermassivi si trovano al centro delle galassie e sono state proposte all’inizio per spiegare l’energia emessa dai quasar, si sa ora che sono la sorgente primaria di energia dei nuclei galattici attivi (AGN). Anche se non tutti i nuclei delle galassie sono sempre attivi, forse tutte le galassie hanno nel loro centro buchi neri supermassivi. Al centro della nostra Via Lattea c’è una sorgente di radiazioni, la Sgr A*, che coincide con una massa oscura di 3-4 milioni di masse solari. Le osservazioni hanno mappato le orbite che si avvicinano fino a 1000 Rs (60 volte il raggio dell’orbita terrestre). Le masse dei buchi neri sono correlate alle caratteristiche delle galassie che le ospitano e sembra si accrescano per assorbimento dei gas presenti intorno e non per fusione di buchi neri più piccoli. Si cerca anche di provare l’esistenza di un’altra popolazione di buchi neri di massa intermedia, resti di una Popolazione III di stelle molto massive formatasi con materiale ancora privo di metalli del primo universo. Contrariamente a quanto si pensa i buchi neri non sono come un aspiratore cosmico e non possono ingoiare materia il cui momento angolare per unità di massa sia maggiore di 2Rsc, valore questo abbastanza piccolo. Il gas si pone in un disco di accrescimento in orbita kepleriana e spiralizza dissipando energia radiante raggiungendo un’orbita stabile a circa 3Rs. L’energia irradiata è però bassa e la maggior parte della materia sfugge al buco nero, ciò spiega perché sono in genere poco luminosi. Parte della materia viene espulsa mediante jet relativistici accelerati e collimati dal campo magnetico prodotto dalla corrente del gas esterno e questo può estrarre energia dallo spin del buco nero mediante l’effetto Blandford-Znajek (BZ). Tutti questi fenomeni di emissione di energia si osservano anche in presenza di grandi potenziali gravitazionali come succede per le stelle di neutroni e l’unica reale caratterizzazione di un buco nero è l’esistenza di un orizzonte degli eventi cosa che è difficile da stabilire con le osservazioni. Le stelle di neutroni sono difficili da distinguere dai buchi neri anche se il materiale che cade sulla loro superficie dovrebbe produrre un’emissione particolare che deve mancare nei buchi neri. In futuro nuovi strumenti saranno atti a rivelare le onde gravitazionali prodotte dalla formazione di buchi neri nel collasso di stelle, correlata forse alla generazione di gamma-ray burst, o dalla caduta di oggetti massivi in un buco nero o dalla fusione di due buchi neri; saranno il LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) ed il LISA (Laser Interferometer Space Antenna). Altri progressi nella comprensione si attendono da una simulazione tridimensionale del processo di accrescimento intorno ad un buco nero.
Science, 20 Jun 2003, Vol. 300, pg. 1904 - Jordi Miralda -Escudé - Sono passati solo 75 anni da quando Edwin Hubble scoprì che viviamo in un universo di galassie in espansione ed ora, alla fine del XX secolo, ci sono abbastanza prove per affermare che il primo universo era quasi omogeneo: Ci si chiede ora come da una situazione di omogeneità l’universo sia arrivato alla presente complessità. Bisogna fare la storia dell’universo dal momento dell’emissione del Cosmic Microwave Background (CMB) fino al collasso gravitazionale del primo oggetto stellare. Per designare un’epoca cosmica i cosmologi usano il redshift z mentre la quantità 1 + z rappresenta il fattore con il quale l’universo si è espanso fino ad oggi ed è anche il fattore di cui è aumentata la lunghezza d’onda di una radiazione emessa in quell’epoca a causa dell’espansione dell’universo. Il modello iniziale dell’universo è quello del Cold Dark Matter (CDM) che assume che, oltre all’ordinaria materia formata da protoni, neutroni ed elettroni che viene chiamata barionica, c’è anche della materia oscura (dark matter) formata da particelle che hanno solo interazioni gravitazionali. Il CMB mostra che le leggerissime fluttuazioni di temperatura presenti sono state i semi che hanno formato successivamente le attuali galassie. Più recentemente è stata identificata anche una dark energy che ora è diventata dominante causando un’accelerazione nell’espansione dell’universo. Il Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) ha mostrato che la materia barionica costituisce solo il 17% di tutta la materia, mentre il resto è costituito da materia oscura, ed ha confermato la presenza della dark energy. Tuttavia i cosmologi non hanno alcuna idea della natura sia della dark matter che della dark energy. Per valori molto alti di z l’universo era praticamente omogeneo e con l’espansione la temperatura si è andata abbassando. Gli atomi si formarono a circa z = 1100 quando la temperatura era di 3000 K e provocarono la ricombinazione del plasma. Da questo istante è visibile in ogni direzione il fondo a 3000 K del CMB che continuando l’espansione si è spostato verso l’infrarosso, ma fino alla formazione delle prime stelle per collasso gravitazionale spazio e materia rimasero nell’oscurità per un intervallo di tempo detto Dark Age. I primi quasar e galassie osservati dagli astronomi si hanno per z = 6,5 circa e la teoria suggerisce che migliorando la tecnologia per l’osservazione di oggetti sempre più deboli, saranno estremamente rari gli oggetti luminosi per z > = 20. La Dark Age finì quando si formarono le prime stelle massive ed allora l’ambiente cambiò per l’emissione di grandi quantità di radiazioni ultraviolette che cominciarono a ionizzare l’idrogeno. Le prime stelle massive si sono formate per z = 38 circa, quando l’universo aveva 75 milioni di anni ed hanno avuto una vita breve terminando come supernove e generando elementi pesanti con cui inizia la formazione nello spazio di polveri e degli ingredienti necessari a comporre i pianeti. La seconda generazione di stelle, anche con un contenuto di elementi pesanti 1000 volte inferiore a quelli del nostro Sole, viene favorita da un più rapido raffreddamento dei gas e dalle nuove polveri e si formano stelle più piccole e di vita più lunga. Stelle con masse pari a 0,8 la massa solare vivono ancora oggi nell’alone della nostra galassia, dove sono state incorporate, ed hanno la composizione delle prime supernove. La formazione delle stelle ha come effetto importante la reionizzazione dell’idrogeno nello spazio con l’emissione della riga Lyman-alpha. L’osservazione di questa riga emessa fino a z = 6 indica che a questa data l’universo era di nuovo ionizzato. All’inizio si osservano bolle di gas ionizzato in un mezzo allo stato atomico, poi le bolle si espandono e si riuniscono fino alla ionizzazione completa. La reionizzazione però non rende opaco l’universo come era prima di z = 1100, perché l’ulteriore espansione ha reso la densità di materia più bassa.
Science, 20 Jun 2003, Vol. 300, pg. 1909 - Jeremiah P. Ostriker - Il lato oscuro dell’universo cominciò a rivelarsi circa 65 anni fa quando Fritz Zwiky dell’università di Princeton notò che la velocità con cui si muovono le galassie nei grandi cluster era troppo grande per tenerle legate gravitazionalmente a meno che il loro peso fosse 100 volte maggiore da quello stimato sulla base del numero di stelle del cluster. Decenni di indagini hanno confermato la sua analisi e negli anni ‘80 si accettò l’esistenza di una materia oscura pari al 20% dell’energia totale dell’universo. Dopo l’introduzione della teoria inflazionaria molti cosmologi si convinsero che l’universo deve essere piatto e che la densità totale dell’energia deve uguagliare il valore critico che distingue un universo curvato positivamente da uno curvato negativamente. Supposto che ogni forma di energia dell’universo consiste in una forma di materia, questa sarà formata per il 4% da normale materia barionica e per il 96% da dark matter, ma quando fu trovata la prova di un’espansione accelerata dell’universo dall’osservazione delle supernove, si comprese che dark energy e dark matter devono essere fondamentalmente diverse anche se hanno in comune il fatto che ambedue non emettono né assorbono luce. La dark matter, come la materia ordinaria, esercita attrazione gravitazionale mentre la dark energy è autorepulsiva. Secondo la teoria generale della relatività, in un universo composto solo di materia, è la densità di massa che determina la geometria, la storia ed il futuro dell’universo. Con la presenza della dark energy tutta la storia cambia e, a un periodo dominato dalla materia, segue un periodo dominato dall’energia. L’accelerazione dell’espansione continuerà a meno che la dark energy non decada o cambi la sua equazione di stato. Separando quindi la materia dalla dark energy, che costituisce il 73% del totale, possiamo distinguere una materia luminosa costituita da tutto ciò che emette radiazioni e che costituisce lo 0,4% del totale (stelle e gas radianti), una componente non luminosa formata dai gas intergalattici (3,6%), neutrini (0,1%) e buchi neri supermassivi (0,04%) ed un 23% di dark matter sconosciuta. Sulla natura della dark matter si sono fatte molte ipotesi cercando ipotetiche particelle elementari di lunga vita, fredde (cioè non relativistiche) e non interattive. La lunga vita deve essere comparabile con la vita attuale dell’universo e le particelle devono esercitare solo attrazione gravitazionale, si parla così di Cold Collisionless Dark Matter (CCDM) ed una subclasse viene indicata come WIMP (Weakly Interacting Massive Particle). Un candidato è il neutralino, una particella prevista dalla teoria della supersimmetria, un aspetto della supergravità e della teoria delle stringhe. Questa richiede la presenza di un bosone per ogni fermione conosciuto ed un fermione per ogni bosone conosciuto. Questi partner supersimmetrici hanno una massa più grande, sono instabili e decadono rapidamente, ma uno di questi con una massa di 100 GeV non decade, è elettricamente neutro e poco interattivo. Dei rivelatori sotterranei potrebbero rivelarne la presenza quando attraversa la Terra. Un altro candidato è l’assone, particella molto leggera (1 micro-eV) e neutra ed anche per esso ci sono dei rivelatori. Nel caso che si osservino discrepanze fra teoria ed osservazione sono state proposte altre forme di dark matter come Strongly self-Interactive Dark Matter (SIDM), Warm Dark Matter (WDM), Repulsive Dark Matter (RDM), Fuzzy Dark Matter (FDM), Self-Annihilating Dark Matter (SADM), Decaying Dark Matter (DDM) ed infine massive Black Holes da un milione di masse solari. Le alternative sono molte e molti tipi di osservazioni possono essere pensati per distinguere fra esse; in base alle simulazioni, le galassie potrebbero contenere nuclei ad alta concentrazione di queste forme di dark matter, ma fino ad ora le osservazioni non lo hanno confermato.
Science, 20 Jun 2003, Vol. 300, pg. 1914 - Robert P. Kirshner - L’osservazione delle supernove a metà strada fra noi ed il big bang ha mostrato che l’universo è andato accelerando la sua espansione negli ultimi 7 miliardi di anni. Questo effetto viene attribuito alla presenza di una dark energy che rende l’universo piatto e con la sua pressione negativa produce l’accelerazione cosmica. Dall’osservazione del Cosmic Microwave Background (CMB) si deduce che circa il 28+/-5% dell’universo è fatto di materia ed il 72% di dark energy anche se non sappiamo di cosa si tratti. Le supernove che permettono di tracciare la storia dell’espansione cosmica sono le SN Ia prodotte dall’esplosione di una nana bianca in un sistema binario dove subisce l’accrescimento a spese dalla materia della compagna fino a raggiungere l’instabilità. La luminosità è sempre la stessa e sono quindi le migliori candele campioni per l’astronomia extragalattica. Le SN Ia esplodono una ogni 100 anni per galassia e con esse si determina la distanza con un’accuratezza del 10%. Con le SN Ia vicine si determina il valore della costante di Hubble attuale: Ho = 72+/-8 km/s*Mpc. L’accelerazione dell’universo aumenta la distanza delle stelle più antiche e la loro luce appare più attenuata. Estendendo le misure a valori di z elevati, per circa z = 1, l’effetto cambia e le supernove appaiono più brillanti segnando il momento in cui la decelerazione cosmica dovuta alla dark matter prevale sull’accelerazione dovuta alla dark energy. La vita dell’universo si stima ora a 13,6+/-1,5 miliardi di anni.
Una possibile spiegazione della dark energy è una moderna versione della costante cosmologica introdotta da Einstein nelle sue equazioni del campo per imporre una condizione statica. Una volta noti i risultati di Hubble sull’espansione dell’universo, Einstein ritenne la costante cosmologica il suo più grande errore. L’interpretazione moderna della costante cosmologica è una densità di energia del vuoto. Se questa energia genera una pressione negativa e costante produce un’accelerazione nell’espansione che diventa esponenziale. Se materia ed energia rimangono costanti nell’universo, il loro rapporto, che oggi è circa 2, cambierà in futuro con l’espansione perché l’energia del vuoto rimane costante e la densità di materia diminuisce con la terza potenza; 7 miliardi di anni fa dominava la materia e l’universo era ancora in fase di decelerazione, oggi ormai domina l’energia del vuoto e, quando l’universo avrà il doppio dell’età attuale, il rapporto fra le due energie sarà circa 10. Oggi è molto importante stabilire se e quando si sia verificata l’inversione fra decelerazione ed accelerazione con un maggior numero di osservazioni intorno a z = 1. Sono state osservate 42 supernove con z fra 0,3 e 1,8 e 10 supernove hanno z > = 1; si attende l’elaborazione di questi dati. C’è anche la possibilità che la dark energy abbia una natura diversa e che sia un campo che cambia lentamente secondo il modello della quintessenza, le cui proprietà potranno essere determinate dall’osservazione. Anche riguardo alle SN Ia vi sono molti aspetti poco compresi che potrebbero infirmare l’accuratezza delle misure.
Science, 25 Jul 2003, Vol. 301, pg. 449 - Charles Seife - L’energia oscura, la forza di antigravità che fa accelerare l’espansione dell’universo, viene confermata da una misura effettuata da scienziati di due dozzine di istituzioni. La misura rappresenta una rivelazione diretta dell’energia oscura ed è basata sull’effetto Integrated Sachs-Wolfe (ISW), conseguenza della relatività generale secondo il quale la luce, passando vicino a oggetti massivi come i cluster di galassie che creano una buca nello spaziotempo, acquista energia nella fase di caduta e la riperde quando risale la buca. L’energia oscura provoca però un’asimmetria in questi due processi che avvengono in tempi successivi perché nel frattempo lo spaziotempo ha ridotto la sua curvatura e quindi alla fine il fotone ha acquistato un po’ di energia. Per verificare l’effetto ISW gli astronomi devono comparare la luce che è passata vicino ad una grande massa con quella non influenzata dalla buca di gravità. Questa operazione è stata resa facile questa primavera quando il satellite WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) ha prodotto una mappa incredibilmente dettagliata del cosmic microwave background, il fondo di luce fredda dell’antico universo. Gli scienziati hanno confrontato la mappa con quella che rileva la distribuzione delle galassie nell’universo, nota come Sloan Digital Sky Survey (SDSS), ancora in corso di completamento, e si è notato che il cosmic microwave background che passa vicino alle galassie è in media più caldo di quello lontano dalle galassie, prova evidente dell’effetto ISW prodotto dall’energia oscura. La confidenza statistica di questa conclusione è solo del 99%, che è molto piccola per gli standard della fisica, ma l’analisi è piuttosto affidabile. Quando nel 2006 il progetto SDSS sarà completato si avranno a disposizione un numero di dati circa 2,5 volte maggiori di adesso e l’effetto ISW verrà misurato con un livello di confidenza maggiore. Si potrà allora quantificare anche l’energia oscura e dedurre di più sulla sua natura. L’effetto ISW è molto sensibile alla quantità di energia oscura presente e la sua misura può essere abbastanza precisa; si potrà misurare anche la sua equazione di stato, un parametro chiave da cui estrarre le proprietà dell’energia oscura, ed in particolare se cambia la sua intensità nel tempo.
Science, 10 Oct 2003, Vol. 302, pg. 209 - Charles Seife - Il satellite Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) ha prodotto recentemente la più dettagliata rappresentazione del cosmic microwave background (CMB) ed i fisici che lo hanno analizzato sono arrivati ad avanzare una strana ipotesi: l’universo potrebbe essere finito e costituito da 12 facce esagonali. Le dimensioni delle macchie più calde e più fredde del CMB indicano che su larga scala non ci sono le grandi fluttuazioni di temperatura che ci si aspettava e questo potrebbe implicare che l’universo ha una dimensione finita. Alcuni fisici avevano pensato che l’universo potesse avere la forma di un toro, ora si è fatta l’ipotesi che una forma dodecaedrica potrebbe spiegare l’anomalia. Diverse topologie dell’universo sopprimono in modo diverso le fluttuazioni ed un universo dodecaedrico si adatta meglio di uno toroidale alla situazione del CMB. La cosa interessante di questa ipotesi è che vi sono delle conseguenze misurabili, ma anche se l’ipotesi non venisse confermata rimarrebbe da spiegare la mancanza di oscillazioni su larga scala nella mappa del CMB.
Science, 9 Jan 2004, Vol. 303, pg. 164 - Charles Seife - Il 23 febbraio 1987 alcuni improvvisi lampi di luce all’interno di serbatoi d’acqua sotto terra hanno dato il primo annunzio di un evento cosmico a circa 170000 anni luce da noi. Una stella era esplosa in una nube di altre stelle che orbitano nella Via Lattea lanciando frammenti di materia ed energia attraverso l’universo. Prima ancora che gli astronomi potessero vederne la luce, i fisici delle particelle hanno appreso che la stella era morta dai lampi prodotti da 20 neutrini nei rivelatori del Giappone e degli USA. Per 13 secondi i fisici si erano trasformati in astronomi. In questa occasione i neutrini hanno dato alcune indicazioni su come funziona una supernova ma, la prossima volta che un’altra stella esploderà nelle vicinanze, i fisici hanno pronta tutta una batteria di strumenti, dai sensori di neutrini ai rivelatori di onde gravitazionali che annunzieranno la nascita di un buco nero. Potrebbe essere però una lunga e snervante attesa perché la frequenza delle supernove nella nostra galassia è in media di tre ogni secolo mentre ogni anno si hanno una dozzina di supernove in altre parti dell’universo, troppo lontane per i cacciatori di neutrini e di onde gravitazionali. L’esplosione di supernova avviene alla fine della vita di una stella quando la reazione di fusione all’interno tende a cessare e la stella collassa per la forza della sua gravità. Il collasso produce un’esplosione che scaglia intorno l’involucro esterno della stella, rilascia una enorme quantità di energia, circa 10E45 joule, ed è visibile a distanze pari a metà della dimensione dell’universo. Dopo l’esplosione rimane una stella di neutroni o un buco nero, ma anche se gli scienziati hanno una buona conoscenza generale del fenomeno di supernova, i dettagli del processo sono sconosciuti. La domanda fondamentale è perché avviene l’esplosione, nelle simulazioni al computer ciò non avviene; l’onda d’urto scaglia fuori l’involucro esterno e ne segue un collasso, manca qualcosa che non ha niente a che fare con la luce emessa dalla supernova perché questa viene emessa molto dopo che è avvenuta l’esplosione. Solo la parte centrale della stella collassa, la luce è intrappolata dall’involucro di materia esterno mentre i neutrini, creati immediatamente sfuggono al nucleo ed all’involucro senza quasi interagire entro 10 secondi portando via il 99% dell’energia di una supernova. Data la loro scarsa interazione con la materia, dei miliardi di miliardi di neutrini emessi dalla supernova del 1987 solo 20 hanno eccitato i due rivelatori in funzione. Oggi con rivelatori più sensibili verrebbero captati alcune centinaia di neutrini in un evento simile. Tuttavia il fatto che la rivelazione dei 20 neutrini abbia avuto la durata di secondi significa che i neutrini hanno un ruolo nel fenomeno dell’esplosione. Focalizzandosi su questa durata si potranno scoprire molte cose sulla dinamica del collasso, ad esempio se vi sono oscillazioni e, se si interrompono all’improvviso, si potrà conoscere l’istante della nascita di un buco nero. I fisici dei neutrini sperano anche di scoprire altre proprietà dei neutrini stessi. Le supernove producono in quantità tutti i tipi di neutrini, anche il tipo tau che è estremamente difficile da produrre in laboratorio e quindi non se ne conoscono bene le proprietà in particolare con che frequenza si trasforma nel neutrino elettrone, un dato che manca nel modello delle particelle. Questa informazione può essere estratta dall’osservazione di una supernova. Nell’attesa di una supernova è nato il Supernova Early Warning System (SNEWS), un sistema di allarme dei rivelatori di neutrini che comprende il Super-Kamiokande Observatory in Giappone ed il Sudbury Neutrino Observatory in Canada. Quando esploderà una supernova lo SNEWS informerà immediatamente fisici ed astronomi e si determinerà approssimativamente la direzione di provenienza per puntare telescopi di ogni tipo dalle alte energie agli ottici. Sono pronti anche i nuovi rivelatori di onde gravitazionali, dal LIGO negli USA al GEO 600 in Germania, per indicare la nascita di un buco nero. Secondo la teoria della relatività generale di Einstein si generano onde gravitazionali solo se il collasso avviene in modo asimmetrico; il segnale di un’onda gravitazionale quindi può dire molto su come la materia si muove durante il collasso, inoltre, poiché l’onda gravitazionale si muove alla velocità della luce, arriverà prima del flusso di neutrini ed indicherà l’inizio del fenomeno mentre il ritardo dei neutrini fornirà informazioni su come e quando sono generati. L’attesa potrebbe essere lunga e ci saranno forse altri scienziati ad essere presenti al nuovo evento.
Science, 30 Jan 2004, Vol. 303, pg. 636 - Larry R. Nittler - Nel 1952 P. W. Merrill, in un articolo su Science aveva segnalato che un elemento radioattivo, il technetium, era stato osservato in una speciale classe di stelle giganti. Poiché questo elemento non ha isotopi stabili si faceva l’ipotesi che queste stelle lo producevano continuamente e questa fu la prima prova che gli elementi venissero prodotti all’interno delle stelle. Successivamente fu sviluppata la teoria della nucleosintesi. Per decadi per provare le teorie della nucleosintesi si sono usati due metodologie. La misura spettroscopica dell’abbondanza degli elementi nelle stelle e la composizione isotopica del sistema solare. I granuli della polvere interstellare forniscono ora un potente mezzo di investigazione per l’evoluzione stellare e la nucleosintesi. Si è visto così che i granuli di silicon carbide (SiC) nei meteoriti non contengono technetium. Dalla fine degli anni ’80 i granuli di polvere meteorica hanno fornito informazioni complementari a quanto ottenuto dalle osservazioni astronomiche. I granuli di SiC, grafite e Al3O3 hanno una composizione isotopica che dipende dalla loro genesi stellare e dai prodotti eiettati dalle stelle. Inoltre ricordano le condizioni del mezzo interstellare e del primitivo sistema solare e come sono stati inglobati negli asteroidi. Ogni granello è un pezzo di una stella e contiene l’impronta dei processi astrofisici subiti. I granuli più studiati sono quelli di SiC che si crede si siano originati nelle asymptotic giant branch (AGB) delle stelle, ultimo stadio di evoluzione di stelle aventi alcune masse solari. In questa fase idrogeno ed elio bruciano alternativamente ed i neutroni emessi vengono catturati per produrre elementi più pesanti del ferro; questo è il processo chiamato s-process (s per cattura di neutroni lenti o “slow” ). La composizione isotopica dei granuli SiC è quella prevista e/o osservata in questo stadio di evoluzione delle stelle e sono in ottimo accordo con la teoria dello s-process.
