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martedì, Dicembre 6, 2022
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Una nuova teoria sulle origini della materia oscura

Una nuova teoria sulle origini della materia oscura
Una nuova teoria sulle origini della materia oscura

Un recente studio, condotto presso la University of Melbourne e pubblicato sulle Physical Review Letters, propone una nuova teoria riguardo le origini della materia oscura, fornendo quindi nuovi spunti agli scienziati impegnati nella ricerca di questa misteriosa materia nuova.

Secondo questo studio, la chiave per comprendere la materia oscura risiederebbe nel modo in cui si sono espanse le bolle nell’universo primordiale.

Uno dei componenti del gruppo di ricerca, Michael Baker, afferma che il meccanismo proposto nello studio ipotizza che l’abbondanza di materia oscura potrebbe essere stata determinata durante una transizione di fase cosmologica.

È plausibile che queste transizioni di fase siano avvenute nell’universo primordiale e che possano essere assimilate alle bolle di gas che si formano nell’acqua in ebollizione. Gli autori dello studio dimostrano che è naturale aspettarsi che le particelle di materia oscura trovino difficoltà nell’inserirsi dentro queste bolle, il che fornirebbe una nuova spiegazione relativa alla quantità di materia oscura osservata nell’universo.

Sebbene siano numerosi gli esperimenti orientati alla ricerca della materia oscura, ancora oggi nessuno di questi ha avuto un successo rilevante. In una prima fase della ricerca, la maggior parte degli esperimenti si è focalizzata sul concetto di Particelle Massicce Debolmente Interagenti (WIMP – Weakly Interacting Massive Particles), che, per decenni, ha rappresentato il modello più acclarato. Tuttavia, nessuno di questi esperimenti ha prodotto risultati importanti e ciò induce i ricercatori a continuare nella sperimentazione.

Gli scienziati sono consapevoli dell’esistenza della materia oscura, e, se esistesse una nuova particella che la rappresenti, è molto probabile che essa possa venire rilevata all’interno di un laboratorio. In questo modo sarebbe possibile identificare le proprietà di questa ipotetica particella, come la sua massa e le sue interazioni, e quindi apprendere qualcosa di nuovo sull’universo.

L’idea alla base della ricerca in questione funziona bene anche per quelle particelle di materia oscura che sono più pesanti della maggior parte delle particelle ipotizzate finora, come le sopra descritte particelle massicce debolmente interagenti, sulle quali, per decenni, si era focalizzata la maggior parte della ricerca. Il lavoro portato avanti dai ricercatori australiani giustifica l’estensione delle ricerche sulla materia oscura verso particelle più pesanti.

I risultati di questa ricerca porranno le basi per un incremento della sperimentazione sulla materia oscura, che verrà incrementata con la costruzione dello Stawell Underground Physics Laboratory, un laboratorio sotterraneo di fisica delle particelle, costruito a un chilometro di profondità.

Nuove proposte teoriche saranno utili per progettare nuovi esperimenti che possano testare il più ampio ventaglio di proposte sulla materia oscura, dando così agli scienziati le migliori possibilità di scoprire il mistero della materia oscura.

Sulle orme di Curiosity – video

Sulle orme di Curiosity - video
Sulle orme di Curiosity - video

Dopo un primo filmato rilasciato qualche tempo fa, la NASA ha rilasciato altre immagini straordinarie catturate dai suoi rover robotici, permettendoci di apprezzare, una volta di più, il variegato paesaggio di Marte che, a tratti, ci appare addirittura familiare.

Una clip di circa 12 minuti ci offre nuove viste panoramiche della superficie del Gale Crater, un antico lago asciutto che il rover Curiosity sta esplorando ormai da oltre un decennio.

Possiamo vedere ampie superfici desertiche, alte dune, affioramenti scoscesi e terreno irregolare disseminato di rocce frastagliate.

Questo viaggio attraverso la superficie di un altro mondo è stato creato utilizzando foto digitali scattate dai rover della NASA – Spirit, Opportunity e Curiosity – e trasmesse sulla Terra.

Sono state quindi “cucite insieme” per creare l’illusione di una telecamera panoramica attraverso il paesaggio desolato e sterile – e fornire quella che il narratore chiama “l’esperienza realistica di essere su Marte“.

Il cielo marziano, che nel video appare rossastro e sfocato, varia di colore dal giallo al blu. Ma tutto il video è davvero un tesoro per gli appassionati di geologia che potranno divertirsi a ricostruire alcuni momenti della storia del Pianeta Rosso.

Oggi Spirit e Opportunity non funzionano più, ma Curiosity è stato raggiunto su Marte nel febbraio del 2021 dal rover Perseverance e dall’elicotterino Ingenuity.

Godetevi il video.

Il Mauna Loa in eruzione visto dai satelliti – video

Il Mauna Loa in eruzione visto dai satelliti
Il Mauna Loa in eruzione visto dai satelliti

Durante la prima eruzione del Mauna Loa in quasi quattro decenni, i satelliti hanno ripreso il bagliore notturno del vulcano e il pennacchio di anidride solforosa che sta producendo.

Il Mauna Loa, alle Hawaii, il più grande vulcano attivo del mondo, è stato silenzioso negli ultimi quattro decenni ma negli ultimi giorni il grande vulcano ha iniziato a svegliarsi.

All’inizio di ottobre 2022, si sono avuti i primi segni del risveglio, quando i dati dell’US Geological Survey (USGS) hanno mostrato un aumento di dieci volte dei piccoli terremoti sotto la caldera sommitale del vulcano. Questo è stato il risultato del movimento sotterraneo del magma.

Sciami di terremoti sono continuati sporadicamente fino al 27 novembre 2022, quando nuove fessure hanno iniziato a eruttare lava sul pavimento della caldera alle 23:30 ora locale. La maggior parte delle fontane di lava prodotte erano alte solo pochi metri ma alcune delle più alte sono arrivate fino a 30-60 metri. Altre fessure si sono aperte leggermente a nord-est il giorno successivo.

Il bagliore luminoso dell’eruzione è stato visibile ai satelliti della NASA e del NOAA in orbita a centinaia di chilometri sopra la superficie. Il video qui sopra è stato acquisito alle 2:25 ora locale (12:25 UTC ) del 28 novembre dalla “banda giorno-notte” della Visible Infrared Imaging Radiometer Suite (VIIRS) sul satellite NOAA-NASA Suomi NPP.

Qualche copertura nuvolosa il 28 novembre ha reso più diffusa la luce dall’eruzione. “Sembra anche che la lava emessa dall’eruzione fosse così brillante che il sensore si è saturato, producendo una ‘striscia di recupero post-saturazione’ lungo la scansione VIIRS a sud-est”, ha osservato Simon Carn, un vulcanologo del Michigan Tech. “Queste strisce si vedono solo su fonti molto intense di radiazioni visibili“.

Anidride solforosa Mauna Loa novembre 2022

Il satellite Sentinel-5P dell’Agenzia spaziale europea ha mappato l’anidride solforosa nell’atmosfera sopra le Hawaii utilizzando il suo sensore Tropospheric Monitoring Instrument (TROPOMI) il 28 novembre 2022.

Tra le sostanze che si sono riversate dal vulcano c’era anidride solforosa (SO2) , un gas pungente che reagisce con l’ossigeno e l’acqua formando una foschia vulcanica grigia chiamata vog. La mappa sopra mostra dove il satellite Sentinel-5P dell’Agenzia spaziale europea ha rilevato l’anidride solforosa nella media troposfera con il suo sensore Tropospheric Monitoring Instrument (TROPOMI). L’Ozone Monitoring Instrument (OMI), il predecessore di TROPOMI, sul satellite Aura della NASA ha effettuato misurazioni simili.

