In un nuovo studio intitolato Testing Tachyon-Dominated Cosmology with Type Ia Supernovae pubblicato sul server di prestampa arXiv, i fisici Samuel H. Kramer, Ian H. Redmount della St. Louis University, hanno ipotizzato che il nostro Universo potrebbe essere dominato dai tachioni, un ipotetico tipo di particelle in grado di muoversi più velocemente della luce.

Prima di andare avanti, chiariamo che quasi certamente i tachioni, seppure ipotizzati da qualcubno, non esistono. Andare più veloce della luce viola tutto quello che sappiamo sul flusso causale del tempo dal passato al futuro.

Tachioni: le particelle più veloci della luce

Queste ipotetiche particelle sono interessanti per i fisici a causa della piccola possibilità che anche le nostre nozioni più radicate, come quella di causalità, possano essere sbagliate.

I ricercatori hanno indicato che i tachioni potrebbero essere la vera identità della materia oscura, la misteriosa forma di materia che costituisce la maggior parte della massa di quasi ogni singola galassia nell’Universo, superando la materia normale con un rapporto di 5 a 1.

Sia gli astronomi che i fisici attualmente non lo sanno di cosa sia fatta la materia oscura, quindi sono liberi di ipotizzare ogni sorta di idea, perché, dopo tutto, a volte una supposizione, anche se è sbagliata, può aiutarci in un percorso verso una migliore comprensione dei fenomeni che ci circondano.

I ricercatori hanno calcolato che un Universo in espansione pieno di tachioni può inizialmente rallentarla prima di riaccelerarla. Il nostro Universo è attualmente in una fase di accelerazione, guidata da un fenomeno noto come energia oscura, quindi questo modello cosmologico caratterizzato dai tachioni può potenzialmente spiegare sia l’energia oscura che la materia oscura allo stesso tempo.

Lo studio

I fisici hanno applicato il loro modello alle osservazioni delle supernove di tipo Ia, una sorta di esplosione stellare che consente ai cosmologi di costruire una relazione tra la distanza e il tasso di espansione dell’Universo. È stato attraverso le supernove di tipo Ia che gli astronomi, alla fine degli anni ’90, hanno scoperto per la prima volta che il tasso di espansione dell’Universo stesse accelerando.

I fisici hanno scoperto che un modello cosmologico basato sui tachioni come materia oscura è altrettanto efficace nello spiegare i dati della supernova quanto il modello cosmologico standard che coinvolge la materia oscura e l’energia oscura. Già questa è una sorpresa, considerato quanto sia poco ortodossa questa idea.

Questo è solo l’inizio. Ora abbiamo accesso a una grande quantità di dati sull’Universo su larga scala, come il fondo cosmico a microonde (la radiazione residua rilasciata subito dopo il Big Bang) e la disposizione delle galassie su scala molto più grande. Il prossimo passo è continuare a testare questa idea rispetto a quelle osservazioni aggiuntive.

È improbabile che il modello cosmologico dei tachioni superi questi rigorosi test sperimentali, data la natura improbabile dei tachioni stessi. Ma continuare a spingersi verso direzioni nuove, anche non ortodosse, è fondamentale in cosmologia.

Non sappiamo mai quando potremmo ottenere una svolta. Gli scienziati hanno tentato di comprendere la materia oscura per 50 anni e l’energia oscura per un quarto di secolo, senza alcun risultato conclusivo. È probabile che le soluzioni a questi enigmi arrivino da direzioni inaspettate.

La ricerca del team è stata pubblicata nel database di prestampa arXiv nel marzo 2024.

Che cos’è la velocità della luce?

L’Universo ha un limite di velocità, ed è la velocità della luce. Niente può viaggiare più velocemente della luce, nemmeno la nostra migliore navicella spaziale, secondo le leggi della fisica.

La luce si muove all’incredibile velocità di 300.000 chilometri al secondo, equivalenti a quasi più di 1 miliardo di km/h. È abbastanza veloce da circumnavigare il globo 7,5 volte in un secondo, mentre un tipico aereo passeggeri impiegherebbe più di due giorni per fare un giro completo.