Science, 12 Mar 2004, Vol. 303, pg. 1597 - Charles Seife - Gli astronomi affermano di aver trovato la galassia con il più alto redshift e quindi più lontana di 13 miliardi di anni fa quando questi aggregati si stavano formando. La scoperta si deve al fenomeno di lente gravitazionale prodotto da un’enorme massa di cluster di galassie che focalizza come la lente di un gigantesco telescopio i raggi provenienti da oggetti più lontani. Questa lente formata dal cluster di galassie Abell 1835 ha aiutato gli astronomi del Very Large Telescope in Cile a rivelare deboli galassie lontane. Fra queste una sembra avere un redshift di 10, misura della velocità di allontanamento dei corpi lontani, un valore che supera il massimo di 7 trovato fino ad ora. Si tratta di una galassia estremamente piccola quando l’universo era solo 460 milioni di anni dalla sua nascita. Secondo gli astrofisici 400000 anni dopo il big bang l’universo era solo un caldo ammasso di nuvole di gas idrogeno neutro; solo un miliardo di anni più tardi, dopo la nascita di stelle e galassie il gas si era di nuovo ionizzato per effetto delle radiazioni emesse dagli astri. Riuscire a vedere lo stato dell’universo fra queste due date significa scoprire come si è evoluto dalla nascita delle prime stelle al loro aggregarsi in galassie.
Science, 19 Mar 2004, Vol. 303, pg. 1746 - Charles Seife - Nel fascicolo del 12 marzo della Physical Review Letters alcuni fisici francesi ed inglesi avanzano un prova indiretta che particelle di peso 1000 volte inferiore a quelle ipotizzate dalla teoria supersimmetrica siano responsabili della dark matter che la maggioranza dei fisici ritiene formi il 25% del nostro universo. Se esistono particelle di dark matter leggere si deduce che, quando collidono con le loro antiparticelle, producono coppie positroni ed elettroni che annichilendosi a loro volta emetterebbero raggi gamma con energia di 511 keV. Queste radiazioni sono state misurate dal satellite INTEGRAL sull’alone della Via Lattea, un luogo dove si sospetta si concentri la materia oscura ed i dati numerici sembrano ragionevoli, ma molti altri scienziati sono scettici e ritengono più plausibile che i positroni provengano da sorgenti naturali come le supernove o dalle interazioni dei raggi cosmici. Anche i proponenti ammettono che la prova è molto tenue e si suggeriscono misure più accurate sulla distribuzione di queste radiazioni a 511 keV.
Science, 28 May 2004, Vol. 304, pg. 1226 - Kim Krieger - Ricercatori europei hanno scoperto che una reazione nucleare chiave nelle stelle dura significativamente più a lungo di quanto previsto nei modelli standard. Il risultato che i fisici nucleari del Laboratory for Underground Nuclear Astrophysics (LUNA) del Gran Sasso in Italia hanno riportato in una coppia di relazioni online implica che i più antichi cluster di stelle siano almeno 700 milioni di anni più vecchie di quanto prima creduto. Il team del LUNA ha usato un acceleratore di particelle nel Gran Sasso per misurare la velocità del ciclo carbonio-azoto-ossigeno (CNO), uno dei principali processi secondo il quale le stelle fondono l’idrogeno in elio rilasciando energia. Il ciclo determina dopo quanto tempo una giovane stella che brucia idrogeno si trasforma in una gigante che brucia elio. Gli astrofisici possono stimare l’età di una stella sull’inizio di questa transizione misurando la sua massa e calcolano quanto tempo impiega a raggiungere il suo stato presente. La durata del ciclo CNO dipende dalla reazione più lenta che è quella in cui l’azoto-14 assorbe il protone dell’idrogeno e si trasforma in ossigeno-15. I ricercatori hanno stimato la velocità della reazione sparando protoni sull’azoto-14, ma le misure erano disturbate dal rumore dei raggi cosmici e gli astrofisici sospettavano che modificassero la velocità. I ricercatori del LUNA, lavorando 1400 m sotto terra per schermare i rivelatori dai raggi cosmici, hanno fatto collidere protoni su atomi di azoto-14 ed hanno misurato l’istante in cui l’azoto-15 rilasciava raggi gamma. Il risultato porta a 14 miliardi di anni l’età delle stelle più antiche valore vicino ai 13,7 miliardi di anni dell’età dell’universo che i fisici hanno dedotto dalle misure con il Wilkinson Microwave Anisotropy Probe. Il team conta di ripetere l’esperimento in condizioni di energia più realistiche. Il primo gruppo di esperimenti aveva lavorato con energie di 140 KeV. Un nuovo rivelatore di raggi gamma permetterà di studiare le collisioni a 25 KeV, il livello di energia a cui la reazione si verifica nelle stelle.
Science, 23 Jul 2004, Vol. 305, pg. 464 - Charles Seife - Un numero crescente di fisici ha presentato una visione del cosmo piena di mondi immagine ed universi paralleli in molti dei quali si possono trovare esatti duplicati di ciascuno di noi ed anche fra gli scettici si trova chi accetta alcuni fondamenti sulla natura dell’universo che portano a credere all’esistenza di universi paralleli. Il punto di partenza è che lo spazio è infinito. In uno spazio finito materia ed energia possono disporsi in un numero finito di modi, ma i cosmologi ritengono oggi che lo spazio sia infinito e la prova deriva dalla piccola oscillazione del cosmic microwave background (CMB), la luce fossile lasciata circa 400000 anni dopo il big bang. Le misure ottenute con sensibilità crescente dalle sonde Boomerang, Dasi e WMAP hanno mostrato come le fluttuazioni sono in accordo con le previsioni. Le più grandi sono di un grado e la distribuzione è quella attesa e ciò non solo conferma la teoria della nascita dell’universo, ma mostra anche che l’universo è estremamente piatto. Nella teoria generale della relatività la trama dell’universo viene descritta come una superficie curva e lo spaziotempo può essere come un gigantesca sfera o una sella indefinita o una superficie piana. Il CMB ha escluso i primi due casi che avrebbero distorto le dimensioni delle fluttuazioni e un universo piatto è un universo infinito. Anche senza questa prova ci sono altri motivi per crederlo; la teoria dell’inflazione implica che subito dopo il big bang lo spazio è esploso e la trama dell’universo continua ad allargarsi al di là del nostro universo visibile. Anche l’inflazione quindi predice un universo infinito. La seconda premessa per l’argomento degli universi paralleli è più sottile e parte da una considerazione sui buchi neri. Quando materia ed energia entrano in un buco nero vengono divorati e sono perduti per il mondo esterno, ma aggiungendo una nuova massa il buco diviene un po’ più grande e la sua superficie esterna cresce un poco. Agli inizi degli anni ’90 alcuni fisici, applicando il secondo principio della termodinamica ad un buco nero misero in relazione materia ed energia con la superficie esterna in un vincolo olografico (holographic bound) a indicare il numero finito di configurazioni che possono essere contenuti in uno spazio finito. Gli universi paralleli derivano dalla combinazione dell’universo infinito con l’holographic bound. Se immaginiamo una sfera che racchiude tutto il nostro universo visibile, all’interno materia ed energia hanno un numero limitato di configurazioni, questo numero viene indicato come un “gazillion”, ma nell’universo infinito si possono avere infiniti di questi universi finiti ciascuno avente un numero finito di configurazioni per il principio olografico e potremmo trovare quindi infinite copie del nostro universo anche con piccole varianti.
Anche se l’universo fosse finito o il principio olografico fosse sbagliato ci sono ancora ragioni per credere negli universi paralleli. Nel decennio del 1920 Werner Heisemberg ed Erwin Schrödinger hanno formulato la rivoluzionaria teoria quantistica che ha spiegato il mondo degli atomi e delle particelle più piccole con grande precisione. Il solo problema è che l’interpretazione fisica delle equazioni matematiche è incomprensibile. Ad esempio le equazioni permettono ad un oggetto quantistico come un elettrone di trovarsi in due posti nello stesso tempo, ma quando si misura la sua posizione esso sembra scegliere immediatamente una delle alternative. Molti fisici hanno abbracciato la cosiddetta interpretazione di Copenhagen secondo la quale le particelle sono rappresentabili da una funzione d’onda e quando si esegue un misura questa collassa in modo probabilistico in una locazione precisa. Questa interpretazione ha creato molti problemi fra cui il paradosso EPR delle particelle con spin correlati up e down che possono essere separati in luoghi lontanissimi, ma quando si misura lo spin di uno l’altro sceglie istantaneamente il valore opposto. Alla fine degli anni ’50 alla Princeton University Hugh Everett III propose la teoria dei Many Worlds in cui particelle ed osservatori si trovano in universi paralleli. Una coppia di osservatori si trova di fronte a due particelle con gli spin up e down rispettivamente mentre l’altra con gli spin down e up; quando la misura viene eseguita in uno dei due universi non esiste problema di scelta istantanea. La soluzione è però ancora insoddisfacente, ma fisica e filosofia si sono mescolati in modo drammatico nell’ultimo secolo.
Science, 30 Jul 2004, Vol. 305, pg. 586 - Charles Seife - La scorsa settimana Stephen Hawking in una pubblica conferenza ha affermato di aver risolto uno dei più importanti problemi della fisica: se i buchi neri distruggono le informazioni che ingoiano. Con questa comunicazione il professore di Cambridge ha cambiato dopo 30 anni la sua precedente convinzione sull’argomento affermando che l’informazione sopravvive. Con ciò Hawking ha pagato con un’enciclopedia la scommessa che aveva fatto in precedenza sull’argomento. Altri fisici tuttavia dubitano ancora che Hawking abbia risolto veramente il problema. La domanda di cosa succede all’informazione quando entra in un buco nero è fondamentale nella fisica moderna. Come gli scienziati del 1800 affermavano che l’energia non si crea né si distrugge, nel 1900 molti concludevano che anche l’informazione si conserva e, se vero, ciò assumeva un significato profondo. Rimaneva il problema del buco nero la cui massa aumenta quando ingoia materia ed energia ma, secondo la relatività generale, non mantiene traccia dell’informazione che essa trasporta con sé. Nel 1970 Hawking ed altri, fra cui Kip Thorne del Caltech, decisero che l’informazione veniva perduta. Contrario con altri era John Preskill pure del Caltech e nel 1997 Hawking e Thorne fecero una scommessa con Preskill; il vincitore avrebbe ricevuto un’enciclopedia di sua scelta. Hawking ha informato di aver usato un tecnica matematica nota come metodo dell’integrale euclideo; ciò che cade nel buco nero conserva l’informazione della sua natura e la restituisce al nostro universo in una forma maltrattata non facilmente riconoscibile. Thorne tuttavia rifiuta di ammettere la sconfitta e richiede maggiori dettagli. Altri obiettano che la tecnica dell’integrale di Euclide, usata dai teorici quantistici, viene evitata dai teorici della gravitazione perché produce degli infiniti e preferiscono l’approccio “Lorentziano”, ma nessuno ha ancora dimostrato che i due metodi diano sempre gli stessi risultati. Anche Preskill non si è dichiarato vincitore e desidera che Hawking fornisca argomenti migliori in termini matematici più convenzionali.
Science, 13 Aug 2004, Vol. 305, pg. 934 - Charles Seife - Dopo le ultime dichiarazioni di Stephen Hawking che ha cambiato opinione sulla perdita di informazione all’interno di un buco nero, il problema è ancora molto dibattuto perché attualmente è uno dei più importanti enigmi della fisica alla base del conflitto fra i due suoi pilastri: la teoria quantistica e la relatività generale. Per la relatività generale tutto ciò che attraversa l’orizzonte degli eventi di un buco nero perde la sua individualità e ne aumenta semplicemente la massa. Per le leggi della teoria quantistica invece l’informazione può essere solo trasferita da un luogo ad un altro e distribuita nell’ambiente, ma mai cancellata anche in un buco nero. Si può pensare che il buco nero trattenga l’informazione al suo interno per sempre, ma questo non è vero perché negli anni ’70 Hawking ha dimostrato che i buchi neri non sono eterni, ma evaporano attraverso la radiazione di Hawking. Questo fenomeno è pure conseguenza della teoria quantistica per la quale nel vuoto si producono e si annullano coppie di particella-antiparticella, ma in presenza dell’orizzonte degli eventi una di queste può essere ingoiata dal buco nero lasciando la sua opposta libera e questa si comporta come una radiazione emessa dal buco nero, questo però aumenta di un poco la sua energia e si riduce diventando sempre più caldo finché sparisce con un lampo di radiazioni. Anche se il processo dura un tempo lunghissimo, molte volte l’età attuale dell’universo, il buco nero non è eterno e quindi nemmeno l’informazione. La radiazione di Hawking inoltre non trasporta informazione perché nulla può uscire dal buco nero secondo la relatività generale. Molti fisici relativistici, fra cui Hawking fino a poco tempo fa, hanno creduto che la teoria quantistica si sbagliava e doveva rinunziare al principio della non distruzione dell’informazione, ma un altro fatto sosteneva la visione quantistica. Quando il buco nero ingoia materia aumenta la sua massa ed anche il suo volume e la sua superficie. Negli anni ’90 si affermò il principio olografico secondo il quale un qualsiasi oggetto tridimensionale può essere descritto matematicamente dalla sua superficie esterna o da una superficie che lo contiene. Molti fisici accettano oggi questo principio anche se non è stato dimostrato e questo conferma il mantenimento dell’informazione qualunque cosa succeda all’interno del volume considerato, anche in presenza di un buco nero. Recentemente Hawking si è convinto, attraverso una sua analisi matematica, che i buchi neri non possono distruggere l’informazione, ma il suo metodo matematico non ha ancora convinto gli altri. Leonard Susskind dell’università di Stanford ritiene che la risposta stia in una complementarietà dei buchi neri analoga alla dualità delle particelle nella meccanica quantistica per cui l’informazione può stare da una parte o dall’altra dell’orizzonte degli eventi, ma non in ambedue i posti. Un altro fisico, Chris Adami dell’Istituto di Claremont, California, cerca la risposta nella natura quantistica del vuoto che circonda il buco nero; quando una particella attraversa l’orizzonte degli eventi eccita il vuoto ad emettere un duplicato della stessa particella con un processo simile all’emissione stimolata che genera la luce laser, ma per diverse ragioni la comunità dei fisici non è ancora convinta ed il buco nero è sempre più misterioso.
Science, 26 Nov 2004, Vol. 306, pg. 1485 - Konstantin Zioutas - Le osservazioni astrofisiche rivelano che le galassie ed i cluster di galassie sono tenute insieme gravitazionalmente da vasti aloni di dark matter, cioè da materia non luminosa. Secondo la teoria vi sono due candidati per questa misteriosa forma di materia indicati come Weakly Interacting Massive Particles (WIMP) e assoni. Gli acceleratori di particelle non hanno ancora rivelato queste particelle, ma recenti osservazioni astrofisiche indicano che ambedue possono esistere. Le precise misure del Cosmic Microwave Background mostrano che la dark matter costituisce circa il 25% del budget dell'universo mentre la materia visibile, in forma di stelle, gas e polveri, contribuisce per il 4%, ma la natura della materia oscura rimane un mistero. Per spiegarla bisogna andare oltre il Modello Standard delle particelle elementari e cercare tipi di particelle più esotiche. Una di queste particelle è il neutralino, che probabilmente pesa quanto 1000 atomi di idrogeno ed è considerato un generico WIMP. Il neutralino è postulato dai modelli della supersimmetria che estende il Modello Standard alle alte energie. Ad oggi nessun neutralino è stato creato con gli acceleratori di particelle, ma in futuro potrebbero essere prodotti con il Large Hadron Collider (LHC) che si sta costruendo presso il CERN. Un’altra possibilità di una diretta rivelazione dei neutralini, creati quando l’universo era molto giovane e caldo, è attraverso l’interazione con i nuclei ma, poiché questa interazione è rara, gli esperimenti devono essere condotti sotto terra dove l’effetto dei raggi cosmici è soppresso di diversi ordini di grandezza. Anche le osservazioni astrofisiche potrebbero dare prove dell’esistenza dei neutralini. Essi vengono rallentati attraverso la collisione con la materia ed alla fine possono essere intrappolati dalla gravitazione di corpi come il Sole, la Terra ed i buchi neri al centro della galassia ed aumentare così la loro visibilità. Un altro possibile segnale può venire dalla collisione fra due neutralini che si crede produca annichilazione con miliardi di eV e neutrini più energetici di quelli solari. Recentemente lo spettrometro a raggi gamma del satellite INTEGRAL dell’ESA ha scoperto una sorgente di positroni emessi da oggetti vicini al centro galattico, presumibilmente un buco nero. I dati indicano che circa 10E43 positroni vengono annichilati in ogni secondo in questa regione, un processo che richiede un’energia pari a parecchie migliaia di volte quella del Sole. Queste osservazioni sono state interpretate come prova dell’esistenza di dark matter leggera che annichila o decade con massa a riposo fra 1 milione e 100 milioni di eV. Lo High Energy Stereoscope System (HESS), telescopio terrestre di raggi gamma, può aver scoperto segni di WIMP che si annichilano nel cuore della Galassia con energia di 12000 volte la massa dell’atomo di idrogeno, il che fa pensare a particelle di dark matter più esotiche di quelle considerate. Altre particelle candidate sono gli assoni, anche questi mai osservati direttamente, ma solo con prove indirette. A giustificare la loro esistenza è il principio della simmetria carica-parità (CP) per cui le leggi fisiche restano invariate cambiando particelle con antiparticelle e facendone l’immagine. Motivi teorici indicano che l’interazione forte viola la simmetria CP, ma per giustificare le diversità fra teoria ed esperimenti si è introdotta una nuova particella detta assone. Un assone neutro ha una massa a riposo fra un milionesimo e pochi eV. Si è proposto di rivelare gli assoni dalla loro interazione con un campo magnetico che porta all’emissione di un fotone. Gli assoni lasciati dal big bang vengono così rivelati con una cavità risonante in un forte campo magnetico che produce fotoni a microonde di energia uguale alla massa a riposo dell’assone. Oltre ad essere relitti dell’origine dell’universo, assoni relativistici possono essere prodotti in grandi quantità nelle stelle per diretta conversione di fotoni termici così, orientando la nostra cavità verso la possibile sorgente, si dovrebbe notare un aumento di fotoni prodotti. Alcuni dei maggiori misteri della fisica, come quello della forza gravitazionale estremamente debole, potrebbero trovare spiegazione con l’esistenza di altre dimensioni spaziali oltre quelle osservate. Si ritiene che dimensioni aggiuntive possono cambiare il comportamento degli assoni che all’interno di questa nuova dimensione apparirebbero di massa più elevata (1% della massa dell’elettrone invece dello 0,001%). Il fatto poi che gli assoni possono accumularsi in orbite intorno al Sole dove sono prodotti, con il loro decadimento provocano il riscaldamento dell’atmosfera solare e questo processo può spiegare l’origine della temperatura estremamente alta della corona (più di 1 milione di K).
Science, 7 Jan 2005, Vol. 307, pg. 77 - Ramesh Narayan - Il termine di accrescimento è usato in astrofisica per indicare l’affluenza di materia verso un centro gravitazionale ed è un processo diffuso nell’universo, alla base della formazione di molte delle strutture della galassia. L’accrescimento è la base della formazione delle stelle e dei pianeti, ma la manifestazione più spettacolare si ha quando l’elemento di attrazione è un buco nero. I buchi neri sono stati predetti dalla teoria generale della relatività di Einstein e sono caratterizzati non da una normale superficie, ma da una superficie virtuale, detta orizzonte degli eventi, che separa il mondo esterno dalla regione interna del buco nero da cui nulla può sfuggire. In astrofisica i buchi neri sono però degli oggetti semplici caratterizzati da solo due parametri: la massa e lo spin, o frequenza di rotazione. Gli astronomi trovano che i buchi neri hanno masse che vanno da poche masse solari (multipli di 2*10E33 g) a valori fra 10E6 e 10E9 masse solari. Nella nostra galassia ci sono forse 10 milioni di buchi neri di circa 10 masse solari prodotti dal collasso di stelle aventi masse iniziali fra 30 e 100 masse solari. La maggior parte è oscura ed invisibile, ma alcuni diventano potenti sorgenti di raggi X se fanno parte di complessi binari (X-Ray Binary = XRB) e possono dare luogo a Gamma Ray Burst. Oltre a questi modesti buchi neri c’è prova che ogni galassia ha al suo centro un buco nero massivo la cui massa viene valutata dal moto rotatorio delle stelle nelle sue vicinanze. Quando uno di questi buchi neri si accresce a spese della materia vicina si parla di un Active Galactic Nucleus (AGN) e questi sono estremamente luminosi superando in luminosità quella della propria galassia. I gas che vengono attratti verso questo oggetto centrale hanno un momento angolare che impedisce di raggiungere il centro e si dispongono in una struttura a forma di disco. Perché il gas venga catturato dall’oggetto centrale è necessaria una qualche forma di frizione e di questo probabilmente sono responsabili le forze magnetiche che agiscono sul plasma ionizzato. Dissipando energia sotto forma di radiazioni il gas si concentra nel disco di accrescimento che diventa uno delle più efficienti sorgenti di potenza dell’universo come XRB o AGN. Ai livelli più alti c’è l’emissione di neutrini invece di onde elettromagnetiche. Molti sistemi di accrescimento sono anche accompagnati da potenti emissioni di massa ed energia sotto forma di jet ben collimati. Recenti studi hanno chiarito la possibile origine di questi jet. Questi si verificano soprattutto nei buchi neri rapidamente rotanti e parte dell’energia proviene direttamente dall’energia di rotazione del buco nero. Subito fuori dall’orizzonte del buco nero ruotante c’è una regione dello spazio chiamata ergosfera dove la materia non può rimanere ferma, ma deve ruotare con il buco nero trascinata dal frame dragging seguendo la torsione delle linee magnetiche. Questo meccanismo si verifica anche nelle stelle rotanti magnetizzate come le pulsar. La prova dello spin di un buco nero viene dalla struttura dello spaziotempo intorno al buco nero e della radiazione nella zona vicina. Certe classi di XRB emessi sia da buchi neri che da stelle di neutroni mostrano oscillazioni quasi periodiche con periodo prossimo a quello di rotazione della materia e questo suggerisce un metodo per descrivere la struttura dello spazio tempo vicino all’orizzonte degli eventi. Sono state identificate differenze di luminosità e spettri delle radiazioni XRB fra buchi neri e stelle di neutroni che distinguono fra orizzonte degli eventi e superficie fisica della stella di neutroni. Teoricamente si vorrebbe osservare il gas che arriva sull’orizzonte di un buco nero e la tecnica per vedere ciò è quella dell’interferometria con VLBI (Very Long Baseline Interferometry) usando due radiotelescopi in due punti opposti della Terra che con una lunghezza d’onda di 0.3 mm permettono una risoluzione di 10E-5 arcsec e questo è l’esperimento che si sta pianificando.
Science, 11 Feb 2005, Vol. 307, pg. 879 - Charles L. Bennett - Le teorie di Einstein del 1905 hanno messo le basi della moderna fisica ed astrofisica. Einstein ha postulato l’equivalenza fra massa ed energia e sir Arthur Eddington ha ipotizzato che le stelle brillano perché convertono massa in energia secondo la legge E = m*c^2. Einstein spiegò anche l’effetto fotoelettrico e per questo lavoro ricevette nel 1921 il premio Nobel per la fisica e con un altro lavoro nello stesso anno spiegò il moto browniano. Due dei cinque articoli scritti da Einstein nel 1905 hanno introdotto la relatività speciale che si riferisce ai sistemi che si muovono a velocità costante poi, nel 1916 ha generalizzato la relatività anche ai sistemi che si muovono di moto accelerato. Lo spazio al di là della Terra ci fornisce un laboratorio unico con pressioni e temperature estreme, energie e campi magnetici che non possono essere riprodotti in laboratorio in condizioni terrestri.