Il Vog (smog vulcanico) è una foschia visibile composta da gas e un aerosol di minuscole particelle e goccioline acide create quando l’anidride solforosa (SO2) e altri gas emessi da un vulcano interagiscono chimicamente con la luce solare e l’ossigeno atmosferico, l’umidità e la polvere. Le emissioni di gas vulcanico possono danneggiare l’ambiente e la salute dei residenti locali. Il vog è un pericolo particolarmente associato ai vulcani hawaiani.

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L’eruzione è stata effusiva piuttosto che esplosiva, anche se la sua fase iniziale durante la notte del 28 novembre è stata piuttosto energica e ha iniettato un po’ di anidride solforosa ad alta quota, forse fino alla tropopausa“, ha detto Carn. “Questo è insolito per questo tipo di eruzione“.

Gli scienziati della NASA hanno utilizzato sia OMPS che TROPOMI per misurare le emissioni di anidride solforosa di circa 0,2 teragrammi il 28 novembre. Per fare un confronto, la precedente eruzione del Mauna Loa, nel marzo-aprile 1984, ha emesso circa 1,2 teragrammi di anidride solforosa in un’eruzione di tre settimane.

Le eruzioni del Mauna Loa in genere durano alcune settimane, ma questa è un’eruzione in evoluzione e siamo solo agli inizi“, ha aggiunto Ashley Davies, vulcanologa del Jet Propulsion Laboratory della NASA. “L’Hawaiian Volcano Observatory dell’US Geological Survey sta monitorando e valutando da vicino tutti gli aspetti dell’eruzione ed è un’ottima fonte di informazioni per le persone che si interrogano sui rischi e sui pericoli che questa eruzione potrebbe comportare“.

Gli scienziati affiliati al programma Disasters della NASA stanno monitorando attivamente l’eruzione e stanno fornendo dati e immagini ad altre agenzie, tra cui l’Hawaiian Volcano Observatory e la FEMA, che stanno monitorando l’eruzione.

Immagini del NASA Earth Observatory di Joshua Stevens, utilizzando i dati della banda giorno-notte VIIRS della Suomi National Polar-orbiting Partnership e i dati modificati di Copernicus Sentinel 5P (2022) elaborati dall’Agenzia spaziale europea.

L’Homo Naledi sfruttava il fuoco come gli umani moderni

L'Homo Naledi sfruttava il fuoco come gli umani moderni
L'Homo Naledi sfruttava il fuoco come gli umani moderni

I ricercatori che hanno scavato il sistema di Rising Star Cave in Sud Africa hanno portato alla luce prove che l’Homo naledi, una specie estinta di ominide scoperta per la prima volta nel 2013, accendevano fuochi nelle camere sotterranee.

Si dice spesso che la capacità di accendere il fuoco sia una delle abilità chiave che definisce gli esseri umani: ha permesso ai nostri antenati di cucinare il cibo, riscaldarsi e alla fine diventare la specie dominante del pianeta.

Recentemente, sono state trovate prove in tutta Europa che suggeriscono che anche i Neanderthal fossero abili utilizzatori di fuoco, ma ora potremmo dover aggiungere un’altra specie all’elenco. I ricercatori che hanno scavato nella complessa rete di grotte in Sud Africa affermano di aver portato alla luce prove che anche l’Homo naledi, una specie estinta di ominide vissuta da 200.000 a 300.000 anni fa, usava il fuoco come strumento.

La scoperta è stata annunciata durante una conferenza tenuta dal Prof. Lee Berger dell’Università del Witwatersrand, Johannesburg, presso la Carnegie Institution of Science di Washington.

“Siamo abbastanza fiduciosi nel formulare l’ipotesi che questo ominide dal cervello piccolo, Homo naledi, che esisteva nello stesso momento in cui crediamo che l’Homo sapiens condividesse parti dell’Africa, stesse usando il fuoco per una varietà di scopi”, ha detto.

I resti di Homo naledi sono stati scoperti per la prima volta nel 2013 da Berger e dal suo team a centinaia di metri all’interno di una fitta rete di passaggi claustrofobicamente nota come sistema di Rising Star Cave vicino a Johannesburg, in Sud Africa.

Da allora scavi successivi hanno portato alla luce fossili di più di una dozzina di individui – sia maschi che femmine, giovani e adulti – nonché prove di pratiche di sepoltura rituali in cui i resti di alcuni individui sembrano essere stati lavati e deliberatamente collocati in posizione.

Poi, all’inizio di quest’anno, dopo essere entrato lui stesso nelle caverne per la prima volta, Berger dice di aver notato segni di fuliggine sulle superfici delle pareti.

“Mentre alzavo lo sguardo e fissavo il tetto, ho iniziato a rendermi conto che il tetto non era un puro carbonato di calcio. Il tetto sopra la mia testa era ingrigito sopra la colata fresca. C’erano aree annerite lungo il muro. C’erano particelle di fuliggine su tutta la superficie. L’intero tetto della camera dove abbiamo lavorato negli ultimi sette anni è bruciato e annerito”, ha detto.

Allo stesso tempo, il co-direttore della spedizione, il dottor Keneiloe Molopyane, ha scoperto i resti di un piccolo focolare contenente ossa di antilope bruciate affiancato dai resti di un focolare molto più grande in una grotta vicina.

Ulteriori indagini del sistema hanno scoperto in seguito diverse altre grotte e passaggi con pezzi di legno bruciato e ossa di animali carbonizzati.

“Il fuoco non è difficile da trovare. È ovunque all’interno di questo sistema”, ha affermato Berger. “Ovunque c’è una congiuntura complessa, hanno acceso il fuoco. In ogni sistema di caverne adiacente alle camere in cui crediamo stessero eliminando i morti, accendevano fuochi e cucinavano animali. E nella camera dove crediamo stessero eliminando i morti, hanno acceso il fuoco ma non hanno cucinato gli animali. È straordinario.

Il team ha ora in programma di lavorare sulla datazione al radiocarbonio delle loro scoperte per consolidare il legame tra i focolari e i fossili di Homo Naledi.

“Questo è il periodo più straordinario di esplorazione e scoperta, e continuerà”, ha dichiarato Berger. “La prossima generazione non ha paura dell’esplorazione. La tecnologia sta aprendo spazi e luoghi che nessuno di noi avrebbe mai immaginato”.

Covid, dopo la pandemia il cervello dei ragazzi appare invecchiato

Covid, dopo la pandemia il cervello dei ragazzi è invecchiato
Covid, dopo la pandemia il cervello dei ragazzi è invecchiato

Dopo la pandemia da Covid i ricercatori di Stanford hanno notato che il cervello di alcuni adolescenti sembrava essere di diversi anni più vecchio rispetto a quelli di giovanissimi esaminati prima dello scoppio dell’emergenza sanitaria. I fattori di stress legati alla pandemia hanno infatti alterato fisicamente il cervello degli adolescenti in maniera significativa.

Questi sono i risultati di un nuovo studio della Stanford University che è stato pubblicato il 1° dicembre 2022 sulla rivista Biological Psychiatry: Global Open Science. Solo nel 2020, le segnalazioni di ansia e depressione negli adulti sono aumentate di oltre il 25% rispetto agli anni precedenti. Le nuove scoperte indicano che gli effetti sulla salute neurologica e mentale della pandemia di COVID-19 sugli adolescenti potrebbero essere stati anche peggiori.