La luce, però, non deve sempre andare così veloce. A seconda di quello che attraversa (aria, acqua, diamanti, ecc.) può rallentare. La velocità ufficiale della luce viene misurata come se viaggiasse nel vuoto, in uno spazio senza aria o altro che possa intralciarla. Puoi vedere più chiaramente le differenze nella velocità della luce in qualcosa come un prisma, dove alcune energie della luce si piegano più di altre, creando un arcobaleno.

È interessante notare che la velocità della luce non può competere con le grandi distanze dello spazio, che è esso stesso vuoto. Ci vogliono 8 minuti perché la luce del Sole raggiunga la Terra e un paio di anni perché la luce delle altre stelle più vicine (come Proxima Centauri) raggiunga il nostro pianeta. Questo è il motivo per cui gli astronomi utilizzano l’unità anni luce, la distanza che la luce può percorrere in un anno, per misurare grandi distanze nello Spazio.

I ricercatori dell’esperimento BESIII presso l’Istituto di Fisica ad Alta Energia dell’Accademia delle Scienze Cinese (CAS) hanno recentemente annunciato la scoperta di una nuova particella subatomica. Questa particella, che si trova vicino alla soglia di massa protone-antiprotone, potrebbe rappresentare un nuovo stato legato di protoni e antiprotoni.

Cos’è l’esperimento BESIII?

BESIII sta per Beijing Spectrometer III (Spettrometro di Pechino III). È un esperimento di fisica delle particelle situato presso l’Istituto di Fisica ad Alta Energia (IHEP) dell’Accademia Cinese delle Scienze (CAS) a Pechino, in Cina.

BESIII è stato progettato per studiare la fisica del fascino, del charmonium e dei decadimenti di adroni leggeri. In parole povere, utilizza un acceleratore di particelle per far scontrare elettroni e positroni e analizza le particelle prodotte in queste collisioni ad alta energia.

Studiando la creazione e il decadimento di queste particelle, i ricercatori di BESIII cercano di approfondire la nostra comprensione della struttura della materia e delle forze fondamentali che governano l’universo. La recente scoperta di una potenziale nuova particella subatomica vicino alla soglia di massa protone-antiprotone è un esempio del tipo di ricerche condotte.

La nuova scoperta di BESIII

La scoperta si è basata su un’analisi approfondita di dati raccolti dall’esperimento BESIII, che studia le collisioni tra elettroni e positroni. I ricercatori hanno osservato un picco anomalo nella distribuzione delle masse delle particelle prodotte in queste collisioni, che potrebbe essere associato a una nuova particella.

Le proprietà di questa potenziale nuova particella sono ancora in fase di studio, ma i risultati preliminari suggeriscono che potrebbe trattarsi di un tetrakvark, ovvero una particella composta da quattro quark.

I tetrakvark sono stati ipotizzati da tempo, ma finora non erano mai stati osservati sperimentalmente.

La scoperta di questa nuova particella potrebbe avere implicazioni significative per la nostra comprensione della struttura della materia e delle forze fondamentali che governano l’universo. I ricercatori continueranno a studiarla per determinarne le proprietà esatte e il suo significato per la fisica moderna.

BESIII scopre una nuova risonanza che suggerisce uno stato legato ppbar

La collaborazione BESIII ha recentemente riportato l’osservazione di una forma anomala della linea attorno alla soglia di massa ppbar nel decadimento J/ψ→γ3(π + π – ), che indica l’esistenza di uno stato legato ppbar. La scoperta è stata pubblicato sulla rivista Physical Review Letters.

La vicinanza in massa a 2 mp suggerisce stati legati nucleone-antinucleone, un’idea che ha una lunga storia. Prima della nascita del Modello Quark, uno stato legato nucleone-antinucleone era già stato proposto dal Prof. E. Fermi e dal Prof. CN Yang.