La gravità come geometria. Newton ha formulato la prima legge universale della gravità con cui gli astronomi possono predire il moto e le orbite dei pianeti, ma Newton non spiegò la causa delle proprietà della gravitazione. Nella teoria generale della relatività Einstein rispose a questa domanda dicendo che la massa causa la curvatura dello spaziotempo. Un pianeta incurva lo spazio intono a lui e la sua luna si muove sotto l’influenza di questa curvatura. Einstein incoraggiò gli astronomi a misurare la posizione delle stelle vicino al Sole per vedere di quanto la loro luce era stata deviata durante un’eclisse. Eddington si recò nell’isola di Porto Principe nell’Africa occidentale in occasione dell’eclisse del 29 maggio 1919 ed ebbe prova di questa deviazione. Oggi si misura con grande accuratezza la deviazione della posizione dei quasar vicini al Sole mediante interferometri radio ed è stato riconosciuto che la luce che percorre uno spazio curvo arriva in ritardo rispetto a quella che attraversa lo spazio non perturbato; usando trasmissioni radio da satelliti si sono misurati ritardi di 200 microsecondi dovuti alla curvatura e le misure fatte recentemente con il Casini, durante il suo volo verso Saturno, si accordano con la relatività con una parte su 10E5. Fra i pianeti Mercurio è quello che più è influenzato dalla gravità del Sole. L’anticipo del suo perielio rispetto alla Terra è di 5599 arcsec per secolo e di questi 5025 sono dovuti alla precessione degli equinozi della Terra, i restanti 574 non si accordano con le previsioni di Newton che ammonta a soli 531 prodotta dalla perturbazione degli altri pianeti; i restanti 43 arcsec per secolo sono giustificati dalla relatività generale. Negli anni ’30 ci si accorse che i cluster di galassie avevano una massa 10 volte più grande di quella che suggeriva la loro luce e questa massa invisibile fu chiamata dark matter (materia oscura). Il fenomeno di lente gravitazionale confermò poi che i cluster di galassie sono dominate dalla materia oscura.
Redshift gravitazionale. Un principio fondamentale della relatività di Einstein è il principio di equivalenza secondo il quale è impossibile distinguere fra un campo di gravitazione locale ed un’equivalente accelerazione uniforme e da questo deriva lo spostamento gravitazionale verso il rosso della luce (redshift). La lunghezza d’onda in rapporto a quella in assenza di campo gravitazionale è pari alla variazione del potenziale gravitazionale diviso per c^2, quindi alla distanza r da una massa M è uguale a (1-2GM/(rc^2))^0,5 dove G è la costante gravitazionale e, se la massa è concentrata in un raggio Rs = 2GM/c^2, la lunghezza d’onda va a zero. Questo è il raggio di Schwarzschild di un buco nero detto anche orizzonte degli eventi. Il redshift gravitazionale fu misurato per la prima volta nel 1960 con la precisione del 10% con una transizione dell’isotopo Fe57 e più tardi la misura fu migliorata all’1%; recentemente è stato usato un orologio maser su un razzo lanciato a 10000 km di altezza e si è raggiunta un’accuratezza di 7*10E-5.
Onde gravitazionali. Le equazioni di Maxwell indicano che una carica elettrica in accelerazione produce una radiazione elettromagnetica¸ allo stesso modo una massa in accelerazione produce un’onda gravitazionale. Questa radiazione non è stata ancora misurata direttamente, ma è stata rivelata in modo indiretto. Dal 1974 al 1983 è stata osservata la pulsar PSR1913+16 che orbita intorno ad una stella di 1,4 masse solari con un periodo di 7,75 ore. Secondo la teoria della relatività generale questi due corpi in rapido moto orbitale producono onde gravitazionali e l’emissione di queste onde sottrae energia al sistema. Si è verificato che il periodo orbitale aumenta al ritmo di 76 milionesimi di secondo all’anno consistente con l’energia emessa per onde gravitazionali. Sono in corso i tentativi di una misura diretta di onde gravitazionali fra 10 e 1000 Hz con il LIGO (Laser Interferometer Wave Observatory) ed è stato pianificato il LISA (Laser Interferometer Space Antenna) con una costellazione di tre satelliti che dovrà misurare onde gravitazionali nel campo da 0.0001 a 1 Hz prodotte da collisioni e fusioni di oggetti come stelle di neutroni e buchi neri.
Effetto Lense-Thirring. La relatività generale predice l’esistenza di buchi neri e prove della loro presenza si sono avute in molte galassie. Le stelle che esauriscono il loro idrogeno non possono iniziare a produrre carbonio se la loro massa non super le 4 masse solari; quelle con massa fino a 1,44 masse solari collassano formando le nane bianche dove gli elettroni si trovano al limite per il principio di esclusione di Pauli, al di sopra di questo valore il collasso prosegue e gli elettroni si combinano con i protoni generando delle stelle di neutroni. Se la massa è maggiore di 2-3 masse solari il collasso prosegue senza limiti e si forma un buco nero. In presenza di un buco nero rotante un giroscopio perde il riferimento delle stelle lontane, trascinato dalla rotazione dello spaziotempo del buco nero e subisce una precessione. Questo fenomeno, che non si verifica con la gravità di Newton, è stato introdotto nel 1918 da Joseph Lense e Hans Thirring ed ha preso il loro nome. Più vicino si trova il giroscopio al buco nero più forte è il trascinamento. Anche il campo gravitazionale terrestre produce in misura minore questo effetto, detto anche frame dragging, ed è stato rivelato dalla precessione dei piani orbitali dei due satelliti LAGEOS (LAser GEOdynamics Satellites) 1 e 2 che hanno un involucro sferico di 0,6 m di diametro ricoperto da 426 riflettori passivi. Una massa accelerata produce anche effetti gravitomagnetici di interazione spin-to-spin ed a questo scopo la NASA ha inviato in orbita il Gravity Probe B che misurerà la combinazione dell’effetto di spin e di curvatura dello spaziotempo.
Nucleosintesi al big bang. Temperatura e velocità di espansione dell’universo durante il big bang hanno provocato la sintesi dei primi elementi chimici e quindi la loro abbondanza relativa è stata determinata dalle condizioni fisiche esistenti nelle prime fasi dalla sua espansione. Gli elementi più leggeri con numero atomico fino a 4 si sono creati alle origini mentre quelli più pesanti si sono prodotti con l’evoluzione stellare.
Il nostro universo dinamico. La relatività generale è anche alla base del moderno modello cosmologico e le equazioni del campo di Einstein sono espresse da: R(μ,ν) - 0,5*R*g(μ,ν) = 8*π*G*T(μ.ν) dove R(μ,ν) è il tensore di Ricci, R è lo scalare di Ricci, Gè la costante gravitazionale di Newton,g(μ,ν) è il tensore metrico e T(μ,ν) è il tensore sforzo-energia. Il membro a sinistra dell’equazione descrive la curvatura dello spazio ed il membro a destra descrive il contenuto dello spazio, quindi l’equazione riflette l’equivalenza fra materia e spazio curvo. Quando Einstein applicò questa equazione del campo alla cosmologia trovò che l’equazione implicava un universo instabile. Per produrre un universo stabile e controbilanciare l’effetto attrattivo della gravità, introdusse quella che chiamò costante cosmologica λ, un termine repulsivo di antigravità ed aggiunse al primo membro dell’equazione di campo il termine λ*g(μ,ν). La costante cosmologica può essere vista come un’energia del vuoto ed è una costante di natura di valore non precisato, Einstein la regolò in modo da evitare il collasso gravitazionale nell’ipotesi che l’universo fosse statico, ma nel 1929 Edwin Hubble trovò che le galassie si allontanavano con velocità proporzionale alla loro distanza e concluse che l’universo era in espansione. Le stelle variabili Cefeidi avevano dato la misura della distanza da correlare alla velocità dello spostamento doppler. Più recentemente le supernove tipo Ia hanno permesso la determinazione di distanze cosmiche ed un tentativo di scoprire un rallentamento della velocità di espansione ha fatto scoprire invece che l’universo sta accelerando e la costante cosmologica è riemersa come candidata a spiegare questa espansione accelerata.
Il Cosmic Microwave Background. Studiando la nucleosintesi nel big bang, nel 1949 Alfred Herman stimò che si sarebbe dovuto trovare una temperatura di fondo nello spazio di 5 K e nel 1965 Arno Penzias e Robert Wilson hanno misurato un umore di fondo a microonde equivalente a 2,7 K; per questo hanno ottenuto il premio Nobel nel 1978. Questa temperatura è stata accuratamente caratterizzata dal satellite COBE (Cosmic Background Explorer) come uno spettro di corpo nero a 2,725+/-0,001 K confermando il modello del big bang. Le misure accurate hanno mostrato che questo cosmic microwave background (CMB) non è esattamente uniforme e le disuniformità sono associate a piccole differenze nella distribuzione di materia che sono stati i semi per l’aggregazione delle strutture dell’universo ed a questo ha contribuito la presenza della materia oscura fredda (cold dark matter o CDM) che non interagisce con la luce. Quando con l’espansione la temperatura dell’universo scese a 3000 K, gli elettroni si unirono ai protoni a formare idrogeno neutro ed il CMB che oggi osserviamo è la temperatura di quell’istante detto di disaccoppiamento. Il COBE ha confermato la visione di un universo dominato dalla CDM. Ulteriori misure del CMB con sistemi montati su palloni o a terra e da ultimo con la sonda spaziale WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) hanno definito parametri di dinamica, contenuto e forma dell’universo. Lo Hubble Space Telescope (HST) ha permesso di definire la costante di Hubble, cioè la velocità di espansione dell’universo, ed i due programmi di analisi: 2° Field Galaxy Redshift Survey e Sloan Digital Sky Survey hanno determinato uno spettro di potenza tridimensionale basato sull’osservazione di centinaia di migliaia di galassie. La combinazione delle osservazioni cosmologiche degli ultimi 10 anni ha portato ad un modello cosmologico in accordo alla relatività generale. L’universo è piatto (euclideo) dominato da un 73% di energia oscura (dark energy), 23% di CDM, 4% di materia barionica ed ha una costante di Hubble di 71 km/s per Mps. Nonostante ciò ancora non conosciamo la natura specifica dell’energia oscura e della CDM e non comprendiamo la fisica delle origini dell’universo.
Inflazione. Ci sono prove che l’universo ha subito agli inizi una espansione estremamente rapida detta inflazione. L’inflazione spiega la piattezza dell’universo ed il problema dei monopoli. Con l’inflazione il raggio di curvatura dell’universo è diventato estremamente grande e questo spiega la grande uniformità nel CMB. Le regioni entro 2° angolari si trovavano in relazione causale e quindi hanno potuto raggiungere un equilibrio e noi non osserviamo monopoli magnetici perché l’inflazione li ha portati ad una densità infinitesima. L’inflazione deve aver prodotto anche onde gravitazionali che sono molto difficili da rivelare, ma devono aver lasciato un’impronta di polarizzazione nel CMB e questa misura potrebbe determinare il livello di energia dell’espansione di inflazione. Questo livello di energia è probabilmente dell’ordine di quello della teoria della grande unificazione (GUT) a cui si sono unificate le forze forti e elettrodeboli. Una futura missione della NASA è quella di Einstein Inflation Probe in fase di pianificazione che ha lo scopo di misurare le tracce sul CMB di queste primordiali onde gravitazionali.
Unificazione. Come Maxwell ha unificato le teorie dell’elettricità e del magnetismo, le forze elettromagnetiche sono state quantizzate da Feyman in una teoria detta quanto elettrodinamica (QED). Queste forze quantizzate sono state unificate con le forze deboli da Weinberg, Salam e Glashow e come per le interazioni fra fotoni e particelle cariche, nella QED i quark hanno una particolare carica forte, detta di colore, che interagisce con la forza forte. Anche se le forze elettromagnetiche e di gravitazione seguono ambedue la legge dell’inverso del quadrato della distanza i tentativi di Einstein di unificarle sono risultate vane e nel 1919 Kaluza propose di unificarle aggiungendo una dimensione extra e nel 1926 Klein propose che questa dimensione extra dovesse essere collassata. Poi è nata la teoria delle stringhe che predice uno spazio a 10 dimensioni con 6 di queste ridotte a piccole stringhe (compattate), ma difficili da scoprire ed infine la teoria delle superstringhe e la M-theory.
L’Energia Oscura. Noi ora crediamo che l’universo sia dominato dall’energia oscura che potrebbe identificarsi con la costante cosmologica di Einstein. Mentre la densità dell’energia della radiazione e della materia diminuiscono con l’espansione, non diminuisce quella della costante cosmologica e questa, che era trascurabile alle origini dell’universo, oggi è dominante e ne accelera l’espansione. Si tenta di associare l’energia oscura con quella del vuoto, ma considerazioni fisiche inducono a pensare che l’energia del vuoto potrebbe essere enorme. L’energia oscura può essere un segno del superamento della relatività generale e si cercano soluzioni con teorie modificate della gravità e le idee si moltiplicano. Più che dire che non si ha idea di ciò che sia l’energia oscura è più corretto dire che ci sono troppe idee in proposito. Si cercano strade teoriche e sperimentali studiando le curve di luce delle lontane supernove ed i fenomeni delle deboli lenti gravitazionali, di rivelare direttamente la CDM in esperimenti sotterranei o produrla con gli acceleratori e trovare misure per determinare la natura dell’energia oscura.
Science, 12 Aug 2005, Vol. 309, pg. 1022 - Mario Livio and Martin J. Rees - Il fatto che noi ci chiediamo se esiste una vita extraterrestre intelligente è fondato su una importante verità: le proprietà del nostro universo hanno permesso lo sviluppo della complessità che caratterizza gli esseri umani. Naturalmente i dettagli biologici che sono emersi dipendono dalle caratteristiche della Terra e dalla sua storia. Tuttavia alcuni requisiti sembrano essere generali per ogni forma di vita: si devono formare galassie, stelle e pianeti, la nucleosintesi nelle stelle deve produrre atomi come il carbonio, l’ossigeno ed il ferro e questi atomi devono avere un ambiente stabile dove possono combinarsi per formare le molecole della vita. Possiamo immaginare universi dove le costanti della fisica e della cosmologia abbiano valori diversi; molti di questi universi non potrebbero consentire le catene di processi che producono una vita avanzata. Ad esempio se la costante cosmologica (Λ = la pressione fisica del vuoto) fosse più alta di più di un ordine di grandezza, l’universo si sarebbe espanso così rapidamente da non consentire la formazione delle galassie. Altre proprietà sembrano essere cruciali per produrre la complessità e fra questi: la presenza di barioni (protoni e neutroni), il fatto che l’universo non è infinitamente uniforme, ma c’è stata una fluttuazione del cosmic microwave background (Q) che ha permesso la formazione di strutture, il fatto che la forza gravitazionale sia così debole (circa 10E40 più piccola delle altre forze) creando questo divario di dimensioni fra mondo atomico e mondo cosmico. La fisica del XXI secolo deve decidere quale di questi parametri adimensionali, Q e Λ, sia veramente fondamentale in un’ultima Teoria Unificata. Alcune versioni della teoria delle stringhe ammettono una numerosa varietà di “vuoto” ciascuno caratterizzato da un diverso valore di Λ e questo implica l’esistenza di tanti universi tascabili, un “multiverso”. Se alcune costanti fisiche non sono fondamentali possono assumere valori diversi e quindi alcuni universi tascabili possono non permettere la complessità ed una vita intelligente. L’universo dove si trova l’umanità deve essere i tipo biofilo. Questo concetto antropico del nostro universo viene ora discusso seriamente anche in relazione all’energia di Λ, 10E120 più grande). Come suggerito da Weinberg alcuni modelli suppongono che la costante cosmologica sia oscura. Negli ultimi sette anni si è compreso che l’espansione dell’universo sta accelerando e che il contributo dell’energia oscura è il 70% della densità critica necessaria ad un universo piatto e nasce la domanda perché noi stiamo vivendo in un periodo della storia dell’universo in cui densità di materia ed energia oscura sono approssimativamente uguali. Altre domande sono: perché lo spazio vuoto deve esercitare una forza; perché questa forza è così piccola (i teorici ipotizzano valori una variabile casuale. Anche la fluttuazione Q si può supporre sia una variabile casuale. In ogni caso in un universo antropico Q e Λ devono essere correlati. Per valori di Q inferiori a 10E-6 si potrebbero formare solo piccole strutture di materia oscura; per valori di Q più grandi di 10E-3 grandi strutture collasserebbero gravitazionalmente per formare mostruosi buchi neri. Anche il valore di Λ ha dei limiti inferiori perché si possano formare le galassie. Una maggiore comprensione della teoria delle stringhe e dell’inflazione potrebbe indicarci se il nostro big bang è stato unico o uno dei tanti, ma il ragionamento antropico ed il multiverso mette in crisi molti fisici e vi sono due ragioni per questo. La prima è la potenziale esistenza di un insieme di universi non osservabili che sembra in conflitto con il metodo scientifico che richiede la verifica sperimentale e quindi sembra stare nel regno della metafisica, ma i confini fra ciò che consideriamo osservabile e ciò che non lo è sono indefiniti. Nel modello dell’universo di Einstein-de Sitter l’espansione decelera e la galassie che si trovano oltre l’orizzonte diventeranno visibili e quindi osservabili nel futuro, ma noi siamo invece in un universo piatto che accelera e non potremo mai osservare ciò che sta di la dall’orizzonte. Vi sono teorie che predicono molti big bang, un’altra possibilità è che esistano molti universi in uno spazio a dimensioni superiori e quello che chiamiamo universo è solo una parte di spaziotempo di un vasto arcipelago cosmico. Non sappiamo se queste teorie sono corrette, ma si tratta di scienza speculativa e non metafisica; questi universi saranno caratterizzati da valori di parametri come Q e Λ che hanno credibilità e sono basati su cose osservabili. Se una teoria può fare predizioni provabili e falsificabili in parti osservabili dell’universo, possiamo anche accettare predizioni in parti non accessibili alla nostra diretta osservazione. Una seconda ragione dell’ostilità dei fisici al concetto del multiverso è che il ragionamento antropico sembra porre una limitazione ai fisici, ma l’obiezione è puramente psicologica. I fisici aspirano a scoprire un insieme di equazioni autoconsistenti che determinano tutte le costanti fisiche e la ricetta del big bang, sperano che in futuro tutte le costanti fisiche siano unicamente determinate, ma non c’è ragione perché la realtà fisica sia strutturata secondo le loro preferenze. Se i futuri sviluppi confermeranno la possibilità di un multiverso allora il ragionamento antropico offrirà la sola spiegazione per le caratteristiche del nostro universo. Al momento non abbiamo ragioni per escludere tutte le opzioni e dobbiamo essere pronti ad accettarle. Quelle che noi abbiamo chiamato costanti fondamentali e leggi potrebbero essere leggi locali per il nostro universo. Nei prossimi decenni ci aspettiamo di trovare migliori spiegazioni all’energia oscura, prove sperimentali della supersimmetria e della rottura della simmetria e forse di misurare le onde gravitazionali generate dall’inflazione. Queste ed altre scoperte apriranno una nuova luce sul multiverso e sull’unicità o meno delle leggi della fisica. Il nostro universo non è il più bello ed il più semplice, ma ha un insieme di ingredienti apparentemente arbitrari in un campo di valori che ci permettono di esistere.
Science, 2 Sep 2005, Vol. 309, pg. 1482 - Adrian Cho - Dal 1929 gli scienziati hanno saputo che l’universo era in espansione, ma supponevano che fosse in fase di rallentamento per effetto della gravità. Due team hanno cercato di verificare questo rallentamento misurando la distanza delle lontane supernove. Con sorpresa dei ricercatori si è trovato che le più lontane supernove erano più distanti di quanto atteso dalla legge di Hubble, ciò significa che l’espansione dell’universo è in accelerazione come se ci fosse una pressione interna detta “energia oscura”. Si pensò all’inizio che nelle misure ci fosse una cattiva calibrazione della distanza, ma in pochi anni si ebbero conferme dal cosmic microwave background e da altre misure e si riconobbe che l’energia oscura costituisce i due terzi dell’universo. Tuttavia i ricercatori non sanno ancora di cosa sia fatta questa misteriosa energia. Una risposta i potrà avere osservando ancora migliaia di supernove e milioni di galassie. Nella prossima decade la NASA ed il Department of Energy (DOE) lanceranno un telescopio spaziale progettato per misurare l’energia oscura, detto Joint Dark Energy Mission (JDEM), ma anche con questa missione i ricercatori si chiedono se riusciranno a trovare le proprietà dell’energia oscura. Ci sono dozzine di proposte per la misura dell’energia oscura anche dalle basi a terra e si è creata una Dark Energy Task Force per valutarle, stabilire priorità a breve termine e studiare metodi e tecnologie per lo JDEM. Per il momento non si sa che cosa sia l’energia oscura, ci sono solo diversi modi per misurarla e diversi aspetti da misurare, ma ci sono misteri in tutte le direzioni. Finora i teorici hanno avanzato tre idee su ciò che potrebbe essere ed ognuna di esse è una sfida all’attuale concezione dell’universo. La spiegazione più semplice è che l’energia oscura sia parte dello stesso vuoto perché lo spazio tende naturalmente ad espandersi come se fosse spinto da una pressione interna costante. Nel 1927 Einstein propose questa pressione come “costante cosmologica” per contrastare la gravità ed impedire che l’universo implodesse; più tardi abbandonò questa idea come non necessaria quando gli astronomi trovarono che in realtà l’universo si espandeva. Questa stessa pressione potrebbe essere ciò che spinge l’accelerazione dell’universo. Se è così ciò preoccupa i fisici delle particelle che da decenni sanno che per la meccanica quantistica il vuoto è pieno di particelle che nascono e muoiono e che queste particelle virtuali danno al vuoto un’energia che può servire come costante cosmologica. Purtroppo l’energia che i fisici calcolano su queste basi è troppo grande per concordare con i dati. In alternativa l’energia oscura potrebbe derivare da particelle o interazioni che si propagano nello spazio come la luce. Questa teoria della “quintessenza” aggira il problema dell’energia del vuoto, ma ha difficoltà con altri aspetti della fisica delle particelle, ad esempio deve spiegare perché queste nuove particelle non interagiscano con quelle a noi familiari. In terza istanza l’espansione accelerata potrebbe non dipendere dall’energia oscura. Potrebbe invece indicare che su distanze di miliardi di anni luce la gravità non si comporta come predice la teoria della relatività e teorie che modificano la gravità sono più facili da provare. Le diverse possibilità si possono distinguere da come la densità dell’energia cambia con l’espansione dell’universo. Se l’energia oscura è una costante cosmologica, allora la sua densità deve rimanere costante, ma se varia allora deve essere qualcosa di diverso. Per trovare queste differenze i ricercatori devono tracciare la storia dell’espansione dell’universo che si trova nella luce delle stelle lontane. Osservando supernove e cluster di galassie si deve trovare quanto sono lontane e quale è il loro redshift doppler. L’accelerazione dell’universo è stata scoperta misurando il redshift di supernove fra 0,2 e 1,0; lo scopo dello JDEM è di misurare migliaia di supernove con redshift fino a 1,7. In questo caso si tratterà di misurare distanze fra le galassie che tendono a spaziarsi in modo sistematico di 500 milioni di anni luce per il fenomeno noto come “baryon acustic oscillations” prodotto alle onde sonore nel plasma prima della ricombinazione. Localizzando milioni di galassie si potrà stabilire così la relazione distanza/redshift. Le galassie possono rivelare l’evoluzione dell’energia oscura attraverso un altro sottile effetto. Dal cosmic microwave background si sa che la maggior parte della materia dell’universo è materia oscura non rivelabile che riempie lo spazio con vasti filamenti che avvolgono le galassie. La gravità di questi filamenti incurva la luce delle galassie più distanti e distorce il loro aspetto in modo che le galassie più vicine sembrano allinearsi. Questo effetto di lente gravitazionale debole dipende dalla distanza fra la lente di materia oscura e le galassie osservate. Così, paragonando questo effetto su milioni di galassie di diverso redshift, si spera di decifrare la relazione distanza/redshift. Per ultimo i ricercatori possono esplorare l’energia oscura semplicemente contando i cluster di galassie in un’area del cielo; il numero di clusters di un certo redshift indica il volume dell’area, le dimensioni la distanza dell’area e forniscono i dati che servono per analizzare l’espansione. Il problema è ora dove eseguire le osservazioni. Tutti concordano che le supernove con redshift maggiore di 1.0 si possono studiare solo dallo spazio perché si trovano nelle lunghezze d’onda dell’infrarosso che vengono assorbite dall’atmosfera. Se invece si guarda alle galassie alcuni dicono che è meglio da Terra e già l’Università di California progetta il Large Synoptic Survey Telescope (LSST) con specchio da 8,4 m ed un sensore di 3 miliardi di pixel che dovrebbe entrare in funzione nel 2012, registrare 3 miliardi di galassie, gli effetti di lente gravitazionale debole e delle baryon acustic oscillations. Altri dicono che ciò è troppo semplicistico e che le distorsioni dell’atmosfera potrebbero mascherare gli effetti di lente gravitazionale; in questo caso sarebbe meglio un sistema spaziale perché anche il redshift delle galassie è più difficile da misurare da Terra. Per queste incertezze i ricercatori hanno proposto diverse strategie per lo JDEM, ma le maggiori incertezze sullo JDEM sono politiche più che tecniche. NASA e DOE hanno dato priorità al progetto, ma non lo hanno liberato ed il lancio potrebbe essere rinviato dal 2011 al 2017. Nel frattempo si sperimentano le prove da Terra.