Covid, Gotlib: “Pandemia ha influenzato la salute mentale dei giovani

Ian Gotlib, professore di psicologia alla Marjorie Mhoon Fair a la School of Humanities & Sciences è il primo autore della ricerca. Lo studioso ha spiegato tramite alcune dichiarazioni riportate da Scitechdaily: “Sappiamo già dalla ricerca globale che la pandemia ha influito negativamente sulla salute mentale dei giovani, ma non sapevamo cosa, se non altro, stava facendo fisicamente al loro cervello”.

Gotlib ha osservato che con l’avanzare dell’età, i cambiamenti nella struttura del cervello si verificano naturalmente. Durante la pubertà e la prima adolescenza, i corpi dei bambini sperimentano una maggiore crescita sia nell’ippocampo che nell’amigdala, aree del cervello che rispettivamente controllano l’accesso a determinati ricordi e aiutano a modulare le emozioni. Allo stesso tempo, i tessuti della corteccia, un’area coinvolta nelle funzioni esecutive, si assottigliano.

Le scansioni cerebrali

Confrontando le scansioni cerebrali MRI di 163 bambini effettuate prima e durante la pandemia, lo studio di Gotlib ha mostrato che questo processo di sviluppo è accelerato negli adolescenti quando hanno sperimentato i blocchi del COVID-19. Fino ad ora, ha detto, questi tipi di cambiamenti accelerati nell'”età cerebrale” sono apparsi solo nei bambini che hanno sperimentato avversità croniche, dovute a violenza, abbandono, disfunzioni familiari o una combinazione di più fattori.

Sebbene queste esperienze siano collegate a scarsi risultati di salute mentale più avanti nella vita, non è chiaro se i cambiamenti nella struttura cerebrale osservati dal team di Stanford siano collegati a cambiamenti nella salute mentale, ha osservato Gotlib.

Non è chiaro se siano cambiamenti permanenti

Gotlib, che è inoltre direttore del laboratorio Stanford Neurodevelopment, Affect, and Psychopathology (SNAP) presso la Stanford University, ha spiegato che non è chiaro se tali cambiamenti siano permanenti. Non è dato sapere quindi se l’età cronologica raggiungerà infine l’età cerebrale: Se il loro cervello rimane permanentemente più vecchio della loro età cronologica, non è chiaro quali saranno i risultati in futuro”.

Nel caso di un uomo di 70 o 80 anni ci si aspetterebbe, come ha precisato Gotlib, alcuni problemi mnemonici e/o cognitivi a causa dei cambiamenti nel cervello “ma cosa significa per un sedicenne se il suo cervello sta invecchiando prematuramente?”.

In origine, ha spiegato Gotlib, il suo studio non era progettato per esaminare l’impatto del COVID-19 sulla struttura del cervello. Prima della pandemia, il suo laboratorio aveva reclutato un gruppo di bambini e adolescenti provenienti da tutta la San Francisco Bay Area per partecipare a uno studio a lungo termine sulla depressione durante la pubertà, ma quando la pandemia ha colpito, non ha potuto condurre scansioni MRI regolarmente programmate su quei giovani. Lo studioso ha spiegato che nove mesi dopo lui e il suo team sono stati costretti a “un duro riavvio”.

Studio in ritardo

Una volta che Gotlib ha potuto continuare le scansioni cerebrali sui suoi giovani pazienti, lo studio era in ritardo di un anno. In circostanze normali, sarebbe possibile correggere statisticamente il ritardo durante l’analisi dei dati dello studio, ma la pandemia era tutt’altro che un evento normale.

Fertilizzare l’oceano per immagazzinare anidride carbonica

Fertilizzare l'oceano per immagazzinare anidride carbonica
Fertilizzare l'oceano per immagazzinare anidride carbonica

Secondo un gruppo di ricerca internazionale guidato da Michael Hochella del Pacific Northwest National Laboratory del Dipartimento dell’Energia, l’urgente necessità di rimuovere l’anidride carbonica in eccesso dall’ambiente terrestre potrebbe includere l’arruolamento di alcuni dei più piccoli abitanti del nostro pianeta: il placton.

Nutrire il fitoplacton per assorbire anidride carbonica

Hochella e i suoi colleghi hanno esaminato le prove scientifiche per seminare gli oceani con particelle di fertilizzanti ingegnerizzati ricchi di ferro vicino al plancton oceanico. L’obiettivo sarebbe nutrire il fitoplancton, piante microscopiche che sono una parte fondamentale dell’ecosistema oceanico, per incoraggiare la crescita e l’assorbimento di anidride carbonica (CO2).

“L’idea è di aumentare i processi esistenti. Gli esseri umani hanno fertilizzato la terra per coltivare i raccolti per secoli. Possiamo imparare a fertilizzare gli oceani in modo responsabile”, ha affermato Hochella, un ricercatore presso il Pacific Northwest National Laboratory.

In natura, i nutrienti della terra raggiungono gli oceani attraverso i fiumi e soffiando polvere per fertilizzare il plancton. Il team di ricerca propone di spostare questo processo naturale un ulteriore passo avanti per aiutare a rimuovere l’eccesso di anidride carbonica attraverso l’oceano. Hanno studiato le prove che suggeriscono che l’aggiunta di combinazioni specifiche di materiali attentamente progettati potrebbe fertilizzare efficacemente gli oceani, incoraggiando il fitoplancton ad agire come serbatoio di carbonio. Gli organismi assorbirebbero carbonio in grandi quantità. Quindi, mentre muoiono, affonderebbero in profondità nell’oceano, portando con sé il carbonio in eccesso.

Gli scienziati affermano che questa fertilizzazione proposta accelererebbe semplicemente un processo naturale che già sequestra in modo sicuro il carbonio in una forma che potrebbe rimuoverlo dall’atmosfera per migliaia di anni.

Michele Hocella.
Michele Hocella.

“A questo punto, il tempo è essenziale”, ha detto Hochella. “Per combattere l’aumento delle temperature, dobbiamo ridurre i livelli di anidride carbonica su scala globale. Esaminare tutte le nostre opzioni, compreso l’utilizzo degli oceani come pozzo di assorbimento di CO2, ci offre le migliori possibilità di raffreddare il pianeta”.

Nella loro analisi, i ricercatori sostengono che le nanoparticelle ingegnerizzate offrono diversi attributi interessanti. Potrebbero essere altamente controllati e specificamente sintonizzati per diversi ambienti oceanici. I rivestimenti superficiali potrebbero aiutare le particelle ad attaccarsi al plancton. Alcune particelle hanno anche proprietà di assorbimento della luce, consentendo al plancton di consumare e utilizzare più anidride carbonica. L’approccio generale potrebbe anche essere messo a punto per soddisfare le esigenze di specifici ambienti oceanici. Ad esempio, una regione potrebbe beneficiare maggiormente delle particelle a base di ferro, mentre le particelle a base di silicio potrebbero essere più efficaci altrove, dicono.

L’analisi dei ricercatori di 123 studi pubblicati ha mostrato che numerosi materiali non tossici di metallo-ossigeno potrebbero aumentare in modo sicuro la crescita del plancton. La stabilità, l’abbondanza sulla Terra e la facilità di creazione di questi materiali li rendono valide opzioni come fertilizzanti per il plancton, sostengono.

Il team ha anche analizzato il costo di creazione e distribuzione di diverse particelle. Anche se il processo sarebbe notevolmente più costoso rispetto all’aggiunta di materiali non ingegnerizzati, sarebbe anche significativamente più efficace.