Science, 20 Jan 2006, Vol. 311, pg. 316 - Robert Irion - La notizia diffusasi nei giornali che l’energia oscura, la misteriosa forza che fa espandere l’universo, sia variata nel passato in modo eccezionale e ad un certo punto abbia anche cambiato direzione, ha lasciato molti ricercatori increduli. Il dibattito riguarda i GRB (Gamma Ray Burst), gigantesche esplosioni dello spazio profondo, che possono aiutare gli astronomi a misurare le distanze dell’universo. Alla fine degli anni ’90, due team di ricercatori hanno usato le meno violente esplosioni di supernova come candele standard di luminosità nota per misurare quanto rapidamente il cosmo si era espanso nel passato. Le supernove però sono troppo deboli per misurare l’espansione cosmica a pochi miliardi di anni luce dopo il big bang. I GRB possono sostituirle. Questo è ciò che ha pensato l’astronomo Bradley Schaefer della Louisiana State University, in Baton Rouge. Schaefer, studiando il database di 52 GRB osservati da diversi satelliti e basandosi su 5 delle loro proprietà, come l’energia di picco delle lunghezze d’onda e l’andamento di luminosità ed attenuazione, li ha calibrarli come candele standard ed ha quindi determinato la loro distanza. Si è trovato che quasi tutte, incluse le 12 più lontane, sono risultate più luminose di quanto ci si aspettava se l’energia oscura fosse rimasta costante nella storia del cosmo. Per spiegare questa differenza si è supposto che, dopo il big bang, l’espansione dello spazio abbia rallentato più del previsto perché l’energia oscura esercitava un’azione attrattiva. La forza prima si è ridotta e quindi, nei successivi 10 miliardi di anni, è diventata sempre più repulsiva. La reazione a questa notizia è stata diversa. Da alcuni è stata vista come un’idea promettente, per altri ci sono troppe forzature. I GRB provengono da meccanismi molto diversi; quando le stelle creano dei buchi neri ed i loro nuclei emettono raggi gamma e X, le esplosioni sono molto diverse da una all’altra e molti dubitano che sia possibile fare una calibrazione. Inoltre diversi astronomi dicono che questa variabilità rende i GRB inadatti a rivelare le variazioni dell’energia oscura quando l’universo era piccolo perché la sua forza era quasi trascurabile. Schaefer vuole continuare sulla sua strada perché la calibrazione delle supernove è migliorata enormemente nell’ultima decade e si aspetta che lo stesso succeda per la calibrazione dei GRB.
Science, 3 Feb 2006, Vol. 311, pg. 594 - Adrian Cho - Un alone nell’immagine di una lontana galassia invalida i fondamenti della schiuma quantistica che costituirebbe lo spaziotempo su scala microscopica. Se vera, l’osservazione pone il primo limite sperimentale alla teoria della quantum gravity che dovrebbe sposare la meccanica quantistica e la teoria generale della relatività di Einstein. L’alone appare intorno ad un quasar, il cuore di una galassia, in un’immagine all’infrarosso presa dallo Hubble Space Telescope nel 1998. Il sottile anello si verifica perché la luce si distorce leggermente rimbalzando ai bordi dello specchio del telescopio in modo da create cerchi su ogni oggetto puntiforme. L’effetto si verifica però solo se le onde luminose rimangono invariate viaggiando per 4 miliardi di anni luce dal quasar. La presenza di una schiuma quantistica renderebbe confuso l’alone secondo i fisici teorici ed il modello caotico della schiuma sarebbe invalidato secondo quanto pubblicato in un rapporto della Physical Review Letters. Già nel 2003 gli astrofisici avevano concluso che la spuma quantistica avrebbe creato un’incertezza quanto più distante fosse stato il tragitto percorso dalla luce del quasar e ciò avrebbe reso confuso il fronte d’onda ed eliminato l’anello. Gli astrofisici assumevano che l’incertezza sarebbe cresciuta in funzione della distanza, precisamente in funzione della radice quadrata della distanza con un effetto ridotto; inoltre l’incertezza varierebbe anche con la direzione per effetto delle bolle della schiuma. I ricercatori continueranno le verifiche degli aloni nelle immagini di altri quasar e con telescopi più grandi per vedere di rivelare effetti più piccoli della spuma e testare altri modelli teorici.
Science, 10 Feb 2006, Vol. 311, pg. 758 - Daniel Clery - Alcuni ricercatori dicono di aver trovato la prima proprietà fisica della materia oscura (dark matter), la sostanza che costituisce la maggior parte dell’universo. In team di Gerry Gilmore dell’Istituto di Astronomia dell’università di Cambridge ha analizzato le caratteristiche delle galassie nane, satelliti della nostra Via Lattea. Tutte hanno un nucleo di materia oscura di dimensioni e temperatura uniforme più caldo di quanto predicano le teorie della materia oscura e si suggerisce che questa possa essere una proprietà intrinseca della materia oscura. Negli ultimi 3 anni Gilmore ed il suo team hanno usato i più grandi telescopi, incluso il Very Large Telescope dell’ESO nel Cile, per mappare posizioni e velocità di migliaia di stelle di 10 minigalassie vicine alla Via Lattea. Gli astronomi sanno che tutta la massa delle stelle visibili non fornisce abbastanza forza di gravità per tenere insieme le galassie e da ciò deriva l’ipotesi di una grande quantità di materia oscura per quadrare il bilancio. Il team di Cambridge afferma di aver calcolato per ciascuna galassia un volume uniforme di materia oscura di 1000 anni luce di lato con una densità equivalente di 4 atomi di idrogeno per centimetro cubo. La teoria più comune suggerisce che la materia oscura sia fatta da particelle esotiche massive che interagiscono fra di loro solo con la gravità e si suppone inoltre che esse abbiano basse velocità e temperatura. Questo modello si adatta bene alle strutture di galassie su grande scala, ma nelle piccole galassie la materia oscura è più distribuita e più calda di quanto predetto dal modello. Le particelle sembrano avere una velocità di 9 km/s ed interagiscono per diffondersi uniformemente come se ci fosse una certa forma di repulsione. Altri ricercatori giudicano i risultati con più cautela e sono scettici sulla presenza di una carica repulsiva delle particelle perché porrebbe molti problemi. Lo studio di Cambridge ha fornito inoltre un nuovo valore alla massa della nostra Via Lattea ed ha rivelato che è maggiore di quella della galassia di Andromeda e quindi la maggiore del nostro gruppo locale.
Science, 10 Feb 2006, Vol. 311, pg. 787 - Ruth Durrer - L’osservazione dei campi magnetici nel cosmo risulta difficile e ciò nonostante, in molte galassie e cluster di galassie, sono stati misurati valori dell’ordine dei microgauss, ma rimane un mistero come si sono generati. I modelli per la generazione di campi magnetici su larga scala sono basati su meccanismi astrofisici o cosmologici. Nei meccanismi astrofisici i campi magnetici sono generati da correnti elettriche prodotte nella rotazione dei sistemi e si rinforzano nelle esplosioni di supernova; questo non spiega però i campi su scale cosmologiche che esistono nelle galassie e nei cluster di galassie. Forse i campi su larga scala si sono generati nel primo universo, parecchie centinaia di milioni di anni dopo il big bang, quando si sono formate le protogalassie. I meccanismi cosmologici sono basati sull’inflazione; l’espansione accelerata stira le fluttuazioni quantistiche di piccola scala oltre l’orizzonte casuale ed i campi magnetici si diluiscono durante l’espansione divenendo di valore trascurabile alla fine dell’espansione. Una terza categoria di meccanismi di generazione si ha durante la ricombinazione cosmologica degli atomi di idrogeno ed in questo caso sono gli effetti di secondo ordine degli accoppiamenti fra fotoni ed elettroni nello scattering Compton e Coulomb, dovuti alla differenza di velocità fra fotoni ed elettroni, che producono campi magnetici su larga scala e questi sono abbastanza grandi da produrre nelle galassie i semi dei campi magnetici che agiscono durante la formazione delle prime stelle.
Science, 17 Mar 2006, Vol. 311, pg. 1535 - Michael Schirber - Come un campo magnetico agisce su un raggio laser polarizzato non è un esperimento che si può dare per scontato. I ricercatori hanno trovato una rotazione molto piccola, di 1/100000 di grado. Tuttavia se il risultato è vero ha delle grandi implicazioni. Secondo i ricercatori che in Italia hanno condotto gli esperimenti, questa piccola rotazione è il risultato della sparizione di fotoni e suggerisce l’esistenza di piccole particelle neutre mai viste prima che, se si generassero nelle stelle, porterebbero via tutta la loro energia. Anche i teorici che trovano poco convincente questo scenario, cercano di spiegare la sparizione di fotoni e, pur essendo scettici sull’esistenza di nuove particelle, non trovano altre plausibili spiegazioni. La fisica prevede una piccola rotazione nella polarizzazione di un fascio in un campo magnetico dovuta alle particelle virtuali che compaiono e scompaiono nel vuoto, ma i ricercatori del Laboratorio Nazionale di Legnaro dell’Istituto Nazionale Italiano per la Fisica Nucleare e Giovanni Cantatore dell’Università di Trieste che lavorano all’esperimento PVLAS, usando nel 2000 il loro magnete da 5 tesla, hanno osservato una rotazione 10000 volte più grande di quanto atteso. La rotazione è causata dalla perdita di un certo numero di fotoni il cui campo elettrico è allineato con il campo magnetico e questa sparizione selettiva è quella che i fisici osserverebbero se i fotoni perduti si fossero convertiti in particelle neutre aventi una massa pari a un miliardesimo dell’elettrone. Il team del PVLAS ha speso 5 anni studiando questo fenomeno ed altri fisici del DESY, in Germania, e dell’università della Florida sono attenti al problema le cui implicazioni sono rivoluzionarie. Le nuove particelle, se esistono, potrebbero essere connesse agli assoni, le ipotetiche particelle che i cosmologi propongono per l’invisibile materia oscura anche se non corrispondono alle caratteristiche date dai fisici. Le particelle dell’esperimento PVLAS sono strettamente accoppiate ai fotoni e dovrebbero essere generate nel Sole e nelle stelle e potrebbero portare via la loro energia in poche migliaia di anni. Il team PVLAS vuole chiarire il fenomeno con un esperimento usando due magneti separati da una parete; da un lato un fascio laser verrà convertito in un flusso di queste particelle sconosciute e, dall’altro lato della parete, il secondo magnete riconvertirà le particelle in fotoni con una frequenza prevista di uno ogni 2 secondi. Anche presso il DESY ed il CERN viene proposto un esperimento simile. Tutti i fisici sono curiosi di sapere cosa succederà.
Science, 24 Mar 2006, Vol. 311, pg. 1689 - Adrian Cho - La scorsa settimana, un anno dopo quanto pianificato, i ricercatori che presso la NASA lavorano al satellite Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) hanno emesso il loro secondo gruppo di dati. Le nuove misure mettono in evidenza la formazione delle prime stelle e stringono le condizioni delle teorie secondo le quali il nascente universo si è espanso dalle dimensioni di una pallina a miliardi di anni luce in 10E-35 secondi. I nuovi risultati del WMAP sono estremamente importanti e si apre una nuova fase della ricerca cosmologica. Lanciato nel 2001, il WMAP rivela la luce proveniente dal big bang che si è raffreddata aumentando la sua lunghezza d’onda e lasciando un fondo di microonde ad una temperatura di 2,7 K. Tre anni fa i ricercatori del WMAP hanno usato i dati raccolti dal satellite nel suo primo anno per mappare le piccole variazioni di temperatura del fondo di microonde del cielo. Analizzando le fluttuazioni, il team aveva estratto importanti dati statistici con precisione mai raggiunta prima. L’universo è vecchio di 13,7 miliardi di anni, ha geometria piatta e non curva, come una gigantesca sfera o una sella, e consiste di poca materia ordinaria e molta più materia oscura invisibile ed un notevole ammontare di energia oscura che fa espandere lo spazio. Ora i ricercatori del WMAP hanno analizzato i dati raccolti nel secondo e terzo anno di missione del satellite. Le microonde che vengono da luoghi diversi del cielo puntano in direzioni diverse come le frecce del vento in una mappa meteorologica e la nuova mappa indica come la polarizzazione varia nel cielo. I nuovi dati aprono una nuova visione sugli inizi dell’universo. La polarizzazione si formò quando i fotoni del bagliore del big bang hanno colliso con gli elettroni liberi attraversando lo spazio e gli elettroni furono emessi quando furono strappati agli atomi neutri dalla luce delle prime stelle. Così studiando la polarizzazione i ricercatori possono dire che le prime stelle sono emerse 400 milioni di anni dopo il big bang. Il risultato fa scartare alcuni modelli di inflazione, la fantastica espansione che avvenne nella prima frazione di secondo. Le fluttuazioni della polarizzazione sono solo un centesimo delle variazioni di temperatura. I ricercatori sperano di rivelare dei piccoli vortici nel fondo di microonde che siano segno della presenza delle onde gravitazionali del big bang, ma queste possono essere ancora troppo deboli e potranno essere rivelate dal successore del WMAP, cioè dal satellite europeo Planck il cui lancio è previsto nel 2007.
Science, 21 Apr 2006, Vol. 312, pg. 348 - Adrian Cho - Un rapporto di un team di astronomi riporta nuove misure che indicano come il rapporto fra la massa del protone e la massa dell’elettrone sia aumentato di 0,002% negli ultimi 12 miliardi di anni. Se così fosse, il rapporto di altre costanti fondamentali della natura potrebbe non essere costante e questo sarebbe una rivoluzione nella scienza. Per mettere in evidenza il cambiamento, due gruppi hanno collaborato per confrontare la luce delle stelle con quella di un laser. Usando il Very Large Telescope di Atacama, nel Cile, fisici dell’Istituto Fisico-Tecnico di St. Pietroburgo, in Russia ed astronomi dell’Istituto di Astrofisica di Parigi hanno studiato la luce di due quasar, cuore di antiche galassie. La luce era filtrata da nubi di idrogeno molecolare lontane miliardi di anni luce, quando l’universo era alla sua infanzia. Contemporaneamente fisici della Libera Università di Amsterdam hanno illuminato in laboratorio con una luce laser dell’idrogeno molecolare. L’idrogeno molecolare assorbe la luce in particolari lunghezze d’onda e crea uno spettro di assorbimento come un codice a barre. La posizione delle linee dipende dal rapporto fra la massa del protone e quella dell’elettrone. Così, paragonando l’assorbimento dello spettro delle nuvole con quello ottenuto in laboratorio, i ricercatori possono dire se il rapporto di masse è cambiato. Questo è più facile a dirsi che a farsi. Per l’espansione dell’universo la luce dei quasar si è spostata dall’ultravioletto al visibile, effetto che deve essere corretto dai ricercatori e questo deve essere fatto per ciascuna riga. I ricercatori hanno trovato che il rapporto è cambiato di 20 parti per milione negli ultimi 12 miliardi di anni e ciò è stato riportato nel Physical Review Letters. Il valore è al limite degli errori statistici ed è un’indicazione più che una prova. La variazione è plausibile ed è prevista nelle Teorie della Grande Unificazione, ma costanti variabili richiedono l’esistenza di nuove particelle che dovrebbero o interferire con la gravità oppure produrre strane oscillazioni nell’energia dell’universo ed è al momento difficile introdurre la variazione delle costanti nell’attuale universo. Si sono avute altre indicazioni di questa non costanza. Nel 1999, un team dell’Università del New South Wales ha riportato misure di assorbimento di luce quasar da parte di ioni metallici ed ha trovato che la “costante della struttura fine”, che determina l’intensità della forza elettromagnetica, sembra sia cambiata di circa 6 parti per milione. Stranamente gli astronomi di Parigi non hanno ritrovato questo cambiamento. Per confermare se il rapporto di massa sia veramente cambiato i ricercatori devono studiare altri quasar e nubi di idrogeno.
Science, 26 May 2006, Vol. 312, pg. 1148 - Alexander Vilenkin - Una delle strane conseguenze della meccanica quantistica è che anche lo spazio vuoto ha un’energia, ma come calcolare quest’energia è il problema più strano della fisica teorica. Per decenni i fisici si sono chiesti perché quest’energia è così piccola senza trovare una soluzione. Lo spazio vuoto non è il nulla, ma un oggetto fisico complicato dove continuamente particelle, come elettroni, positroni e fotoni, si producono e si distruggono per fluttuazioni quantistiche. Queste particelle virtuali esistono per tempi brevissimi, ma la loro energia fornisce allo spazio un valore non nullo per centimetro cubo e viene chiamata Costante Cosmologica e denotata con la lettera greca lambda maiuscola. Il problema è che il calcolo teorico di questa “lambda” fornisce valori enormemente grandi di 10E120 ordini di grandezza superiori a quelli osservati. Secondo la teoria della relatività generale di Einstein, l’energia del vuoto produce una forza repulsiva antigravitazionale e, se fosse così grande, l’universo sarebbe esploso istantaneamente. Si può pensare che ci siano contributi positivi e negativi, ma se c’è stata una compensazione di 120 ordini di grandezza avrebbe potuto esser pure completa per una misteriosa simmetria. Le osservazioni della fine degli anni ’90 hanno portato alla sorprendente scoperta che l’universo è in espansione accelerata per effetto di una costante cosmologica positiva e la sua grandezza è circa due volte la densità dell’energia media della materia nell’universo. Questo è sorprendente perché materia ed energia del vuoto si comportano in modo diverso con l’espansione cosmica. Infatti l’energia del vuoto rimane costante mentre la densità di materia diminuisce con l’espansione ed a noi è capitato vivere in un momento in cui le due densità sono vicine fra di loro. La stranezza potrebbe risolversi se si assume che la costante cosmologica non sia un numero fisso, ma assume valori diversi in luoghi diversi dell’universo e nei luoghi dove assume valori più grandi di quelli da noi osservati impedirebbe la formazione delle galassie e quindi l’evoluzione della vita. Si torna all’idea di una selezione antropica che, nonostante l’iniziale resistenza dei fisici, ha recentemente guadagnato consensi dalla teoria delle stringhe e dalla cosmologia. La teoria delle stringhe predice una moltitudine di stati di vuoto caratterizzati da diversi valori di “lambda” e di altre costanti della cosmologia inflazionaria e suggerisce che l’universo, su grande scala sia in espansione esponenziale e genera costantemente delle bolle a bassa energia, come quella in cui noi viviamo con tutti i possibili valori delle costanti. Le galassie e gli osservatori coscienti esistono solo nelle rare bolle dove le costanti assumono valori opportuni. Le analisi mostrano che le galassie si formano in regioni dove densità di materia e di energia del vuoto sono comparabili. Paul J. Steinhardt della Princeton University, USA, e Neil Turok della Cambridge University, UK, propongono uno scenario cosmologico ciclico in cui l’universo attraversa cicli multipli di espansione e compressione e, all’inizio di ogni ciclo, si rigenera un’alta densità di materia. Il modello ciclico non è largamente accettato e la spiegazione antropica risulta quindi l’unica più convincente.
Science, 18 Aug 2006, Vol. 313, pg. 931 - Rennan Barkana - L’archeologia degli astronomi consiste nel guardare indietro nel tempo coprendo in principio l’intera storia cosmica di 13,7 miliardi di anni. Per misurare la distanza gli astronomi usano le emissioni caratteristiche dello spettro dell’idrogeno e di altri elementi chimici di ogni galassia misurandone il redshift cosmologico z. Con l’espansione dell’universo, le lunghezze d’onda si allungano e lo spettro che osserviamo è spostato, rispetto a quello emesso realmente, di 1+z ed i cosmologi possono calcolarne la distanza e l’età cosmica. I grandi telescopi possono osservare deboli galassie che si trovano a 10 miliardi di anni nel passato e così sappiamo che le galassie esistevano già 850 milioni di anni dopo il big bang con un redshift di circa z=6,5. Un altra fonte di osservazione è il Cosmic Microwave Background (CMB), il relitto di radiazione delle origini dell’universo. Per centinaia di migliaia di anni il gas cosmico consisteva in un plasma di protoni ed elettroni, nuclei leggeri in agitazione termica dentro cui la luce veniva diffusa. Circa 400000 anni dopo il big bang la temperatura era scesa a poche migliaia di gradi kelvin e protoni ed elettroni si muovevano ormai abbastanza lentamente da far prevalere la loro attrazione dando luogo al processo detto di ricombinazione ed alla formazione di idrogeno neutro. Da questo momento la luce si è propagata in linea retta, non più diffusa dal plasma, ed ha subito il redshift dell’espansione costituendo la radiazione di fondo del CMB. Dal momento della ricombinazione è entrata in scena la gravità amplificando le piccole fluttuazioni di temperatura e densità che si osservano nel CMB. Le regioni leggermente più dense hanno iniziato a contrarsi e, dopo milioni di anni, stelle e galassie hanno cominciato a formarsi. Questo processo sarebbe stato troppo lungo se non vi avesse partecipato anche la presenza della materia oscura, la sostanza sconosciuta che forma la vasta maggioranza (85%) della densità della materia. Il mezzo intergalatico (IGM) che pervade lo spazio viene studiato dagli astronomi dal suo assorbimento della luce delle lontane quasar, gli oggetti noti più luminosi. La luminosità dei quasar si ritiene derivi dai buchi neri formati da miliardi di masse solari poste al centro di galassie massive. La riga Lyman-alpha dell’idrogeno, alla lunghezza d’onda di 1216 Å, è stata usata per tracciare la presenza dell’idrogeno attraverso il suo assorbimento. Il redshift 1+z di questo assorbimento permette di determinare la distribuzione dell’idrogeno intergalattico. L’assorbimento della Lyman mostra che lo IGM si è ionizzato dall’età di 805 milioni di anni (z=6,5) fino ad oggi per effetto della radiazione emessa dalle prime stelle. Le più lontane galassie brillavano già quando l’universo era vecchio di un milione di anni. Simulazioni numeriche con i supercomputer hanno indicato come si sono formate le prime stelle che erano molto massive, di circa 100 masse solari ciascuna. Le prime stelle osservabili, secondo i modelli, si sono formate 30 milioni di anni dopo il big bang, meno dello 0,25% dell’età totale dell’universo di 13,7 miliardi di anni. Il collasso gravitazionale ha formato gli aloni galattici ed alla seconda generazione di galassie, con 10E7 masse solari, le sorgenti di ionizzazione cominciarono a prevalere. La prima galassia, delle dimensioni della Via Lattea con 10E12 masse solari, si è formata 400 milioni di anni dopo il big bang. L’andamento della ionizzazione si determina contando i fotoni di tutte le sorgenti di luce, stelle e buchi neri, ma l’universo primitivo era dominato dalle piccole galassie con al centro un piccolo buco nero. Poiché l’energia di ionizzazione è di 13,6 eV e la maggior parte dei fotoni delle stelle è solo di poco più energetica, il mezzo interstellare era formato all’inizio da zone fortemente ionizzate fra zone di idrogeno neutro. L’universo si è completamente reionizzato non prima di un’età di 300 milioni di anni. Prima si sono formate delle bolle di ionizzazione, poi le bolle si sono riunite ionizzando un’intera regione, il processo si inverte nelle regioni più dense quando elettroni e protoni collidono ricombinandosi. Lo studio della reionizzazione si fa anche misurando la linea spettrale di emissione ed assorbimento dell’idrogeno atomico a 21 cm con i radio telescopi. Questa linea, per un redshift di 6,5 ed oltre, si sposta fra 1,5 e 4 m e questo rimanda all’esigenza di una radioastronomia con telescopi che si estendono per chilometri e con lunghezze d’onda che si sovrappongono a quelle delle moderne telecomunicazioni.
Science, 25 Aug 2006, Vol. 313, pg. 1033 - Tom Siegfried - Per decenni gli astronomi hanno supposto che la materia oscura si nascondesse dentro e fra le galassie. Le stelle luminose da sole non esercitavano abbastanza forza di gravità per spiegare come esse ruotano e come i cluster di galassie rimangono legati; c’era qualcosa di invisibile che le attraeva. Materia addizionale era data dai gas intergalattici, ma molta più massa doveva trovarsi in forma non barionica, fatta di qualcosa di diverso dagli atomi ordinari. Alcuni insistevano che la cosa potesse essere spiegata modificando la legge di gravità a grande distanza, ma un nuovo risultato del satellite Chandra X-ray Observatory offre ora una prova chiara che la materia oscura esiste ed è mescolata fra i cluster di galassie. Parlando questa settimana in una riunione della NASA, gli astronomi hanno mostrato le nuove immagini del Chandra del cluster di piccole galassie 1E0657-56 in violenta collisione. L’onda d’urto ha trascinato i gas ad alta temperatura tra le galassie in una forma inusuale senza agire sulla materia oscura che interagisce solo attraverso la gravità. Di conseguenza la collisione esplosiva ha separato la materia ordinaria gassosa dalla materia oscura non barionica. A causa della collisione si è stati in grado di distinguere per la prima volta la materia oscura e quella barionica separate nello spazio e questo prova in modo diretto che la materia oscura esiste. In assenza di materia oscura, la gravità sarebbe rimasta concentrata nel gas la cui massa supera quella dei cluster, ma il campo gravitazionale del cluster non si accorda con la posizione del gas. Gli astronomi hanno misurato l’influenza gravitazionale del cluster dagli effetti di lente gravitazionale sulla luce delle galassie più lontane ed il risultato prova una netta separazione fra gas e gravità. In queste immagini si è vista per la prima volta una netta separazione fra posizione della maggioranza della materia normale e quella dove si origina la gravità.
Science, 29 Sep 2006, Vol. 313, pg. 1880 - Tom Siegfried - Al 12° International Symposium on Particles Strings and Cosmology si sono discussi alcuni problemi.
Molto dell’attuale interesse degli astronomi sui neutrini è rivolto a chiarire la natura dei neutrini ad alta energia connessi ai raggi gamma provenienti dallo spazio ed all’origine dei raggi cosmici di cui non si sa ancora nulla, né da dove vengono, né come vengono accelerati. Poiché i neutrini ad alta energia possono essere prodotti dagli stessi processi che creano i raggi cosmici, si stanno pianificando diversi esperimenti per scoprire i neutrini più energetici, oltre il trilione di elettroni-volt (TeV). Si confida sul grande rivelatore IceCube, un array di rivelatori parzialmente completato, posto un chilometro sotto la superficie ghiacciata del Polo Sud. L’IceCube rivela i neutrini prodotti quando i muoni dei raggi cosmici collidono con gli atomi del ghiaccio e possono anche misurare l’arrivo del neutrini di TeV provenienti dallo spazio. Se si trovano questi neutrini, ciò potrebbe aiutare ad identificare il meccanismo di produzione dei raggi gamma provenienti da sorgenti galattiche. Non si sa se questi raggi siano prodotti dalla collisione di elettroni con fotoni o dal decadimenti di pioni. Se è vera quest’ultima ipotesi verrebbero prodotti anche neutrini di alta energia.
I teorici che credono nelle superstringhe hanno difficoltà a convincere gli scettici perché sono troppo piccole per essere rivelate anche con gli acceleratori di particelle. Alcuni teorici pensano però che le stringhe, molto piccole subito dopo il big bang, si sono ingrandite con l’espansione dell’universo e potrebbero essere rivelate. Le prime analisi indicavano che le stringhe si erano allungate con l’espansione o erano divenute instabili per arrivare fino ad oggi, ma poi si è visto che ciò non era necessariamente vero. Vi sono diversi scenari alla fine dell’inflazione, l’espansione superveloce che ha seguito il big bang, e le stringhe potrebbero presentarsi in ammassi di grandi superstringhe. Un modo per scoprirle è di misurare il periodo di rotazione delle pulsar, le stelle di neutroni che emettono radiazioni periodiche. Piccole variazioni del periodo potrebbero essere dovute alle onde gravitazionali prodotte dalle reti di stringhe. Un altro modo è di rivelare direttamene le onde gravitazionali con il LIGO. L’oscillazione delle stringhe genera potenti onde gravitazionali e, se il LIGO non è abbastanza sensibile, si attenderà il rivelatore spaziale LISA. Un altro metodo sarebbe l’uso delle lenti gravitazionali. La gravità di una stringa nello spazio può essere sufficiente a deviare la luce di una galassia dividendola in due identiche vicine. Per ultimo si potranno rivelare le distorsioni prodotte dalle stringhe nella Cosmic Background Radiation e per questo si deve attendere la missione Planck dell’ESA.
L’osservazione di una collisione galattica ha dimostrato recentemente l’esistenza della dark matter, ora un’ipotesi su una diversa legge per la gravità a lunga distanza potrebbe spiegare perché l’universo sembra espandersi con accelerazione crescente. Queste modifiche alla legge di gravità produrrebbero delle variazioni osservabili sull’orbita della Luna intorno alla Terra. Deviazioni dell’ordine di un millimetro potrebbero essere un indizio che la Dark energy non è necessaria per spiegare l’accelerazione cosmica. Queste misure saranno possibili con una nuova generazione di esperimenti laser con i riflettori che gli astronauti dell’Apollo hanno lasciato sulla Luna.
Sull’origine della dark matter è stata avanzata un’ipotesi dal fisico Loszek Roszkowski dell’università di Sheffield, UK, secondo la quale materia normale e dark matter avrebbero origine dalle Q balls, oggetti esotici formatisi alle origini dell’universo sotto forma di ammassi di squark, i partner supersimmetrici dei quark. Le Q balls decadono in materia e dark matter e questo spiegherebbe perché le due forme si sono create in uguali quantità simili. Le particelle di dark matter avrebbero una massa diversa dai WIMP a cui si sta dando la caccia. Il decadimento delle Q balls produrrebbe una particella supersimmetrica detta axino con una massa vicina a quella del protone che non si potrà vedere con gli esperimenti sui WIMP ma potrebbe essere scoperta dal Large Hadron Collider (LHC) che entrerà in operazione a Ginevra il prossimo anno.
Science, 20 Oct 2006, Vol. 314, pg. 411 - Tom Siegfried - Gli astrofisici, usando il satellite Swift della NASA, hanno osservato il primo segno di emissioni a raggi X prodotto da una supernova di tipo 1a il cui lampo di energia permette di misurare la distanze cosmiche. Si suppone infatti che tutte le esplosioni di supernova di tipo 1a sono prodotte dallo stesso meccanismo di innesco ed hanno quindi all’origine la stessa luminosità. La misura della distanza dalla loro luminosità apparente ha fornito la prima prova che l’universo si espande con accelerazione crescente. I cosmologi assumono che le supernove di tipo 1a si formano nei sistemi binari in cui una nana bianca, di massa come il nostro Sole, cattura materiale dalla stella compagna. Quando la nana bianca arriva ad 1,4 la massa del nostro Sole, si innesca l’esplosione nucleare di supernova. C’è sempre la possibilità che questo scenario non sia corretto, ma le ultime osservazioni danno una conferma della teoria più accettata. Fra gli scienziati si discuteva se la stella compagna dovesse essere un’altra nana bianca o una stella più massiccia, ma almeno questo è il caso della supernova designata come 2005ke nella galassia NGC 1371 lontana 65 milioni di anni luce. Infatti la rivelazione di raggi X pochi giorni dopo l’esplosione, indica che la sua onda d’urto ha incontrato un gas denso vicino alla supernova e solo la presenza di una stella massiva può dare ragione dell’emissione prodotta. Si dovranno osservare ancora molte di queste esplosioni per un lungo periodo di tempo per essere sicuri che questo meccanismo di esplosione possa rappresentare un’affidabile candela campione per gli studi cosmologici.
Science, 3 Nov 2006, Vol. 314, pg. 772 - Torsten A. Ensslin - La distribuzione delle galassie nell’universo è caratterizzata dalla presenza di vasti vuoti e da una rete di filamenti di galassie e da grandi cluster di galassie formate da migliaia di unità. Questa distribuzione non omogenea della materia è derivata da uno stato iniziale dopo il big bang avente una fluttuazione con densità relativa di 10E-5. Questa distribuzione è stata rivelata per la prima volta dai dati del COBE (Cosmic Background Explorer), il cui team ha ricevuto nel 2006 il premio Nobel per la Fisica. Dopo miliardi di anni, la piccola densità iniziale, è stata accresciuta dall’attrazione gravitazionale e si sono formate strutture sempre più grandi per le collisioni di galassie e dei cluster. In aggiunta c’è anche un continuo afflusso di gas che cade sulle galassie, proveniente dal mezzo intergalattico. I gas che precipitano possono raggiungere velocità di alcune migliaia di km/s, collidono con i gas caldi ionizzati a temperature di 10E7-10E8 K creando delle onde d’urto ed interagiscono con i campi magnetici con un processo di accelerazione che estende lo spettro di energia fino a valori relativistici. Gli elettroni, che possono essere accelerati ad energie di 10E4-10E5 volte la loro massa di riposo, emettono onde radio che sono state osservate nei cluster di galassie negli anni ’70 e, solo recentemente, sono stati collegati con queste onde d’urto e con questi processi di accelerazione. Questi potrebbero essere anche all’origine dei misteriosi raggi cosmici ad alta energia con protoni fino a energie di 10E20 eV. Gli elettroni ad alta energia possono produrre fotoni che cadono nella banda dei raggi gamma e formano il background osservato.
Science, 1 Dec 2006, Vol. 314, pg. 1376 - Tom Siegfried - Il satellite Swift, lanciato 2 anni fa in novembre, ha superato le aspettative fornendo una grande messe di dati, non solo sui lampi gamma, ma anche su altri fenomeni astrofisici, come i vicini buchi neri e le galassie attive. Recentemente Swift ha riservato agli astrofisici una nuova sorpresa modificando la classificazione standard dei gamma ray bursts (GRB). I GRB sono impulsi di radiazioni ad altissima frequenza ed energia che provengono dallo spazio profondo. Furono scoperti 40 anni fa dai satelliti destinati ad individuare i test nucleari. La scoperta sconcertò gli astrofisici che cercarono una spiegazione. Negli anni ’90, le osservazioni del satellite Compton Gamma Ray Observatory diedero modo di stabilire che alcuni di questi lampi erano associati alle esplosioni di supernova, altre sembravano prodotte da collisioni cosmiche, forse di stelle di neutroni. I lampi associati alle stelle di neutroni erano tipicamente di breve durata, meno di 2 secondi e molto intensi; gli impulsi lunghi, da secondi a minuti, erano più deboli ed erano associati alle supernove. Nello scorso giugno, Swift rese più confuso il confine fra i due tipi scoprendo un GBR lungo senza apparente connessione con una supernova e questo mise in discussione la classificazione in due categorie dei GBR e ripropose domande sulla loro natura. Il lampo del 14 giugno durò 103 secondi, pienamente nel campo degli impulsi lunghi, ma andò delusa la ricerca di una supernova. Le osservazioni mostrarono che all’inizio si era avuto un impulso di alta energia seguito poi da una lunga emissione successiva (afterglow) e questo ricordava alcuni caratteri delle emissioni brevi. Il fenomeno implicava un altro tipo di esplosione di stella morente che non produceva il fenomeno di supernova. Altri astrofisici ritengono che sia troppo presto per inventare un nuovo processo ed il mistero potrebbe avere una spiegazione più semplice. Forse l’impulso proveniva da più lontano e l’esplosione della stella era troppo debole per essere notata. La distanza misurata era quella di una galassia nella direzione di provenienza che aveva un redshift di 0,125, ma la galassia origine poteva essere molto più lontana e l’intensità osservata poteva essere assegnata ad un redshift di 2, abbastanza lontano per giustificare la mancata osservazione di una supernova. Anche un precedente burst osservato in maggio era tecnicamente lungo (4 secondi) ma senza segni di supernova e non era stato considerato. Le osservazioni continueranno e dai dettagli si cercherà di meglio definire il comportamento delle sorgenti e le loro proprietà.
Science, 5 Jan 2007, Vol. 315, pg. 59 - Michael S. Turner - Il progresso della cosmologia viene generalmente con le nuove tecnologie o con idee innovative. Negli anni ’20 del secolo scorso, Hubble usò il telescopio Hooker da 100 pollici sul monte Wilson per scoprire l’espansione dell’universo e la giovane teoria di Einstein sulla relatività generale, fornì i mezzi matematici per scoprire gli inizi del big bang. Solo con l’avvento del telescopio Hale da 200 pollici sul monte Palomar, negli anni ’60 gli astronomi si spinsero ai confini dell’universo osservabile e le tecnologie della radio permisero la scoperta dell’eco di fondo del big bang quando Arno Penzias e Robert Wilson scoprirono che agli inizi l’universo era caldo e denso. Negli anni ’70 si definirono i parametri della velocità di espansione H0 e di decelerazione q0. Oggi la cosmologia è in un periodo di scoperte rivoluzionarie e negli ultimi 8 anni è stata segnalata dalla rivista Science nel Breakthrough of the Year per la scoperta dell’espansione accelerata dell’universo. Gli inizi della rivoluzione vengono con la scoperta del quark e l’introduzione dei charge-coupled devices (ccd) nei telescopi negli anni ’80. Nuove idee sulle particelle fisiche, dati quantitativi sulla temperatura, spettro e anisotropia del cosmic microwave background (CMB) dell’universo, telescopi più grandi e più sensibili e calcolatori più veloci hanno fatto compiere grandi passi. Oggi sappiamo che il nostro universo è piatto e vecchio di 13,7 miliardi di anni luce con una precisione dell’1%, che la sua espansione accelera, che è composto dal 24 +/- 4% di materia e 76 +/- 4% di energia oscura con il 4,2 +/- 0,5% di materia nella forma di atomi, fra 0,1 e 1% in forma di neutrini e la maggior parte nella materia non ancora identificata. La microwave background temperature è stata misurata con 4 cifre significative a 2,725 +/- 0,001 K e le piccole variazioni del fondo, di circa 0,001%, sono state mappate con una risoluzione migliore di 0,1°. La scoperta dei quark, i costituenti dei neutroni e dei protoni, ha permesso di capire la natura del primo universo che doveva presentarsi come una calda zuppa di quark. Naturalmente sono sorte le grandi domande. Dove si trova l’antimateria? Qual è l’origine delle inomogeneità? Chi ha provocato il big bang? Nuove idee portano il loro contributo come la massa dei neutrini e la violazione della charge-parity (CP) per l’assenza di antimateria, ma le due principali sono la materia oscura come nuova forma di materia e l’inflazione. La fisica delle particelle ha portato tre candidati per la materia oscura. Il primo è stato il neutrino, ma ora sappiamo che il suo contributo è minore dell’1%, gli altri due sono il neutralino, la cui massa è circa 100 volte quella del protone ed è il più leggero della nuova classe di particelle della teoria delle stringhe, e l’assone che ci si aspetta sia un trilione di volte meno massivo dell’elettrone. L’inflazione ha introdotto un nuovo campo scalare che ha indotto un’espansione accelerata del primo universo rendendolo piatto e caldo con l’energia di inflazione trasferita alle particelle, mentre le fluttuazioni quantistiche, passando da scala subatomica a scala astronomica hanno creato le disomogeneità. L’insieme dell’inflazione e della materia oscura hanno portato alla cold dark matter (CDM) dove il termine cold si riferisce al fatto che le particelle della materia oscura si muovono lentamente ed hanno condizionato la struttura cosmica. Il satellite COBE (Cosmic Background Explorer) della NASA, per primo ha misurato nel 1992 le variazioni di intensità del CMB (anisotropia). Nell’anisotropia sono codificate tutte le informazioni, sul passato, presente e futuro dell’universo. Il Cobe fu seguito dal satellite NASA WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) ed insieme alla mappa su larga scala della struttura dell’universo fatta dallo Sloan Digital Sky Survey, hanno determinato i parametri cosmologici ed hanno dato supporto alle idee sulle particelle della dark matter e dell’inflazione. La dark energy, invece, è stata una sorpresa. Nel 1998 due team di astronomi, usando nuove tecnologie e migliori candele standard per determinare le distanze cosmiche (uso delle supernove di tipo Ia) hanno portato la prova che l’universo si espande in modo accelerato e quindi che il parametro di espansione q0 è negativo. Alla fine degli anni ’90 si concordava sull’universo piatto ed in condizioni critiche, ma con una massa di materia di solo il 30% della densità critica. Dove si trova il restante 70% della densità critica? L’accelerazione dell’universo da la risposta introducendo una diffusa forma di energia elastica chiamata ora dark energy che copre questo 70%. Diverse sono le idee sulla sua natura. Energia quantistica del vuoto oppure un altro campo scalare detto quintessenza relazionato all’inflazione oppure influenza di una dimensione spaziale aggiuntiva predetta dalla teoria della stringhe. Una interessante possibilità potrebbe essere la sua assenza e l’accelerazione cosmica spiegata da un diverso comportamento della gravità non previsto dalla teoria generale della relatività. Le origini della dark energy risalgono alla nascita della meccanica quantistica secondo la quale il vuoto è pieno di particelle virtuali la cui esistenza deriva dal principio di indeterminazione. I loro effetti sono reali e sono stati misurati (spostamento degli spettri atomici) e la spiegazione ovvia dell’accelerazione cosmica sarebbe l’energia quantistica del vuoto. Il problema nasce quando i teorici provano a calcolarlo ed il risultato è un numero grande in modo assurdo. Oggi, pur conoscendo molto dell’universo, comprendiamo poco di questo insieme di atomi, materia oscura ed energia oscura e come si è prodotto. I nuovi acceleratori, telescopi ed esperimenti potranno chiarire molti aspetti nei prossimi 15 anni. Il Tevatron del Fermilab e il Large Hadron Collider del CERN potranno scoprire il neutralino. Nuovi esperimenti sul CMB, insieme alla misura delle onde gravitazionali, potranno rivelare altri aspetti dell’inflazione e quando è avvenuta, un telescopio spaziale per la dark energy potrebbe spiegare perché l’universo accelera. In futuro, oltre i 15 anni, è meno chiaro cosa accadrà, potremmo trovarci con dati più precisi, ma meno comprensibili.
Science, 5 Jan 2007, Vol. 315, pg. 61 - Bernard Sadoulet - L’ultimo decennio di osservazioni cosmologiche ci ha svelato un sorprendente modello dell’universo. La materia ordinaria (barioni ed elettroni) rappresenta solo il 5% della sua densità di energia, il resto non interagisce con i fotoni e costituisce il lato oscuro dell’universo. Circa il 25% della densità di energia totale cade sotto l’influenza della gravità costituendo la misteriosa dark matter. Il 70 % della densità di energia totale si comporta come la più misteriosa dark energy la cui pressione negativa accelera l’espansione dell’universo. In conclusione non conosciamo la natura della dark matter ed ancor meno quella della dark energy. Sappiamo che la massa dei barioni è inferiore alla densità totale di materia e la quantità di dark baryons come i MACHO (massive compact halo objects) di dimensioni planetarie non contribuisce ed anche i neutrini sono insufficienti. Le prove portano al concetto di Cold Dark Matter, particelle non relativistiche al tempo della formazione delle galassie. Insieme all’inflazione ed all’energia oscura, questo prova l’esistenza di una fisica oltre il Modello Standard. Si sa per esempio che, nonostante il successo nella descrizione delle interazioni forti, la cromodinamica quantistica viola la simmetria carica-parità in palese discordanza con gli esperimenti. Da questo è derivata la predizione di una nuova particella, l’assone, che può essere rivelato nell’alone della nostra galassia dall’azione di un campo magnetico sui fotoni virtuali che produce fotoni reali in un campo di frequenza fra 100 MHz e 100 GHz in funzione della massa dell’assone. Questi fotoni vengono rivelati con l’uso di una cavità risonante a bassa temperatura nello Axion Dark Matter Experiment (ADME) e la massa dell’assone risulta tra 2 e 2,2 micro-eV/c^2. Un altro candidato è il WIMP (Weakly Interactive Massive Particle) la cui densità è inversamente proporzionale alla frequenza di interazione che rientra nel campo delle forze elettrodeboli. La frequenza di interazione attesa è di un evento per kg di rivelatore per settimana o per mese, molto minore di quella della radioattività nei materiali puri e l’energia in gioco è di 15 keV. Si richiedono tecnologie di rivelatori molto sensibili ed un’alta capacità di discriminazione attiva del rumore di fondo radioattivo. Si possono discriminare gli effetti dei raggi gamma e degli elettroni, in funzione della forma del segnale e dell’energia totale, ed il segnale deve essere uniformemente distribuito nel volume del rivelatore. La prima generazione di rivelatori usa germanio a 77 K e ioduro di sodio (NaI). Il team DAMA (Dark Matter) afferma di aver osservato i WIMP dalla modulazione annuale del segnale, ma non è stato confermato indipendentemente. Un ruolo leader stanno avendo i rivelatori phonon-mediated, detti anche criogenici, negli esperimenti EDELWEISS (Experience pour Detecter les WIMPs en Site Souterrain) e CRESST (Cryogenic Rare Event Search with Superconducting Thermometers) che rivelano le coppie di Cooper in film semiconduttori fra 10 e 40 mK. Progressi sostanziali si sono fatti con l’uso di gas nobili liquidi (Ne, Ar, Xe) dove si possono distinguere le scintillazioni provocate da effetti nucleari e dagli elettroni. Un’altra opzione sono i rivelatori gassosi dove è possibile rivelare la direzione della scintillazione. Altri esperimenti sono previsti con il Large Hadron Collider (LHC) che entrerà in funzione nel 2008. Una rivelazione simultanea dei WIMP in due diversi esperimenti potrebbe aprire altre prospettive, ma spesso vi sono scenari che sono accessibili ad una sola tecnica.