Oltre a Hochella, il team comprende ricercatori provenienti da Inghilterra, Tailandia e diversi istituti di ricerca con sede negli Stati Uniti. Lo studio è stato sostenuto dal Consiglio europeo della ricerca nell’ambito del programma di ricerca e innovazione Orizzonte 2020 dell’Unione europea.

Fonte: Nature Nanotechnology

Un razzo a energia solare potrebbe essere il nostro biglietto per lo spazio interstellare

Un razzo a energia solare potrebbe essere il nostro biglietto per lo spazio interstellare
Un razzo a energia solare potrebbe essere il nostro biglietto per lo spazio interstellare

Se Jason Benkoski ha ragione, il percorso per lo spazio interstellare inizia in un container nascosto dietro una baia alta di un laboratorio nel Maryland.

L’allestimento sembra uscito da un film di fantascienza a basso costo: una parete del contenitore è rivestita da migliaia di LED, un traliccio di metallo vi corre al centro e una spessa tenda nera oscura parzialmente l’apparato.

Questo è il simulatore solare del laboratorio di fisica applicata della Johns Hopkins University, uno strumento che può brillare con l’intensità di 20 soli. Giovedì pomeriggio, Benkoski ha montato una piccola piastrella bianca e nera sul traliccio e ha tirato una tenda scura attorno all’allestimento prima di uscire dal container. Poi ha premuto l’interruttore della luce.

Quando il simulatore solare si è surriscaldato, Benkoski ha iniziato a pompare elio liquido attraverso un piccolo tubo incorporato che serpeggia attraverso la lastra. L’elio ha assorbito il calore dai LED mentre si diffondeva nel canale e si è espanso fino a quando non è stato finalmente rilasciato attraverso un piccolo ugello. Potrebbe non sembrare molto, ma Benkoski e il suo team hanno appena dimostrato la propulsione solare termica, un tipo di motore a razzo precedentemente teorico alimentato dal calore del sole. Pensano che potrebbe essere la chiave per l’esplorazione interstellare.

È davvero facile per qualcuno respingere l’idea e dire: ‘Sul retro di una busta, sembra fantastico, ma se lo costruisci davvero, non otterrai mai quei numeri teorici’“, ha affermato Benkoski, ricercatore presso il Laboratorio di Fisica Applicata e leader del team che lavora su un sistema di propulsione solare termica.

Ciò che questo sta dimostrando è che la propulsione solare termica non è solo una fantasia. Potrebbe effettivamente funzionare“.

Solo due veicoli spaziali, il Voyager 1 e il Voyager 2, hanno lasciato il nostro sistema solare. Ma questo è stato un bonus scientifico dopo aver completato la loro missione principale che era quella di esplorare Giove e Saturno. Nessuno dei due veicoli spaziali era dotato degli strumenti giusti per studiare il confine tra il feudo planetario della nostra stella e il resto dell’universo. Inoltre, i gemelli Voyager sono lenti.

Avanzando arrancando a 45.000 chilometri all’ora, hanno impiegato quasi mezzo secolo per sfuggire all’influenza del sole. Ma i dati che ci hanno inviato dal limite del sistema solare sono interessanti. Hanno dimostrato che molto di ciò che i fisici avevano previsto sull’ambiente ai margini del sistema solare era sbagliato. Non sorprende che un folto gruppo di astrofisici, cosmologi e scienziati planetari stia chiedendo a gran voce una sonda interstellare dedicata per esplorare questa nuova frontiera.

Nel 2019, la NASA ha contattato il Laboratorio di fisica applicata per studiare i concetti per una missione interstellare dedicata. Alla fine del prossimo anno, il team presenterà le sue ricerche all’indagine decennale Heliophysics delle Accademie Nazionali di Scienze, Ingegneria e Medicina, che determina le priorità scientifiche legate al Sole per i prossimi 10 anni. I ricercatori dell’APL che lavorano al programma Interstellar Probe stanno studiando tutti gli aspetti della missione, dalle stime dei costi alla strumentazione. Ma semplicemente capire come arrivare nello spazio interstellare in un ragionevole lasso di tempo è di gran lunga il pezzo più grande e più importante del puzzle.

Il confine del sistema solare, chiamato eliopausa, è estremamente lontano. Quando un veicolo spaziale raggiunge Plutone, è solo ad un terzo della strada per lo spazio interstellare. E il team dell’APL sta studiando una sonda che dovrebbe andare tre volte oltre il bordo del sistema solare, un viaggio di 75 miliardi di chilometri, in circa la metà del tempo impiegato dalla sonda Voyager solo per raggiungere il bordo.

Per portare a termine quel tipo di missione, avranno bisogno di una sonda diversa da qualsiasi cosa sia mai stata costruita. “Vogliamo creare un veicolo spaziale che andrà più veloce, più lontano e si avvicinerà al Sole più di quanto sia mai stato fatto prima“, dice Benkoski. “È la cosa più difficile che potresti fare“.

A metà novembre, i ricercatori di Interstellar Probe si sono incontrati online per una conferenza di una settimana per condividere gli aggiornamenti mentre lo studio entra nel suo ultimo anno. Alla conferenza, i team dell’APL e della NASA hanno condiviso i risultati del loro lavoro sulla propulsione solare termica, che ritengono sia il modo più veloce per portare una sonda nello spazio interstellare.

L’idea è di alimentare un motore a razzo con il calore del sole, piuttosto che con la combustione. Secondo i calcoli di Benkoski, questo motore sarebbe circa tre volte più efficiente dei migliori motori chimici convenzionali oggi disponibili. “Dal punto di vista della fisica, è difficile per me immaginare qualcosa che possa battere la propulsione solare termica in termini di efficienza“, afferma Benkoski.

A differenza di un motore convenzionale montato all’estremità poppiera di un razzo, il motore solare termico che i ricercatori stanno studiando sarebbe integrato con lo scudo del veicolo spaziale.

Il guscio piatto rigido costituito da una schiuma di carbonio nera con un lato rivestito in un materiale riflettente bianco. Esternamente sarebbe molto simile allo scudo termico della Parker Solar Probe. La differenza fondamentale è la tubazione tortuosa nascosta appena sotto la superficie. Se la sonda interstellare passa vicino al Sole e spinge l’idrogeno nel sistema vascolare del suo scudo, l’idrogeno si espanderà ed esploderà da un ugello all’estremità del tubo. Lo scudo termico genererà spinta.

È semplice in teoria, ma incredibilmente difficile in pratica. Un razzo solare termico è efficace solo se può eseguire una manovra di Oberth, un attacco meccanico orbitale che trasforma il Sole in una fionda gigante. La gravità del Sole agisce come un moltiplicatore di forza che aumenta notevolmente la velocità del velivolo se un veicolo spaziale accende i suoi motori mentre gira intorno alla stella. Più un veicolo spaziale si avvicina al Sole durante una manovra di Oberth, più velocemente andrà. Nella progettazione della missione dell’APL, la sonda interstellare passerebbe solo un milione e mezzo di chilometri dalla sua superficie incandescente.

Per metterlo in prospettiva, nel momento in cui la sonda solare Parker della NASA farà il suo approccio più vicino al Sole, nel 2025, sarà a 6 milioni di chilometri dalla superficie del Sole e si muoverà a quasi 600.000 chilometri all’ora. Si tratta di circa il doppio della velocità che la sonda interstellare mira a raggiungere e la Parker Solar Probe ha acquisito velocità con l’assistenza gravitazionale del Sole e di Venere nel corso di sette anni. La sonda interstellare dovrà accelerare da circa 45.000 chilometri orari a circa 300.000 chilometri orari in un solo giro intorno al sole, il che significa avvicinarsi alla stella. Veramente vicino.