Science, 5 Jan 2007, Vol. 315, pg. 63 - Eli Waxman - L’energia del Sole proviene dalla fusione nucleare dell’idrogeno in elio all’interno del nucleo convertendo l’eccesso di massa. A metà del decennio 1960 si suggerì di studiare il modello del Sole dalla misura dei neutrini che venivano emessi nel processo di fusione. Al contrario dei fotoni che vengono emessi dalla superficie del Sole, i neutrini sfuggono direttamente dall’interno del nucleo. Data la loro scarsa interazione con la materia, i neutrini sono difficili da rivelare e richiedono rivelatori con masse di migliaia di tonnellate, ma il flusso di neutrini è enorme, circa 100 miliardi particelle per cmq e per secondo e se ne possono rivelare centinaia in un anno. I rivelatori devono essere inoltre sepolti sottoterra per attenuare il rumore prodotto dal flusso dei raggi cosmici nell’atmosfera. La rivelazione dei neutrini è stata un’impressionante conferma che la fusione nucleare è all’origine dell’energia della stelle, ma è sorto subito un problema perché il flusso misurato era circa la metà di quello predetto e subito fu suggerito che questo fosse dovuto ad un difetto del modello standard sulle proprietà delle particelle elementari. I neutrini sono di tre tipi: elettrone, muone e tau. Il tipo elettrone, che è quello prodotto dal Sole, poteva convertirsi negli altri due tipi durante il percorso verso la Terra e questo spiegare la differenza. La conversione, detta oscillazione, fu confermata nel 2001 usando un rivelatore sensibile a tutti i tipi e si vide che anche i neutrini prodotti dai raggi cosmici presentavano questo processo di oscillazione. Successivamente il fenomeno di oscillazione fu dimostrato anche per i neutrini prodotti dai reattori nucleari e dagli acceleratori di particelle e questo dimostrava che i neutrini avevano masse diverse (m1, m2, m3), non previste dal modello standard, e fossero caratterizzati da dei “mixing parameters” (v1, v2, v3). Non esiste un modello che spieghi attualmente l’origine di questi parametri e gli esperimenti dovranno verificare che questi parametri sono identici per neutrini ed antineutrini, cruciale anche per rispondere alla domanda del perché nell’universo prevalgano le particelle sulle antiparticelle. Secondo la teoria dell’evoluzione stellare, una stella di più di 10 masse solari, dopo l’esplosione di supernova, lascia una stella di neuroni di circa una massa solare emettendo un intenso flusso di neutrini. Questo è stato confermato con l’esplosione della supernova SN1987A nella grande Nube di Magellano, distante 150 mila anni luce. I neutrini prodotti dal Sole hanno energie di circa 1 MeV e questa è l’energia rilasciata nella fusione nucleare. La rivelazione di neutrini provenienti da distanze extragalattiche richiede sistemi telescopici progettati per energie superiori ai tera-eV (TeV). Le sorgenti di neutrini con queste energie sono gli acceleratori cosmici dove le particelle sono accelerati ad energie estreme, sorgenti non ancora ben identificate il cui meccanismo non è ben conosciuto. Le particelle osservate ad energie più alte sono probabilmente protoni che eccedono i 10E20 eV (100 milioni di TeV). Le sole sorgenti capaci di tali energie sono quelle dei gamma-ray burst (GRB) e dei nuclei galattici attivi (AGN) che si trovano a distanze cosmologiche, a miliardi di anni luce da noi, e sono gli oggetti più luminosi dell’universo. L’associazione diretta fra raggi cosmici e le loro sorgenti è difficile. I campi magnetici interstellari ed intergalattici deflettono le particelle cariche che quindi non seguono traiettorie rettilinee. I neutrini invece, non avendo carica elettrica procedono in linea retta e permettono di identificare la loro sorgente inoltre, qualunque sia l’acceleratore cosmico, ci si aspetta che sia anche sorgente di neutrini ad alta energia. Un sistema telescopico per neutrini di energie comprese fra 1 e1000 TeV fornirebbe centinaia di eventi all’anno da correlare in tempo e direzione con i fotoni GBR e AGN. Fornirà anche ulteriori prove sulla teoria di oscillazione dei neutrini e la loro fisica. La simultaneità fra l’arrivo dei fotoni e dei neutrini con l’accuratezza di 1 secondo verificherà l’assunzione che fotoni e neutrini hanno la stessa velocità limite con l’accuratezza di uno su 10E17 e che subiscono lo stesso ritardo passando vicino ad un potenziale gravitazionale con un’accuratezza di uno su 10E9, grandezze queste già valutate rispettivamente con accuratezza di 10E-8 e 10E-2 con la supernova SN1987A. I telescopi a neutrini potranno infine contribuire a rivelare la dark matter, che sembra costituire la maggior parte della massa dell’universo, attraverso i neutrini prodotti dall’annichilazione delle sue particelle.
Science, 5 Jan 2007, Vol. 315, pg. 66 - Francis Halzen - Il nostro universo produce processi più energetici di quelli che possono essere ottenuti nei nostri laboratori. Dal cosmo arrivano particelle con energia superiore a 10E20 eV equivalente alla macroscopica energia di 50 joule su una singola particella elementare. Non si ha alcuna idea da dove provengano queste particelle, probabilmente protoni, e con quale meccanismo vengano accelerate. Poiché i raggi cosmici sono elettricamente carichi, i campi magnetici galattici ed intergalattici deviano il loro percorso e la direzione di arrivo non rivela la loro provenienza. I raggi cosmici, inoltre, si autodistruggono nelle collisioni con i fotoni dispersi ed essi arrivano da distanze relativamente vicine. Anche i fotoni ad alta energia hanno questo problema e, usando l’atmosfera come rivelatore dei fotoni da TeV si verifica che il loro redshift è circa solo z = 0,1. Tuttavia, dopo la scoperta dei neutrini, nella decade del 1950, si comprese che queste particelle non avevano le stesse limitazioni e sono quindi dei messaggeri ideali. Recentemente si è affermata l’idea di costruire un telescopio a neutrini. Non avendo massa e carica elettrica, il neutrino è simile al fotone, ma differisce per un importante attributo: ha una debolissima interazione con la materia. Questo costituisce un vantaggio perché possono venire dai confini dell’universo senza subire dispersione lungo il percorso ed individuare l’origine fino ai buchi neri o alle fornaci nucleari dove si formano i raggi cosmici. Sfortunatamente la loro debole interazione con la materia rende anche difficile rivelarli. I rivelatori devono essere di dimensioni enormi per raccogliere un numero statisticamente significativo di neutrini. Nel decennio 1970 fu chiaro che un tale rivelatore doveva avere dimensioni di 1 kmc e vennero usati grandi volumi di acqua e rivelatori Cherenkov che raccoglievano i lampi di luce prodotti dai rari neutrini che collidevano nell’acqua. Sfortunatamente il primo Deep Underwater Muon and Neutrino Detector (DUMAND) nel mare delle Hawaii fu un fallimento, ma tracciò la strada della tecnologia usata poi per uno strumento più piccolo nel Lago Baikal e seguì l’avvio di un telescopio nel Mediterraneo con il nome di ANTARES (Astronomy with a Neutrino Telescope and Abyss Environmental Research) ed il NESTOR (Neutrino Extended Submarine Telescope with Oceanographic Research). Tuttavia il primo telescopio di dimensioni chilometriche, che ha trasformato in rivelatore un grande volume di ghiaccio nell’Antartico, è stato l’AMANDA (Antarctic Muon and Neutrino Detector Array) già in operazione dal 2000. I neutrini ad alta energia che collidono con un atomo di acqua o ghiaccio creano dei muoni insieme ad altre particelle secondarie ed emettono una radiazione blu, detta di Cherenkov che attraversa i ghiaccio per centinaia di metri. Gli astronomi hanno inserito sensori ottici per rivelare la configurazione dei lampi di luce e la direzione dei neutrini. Un telescopio a neutrini deve essere: 1) di dimensioni di circa un chilometro; 2) abbastanza trasparente per fare propagare la luce fra i sensori ottici sufficientemente spaziati; 3) abbastanza profondo per essere schermato dalle luci e dalle radiazioni della superficie; 4) affidabile. Solo l’oceano profondo ed oscuro ed i ghiacciai soddisfano questi requisiti. AMANDA è lo stadio iniziale di una prova di principio per un osservatorio di neutrini. Dei fotomoltiplicatori trasformano i lampi di Cherenkov in segnali elettrici trasferiti ad un chip che li digitalizza e li manda via cavo ad un computer in superficie per l’elaborazione. Dalle informazioni si ricostituisce la direzione di arrivo e l’energia dell’evento. Il telescopio è realizzato nel Polo Sud trivellando il ghiaccio con fori larghi circa mezzo metro e profondi 2,5 km, usando un getto di vapore ad alta pressione, in meno di 2 giorni. L’acqua non gela all’interno perché il ghiaccio è un buon isolante e c’è il tempo di inserire i rivelatori disposti lungo un cavo in numero di 60 spaziati su 1 km a profondità da 1450 a 2450 m. Vi sono 80 fori in tutto. A febbraio del 2000 erano stati impiantati 650 sensori che raccoglievano una frequenza di 4 eventi al giorno prodotti dai neutrini atmosferici emessi nelle collisioni dei raggi cosmici con gli atomi di azoto ed ossigeno nell’atmosfera dell’emisfero nord, infatti dal Polo Sud si osservano i neutrini provenienti dall’emisfero nord dopo aver attraversato la Terra. AMANDA sarà operativo nel 2008-2009. Nel frattempo ANTARES e NESTOR sono in sviluppo nel Mediterraneo. La costruzione dei rivelatori di ANTARES è cominciata a febbraio 2006 e sono localizzati vicino alla spiaggia di Tolone, Francia, alla profondità di 2400 m. I rivelatori sono costituiti da 12 file verticali, ciascuno formato da 75 sensori montati secondo 25 triplette. I dati vengono trasmessi a terra via un cavo sottomarino. ANTARES guarda verso l’emisfero sud e quindi verso il centro galattico. Il completamento è previsto fra un anno da oggi. Anche il NESTOR è atteso per il prossimo futuro. L’Unione Europea ha inoltre finanziato il progetto chiamato KM3NeT per la costruzione di un rivelatore da 1 km nel Mediterraneo, complementare agli altri, che include il Neutrino Mediterranean Observatory (NEMO) a Catania, Italia. Il progetto è previsto per la prossima decade. L’effetto dei neutrini atmosferici deve essere separato da quelli di origine cosmica e questo si farà con una calibrazione.
Science, 6 Jul 2007, Vol. 317, pg. 32 - Adrian Cho and Richard Stone - Nelle viscere delle montagne di Jeombong, in Corea, i ricercatori sperano di scoprire i primi segni di qualcosa mai visto prima: le particelle della Dark Matter. L’esperimento, chiamato Korea Invisible Mass Search (KIMS) si svolge all’interno di una camera, nel tunnel di una centrale idroelettrica protetta da 700 m di roccia, in un cubo a sua volta protetto da 5 cm di piombo per bloccare i raggi gamma e 10 cm di rame per assorbire i raggi X, ed all’interno una mezza dozzina di blocchi di cristalli di ioduro di cesio drogati con tallio insieme ad un’elettronica che deve registrare le debolissime scintillazioni che si producono all’interno dei cristalli. Dopo anni di preparazione, il fisico Kim Sun Kee dell’Università di Seul ed i suoi colleghi cominciano a raccogliere dati da un array di 100 kg di cristalli ed ogni giorno sperano di registrare l’interazione di un WIMP (weakly interactive massive particle), il principale candidato della materia oscura. L’esperimento KIMS è uno delle poche dozzine di esperimenti che concorrono alla rivelazione della materia oscura. Molti gruppi, in diversi paesi del mondo, sono coinvolti in questa ricerca “diretta”, altri osservano il cielo nella ricerca indiretta di segni di annichilazione della materia oscura all’interno delle galassie. Nel frattempo il Large Hadron Collider (LHC), vicino Ginevra, la prossima primavera potrebbe scoprire le particelle della dark matter. Questo è il momento di provare finalmente le predizioni teoriche, ma la scoperta non è garantita e si dice che se entro 5 anni non si trova che cosa sia la materia oscura, non lo sapremo mai. Gli astronomi hanno avuto la sensazione della presenza della materia oscura più di 70 anni fa. Nel 1933 Fritz Zwicky, del California Institute of Technology di Pasadena, calcolò che le galassie del Coma Cluster contenevano troppa poca materia visibile per poter essere tenute insieme; della materia invisibile doveva fornire la gravità extra necessaria. Questa strana idea si affermò quarant’anni dopo, quando gli astronomi trovarono che anche le singole galassie mancavano di sufficiente materia luminosa e dovevano possedere un grande alone di materia oscura. Le prove continuarono a crescere e, nel 2003, i ricercatori del WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) della NASA, misurando il cosmic microwave background del big bang e la configurazione dei punti caldi, che rivelava come l’universo si era evoluto, trovarono che l’universo consisteva del 5% di materia normale, 22% di dark matter e 73% di un’energia oscura che espandeva lo spazio e tutte interagivano tramite la gravità. Tuttavia i ricercatori non hanno mai catturato neppure un piccolo segno della materia oscura che non fosse l’effetto della sua gravità; esiste ma non si sa che cosa sia. I teorici hanno pensato ad una dozzina di possibilità. L’idea più promettente è che sia costituita dalle particelle predette nella teoria della supersimmetria, per cui ogni particella ha una sua corrispondente più pesante non ancora scoperta e, tra queste, la particella più leggera è quella chiamata WIMP. Il modo più ovvio di trovarle è di cogliere le rare collisioni con la materia ordinaria, come cerca di fare il KIMS con un’altra dozzina di esperimenti con sempre maggiore sensibilità. La loro interazione con la materia ordinaria è anche più debole di quella dei neutrini ed i ricercatori devono schermare i rivelatori anche dai raggi cosmici. In questa gara l’esperimento più all’avanguardia è il CDMS che opera in una miniera nel nord del Minnesota. Esso usa un rivelatore criogenico di 5 kg formato da una catasta di wafers di germanio e di silicio raffreddati ad una frazione di gradi sopra lo zero assoluto. Un WIMP che colpisce un nucleo produce parecchi elettroni ed un impulso di calore. Un altro esperimento, che ha il massimo di sensibilità, è detto XENON10, è in corso in un tunnel del Gran Sasso in Italia e consiste in un recipiente con 15 kg di xenon liquido. Quando un WIMP colpisce un nucleo di xenon produce un lampo di luce ed emette un fascetto di elettroni. Il team del KIMS parte da zero; dieci anni fa la Corea non aveva un laboratorio di fisica delle particelle ed i fisici dovevano andare all’estero. La proposta KIMS con il rivelatore allo ioduro di cesio fu finanziata nel 2000 ed ottenne poi un locale nel tunnel della stazione idroelettrica di Yangyang per ospitare l’esperimento. La progettazione del rivelatore ha richiesto 3 anni per studiare le scintillazioni prodotte dai raggi gamma e dai raggi cosmici, che producono il rumore di fondo del sistema, e l’effetto dei neutroni il cui segnale, molto simile a quello che ci si aspetta dai WIMP, è stato ridotto sperimentalmente del 99,999%. Il sistema KIMS ha un importante vantaggio: se l’interazione dei WIMP dipende dallo spin delle particelle, c’è un’alta probabilità di vederne l’effetto. Inoltre KIMS potrà verificare un esperimento condotto, nel 1997 e poi nel 2000, dal progetto italiano DAMA nel Gran Sasso con 100 kg di cristalli di ioduro di sodio. Questo aveva scoperto una variazione della frequenza dei lampi con le stagioni facendo pensare che il sistema solare fosse sottoposto ad un vento di particelle WIMP. Nessun altro esperimento ha riprodotto il risultato del DAMA e KIMS lo potrebbe, avendo un rivelatore simile, ma Rita Bernabei, leader del DAMA, all’università di Tor Vergata di Roma, ritiene che la sensibilità del DAMA è molto maggiore e confida sul nuovo rivelatore DAMA/LIBRA di 250 kg che sarà pronto il prossimo anno. Per la prima volta i teorici si aspettano a priori di vedere qualcosa dai loro esperimenti e la competizione si fa più interessante. Nel frattempo gli astronomi cercano segni della materia oscura dal cielo. Quando due WIMP collidono nell’alone galattico, la teoria dice che possono annichilarsi producendo raggi gamma ad alta energia o altre particelle. Una nuova generazione di telescopi a raggi gamma potrebbe cercare questi segnali. Nel 2004 l’Europa ha finanziato un High Energy Stereoscopic System (HESS) da installare in Namibia con 4 rivelatori che scopriranno i lampi prodotti nell’atmosfera dai raggi gamma insieme ad una valanga di particelle. Inoltre quest’anno comincerà ad operare il Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System (VERITAS) sul Mount Hopkins, in Arizona. HESS ha già mappato i raggi gamma che provengono dal cuore della nostra galassia, ma qui ci sono molte altre sorgenti di questi raggi diversi dalla materia oscura. I ricercatori dovranno guardare verso le galassie sferoidali che orbitano intorno alla nostra e questo avverrà forse quest’inverno quando la NASA lancerà in orbita il Gamma-ray Large Array Space Telescope (GLAST). L’annichilazione della materia oscura produce anche altre particelle come gli antiprotoni ed il satellite russo-italiano PAMELA li sta cercando insieme ad altre antiparticelle. Anche l’IceCube, un array di 4200 sensori di lampi che sta per essere installato nel ghiaccio del Polo Sud, potrebbe rivelare neutrini con energie di 100 GeV provenienti dal Sole, segno sicuro di materia oscura che annichilisce. Creare particelle di materia oscura sarà compito dello LHC di Ginevra ricreando le condizioni del big bang, ma, anche se verranno prodotte, non si scopriranno le loro proprietà e da quali delle tante versioni di supersimmetria provengano e bisognerà attendere il futuro International Linear Collider. Tutti e tre i metodi: rivelazione diretta, telescopi e collisori dovranno convincerci inoltre che le particelle rivelate siano tutte la stessa cosa. La ricerca diretta potrà scoprire particelle di grande massa che LHC non potrà generare e qualunque cosa si veda dovrà rispondere alla domanda se si tratta di qualcosa di reale.
Science, 3 Aug 2007, Vol. 317, pg. 594 - Adrian Cho - I cosmologi si interrogano su come sia nato l’universo dal big bang. Secondo le ultime teorie l’85% della materia dell’universo non è la normale materia di cui sono fatte stelle, galassie e pianeti, ma una strana materia oscura che si manifesta solo con la sua gravità. Durante lo sviluppo dell’universo, la materia oscura si è condensata in enormi filamenti, ammassi o aloni e questi oggetti hanno attratto il gas idrogeno che poi ha formato stelle e galassie. Le simulazioni mostrano che la materia oscura ha formato miriadi di ammassi con dimensioni di 1/1000 e 1/1000000 della massa della Via Lattea e, accumulando gas, hanno creato delle galassie nane migliaia delle quali devono trovarsi intorno alla nostra galassia. L’esistenza della materia oscura si affermò nel 1933 quando Fritz Zwicky, un astronomo del California Institute of Technology di Pasadena, notò che alcune galassie del cluster Coma si muovevano più velocemente di quanto consentisse la gravità prodotta dalla loro materia; ci doveva essere quindi della materia oscura extra che li tratteneva. Recenti osservazioni hanno stabilito che la materia oscura è anche a fondamento della cosmologia. Nel 2003 i risultati del WMAP hanno concluso che l’universo contiene il 4 di materia ordinaria, il 23% di materia oscura ed il 73% di una misteriosa energia oscura che espande l’universo. Nuovi problemi sono sorti con le simulazioni del decennio 1990 che hanno predetto l’esistenza non confermata di migliaia di galassie nane intorno alla nostra. Una spiegazione del fatto che non sono visibili può essere che, la prima stella che si forma, ionizza l’idrogeno dell’ammasso impedendo la formazione di altre stelle. Per verificare l’esistenza di galassie di materia oscura si è ricorsi alla radio astronomia. Gli ammassi di materia oscura infatti raccolgono anche idrogeno atomico e questo emette radioonde alla lunghezza d’onda di 21 cm (HI), quindi le galassie di materia oscura devono apparire come sorgenti di questa radiazione. Fino a questo momento si sono scoperte poche di queste sorgenti e la ricerca continuerà usando il più sensibile Osservatorio di Arecibo a Puerto Rico. Altri cercano gli effetti di lente gravitazionale prodotta dalle galassie oscure sulla luce di quelle normali più lontane, altri ancora cercano gli effetti mareali delle collisioni fra galassie. Nel 2001 con il radiotelescopio di Jodrell Bank, UK, è stata rivelata una sorgente a 21 cm nel cluster Virgo, lontana 50 milioni di anni luce, chiamata VIRGOHI21 ed il suo spettro suggerisce che si tratti di una galassia oscura rotante che ha strappato idrogeno da una vicina galassia chiamata NGC4254. I ricercatori che lavorano con il radiotelescopio di Arecibo ritengono invece si tratti di un lungo getto di materia strappato dalla NGC4254 per effetto marea da una normale galassia passata vicina. Tutte queste ricerche hanno scoperto numerose galassie nane oscure, ma il problema non è ancora risolto perché sono state trovate solo il 20% di quelle previste.
Science, 3 Aug 2007, Vol. 317, pg. 607 - Stacy Mc Gaugh - L’esistenza della materia oscura è stata ammessa perché la velocità di oggetti extragalatici risulta maggiore di quanto può spiegare la massa visibile di stelle e gas. Tuttavia ciò richiede che la legge di Newton sulla gravitazione venga estesa oltre le distanze fin dove è stata verificata, inoltre la ricerca in laboratorio della materia oscura non ha dato risultati. Qualcuno pensò che la colpa era forse della legge di gravità. Il cambiare la legge su grande scala non funziona, invece si è dimostrata efficace l’idea della Modified Newton Dynamics (MOND) ipotizzata da M. Milgrom nel 1983. Invece di cambiare la legge della forza su grande distanza, MOND la altera in una piccola scala di accelerazione, intorno a 10E-10 m/s^2. In sistemi con accelerazione di gravità maggiori di questa (come nel sistema solare) tutto si comporta come nella vecchia legge. MOND ha così descritto correttamente le curve di rotazione delle galassie a spirale. I ricercatori hanno però trovato difficile trovare una versione di MOND che soddisfa alle prove della relatività generale di Einstein, ma una teoria di Bekenstein sembra superare questa difficoltà, anche se si è ancora alle prime prove. Tuttavia non tutto risulta in accordo con MOND. I maggiori scostamenti si verificano con i grandi cluster di galassie che ancora richiedono la presenza di masse invisibili di barioni oscuri. Effetti di lente gravitazionale indicano la presenza di oggetti densi oscuri come nane brune, ma non è facile distinguere fra materia oscura non barionica e barionica. La moderna cosmologia con materia oscura ed energia oscura ha avuto inoltre molti successi e presto si potrebbe osservare in laboratorio la materia oscura con i prossimi esperimenti del Large Hadron Collider (LHC).
Science, 14 Sep 2007, Vol. 317, pg. 1511 - Volker Bromm - Due domande che riguardano l’origine dell’universo sono intimamente legate: quale sia la natura della materia oscura che si crede domini la struttura dell’universo e come ha avuto fine il periodo di oscurità nel momento in cui si accese la prima stella poche centinaia di milioni di anni dopo il big bang. Una simulazione numerica, della formazione della struttura del primo universo, dimostra come la formazione delle prime stelle sia dipesa dalle specifiche proprietà della misteriosa materia oscura, e la macrofisica della formazione delle prime stelle ci fornisce importanti informazioni sulla microfisica di queste esotiche particelle elementari. Secondo il modello standard, la formazione delle stelle nel primo universo era molto diversa dall’attuale. Oggi le stelle si formano nelle nubi giganti di gas molecolari e nelle polveri dei dischi galattici come quelle della Via Lattea, mentre le prime stelle sono nate dentro minialoni formati da gas e materia oscura con una massa di milioni di volta quella del Sole. Un’altra differenza deriva dalla iniziale assenza di elementi diversi dall’idrogeno ed elio sintetizzati durante il big bang. Le nubi di gas oggi si raffreddano facilmente con la radiazione emessa da atomi, molecole e grani di polvere che contengono elementi pesanti. Poiché i gas primordiali mancavano di questi elementi, rimanevano più caldi e, perché la gravità potesse superare la pressione termica, la massa delle prime stelle doveva essere più grande, tipicamente di poche centinaia di masse solari. L’accensione delle prime stelle cambiò sostanzialmente l’universo alla fine dell’era di oscurità. A causa della loro grande massa le prime stelle produssero in quantità elementi chimici pesanti disperdendoli nelle esplosioni di supernova. Cominciò così il processo di reionizzazione dei gas nello spazio come lo sono oggi. Le misure del Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) indicano che circa il 10% della polarizzazione fu prodotta dalle prime stelle. Il quadro di come si sono formate le prime stelle e come abbiano influenzato l’evoluzione del cosmo, assume che la materia oscura sia fatta da particelle massive che interagiscono debolmente (WIMP), predette da molte teorie, ma ancora non rivelate perché esse interagiscono solo per mezzo della gravità e dell’interazione nucleare debole. Un probabile candidato WIMP è il neutralino, il più leggero superpartner della teoria della supersimmetria. La maggior parte di queste superparticelle, si sono prodotte subito dopo il big bang, erano instabili e sono decadute. La più leggera non può decadere in altre particelle e quindi deve ancora esistere. Si ritiene che il neutralino abbia circa la massa di un centinaio di protoni e sia piuttosto lento, cioè freddo (cold) e costituisca la cold dark matter (CDM). Nelle simulazioni questo modello predice che le prime stelle si siano formate all’interno di minialoni di materia oscura nei gas in essi inglobati e con masse di un centinaio di masse solari. Se si considera una situazione in cui la materia oscura era più calda (warm), il modello di warm dark matter (WDM) porta a risultati completamente diversi. In questo caso non si formerebbero minialoni ed i gas primordiali collasserebbero secondo grandi strutture filamentose e si formerebbero stelle meno massive. Per decidere quali dei due modelli, CDM o WDM, si debbano applicare, si possono confrontare le intensità di polarizzazione prodotte dai due con le misure del WRAP. Un’altra strategia è di analizzare le masse e la distribuzione delle prime stelle e cercare nella nostra galassia quelle più antiche e di piccola massa che contengono pochi elementi pesanti. Queste avrebbero le caratteristiche delle prime stelle che hanno prodotto questi elementi. Le simulazioni non sono ancora abbastanza dettagliate per fare previsioni, ma la direzione è stata tracciata. La connessione fra fisica delle particelle e le prime stelle offre interessanti possibilità. Se la materia oscura decade e se è abbastanza concentrata da produrre decadimento, ne risulterebbe il riscaldamento dei gas primordiali, inoltre fra breve il nuovo Large Hadron Collider del CERN potrà scoprire i possibili candidati della dark matter.
Science, 28 Sep 2007, Vol. 317, pg. 1848 - Adrian Cho - Nel 2003 il satellite della NASA Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) misurò la radiazione proveniente dal big bang ed i ricercatori mapparono la variazione di temperatura delle radiazioni, nota come cosmic microwave background (CMB), mostrando un insieme di fluttuazioni. Analizzandola statisticamente la mappa indicava la presenza di uno scenario chiamato inflazione secondo il quale in un bilionesimo di trilionesimo di trilionesimo di secondo l’universo appena nato raddoppiò e raddoppiò per 100 volte le sue dimensioni ingrandendo ogni spazio atomico a quelle di una galassia. La mappa produsse anche altri misteri. Dopo 6 mesi un team trovò un curioso allineamento di certe ondulazioni del CMB e presto altri trovarono delle correlazioni che suggerivano che il cosmo era attraversato da un asse come un pezzo di carne da uno stuzzicadenti. Questo asse indicava che l’universo aveva una strana forma o era in rotazione, oppure si trattava di un caso. Le moderne teorie cosmologiche mescolano l’elegante razionalità della teoria della gravità di Einstein con l’intrinseca causalità della meccanica quantistica che domina da quando l’universo era infinitesimo. I teorici possono così predire le proprietà statistiche dell’universo ma non le singole stranezze o coincidenze causate dalle fluttuazioni quantistiche. Inoltre, anche se l’universo nella sua totalità può essere infinito, noi possiamo vedere solo una parte finita di esso e, poiché si espande e la velocità della luce è finita, tutto ciò che si trova al di là di 50 miliardi di anni luce si allontana così velocemente da non essere visibile. Così se l’asse rappresenta qualche caratteristica fondamentale dell’intero universo, potrebbe non rappresentare nulla per la piccola parte dell’universo da noi osservabile, detta volume di Hubble. Il maggiore problema della cosmologia è che il nostro campione di universo è il solo che abbiamo e, se è strano, non significa nulla. In passato la frontiera dell’universo osservabile era limitata dalla tecnologia e si poteva sempre costruire un telescopio più potente, ma ora abbiamo scoperto questa frontiera e solo le misure del CMB cercano di superarla. Tutti concordano che, avendo un solo universo osservabile, alcune stranezze di esso rimarranno sempre misteriose. Secondo le recenti teorie, l’universo è nato infinitamente denso e caldo e colmo di luce e particella subatomiche. Entro 10E-33 secondi, l’inflazione lo estese immensamente prima di rallentare e lo rese piatto come un lenzuolo lasciando i semi delle irregolarità del CMB. L’espansione ha ingrandito le fluttuazioni quantistiche originarie, creando piccole variazioni di densità e quindi di temperatura che si trasferirono nel CMB quando, 400000 anni fa, elettroni e protoni si fusero rendendo lo spazio trasparente alle radiazioni. Per decifrare la mappa del CMB, i ricercatori ne fecero lo spettro di potenza interpretandola come un insieme di oscillazioni. La prima armonica, quella di dipolo, si trova dividendo la sfera in due parti, una più calda e l’altra più fredda, per la seconda armonica si dividono ciascuna delle due parti ancora in due separando le due più calde dalle altre due più fredde (quadripolo) e così via per le armoniche di multipolo. I ricercatori hanno quindi confrontato i risultati dello spettro con le previsioni della teoria cosmologica ed hanno trovato che esse corrispondevano ad un universo vecchio di 13,7 miliardi di anni, piatto, e composto dal 4% di materia ordinaria, 23% di materia oscura, che si rivela solo con la sua gravità, ed il 73% di un’energia che espande lo spazio accelerandone l’espansione. Lo spettro di potenza sale e scende in più punti rivelando come queste onde si muovevano nel primo universo in un modo che si accorda con le previsioni della teoria inflazionaria. Fra le stranezze gli scienziati hanno scoperto alcune particolari armoniche. Nel 2004, dal MIT si fece notare che la configurazione dei punti caldi e freddi nell’ottopolo si presentava secondo un singolo asse e lo stesso nel quadripolo. Quest’asse si trova nel piano del sistema solare, o piano dell’eclittica, e punta verso gli equinozi. Nel 2005, dall’Imperial College di Londra si fece notare che anche le due successive armoniche si allineavano secondo quest’asse. Sembrava quindi che l’universo si disponesse secondo un asse privilegiato contro ogni principio cosmologico. Molti sono scettici ed alcuni sospettano che si tratti di un’illusione prodotta da qualche polarizzazione prodotta dal modo come lavora il satellite WMAP o dai metodi matematici usati nell’analisi. Anche un segnale originato dal sistema solare potrebbe spiegare la connessione con l’eclittica, come un effetto di primo piano. Se però si sottrae questo effetto i dati si adattano meno con la teoria. C’è la possibilità che l’universo sia più strano di quanto supposto dai cosmologi, che abbia una forma strana o che ruoti intorno quest’asse. Naturalmente l’asse potrebbe essere un fatto casuale dovuto alle fluttuazioni quantistiche del nostro particolare volume di Hubble. I ricercatori hanno misurato le variazioni di temperatura del CMB con tale precisione che l’unica incertezza sta nel fatto che noi vediamo un solo volume di Hubble e l’incertezza è solo quella della varianza cosmica. Per essere certi bisognerà misurare ancora molte cose, ad esempio fare una statistica della galassie. Lo Sloan Digital Sky Survey che usa un telescopio da 2,5 m nel New Mexico sta mappando ogni cosa in un quarto di universo ed ha analizzato 80 milioni di galassie. Il previsto telescopio da 8,4 m, detto Large Synoptic Survey Telescope (LSST), ne dovrà vedere 3 miliardi. A metà del secolo i ricercatori contano di aver analizzato 100 miliardi di galassie luminose nel nostro volume di Hubble. Questa analisi ha lo scopo di studiare la distribuzione delle galassie al completo o come le immagini delle galassie sono distorte dalla materia oscura sparsa per l’universo e così tracciare l’evoluzione delle fluttuazioni di densità del CMB che hanno anche generato i filamenti di materia oscura, luogo di origine delle galassie. La cosmologia sembra una scienza, ma non è una scienza. Il fondamento di una scienza è di poter fare esperimenti ripetibili e questo non si può fare in cosmologia. Tuttavia il fatto di poter vedere un solo volume di Hubble non è stato un impedimento a comprendere l’origine e l’evoluzione dell’universo. Studiando le miriadi di piccole asperità e movimenti dell’universo si possono scoprire tante cose. Con tutto ciò la varianza cosmica pone un limite a ciò che la cosmologia ci può dire. La cosmologia ha solo lo scopo di ricostruire la storia dell’universo ed è simile alla biologia dell’evoluzione ed alla geologia dove i ricercatori devono accettare i fatti come sono. Molti sperano di trovare una connessione fra la fisica delle particelle e la nascita e l’evoluzione dell’universo per arrivare ad una teoria onnicomprensiva che permetta, almeno statisticamente, di derivare matematicamente l’universo, ma basta avere una spiegazione. Alcuni vogliono sviluppare teorie che ci estendono al “multiverso” ed ai volumi di Hubble oltre il nostro, ma la natura ci lascerà a pensare per sempre su certi problemi e quello dell’asse e uno di questi.
Science, 7 Dec 2007, Vol. 318, pg. 1560 - Robert Brandenberger - Il Cosmic Microwave Background (CMB), la radiazione emessa dal plasma rovente dell’universo primitivo 14 miliardi di anni fa, è il migliore strumento che abbiamo per studiarne l’evoluzione. La mappa su un largo spettro di frequenze, fornitaci dal Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP), rivela una anisotropia di temperatura gaussiana, con variazioni di densità di una parte su centomila con punti caldi e freddi. Recenti osservazioni hanno individuato, in una regione della galassia, un vasto punto freddo con un raggio di 5°, interpretato come un difetto o ripple della trama cosmica (cosmic texture). Se confermato, potrebbe fornire un legame con certe predizioni della fisica delle alte energie vicine alla scala di Planck che prevedono la formazione di difetti topologici nell’universo primitivo. Le energie della scala di Planck superano ogni possibilità sperimentale umana; a quel livello le particelle elementari erano indistinguibili e meccanica quantistica e gravità si unificavano. Lo scenario inflazionistico, prodotto da un campo sconosciuto che ha causato l’espansione accelerata dello spazio poco dopo il big bang, ha trasformato le fluttuazioni quantistiche nelle disomogeneità che oggi osserviamo nelle galassie e la teoria, che descrive come queste fluttuazioni si sono evolute dalle origini, è stata sviluppata nel decennio 1980 ed ha predetto la distribuzione angolare del CMB confermata dalle recenti osservazioni. Mentre la fisica dell’inflazione è piuttosto sconosciuta, i fisici sanno bene che, durante il raffreddamento la materia ha subito una serie di transizioni di fase come quella dell’acqua che si trasforma in ghiaccio e possono essersi formati dei difetti topologici come quelli che si formano nei cristalli di ghiaccio. In cosmologia questi difetti si presentano nell’allineamento della materia nella fasi di transizione e possono essere di vari tipi: difetti puntiformi (monopoli), difetti lineari (stringhe cosmiche), difetti planari (confini di domini: domain walls) e difetti di collasso sferico, detti di trama (texture). Di questi difetti solo le stringhe e le trame cosmiche sono in principio osservabili, mentre non lo sono i monopoli ed i confini di domini. I difetti possono lasciare degli echi nello spaziotempo dopo il big bang, anche se non sono la sorgente dominante delle anisotropie del CMB. C’è interesse nella possibilità che le stringhe cosmiche prodotte dalla teoria delle superstringhe si possano distinguere nel CMB in un 10% delle anisotropie. L’impronta delle stringhe cosmiche potrebbe essere visibile in un allineamento dove la temperatura ha un salto proporzionale alla tensione della stringa. L’impronta di una cosmic texture sarebbe una distribuzione di punti caldi e freddi con un diametro angolare che dipende dal tempo di collasso; ci si aspetta dimensioni da 1° a 10° mentre le dimensioni più piccole sono più numerose. Per le cosmic texture i salti di temperatura da quella media dipendono dalla scala di energia che le hanno generate. L’identificazione di questi difetti nella mappa del CMB si fa analizzando separatamente aree angolari e calcolandone gli spettri di potenza. Le anomalie sono state individuate dai dati del WMAP, in particolare in un’area fredda di circa 5°, e un’analisi probabilistica fornisce un rapporto di 2,5/1 a favore del cosmic texture più modello gaussiano rispetto al solo modello gaussiano. Se venisse confermata la presenza del cosmic texture, ne deriverebbe che questa transizione di fase è avvenuta ad un’energia di circa 10E16 GeV, molti ordini di grandezza più alta di quella raggiungibile negli esperimenti terrestri, vicina alla scala di Planck dove diventa importante la gravità quantistica.
Science, 4 Jan 2008, Vol. 319, pg. 52 - Claude-André Faucher-Giguère - La ricerca cosmologica fornisce una visione dell’universo e della formazione delle galassie formata da filamenti, nodi e strati che costituiscono la rete cosmica (cosmic web). L’osservazione spettroscopica dei quasar distanti, sorgenti alimentate da buchi neri supermassivi, mostra l’assorbimento dell’idrogeno neutro con le righe di emissione Lyman-alfa che costituiscono la Lyalfa Forest con una distribuzione del redshift delle linee di assorbimento che non lasciano dubbi sul fatto che si tratti di un fenomeno cosmologico. Gli astrofisici hanno cercato di comprendere la formazione delle strutture dell’universo; il modello di formazione deriva dalle piccole fluttuazioni del plasma primordiale e dall’instabilità gravitazionale che ha formato la rete di nodi, filamenti e strati. La gravità ha accresciuto le concentrazioni di densità rendendole sempre più dense e sono resi visibili dalla Lyalfa Forest dell’idrogeno intergalattico. Il nuovo High Resolution Echelle Spectrometer (HIRES), dell’Osservatorio Keck di Mauna Kea delle Hawaii, fornisce gli spettri dei quasar e della Lyalfa Forest. Allo steso tempo il satellite Cosmic Background Explorer (COBE) ha rivelato le piccole anisotropie mappate anche dal Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) del fondo a microonde lasciato dall’universo 400000 anni dopo il big bang. Le simulazioni hanno tracciato l’evoluzione delle strutture cosmiche dalle condizioni iniziali all’epoca presente. Supposto che la Lyalfa Forest sia originata dall’assorbimento dell’idrogeno neutro, si sono ottenuti spettri simulati confrontabili con quelli osservati e la corrispondenza è valida per otto ordini di grandezza. Le fluttuazioni primordiali si sono accresciute di 5 ordini di grandezza in miliardi di anni generando la cosmic web osservata. Lo stesso programma di simulazione può essere usato per calcolare la distribuzione spaziale delle galassie da confrontare con le osservazioni che sono state verificate effettivamente. Il mezzo intergalattico è ora quasi completamente ionizzato dalle radiazioni ultraviolette delle galassie e dei buchi neri dei quasar e la Lyalfa Forest fornisce la storia cosmica della formazione delle galassie e dell’accrescimento dei buchi neri. Dalle proprietà del cosmic web si possono derivare le proprietà dell’inflazione che, subito dopo il big bang, ha provocato l’espansione dell’universo di 25 ordini di grandezza. Gli effetti di lente gravitazionale indicano inoltre che la materia cosmica è dominata dall’invisibile materia oscura che tuttavia rimane sempre un mistero. Candidati alla materia oscura sono particelle chiamate WIMP (weakly interactive massive particles) distinti in cold e dark matter, mentre i neutrini sono classificati come hot dark matter. La frontiera della cosmologia dell’universo primitivo è il momento in cui si sono accese le prime stelle e formate le prime galassie illuminando lo spazio oscuro ed iniziando la reionizzazione. Questo effetto si può osservare attraverso l’emissione delle righe a 21 cm con redshift cosmologico. Telescopi a infrarossi sempre più potenti cercano di scoprire direttamente queste radiazioni e questo è l’obiettivo del prossimo James Web Space Telescope, successore dello Hubble Space Telescope, programmato per il 2013. La ionizzazione dell’elio, che richiede fotoni più energetici, è avvenuta successivamente al tempo dei quasar ed ha quindi un minor redshift. Minore redshift hanno anche le emissioni degli elementi più pesanti ionizzati in successione. Le simulazioni includono tempi diversi e regioni sempre più vaste e promettono sempre maggiori sorprese.
Science, 20 Jun 2008, Vol. 320, pg. 1611 - Michael T. Murphy - Il Modello Standard delle particelle assume che le costanti fondamentali della natura, o almeno i loro limiti, siano le stesse in ogni luogo ed in tutte le epoche dell’universo. Tuttavia non si può giustificare questa assunzione né predire i valori limite. La nostra confidenza sulla loro costanza dipende dagli esperimenti di laboratorio condotti in tempi di scala umana. Queste misure in realtà raggiungono precisioni impressionanti. La costante della struttura fine, alfa=2pe^2/(hc) (dove p=pigreco, e=carica dell’elettrone, h=costante di Planck, c=velocità della luce) che misura la forza dell’elettromagnetismo, ha una variabilità relativa (rapporto fra derivata e costante) di (-1,6+/-2,3)*10E-17 ed il rapporto di massa fra protone ed elettrone è di (-1,9+/-4,0)*10E-16. Tuttavia variazioni molto maggiori possono essersi verificate nei 13-14 miliardi di anni della storia dell’universo. Le variazioni di queste costanti possono essersi manifestate come deviazioni nelle energie di transizioni di atomi e molecole e, paragonando le energie di transizione negli spettri degli oggetti astronomici con i valori ottenuti nei laboratori, si possono mettere in evidenza queste variazioni in tutto l’universo osservabile. Ad esempio, paragonando le transizioni di risonanza di elementi pesanti negli spettri dei quasar si sono notati scarti di 5 volte la varianza, per alfa con -5 parti su 10E6 a redshift fra 2<z<4,2 anche se successivi rilevamenti non hanno dato variazioni. Le misure del rapporto di massa (protone/elettrone) su due spettri quasar con z=2,8 hanno evidenziato uno scarto (3 volte la varianza) di 20*10E-6. Un metodo alternativo per misurare questo rapporto è di misurare gli spettri di assorbimento dell’ammoniaca vicino ai 24 GHz e su altre sostanze con il quasar B0218+357 a diversi z. Combinando i diversi risultati non risulta una chiara prova di variazioni cosmologiche e si rimane dentro gli errori statistici e sistematici. Sarà necessario raccogliere molte più misure su spettri dell’ammoniaca di migliore qualità.
Science, 1 Aug 2008, Vol. 321, pg. 646 - Volker Bromm - Cercando di ricostruire l’intera storia dell’universo, ai cosmologi è rimasto un intervallo critico: il primo miliardo di anni dopo il big bang quando la prima stella illuminò lo spazio. Prima della formazione delle prime stelle, l’universo era estremamente semplice, ma la sua evoluzione lo portò attraverso stati di crescente complessità. Le prime stelle sono importanti per la cosmologia perché cambiò l’universo primitivo e pose fine all’era dell’oscurità cosmica ponendo le basi per l’evoluzione futura. L’astrofisica teorica ha costruito un modello standard di come si sono formate le prime stelle con il risultato che le loro masse dovevano essere di alcune centinaia di volte quella del Sole e questa predizione deriva dall’incapacità del gas primordiale, costituito principalmente da idrogeno ed elio sintetizzati durante il big bang, di raffreddarsi in modo efficiente. La pressione termica dei gas che dovevano formare le stelle era troppo forte. Affinché la gravità potesse superare la pressione termica la massa delle prime stelle doveva essere grande. Le simulazioni per la formazione delle prime stelle davano predizioni incerte. Recentemente una simulazione è stata sviluppata da Naoki Yoshida ed altri in Giappone. Le condizioni iniziali sono il modello della Cold Dark Matter (CDM) e le leggi fisiche del gas idrogeno-elio. Le gigantesche nubi molecolari di gas che formavano i dischi delle galassie erano attraversate da forti campi magnetici e sede di turbolenze supersoniche. L’inizio è la formazione di una protostella, un piccolo nucleo nel collasso della nube primordiale che si accresce con il materiale vicino. Se le prime stelle risultano molto massive, alla prima esplosione di supernova produrranno e disperderanno un gran numero di elementi pesanti e la loro radiazioni ultraviolette ionizzeranno l’idrogeno che è l’elemento più diffuso. Il grado di polarizzazione, osservato dal Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP), indica che il 30% è stato prodotto da stelle ancora non osservate durante il primo miliardo di anni dopo il big bang. Dopo aver capito la formazione delle prime stelle si può pensare alla formazione delle prime galassie con cluster di stelle primitive. Queste saranno le sorgenti più distanti che potranno essere scoperte con il James Webb Space Telescope (JWST) pianificato per il lancio nel 2013. Anche prima del JWST si potranno provare queste previsioni dai resti fossili dell’era oscura nei nostri dintorni. Si è iniziata questa ricerca di archeologia stellare nella nostra galassia analizzando stelle di piccola massa con quantità minime di elementi pesanti testimoni dell’evoluzione delle stelle primordiali. Fino ad ora le simulazioni non sono stata abbastanza dettagliate da permettere previsioni precise, tuttavia la combinazione delle simulazioni al supercomputer e di un ampio survey di stelle fossili di piccola massa, integrate dopo dalle immagini del JWST nello spazio profondo, consentiranno di risolvere questa parte mancante della nostra visione dell’universo nel corso della prossima decade.