Avvicinarsi a un’esplosione termonucleare delle dimensioni di un sole crea ogni sorta di sfide sui materiali, spiega Dean Cheikh, un tecnologo dei materiali presso il Jet Propulsion Laboratory della NASA che ha presentato un caso di studio sul razzo solare termico durante la recente conferenza. Per la missione APL, la sonda trascorrerebbe circa due ore e mezza a temperature di circa 4.500 gradi Fahrenheit mentre completa la manovra di Oberth.

È più che abbastanza caldo da sciogliere lo scudo termico della Parker Solar Probe, quindi il team di Cheikh, alla NASA, ha testato nuovi materiali che potrebbero essere utilizzati come rivestimento esterno per riflettere l’energia termica. Combinati con l’effetto di raffreddamento dell’idrogeno che scorre attraverso i canali nello scudo termico, questi rivestimenti dovrebbero mantenere fresca la sonda interstellare mentre passa vicino al Sole.

Vuoi massimizzare la quantità di energia che stai restituendo“, dice Cheikh. “Anche piccole differenze nella riflettività del materiale iniziano a riscaldare in modo significativo il tuo veicolo spaziale“.

Un problema ancora più grande è come gestire l’idrogeno caldo che scorre attraverso i canali. A temperature estremamente elevate, l’idrogeno passerebbe direttamente attraverso il nucleo a base di carbonio dello scudo termico, il che significa che l’interno dei canali dovrà essere rivestito con un materiale più resistente.

Il team ha identificato alcuni materiali che potrebbero fare il lavoro, ma non ci sono molti dati sulle loro prestazioni, specialmente le temperature estreme. “Non ci sono molti materiali in grado di soddisfare queste esigenze“, afferma Cheikh. “In un certo senso va bene, perché dobbiamo solo analizzare questi materiali. Ma è anche un male perché non abbiamo molte opzioni“.

Il grande risultato della sua ricerca, dice Cheikh, è che ci sono molti test da fare sui materiali dello scudo termico prima che un razzo solare termico venga inviato intorno al sole. Ma non è un rompicapo. In effetti, gli incredibili progressi nella scienza dei materiali fanno sembrare l’idea finalmente realizzabile più di 60 anni dopo essere stata concepita per la prima volta dagli ingegneri dell’aeronautica americana. “Pensavo di aver avuto questa grande idea in modo indipendente, ma la gente ne parlava nel 1956“, dice Benkoski. “La produzione additiva è una componente chiave di questo e non potevamo farlo 20 anni fa. Ora posso stampare in 3D il metallo in laboratorio“.

Anche se Benkoski non è stato il primo a lanciare l’idea di una propulsione solare termica, crede di essere il primo a dimostrare un prototipo di motore. Durante i suoi esperimenti con la piastrella canalizzata nel container, Benkoski e il suo team hanno dimostrato che è possibile generare spinta utilizzando la luce solare per riscaldare un gas mentre passa attraverso condotti incorporati in uno scudo termico. Questi esperimenti hanno, però,  diversi limiti.

Non hanno usato gli stessi materiali o propellenti che dovrebbero essere usati in una missione reale e i test sono avvenuti a temperature ben al di sotto di ciò che sperimenterà una sonda interstellare.

Ma la cosa importante, dice Benkoski, è che i dati degli esperimenti a bassa temperatura corrispondessero ai modelli che prevedono come una sonda interstellare si comporterebbe nella sua missione effettiva una volta apportate le regolazioni per i diversi materiali. “L’abbiamo fatto su un sistema che non sarebbe mai riuscito a volare. E ora il secondo passo è che iniziamo a sostituire ciascuno di questi componenti con il materiale che mettermmo su un vero veicolo spaziale per una manovra di Oberth“, dice Benkoski.

Il concetto ha ancora molta strada da fare prima che sia pronto per essere utilizzato in una missione e, con solo un anno rimasto nello studio Interstellar Probe, non c’è abbastanza tempo per lanciare un piccolo satellite per fare esperimenti in orbita terrestre bassa. Ma quando Benkoski ed i suoi colleghi dell’APL presenteranno il loro rapporto il prossimo anno, avranno generato una grande quantità di dati che getterà le basi per i test nello spazio.

Non c’è alcuna garanzia che le Accademie Nazionali selezioneranno il concetto di sonda interstellare come priorità assoluta per il prossimo decennio. Ma ogni volta che saremo pronti a lasciarci il sole alle spalle, ci sono buone probabilità che dovremo usarlo per una spinta mentre usciamo.

Un nuovo sistema per valutare l’abitabilità degli esopianeti

Un nuovo sistema per valutare l'abitabilità degli esopianeti
Un nuovo sistema per valutare l'abitabilità degli esopianeti

Un sistema computerizzato classifica le atmosfere degli esopianeti e determina quali sono praticabili per futuri insediamenti umani.

La crisi climatica rappresenta una sfida significativa per tutti gli esseri umani sulla Terra. Molti scienziati ne sono stati ispirati per cercare esopianeti, pianeti al di fuori del nostro sistema solare dove un giorno gli esseri umani potrebbero stabilirsi. Come parte di questa ricerca, il James Webb Space Telescope è stato costruito per fornire dati osservativi dettagliati sugli esopianeti simili alla Terra nei prossimi anni.

In un recente progetto, il Dr. Assaf Hochman dell’Università Ebraica di Gerusalemme (HU) Fredy & Nadine Herrmann Institute of Earth Sciences, insieme ai Drs. Thaddeus D. Komacek dell’Università del Maryland e Paolo De Luca del Barcelona Supercomputing Center, hanno sviluppato con successo un framework per studiare le atmosfere di pianeti lontani e trovare i pianeti adatti all’abitazione umana senza doverli visitare fisicamente. Le loro scoperte sono state recentemente pubblicate sull’Astrophysical Journal.

Una componente chiave per determinare se gli esopianeti sono adatti alla vita umana è la classificazione delle condizioni climatiche e la misurazione della sensibilità climatica.

L’ultimo studio si è concentrato su TRAPPIST-1e, un pianeta che sarà osservato dal James Webb Space Telescope il prossimo anno e che si trova a circa 40 anni luce dalla Terra. I ricercatori hanno esaminato la sensibilità del clima del pianeta all’aumento dei gas serra e l’hanno confrontata con le condizioni sulla Terra. Usando una simulazione computerizzata del clima su TRAPPIST-1e, hanno potuto valutare l’impatto dei cambiamenti nella concentrazione di gas serra.

Lo studio si è concentrato sull’effetto di un aumento dell’anidride carbonica in condizioni meteorologiche estreme e sulla velocità dei cambiamenti meteorologici sul pianeta. “Queste due variabili sono cruciali per l’esistenza della vita su altri pianeti, e ora vengono studiate a fondo per la prima volta nella storia“, ha spiegato Hochman.

Secondo il team di ricerca, lo studio della variabilità climatica degli esopianeti simili alla Terra fornisce una migliore comprensione dei cambiamenti climatici che stiamo attualmente vivendo sulla Terra. Inoltre, questo tipo di ricerca offre una nuova comprensione di come l’atmosfera del pianeta Terra potrebbe cambiare in futuro.

Hochman e i suoi partner di ricerca hanno scoperto che il pianeta TRAPPIST-1e ha un’atmosfera significativamente più sensibile del pianeta Terra. Stimano che un aumento dei gas serra potrebbe portare a cambiamenti climatici più estremi di quelli che sperimenteremmo qui sulla Terra perché un lato di TRAPPIST-1e è costantemente rivolto verso il proprio sole, allo stesso modo in cui la nostra luna ha sempre un lato rivolto verso la Terra.