Science, 29 Aug 2008, Vol. 321, pg. 1164 - Annalisa Celotti - Nel 1054 d.C. Cinesi ed Arabi registrarono l’osservazione di una brillante esplosione nel cielo. Ora si sa che era stata un’esplosione di supernova ed i suoi resti sono la Crab Nebula che emette particelle con energie relativistiche e radiazioni alle lunghezze d’onda della banda X e dei raggi gamma. A. J. Dean della scuola di Fisica ed Astronomia dell’università di Southampton, UK, ha riportato la scoperta che la radiazione ad alta energia della Crab (raggi X duri) è polarizzata, mettendo in luce i processi ed i meccanismi che rendono così attiva una stella morta. Quando una stella massiva esaurisce il suo combustibile per la fusione nucleare, collassa sotto la propria gravità formando una stella di neutroni o un buco nero e rilasciando energia che riscalda ed espelle gli strati esterni della stella. La materia si espande, con una velocità pari all’1% di quella della luce, nel mezzo interstellare lasciando i resti della supernova. La Crab nebula, che ha un diametro di 10 anni luce, è appunto quello che rimane dell’esplosione di una stella che aveva una massa 10 volte quella del Sole ed era localizzata nella nostra galassia nella costellazione del Toro a circa 6500 anni luce dalla Terra. Dentro la Crab si trova una giovane stella di neutroni, con una massa fra 1,4 e 2 masse solari, attiva come una pulsar. La stella di neutroni ruota 30 volte al secondo ed il suo periodo aumenta di 38 ns al giorno perché la sua energia di rotazione si converte in parte nella radiazione emessa secondo l’asse determinato dal campo magnetico della pulsar. Poiché l’asse del campo magnetico è disallineato con quello della rotazione, le emissioni sono osservate dalla Terra come impulsi di luce fra le onde radio ed i raggi gamma. La massima parte dell’energia di rotazione si disperde con il vento delle particelle relativistiche e dei campi elettromagnetici. Tuttavia, anche dopo 40 anni della scoperta della pulsar Crab e 20 anni dopo che è stata formulata ed accettata la sua interpretazione, rimangono insoluti due problemi chiave. a) In che modo l’energia di rotazione viene convertita in energia elettromagnetica ed in quella del vento di particelle; b) in che modo vengono accelerate le particelle per emettere radiazioni ad alta energia. Comprendere come funziona il sistema della Crab farebbe chiarezza sugli ultimi stadi dell’evoluzione stellare e sui meccanismi con cui le particella relativistiche sono accelerate in modo efficiente nell’universo. In effetti le radiazioni della Crab sono di energia molto alta e richiedono che elettroni e positroni siano portati ad un’energia 100 milioni di volte quella associata alla loro massa. Lo spettro della Crab dalle frequenze radio a quelle gamma è ben noto. L’alto grado di direzione della polarizzazione osservata da Dean fornisce importanti informazioni sul luogo dove si opera l’accelerazione delle particelle e sulla struttura del campo magnetico associato alle pulsar. Le onde elettromagnetiche oscillano su un piano perpendicolare alla direzione di propagazione, un elevato livello di polarizzazione indica che il campo magnetico ha una direzione preferenziale. Come riferito da Dean, il campo elettrico è molto ben allineato con l’asse del jet della pulsar suggerendo che le particelle energetiche sono prodotte sull’asse della pulsar dove il campo magnetico ha una configurazione toroidale. La polarimetria è un potente strumento di diagnosi nell’astronomia, se si ricostruisce la direzione di polarizzazione dei fotoni emessi e si raggiunge una sufficiente sensibilità per applicarla a sorgenti distanti. La prossima generazione di polarimetri, attualmente in sviluppo, sarà capace di misurare livelli di polarizzazione di pochi percento anche per sorgenti extragalattiche. I nuovi polarimetri aiuteranno a chiarire i processi che avvengono nei nuclei galattici attivi dove i flussi collimati si formano muovendosi al 99% della velocità della luce e si pensa che siano prodotti da buchi neri con masse di milioni di miliardi di volte quelle del nostro Sole. Le informazioni polarimetriche forniranno la diagnostica per l’origine delle emissioni nelle bande X e gamma. Forse si aprirebbe la più interessante prospettiva di fare luce sulla natura delle emissioni dei gamma ray burst. Queste sorgenti cosmologiche sono gli eventi più luminosi conosciuti e si crede siano conseguenza di esplosioni di stelle anche più massive di quelle che hanno provocato la Crab e che finiscono con buchi neri.
Science, 5 Sep 2008, Vol. 321, pg. 1301 - Sebastian Lopez - Nel 1962 Allan Sandage ha predetto che un universo in espansione causa una variazione del redshift in tutti gli oggetti cosmologici ed osservò che con le presenti tecnologie con c’è speranza di rivelare questi minuscoli cambiamenti di redshift in intervalli di tempo minori di 10 milioni di anni. In futuro telescopi molto grandi con diametri di 30-40 m e spettrometri molto sensibili potranno in principio fare queste misure. Tuttavia sembra ancora impossibile misurare una sistematica variazione di velocità radiale di 1 cm/s nel corso di 20 anni se non fosse per il recente sviluppo di una raffinata tecnica di misura delle lunghezze d’onda detta “laser frequency combs” (pettine di frequenze laser). L’effetto doppler permette di misurare la velocità radiale di stelle e galassie usando lo spostamento delle lunghezze d’onda del loro spettro e, più alta è la velocità radiale, più grandi sono gli spostamenti. Quando la luce proviene da distanze cosmologiche come quelle di galassie e quasar gli spettri forniscono informazioni sulla storia dell’universo nel suo complesso. Ad ogni oggetto distante si può assegnare un valore di redshift ed il loro andamento è connesso ai diversi parametri dei modelli cosmologici. I progressi della cosmologia dell’ultimo decennio e la missione del Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) hanno fornito l’immagine del cosmic microwave background che conferma un universo piatto e gli studi delle distanze delle supernove di Tipo Ia nelle galassie hanno stabilito che l’espansione dell’universo è accelerata per effetto di una sconosciuta forza prodotta da un’energia oscura. La comprensione di questa energia oscura dipende dal modello cosmologico e solo l’esperimento proposto da Sandage-Loeb che rilevi direttamente la storia dell’espansione potrebbe definirlo senza fissare a priori una geometria dell’universo. La difficoltà sta tutta nella tecnica di calibrazione delle linee di assorbimento in laboratorio. Le righe sono soggette ad incertezze che degradano la risoluzione, sono distribuite in un ampio campo spettrale, hanno intensità molto diverse e spesso sono instabili. Risoluzione e ripetibilità sono cruciali per un monitoraggio su lunghi periodi. Una soluzione viene offerta ora dalla realizzazione di un pettine di frequenze laser prodotto da impulsi laser da un femtosecondo di durata a frequenza di ripetizione di circa 1 GHz determinata dal tempo di transito di una cavità. Quando questi impulsi passano attraverso uno spettrometro nel dominio delle frequenze si presenta un treno di impulsi la cui banda è l’inverso della durata dell’impulso e sono separati uniformemente alla frequenza di ripetizione. Questo pettine di frequenze laser è un perfetto calibratore degli spettri astronomici e Tilo Steinmetz del Max Planck Institute ha eseguito recentemente una calibrazione dello spettro del Sole. Usando bande più larghe si possono ottenere precisioni stabili di una parte su 10 milioni aprendo una nuova era alla spettroscopia astronomica. Per un’applicazione ai grandi telescopi è necessario però coprire tutto lo spettro ottico. Si potranno poi eseguire due altri esperimenti astrofisici. Il primo è di verificare se le costanti fondamentali della fisica, o un combinazione di queste costanti come il rapporto di massa protone/elettrone o la costante della struttura fine deducibili dalle righe di assorbimento, siano riamaste costanti nei tempi cosmologici misurandoli negli spettri dei quasar ad alto redshift. Attualmente si è ancora nell’incertezza dell’errore sistematico. La seconda applicazione è nella ricerca dei pianeti extrasolari che è oggi basata sulle piccole variazioni della velocità radiale delle stelle provocata dalla presenza di pianeti vicini. La scoperta di pianeti delle dimensioni della Terra in zone abitabili richiede una precisione di misura del doppler di 5 cm/s ed una stabilità di circa un anno e questo sarebbe facile con la nuova tecnica.
Science, 5 Dec 2008, Vol. 322, pg. 1476 - Gerard Gilmore - La materia oscura (dark matter) è la forma dominante di materia dell’universo. Benché essa sia trasparente, perché non interagisce con le forze elettromagnetiche, la sua presenza è provata dai suoi visibili effetti gravitazionali. La sua esistenza è stata postulata circa 100 anni fa, mentre la sua componente dominante non barionica è stata scoperta e quantificata su scala macroscopica negli ultimi 70 anni. Poiché la materia oscura non barionica è materia, dovrà essere descritta dal successore del modello standard delle particelle fisiche. La ricerca della materia oscura verrà condotta sperimentalmente sulla terra, sia direttamente attraverso il Large Hadron Collider e numerosi eleganti esperimenti di rivelazione diretta, sia indirettamente attraverso gli effetti gravitazionali su scala astronomica. Se le misure su scala astronomica saranno sensibili ai diversi tipi di dark matter dipende dal loro ruolo avuto nello sviluppo dell’universo. Il primo universo era molto uniforme, come si vede dalle fluttuazioni estremamente piccole del cosmic microwave background di 300000 anni dopo il big bang. Le strutture dell’universo si sono sviluppate a partire da queste fluttuazioni per effetto della gravità e della materia oscura; quella calda (hot) e relativistica, che si muove velocemente, ha poco effetto sulla condensazione della materia rispetto a quella fredda (cold) che si muove lentamente. Le simulazioni numeriche hanno dimostrato che la parte dominante di materia oscura è quella fredda (cold dark matter), la hot matter è costituita dai neutrini, dalle onde gravitazionali ed altre radiazioni. Su piccola scala lo studio delle galassie del Gruppo Locale di cui fa parte la Via Lattea, ha identificato molte galassie satelliti nane dentro ed intorno alla Via Lattea. Queste galassie sono le sopravvissute delle prime concentrazioni createsi un miliardo di anni dopo il big bang ed hanno una dimensione minima di 300 anni luce dovuta alle caratteristiche della materia oscura ed alla sua dinamica. La missione Gaia della European Space Agency (ESA), da lanciare nel 2011, fornirà distanze e velocità trasversali di un miliardo di stelle con una magnitudine fino a 20. Fornirà anche le distanze assolute con il metodo della parallasse nel periodo di un anno ed i dati miglioreranno di tre ordini di grandezza quelli attuali mentre la sensibilità migliorerà di 4 ordini di grandezza. Lo scopo principale di Gaia è lo studio dell’evoluzione delle galassie e la misura precisa delle masse di materia oscura. Attraverso la misura precisa delle velocità traverse si avranno i dati di localizzazione e dinamica di un gran numero di oggetti per determinare masse ed orbite.
Science, 6 Jun 2008, Vol. 320, pg. 1298 - Edward P. J. Van den Heuvel - Le pulsar sono stelle di neutroni che ruotano rapidamente emettendo fasci di onde radio che, se ricevuti dalla Terra, producono impulsi regolari con periodi che variano da 1 ms a 8 s. Delle circa 1600 pulsar note nel disco della nostra galassia, il 5% circa hanno impulsi di periodo inferiore a 10 ms. Molte di queste pulsar da ms hanno una stella compagna che è una nana bianca e tutte queste binarie hanno orbite perfettamente circolari. La scoperta di una pulsar da millisecondi con massa 30% superiore ad altre binarie ed orbita molto eccentrica per una compagna che è probabilmente una stella simile al Sole, fa ora pensare che l’alta eccentricità sia dovuta all’interazione di una terza stella. Le stelle di neutroni ed i buchi neri sono gli oggetti più densi dell’universo ed hanno campi gravitazionali molto intensi. Si formano per il collasso dei nuclei di stelle che superano le 8 volte la massa solare dopo un’esplosione di supernova. Con un peso di 1,4 la massa del Sole ed un diametro di 20 km, una stella di neutroni è essenzialmente un nucleo atomico formato da 10E57 neutroni tenuti insieme dall’attrazione gravitazionale che è di 11 ordini di grandezza superiore a quella esistente sulla superficie della Terra e questa gravità permette una velocità di 1000 rotazione al secondo. Il trasferimento di materia dalla stella compagna alla pulsar tende a ridurre il periodo di rotazione. L’orbita circolare della coppia è l’evoluzione finale della classe di low-mass x-ray binaries (LMXB) formate fa una stella di neutroni ed una compagna con meno di 1,5 masse solari. Il trasferimento di materia può durare centinaia di milioni di anni riducendo il periodo di rivoluzione e circolarizzando l’orbita per effetto delle forze mareali. Alla fine la stella compagna diviene una nana bianca. Per spiegare l’eccentricità osservata nell’ultima pulsar del piano galattico, J1903+0327, si pensa che qualche cosa abbia disturbato l’orbita circolare del sistema. Fra le possibilità c’è quella di un altro corpo e quindi la presenza di tre stelle invece che di due, cosa che però è di tre ordini di grandezza più probabile solo negli ammassi globulari. Ripetendo la cattura di altre stelle, le pulsar degli ammassi globulari accrescono la loro massa fino a 1,8 masse solari. L’azione della terza stella può rendere di nuovo eccentrica la primitiva binaria o creare uno scambio, o farla sfuggire dal cluster. Come spiegazione alternativa si è pensato ad una struttura gerarchica composta da una normale binaria circolare, pulsar da millisecondi e nana bianca, ed una terza stella più lontana che con la sua azione gravitazionale induce eccentricità sulla binaria interna. La nana bianca potrebbe alla fine evaporare per le azioni gravitazionali e fondersi con la pulsar.
Science, 22 Aug 2008, Vol. 321, pg. 1047 - Philip J. Armitage - Una delle caratteristiche nella formazione delle stelle è la sua universalità. Benché possono avere masse che coprono tre ordini di grandezza, la distribuzione delle masse fra le stelle in formazione, detta initial mass function (IMF), è la stessa negli ambienti più diversi della nostra galassia. I teorici pensano che questa universalità viene a mancare in condizioni estreme, come ad esempio per le prime stelle che si sono formate nei gas senza elementi metallici dopo il big bang. Mancano però prove osservative di questa teoria. I. A. Bonnell e W. K. M. Rice dell’università di St. Andrews, in Scozia, hanno eseguito delle simulazioni per studiare la formazione di stelle osservata nelle immediate vicinanze di buchi neri supermassivi. In realtà è sorprendente trovare stelle che si formano nelle vicinanze di buchi neri a causa delle forze mareali che agiscono sulle nubi di gas molecolari. Tuttavia osservazioni al centro galattico rivelano la presenza di due popolazioni di stelle massive la cui corta vita dimostra che si sono formate in tempi relativamente recenti. La prima popolazione di stelle di tipo S più vicine al buco nero hanno un periodo orbitale di circa 10 anni. Il monitoraggio delle orbite su un lungo periodo è stato usato per misurare la massa del buco nero con alta precisione per rivelare gli scostamenti dalla legge di Newton per effetto relativistico. Più distante dal buco nero è la seconda popolazione di circa 100 stelle di grande massa formatasi circa 6 milioni di anni fa. Queste stelle orbitano il buco nero in un singolo disco ed il loro IMF contiene molte più stelle massive di quanto ci si aspetta in una normale formazione. L’idea proposta per una spiegazione è che si sono formate in un normale ambiente prima di spiralizzare intorno al buco nero. Le stelle di tipo S si sono formate come binarie e poi separate durante il flybye con il buco nero ed una è stata eiettata fuori dal centro galattico. Questo scenario è confermato dall’identificazione di stelle iperveloci in altri punti della Via Lattea. Un modello alternativo postula che una nube molecolare, ancora a distanza dal buco nero da non risentire delle forze che la rendono instabile, forma dei dischi eccentrici dove si formano le stelle. Molta della nube molecolare dentro i 100 anni luce dal buco nero si allontana dal centro e le simulazioni dovrebbero vedere quanta parte si porta lontano da traiettorie convergenti.
Science, 11 Sep 2009, Vol. 325, pg. 1347 - Charles L. Bennett - Una delle domande fondamentali della cosmologia è di come sia iniziato l’universo. Le due idee centrali dell’inflazione e della cold dark matter (CDM), includendo l’imprevista espansione accelerata dell’universo, condizionano un nuovo modello standard della cosmologia. La moderna cosmologia è iniziata con l’applicazione della relatività generale per interpretare la relazione fra il redshift delle galassie e la loro distanza da noi. La presenza di una grande quantità di materia oscura è stata dedotta dall’inizio e introdotta nel modello standard. La scoperta del cosmic microwave background (CMB) e del suo spettro di corpo nero, ha confermato la teoria del big bang e che il presente universo è il risultato dell’espansione e del raffreddamento da un inizio denso e caldo. Tuttavia la teoria del big bang descrive l’espansione e il raffreddamento, ma non dice nulla sull’origine dell’universo. L’origine è, in effetti, l’inflazione, cioè la rapida espansione di una piccola regione dello spazio su scala astronomica. L’inflazione è un paradigma che è al fondamento delle teorie quantistica e della gravità, le due grandi e incompatibili teorie del XX secolo. Le misure dell’inflazione, non solo proveranno le origini dell’universo, ma anche aiuteranno a rivelare le strutture basi della stessa fisica. L’anisotropia misurata nel CMB è in accordo con l’accrescimento gravitazionale della struttura, ma solo se la CDM è prevalente sulla massa barionica. I dati completi del Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) condizionano la cosmologia, quando si combinano con altri dati cosmologici, come le oscillazioni acustiche barioniche, la costante di Hubble e le supernove di tipo Ia. Questi dati sono alla base del modello standard: una descrizione quantitativa di un universo dominato da una densità costante di energia che guida l’espansione accelerata. La densità costante di energia può essere l’energia del vuoto: stranamente lo spazio vuoto contiene energia sotto forma di una pressione negativa che guida l’espansione. Le supernove di tipo Ia sono il modo migliore per misurare l’accelerazione dell’espansione a limitati redshift. Gli attuali risultati sono limitati da effetti sistematici. Progressi si potranno ottenere allargando i volumi di spazio, con l’uso di un enorme numero di galassie, con l’effetto di deboli lenti gravitazionali e delle oscillazioni acustiche barioniche. L’incapacità di predire il livello dell’energia del vuoto è antica e non si riesce a stabilire se sia essa la causa dell’accelerazione cosmica. Ci sono sei generiche predizioni per la più semplice versione dell’inflazione. 1) La temperatura del CMB dovrebbe essere veramente uniforme in tutto il cielo come verificato dal Cosmic Background Explorer (COBE). 2) L’universo dovrebbe avere una geometria quasi, ma non esattamente, euclidea e la prima indicazione dalle misure ha dato un universo piatto entro circa l’1%. 3) Le fluttuazioni di temperatura devono mostrare una piccola deviazione dalla potenza uniforme su tutte le scale angolari e, in effetti, una piccola deviazione è stata osservata con un’accuratezza di 3 sigma. 4) L’inflazione deve aver provocato fluttuazioni adiabatiche su scale oltre l’orizzonte che hanno prodotto poi oscillazioni acustiche nell’anisotropia della temperatura, prova di questo si è avuta nello spettro di potenza della temperatura e nella polarizzazione e cross polarizzazione della temperatura. 5) Ci dovrebbe essere una isotropia statistica con fluttuazioni che hanno distribuzione gaussiana a fase random e con piccole eccezioni le attuali osservazioni si accordano con questa predizione. 6) La generazione di onde gravitazionali avrà impresso una polarizzazione sul CMB su scala grande e intermedia, l’ampiezza e la struttura a spirale devono rivelare il livello di energia con cui è avvenuta l’inflazione. Il modello specifico di inflazione non è definito in modo univoco e altri modelli non sono stati scartati. Molto di ciò che sappiamo oggi deriva dalla combinazione delle misure del WMAP e COBE insieme all’analisi sul redshift delle galassie dello Sloan Digital Sky Survey. Il satellite Planck lanciato di recente farà la mappa dell’intero cielo con una maggiore risoluzione angolare e sensibilità. Più di una dozzina di misurazioni, da terra e a bordo di palloni, sono nello stadio di sviluppo o osservazione e coprono un ampio campo di frequenze con diverse risoluzioni angolari e coperture. Nuovi dati del CMB miglioreranno le condizioni per la teoria dell’inflazione e la presenza di onde gravitazionali. Con l’analisi spettroscopica del redshift di un miliardo di galassie, la combinazione dei dati dovrebbe chiarire le ragioni dell’espansione accelerata, caratterizzare la materia oscura, dimostrare l’evoluzione delle galassie, determinare la massa dei neutrini leggeri e provare la forma gaussiana dello spettro di potenza dell’inflazione.
Science, 20 Nov 2009, Vol. 326, pg. 1047 - Yudhijit Bhattacharjee - I raggi cosmici che attraversano lo spazio a velocità vicine a quelle della luce hanno sempre stupito gli scienziati che hanno cercato di spiegarsi come abbiano acquistato queste spaventose velocità. Ora nuove osservazioni suggeriscono che Enrico Fermi avesse ragione formulando l’ipotesi che essi provenissero dall’esplosione delle stelle. Secondo la teoria di Fermi, le particelle cariche oscillano all’interno dell’esplosione e alcune, accelerate ad alta energia, sono lanciate nello spazio. Secondo questa ipotesi, le galassie, che hanno molte esplosioni di supernova, generano un’alta concentrazione di raggi cosmici e, poiché questi interagiscono con i gas presenti producendo raggi gamma, lo spettro delle galassie deve essere ricco di raggi gamma. Questo è ciò che hanno trovato gli astronomi in due galassie con un grande contenuto di supernove: la NGC 253 e la M82. NGC 253 si trova a 10 milioni di anni luce ed è stata osservata con lo High Energy Stereoscopic System (HESS), un array di telescopi di terra locati in Namibia che determinano la direzione dei raggi gamma dalla luminosità prodotta quando colpiscono l’atmosfera terrestre. Gli astronomi hanno osservato una grande concentrazione di raggi gamma da una piccola regione di grande attività stellare con alto rate di formazione stellare e di esplosioni di supernova. Questo indica una correlazione fra generazione di raggi cosmici e supernove. Un altro gruppo di ricercatori ha trovato una simile correlazione nella galassia M82 usando il Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System (VERITAS). Queste osservazioni sono state confermate dal rapporto del Fermi Space Telescope presentato nel Symposium di questo mese a Washington. L’importanza di questi due rapporti è che identificano la signature dei raggi cosmici in una galassia attiva al centro della Via Lattea. Si spera anche di avere conferma rivelando l’emissione di neutrini da queste galassie con il prossimo rivelatore IceCube telescope in costruzione al Polo Sud, questo perché i raggi cosmici, nell’urto con il mezzo interstellare, emettono particelle subatomiche, dette pioni, che decadono in raggi gamma e neutrini. Dopo aver osservato i raggi gamma è la volta dei neutrini.