Come ha concluso Hochman, “il quadro di ricerca che abbiamo sviluppato, insieme ai dati osservativi del telescopio spaziale Webb, consentirà agli scienziati di valutare in modo efficiente le atmosfere di molti altri pianeti senza dover inviare un equipaggio spaziale per visitarli fisicamente. Questo ci aiuterà a prendere decisioni informate in futuro su quali pianeti sono buoni candidati per l’insediamento umano e forse anche per trovare la vita su quei pianeti“.

Riferimento: “Greater Climate Sensitivity and Variability on TRAPPIST-1e than Earth” di Assaf Hochman, Paolo De Luca e Thaddeus D. Komacek, 19 ottobre 2022, The Astrophysical Journal .
DOI: 10.3847/1538-4357/ac866f

La materia oscura potrebbe essere la fonte dell’eccesso di luce registrato nello sfondo ottico cosmico

La materia oscura potrebbe essere la fonte dell'eccesso di luce registrato nello sfondo ottico cosmico
La materia oscura potrebbe essere la fonte dell'eccesso di luce registrato nello sfondo ottico cosmico

Quando la sonda New Horizons ha raggiunto l’oscurità esterna del Sistema Solare, oltre Plutone, i suoi strumenti hanno rilevato qualcosa di strano.

Molto, molto debolmente, lo spazio tra le stelle risplendeva di luce ottica. Questo di per sé non era inaspettato; questa luce è chiamata sfondo ottico cosmico, una debole luminescenza proveniente da tutte le sorgenti luminose dell’Universo al di fuori della nostra galassia.

La parte strana era la quantità di luce. C’era molta più luce di quello che gli scienziati pensavano dovesse esserci: il doppio, infatti.

Ora, in un nuovo documento, gli scienziati presentano una possibile spiegazione per l’eccesso di luce ottica: un sottoprodotto di un’interazione altrimenti non rilevabile della materia oscura.

I risultati di questo lavoro“, scrivono i ricercatori guidati dall’astrofisico José Luis Bernal della Johns Hopkins University, “forniscono una potenziale spiegazione per l’eccesso di fondo ottico cosmico consentito da vincoli osservativi indipendenti, e che potrebbe rispondere a una delle incognite di lunga data in cosmologia: la natura della materia oscura“.

Abbiamo molte domande sull’Universo, ma la materia oscura è tra le più fastidiose. È il nome che diamo alla massa che non riusciamo ad identificare nell’Universo responsabile di fornire molta più gravità in punti concentrati di quanta dovrebbe essercene .

Le galassie, per esempio, ruotano più velocemente di quanto dovrebbero sotto la gravità generata dalla massa di materia visibile. La curvatura dello spazio-tempo attorno a oggetti massicci è maggiore di quanto dovrebbe essere se calcolassimo la deformazione dello spazio basandoci solo sulla quantità di materiale luminoso.

Ma qualunque cosa stia creando questo effetto, non possiamo rilevarlo direttamente. L’unico modo per sapere che c’è è che non possiamo spiegare questa gravità extra. E ce n’è molta. Circa l’80 percento della materia nell’Universo è materia oscura.

Se la materia oscura è composta di assioni quando decade dovrebbe emettere fotoni

Ci sono alcune ipotesi su cosa potrebbe essere. Uno dei candidati è l’assione, che appartiene a un’ipotetica classe di particelle concettualizzata per la prima volta negli anni ’70 per risolvere la questione del perché forti forze atomiche seguano qualcosa chiamato simmetria a parità di carica quando la maggior parte dei modelli afferma che non sia necessario.

A quanto pare, anche gli assioni in uno specifico intervallo di massa dovrebbero comportarsi esattamente come ci aspettiamo che faccia la materia oscura. E potrebbe esserci un modo per rilevarli, perché in teoria ci si aspetta che gli assioni decadano in coppie di fotoni in presenza di un forte campo magnetico.

Diversi esperimenti stanno cercando fonti di questi fotoni che dovrebbero anche fluire attraverso lo spazio in numero eccessivo. La difficoltà sta nel separarli da tutte le altre fonti di luce nell’Universo ed è qui che entra in gioco il fondo ottico cosmico.

Lo sfondo stesso è molto difficile da rilevare poiché è molto debole. Il Long Range Reconnaissance Imager (LORRI) a bordo della New Horizons è probabilmente lo strumento migliore per questo lavoro. È lontano dalla Terra e dal Sole, e LORRI è molto più sensibile degli strumenti collegati alle più lontane sonde Voyager lanciate 40 anni prima.

Gli scienziati hanno ipotizzato che l’eccesso di luce rilevato da New Horizons sia il prodotto attribuito a stelle e galassie che non possiamo vedere. E quell’opzione è ancora sul tavolo. Il lavoro di Bernal e del suo team è stato quello di valutare se la materia oscura simile agli assioni potesse essere responsabile della luce extra.

Hanno condotto modelli matematici e determinato che gli assioni con masse comprese tra 8 e 20 elettronvolt potrebbero produrre il segnale osservato in determinate condizioni.

L’assione è incredibilmente leggero per una particella e tende a essere misurato in megaelettronvolt. Ma con stime recenti che collocano l’ipotetico pezzo di materia a una frazione di un singolo elettronvolt, questi numeri richiederebbero che gli assioni siano relativamente robusti.

È impossibile dire quale spiegazione sia corretta basandosi esclusivamente sui dati attuali. Tuttavia, restringendo le masse degli assioni che potrebbero essere responsabili dell’eccesso, i ricercatori hanno gettato le basi per future ricerche di queste particelle enigmatiche.

Se l’eccesso deriva dal decadimento della materia oscura in una linea di fotoni, ci sarà un segnale significativo nelle prossime misurazioni della mappatura dell’intensità della linea“, scrivono i ricercatori.

Inoltre, lo strumento ultravioletto a bordo di New Horizons (che avrà una migliore sensibilità e sonda una gamma diversa dello spettro) e futuri studi sull’attenuazione dei raggi gamma ad altissima energia verificheranno anche questa ipotesi ed espanderanno la ricerca della materia oscura a un più ampia gamma di frequenze”.

La ricerca è stata pubblicata su Physical Review Letters.

Nessuno ha creato un vero wormhole. È stato, però, un esperimento potenzialmente rivoluzionario

Nessuno ha creato un vero wormhole. È stato, però, un esperimento potenzialmente rivoluzionario
Nessuno ha creato un vero wormhole. È stato, però, un esperimento potenzialmente rivoluzionario

I wormhole sono un classico tropo della fantascienza nei media popolari, se non altro perché forniscono un dispositivo di trama futuristico utile per evitare il problema di come violare la relatività con viaggi più veloci della luce.

In realtà, i wormhole sono oggetti puramente teorici. A differenza dei buchi neri, anch’essi una volta ritenuti puramente teorici, non è mai stata trovata alcuna prova dell’esistenza di un vero e proprio wormhole.

Eppure, negli ultimi giorni, diversi articoli pubblicati sui media, compresa questa rivista, annunciano che i fisici hanno usato un computer quantistico per creare un wormhole, riportando come fonte un nuovo articolo pubblicato su Nature.

Mettiamo subito le cose in chiaro: non stiamo parlando di un vero e proprio wormhole attraversabile, cioè un ponte tra due regioni dello spaziotempo che collega la bocca di un buco nero a un altro, attraverso il quale può passare un oggetto fisico, in qualsiasi senso.

C’è una differenza tra qualcosa che è possibile in linea di principio e possibile nella realtà“, ha detto il coautore dello studio Joseph Lykken del Fermilab durante un briefing con i media questa settimana. “Quindi non abbiamo mandati nulla attraverso un wormhole“. Si è trattato solo di un esperimento piuttosto intelligente e ingegnoso a sé stante che ha fornito un’allettante prova di principio ai tipi di esperimenti di fisica su scala quantistica che potrebbero essere possibili man mano che i computer quantistici continuano a migliorare.

Non è una cosa reale; non è nemmeno vicino ad una cosa reale; è a malapena una simulazione di qualcosa che non è vicino a qualcosa di reale“, ha scritto il fisico Matt Strassler sul suo blog. “Questo metodo potrebbe un giorno portare a una simulazione di un vero wormhole? Forse in un lontano futuro. Potrebbe portare alla creazione di un vero wormhole? Mai. Non fraintendetemi. Quello che hanno fatto è piuttosto interessante ma l’hype dei media è stato davvero esagerato.

Quindi cos’è questa cosa che è stata  “creata” in un computer quantistico se non è un vero wormhole? Un analogo? Un modellino giocattolo? La coautrice Maria Spiropulu di Caltech l’ha definita un nuovo “protocollo di teletrasporto tramite wormhole ” durante il briefing. Potresti chiamarla una simulazione, ma come ha scritto Strassler, ma neanche questo è del tutto corretto.

I fisici hanno simulato wormhole su computer classici, ma in quelle simulazioni non viene creato alcun sistema fisico. Ecco perché gli autori preferiscono il termine “esperimento quantistico” perché sono stati in grado di usare il computer quantistico Sycamore di Google per creare un sistema quantistico altamente entangled ed effettuare misurazioni dirette di specifiche proprietà chiave. Queste proprietà sono coerenti con le descrizioni teoriche della dinamica di un wormhole attraversabile, ma solo in uno speciale modello teorico semplificato dello spaziotempo.

Lykken lo ha descritto al New York Times come “il wormhole più piccolo e scadente che puoi immaginare di realizzare“. Ma, forse, una “raccolta di atomi con determinate proprietà simili a wormhole” potrebbe essere una definizione più accurata.

Ciò che rende questa svolta così intrigante e potenzialmente significativa è il modo in cui l’esperimento attinge ad alcuni dei lavori recenti più influenti ed entusiasmanti della fisica teorica. Ma per capire esattamente cosa è stato fatto e perché è importante, dobbiamo intraprendere un viaggio un po’ tortuoso attraverso alcune idee astratte piuttosto inebrianti che abbracciano quasi un secolo.

Diagramma della cosiddetta corrispondenza AdS/CFT (ovvero il principio olografico) in fisica teorica.
Ingrandisci / Diagramma della cosiddetta corrispondenza AdS/CFT (ovvero il principio olografico) in fisica teorica.
APS/Alan Spaccapietre

Rivisitazione del principio olografico

Cominciamo con quello che è popolarmente conosciuto come il principio olografico. Quasi 30 anni fa, i fisici teorici hanno introdotto questa teoria sconvolgente ipotizzando che il nostro universo tridimensionale sia in realtà un ologramma. Il principio olografico è nato negli anni ’90 come soluzione proposta al paradosso dell’informazione del buco nero.

I buchi neri, come descritti dalla relatività generale, sono oggetti semplici. Tutto ciò di cui hai bisogno per descriverli matematicamente è la loro massa e il loro spin, più la loro carica elettrica. Quindi non ci sarebbe alcun cambiamento evidente se gettassi qualcosa in un buco nero, niente che fornisca un indizio su cosa potrebbe essere stato quell’oggetto. Quelle informazioni sono perse.

Ma i problemi sorgono quando entra in scena la gravità quantistica perché le regole della meccanica quantistica sostengono che l’informazione non può mai essere distrutta. E nella meccanica quantistica, i buchi neri sono oggetti incredibilmente complessi e quindi dovrebbero contenere una grande quantità di informazioni. Jacob Bekenstein realizzò nel 1974 che anche i buchi neri hanno entropia. Stephen Hawking ha cercato di dimostrargli che si sbagliava, ma ha finito per dimostrargli che aveva ragione, concludendo che i buchi neri, quindi, dovevano produrre una sorta di radiazione termica.

Quindi anche i buchi neri devono avere entropia, e Hawking è stato il primo a calcolare quell’entropia. Ha anche introdotto la nozione di “radiazione di Hawking“: il buco nero emette una piccola quantità di energia, diminuendo la sua massa di una quantità corrispondente. Nel tempo, il buco nero evaporerà. Più piccolo è il buco nero, più velocemente scompare. Ma cosa succede allora alle informazioni che conteneva? Vengono veramente perdute, violando così la meccanica quantistica, o sono in qualche modo preservate dalla radiazione di Hawking?

Secondo il principio olografico, le informazioni sull’interno di un buco nero potrebbero essere codificate sulla sua superficie bidimensionale (il “confine”) piuttosto che all’interno del suo volume tridimensionale (la “massa”). Leonard Susskind e Gerard ‘t Hooft hanno esteso questa nozione all’intero universo, paragonandolo a un ologramma: il nostro universo tridimensionale in tutta la sua gloria emerge da un “codice sorgente” bidimensionale.

Juan Maldacena ha poi scoperto una dualità cruciale, tecnicamente nota come corrispondenza AdS/CFT , che equivale a un dizionario matematico che consente ai fisici di andare avanti e indietro tra i linguaggi di due mondi teorici (la relatività generale e la meccanica quantistica). Nel caso di AdS/CFT, la dualità è tra un modello di spaziotempo noto come spazio anti-de Sitter (AdS), che ha una curvatura negativa costante, a differenza del nostro universo di de Sitter, e un sistema quantistico chiamato teoria del campo conforme (CFT), che manca di gravità ma ha entanglement quantistico.

È questa nozione di dualità che spiega la confusione del wormhole. Come notato sopra, gli autori dell’articolo su Nature non hanno creato un wormhole fisico: hanno manipolato alcune particelle quantistiche entangled nel normale spaziotempo piatto e si ipotizza che quel sistema abbia una doppia descrizione come wormhole.

Collegamento di ER ed EPR

Torniamo per un momento agli albori della meccanica quantistica. Albert Einstein ha ideato un famoso esperimento mentale nel 1935 con Boris Podolsky e Nathan Rosen dimostrando l’assurdità di ciò che aveva soprannominato “azione spettrale a distanza“, nota anche come paradosso EPR. Ma nel 1935 scrisse anche un secondo articolo, meno noto, con Rosen, che dimostrava matematicamente che i buchi neri potevano presentarsi in coppia, collegati da scorciatoie attraverso lo spazio: la genesi di quelli che oggi chiamiamo wormhole, ma originariamente soprannominati “ponti di Einstein-Rosen“.

Nel 2013, Susskind e Maldacena fecero una proposta radicale per una nuova dualità, soprannominarono la congettura “ER = EPR” come soluzione al paradosso dell’informazione del buco nero. In sostanza, hanno sostenuto che i wormhole sono equivalenti all’entanglement. Forse quelli che pensiamo siano punti lontani nello spaziotempo non sono poi così lontani. Forse l’entanglement crea wormhole microscopici invisibili che collegano punti apparentemente distanti.

In questo scenario esiste un wormhole tra un buco nero e la sua radiazione di Hawking, anche se in una versione molto più complicata, con molti filamenti che terminano su ciascuno dei pezzi della radiazione di Hawking. Ciò preserva le informazioni. ER = EPR si basa sull’idea non ancora verificata che i wormhole siano la manifestazione geometrica dell’entanglement quantistico.

In altre parole, l’azione spettrale a distanza crea lo spaziotempo.

Nel 2017, Daniel Jafferis dell’Università di Harvard (un coautore dell’articolo su Nature), insieme a Ping Gao e Aron Wall, è riuscito a estendere ER = EPR ai wormhole attraversabili, dimostrando un’altra dualità: un wormhole attraversabile è duplice rispetto al teletrasporto quantistico, che trasferisce le informazioni attraverso lo spazio tramite entanglement. Solo due anni prima, un altro gruppo di fisici aveva dimostrato che la dinamica di un semplice sistema quantistico poteva essere equivalente agli effetti della gravità quantistica, suggerendo che sarebbe stato possibile testare questa dualità sui processori quantistici. È noto come il modello SYK (Sachdev-Ye-Kitaev).

Inserisci Sycamore di Google

Ok, quindi cosa c’entra tutto questo con il lavoro descritto nel nuovo articolo su Nature? In sostanza, i coautori hanno attinto a queste recenti scoperte, creando qualcosa di simile a un modello SYK “baby”, come struttura per il loro esperimento. Hai l’entanglement quantistico e il teletrasporto quantistico su un lato del loro sistema quantistico simile a SYK e le dinamiche gravitazionali sull’altro, con la dualità ER = EPR che collega insieme i due lati.

Il team ha creato uno stato entangled tra le due parti, ciascuna con sette fermioni di Majorana, più o meno analogo a un wormhole a t=0. Ci sono voluti sette qubit per codificarlo.

Successivamente, hanno evoluto il sistema all’indietro nel tempo, spostando le posizioni delle “bocche” sinistra e destra di quello che chiameremo “wormhole” per semplicità. Quindi hanno preso un qubit “di riferimento” e lo hanno entangled al massimo con un qubit “sonda”, portando il circuito totale a nove qubit. Il qubit della sonda è stato scambiato con uno dei qubit nella “bocca” sinistra, più o meno analogo a una particella che entra in una bocca di un wormhole. Quando il wormhole ha iniziato ad evolversi in avanti nel tempo, le informazioni trasportate dal qubit della sonda sono state rimescolate nell’intero sistema quantistico.

I fisici hanno usato un circuito di operazioni chiamate porte per aprire una scorciatoia in uno spazio immaginario tra qubit che rappresentano due buchi neri. Quindi, hanno inviato "messaggi" tra di loro.
Ingrandisci / I fisici hanno utilizzato un circuito di operazioni chiamato porte per aprire una scorciatoia in uno spazio immaginario tra qubit che rappresentano due buchi neri. Quindi, hanno inviato “messaggi” tra di loro.
Andrew Mueller/INQNET

Fin qui tutto bene. Successivamente, il team ha eseguito una serie di operazioni quantistiche sul dispositivo che equivalgono a un’interazione entangling. Sul lato gravitazionale del sistema, equivale a iniettare uno shock di energia negativa attraverso lo spaziotempo.

Questo è significativo perché è noto da tempo che i wormhole sono intrinsecamente instabili e collasserebbero se qualcosa tentasse di passare dall’altra parte. Avresti bisogno di una sorta di energia negativa per mantenerlo aperto abbastanza a lungo da raggiungere questo obiettivo. Non esiste energia negativa nella fisica classica, ma c’è nella meccanica quantistica, in particolare nelle coppie di particelle virtuali che emergono brevemente nel vuoto dello spazio e si annichilano quasi istantaneamente (questa energia del vuoto è il meccanismo alla base della radiazione di Hawking).

Certo, non esiste un modo noto per produrre o controllare abbastanza energia negativa per aprire un wormhole attraversabile su macroscala nella realtà, che è uno dei motivi per cui i wormhole rimangono saldamente nel regno della fantascienza. Ma sulla piccola scala di questo esperimento, il team ha prodotto ciò che equivale a un’onda d’urto di energia negativa che ha aperto il piccolo “wormhole” in modo che il qubit della sonda potesse attraversarlo; l’iniezione di un’onda d’urto di energia positiva lo chiuderebbe. Man mano che il “wormhole” continuava ad evolversi nel tempo, le informazioni criptate dal qubit della sonda venivano gradualmente trasferite alla “bocca” destra del sistema.

I ricercatori hanno confermato questo trasferimento di informazioni misurando la quantità di entanglement tra il qubit di riferimento e il qubit più a destra nella “bocca” destra. C’era molto più entanglement nello scenario dell’onda d’urto negativa che in quello positivo, indicando che le informazioni erano state trasferite tramite un meccanismo con una fisica simile a un wormhole attraversabile.

Un’anatra quantica incredibilmente piccola

Sembra un’anatra, cammina come un’anatra, starnazza come un’anatra“, ha detto Lykken. “Abbiamo qualcosa che, in termini di proprietà che abbiamo esaminato, sembra un wormhole [attraversabile]. Fondamentalmente c’è una porta che si apre per un po’ e poi si richiude. Il wormhole ha la sua scala temporale, e faresti meglio ad andare attraverso di essa al momento giusto“.

Jafferis pensa che ad Einstein sarebbe piaciuta molto la versione del team del teletrasporto del wormhole per lo stesso motivo per cui gli sceneggiatori di fantascienza amano usare i wormhole. Uno dei crucci del grande fisico riguardo al concetto di entanglement era che le informazioni sembravano essere trasmesse più velocemente della velocità della luce, violando la causalità. Il loro protocollo preserva la causalità; poiché il qubit prende una scorciatoia attraverso un wormhole, non viaggia più veloce della luce.

Altri fisici non coinvolti nella ricerca hanno reagito con cautela e una sana dose di scetticismo. “Se questo esperimento ha portato un wormhole nella reale esistenza fisica, allora si potrebbe sostenere con forza che chiunque porta un wormhole nella reale esistenza fisica ogni volta che ne disegna uno con carta e penna“, ha detto al New York Times Scott Aaronson dell’Università del Texas ad Austin.

Il fisico del MIT Daniel Harlow ha fatto eco a quel sentimento sottolineando quanto fosse semplificato (e quindi irrealistico) il modello sottostante della gravità quantistica utilizzato per l’esperimento. “Direi che questo non ci insegna nulla sulla gravità quantistica che non sapessimo già“, ha detto. “D’altra parte, penso che sia entusiasmante come risultato tecnico perché se non riusciamo nemmeno a farlo (e fino ad ora non ci siamo riusciti), la simulazione di teorie della gravità quantistica più interessanti sarebbe certamente fuori discussione”.

Gli autori hanno affermato che questo esperimento è solo il primo piccolo passo. In linea di principio, se avessero due computer quantistici alle estremità opposte della Terra, o in un laboratorio al Caltech e in un laboratorio ad Harvard, una versione migliorata di questa tecnologia dovrebbe essere in grado di trasmettere informazioni quantistiche da un’estremità all’altra.

E mentre i computer quantistici continuano a migliorare e gli scienziati possono fare esperimenti più dettagliati, la speranza è che saranno in grado di sondare l’interno dei loro pseudo-piccoli wormhole. “Ma non stiamo parlando solo dei wormhole qui“, ha detto Lykken. “Stiamo cercando di capire l’intero quadro di ciò che li rende possibili“.

DOI: Nature, 2022. 10.1038/s41586-022-05424-3.