C’è un accumulo di prove di comportamento anomalo nel sistema protone-antiprotone vicino alla soglia di massa ppbar, ad esempio, J/ψ→γppabr , J/ψ→γπ + π – η ‘ e il fattore di forma effettivo del protone determinato da e + e – →ppbar, che mostra un picco stretto o un decadimento molto ripido attorno alla soglia di massa ppbar, che ha ispirato molte speculazioni e rinnovato l’interesse sullo stato legato nucleone-antinucleone.

X(1840) è una nuova struttura scoperta nel processo J/ψ→γ3(π + π – ) nel 2013 con un campione di subdati dell’esperimento BESIII, anch’esso situato vicino alla soglia di massa ppbar. Un’ulteriore esplorazione della forma della linea di X(1840) è essenziale per comprenderne meglio la natura.

Pertanto, l’esperimento BESIII ha eseguito un’indagine sullo spettro di massa 3(π + π – ) con 10 miliardi di eventi J/ψ, che è circa 45 volte più grande del campione di sottodati utilizzato nella misurazione precedente.

È stata osservata per la prima volta una forma anomala della linea X (1840) vicino alla soglia di massa ppbar. Dopo molti tentativi, si è scoperto che il modello con una somma coerente di due parametrizzazioni di Breit-Wigner può fornire una buona descrizione dei dati, che rivela una nuova risonanza X (1880) con una significatività statistica maggiore di 10σ, e la massa e la larghezza sono determinati rispettivamente a 1882,1±1,7±0,7 MeV/c 2 e 30,7±5,5±2,4 MeV/c. La vicinanza della sua massa alla soglia di massa ppbar supporta l’esistenza di uno stato legato a ppbar. 

Una stella gigante rossa distante 16.000 anni luce potrebbe essere un membro autentico della seconda generazione di stelle dell’Universo.

Secondo un’analisi della sua composizione chimica, sembra contenere elementi che pèossono essere stati prodotti in vita e in morte solo da una stella di prima generazione. Pertanto, grazie a questa scoperta, potremmo persino individuare qualche rappresentante della prima generazione di stelle.

Inoltre, i ricercatori hanno eseguito la loro analisi utilizzando la fotometria, una tecnica che misura l’intensità della luce, sperimentando così un nuovo modo per trovare oggetti così antichi.

“Riportiamo la scoperta di SPLUS J210428.01−004934.2 (di seguito SPLUS J2104−0049), una stella ultra-povera di metalli selezionata dalla sua fotometria S-PLUS a banda stretta e confermata dalla spettroscopia a media e alta risoluzione“, così hanno scritto i ricercatori nel loro articolo.

“Queste osservazioni proof-of-concept fanno parte di uno sforzo in corso per confermare spettroscopicamente i candidati a bassa metallicità identificati dalla fotometria a banda stretta“.

Le stelle più antiche

Sebbene ci sentiamo come se avessimo una buona conoscenza di come l’Universo sia cresciuto dal Big Bang, le prime stelle ad accendere le loro luci lampeggianti nell’oscurità primordiale, note come stelle di Popolazione III , rimangono un mistero.

Gli attuali processi di formazione stellare ci danno alcuni indizi su come si siano formate, ma finché non troveremo le prime nate, basiamo la nostra comprensione su informazioni incomplete.

Una scia di briciole di pane sono le stelle di Population II, la successiva generazione dopo Population III. La generazione immediatamente successiva a Popolazione III è forse la più eccitante, poiché è la composizione più vicina alla Popolazione III.

Possiamo identificarle dalla loro bassissima abbondanza di elementi come carbonio, ferro, ossigeno, magnesio e litio, rilevati analizzando lo spettro di luce emessa dalla stella, che contiene le impronte chimiche degli elementi in essa contenuti.

Questo perché, prima che le stelle nascessero, non c’erano elementi pesanti: l’Universo era una sorta di zuppa torbida composta principalmente da idrogeno ed elio. Quando si sono formate, le prime stelle dovevano essere composte proprio da questi elementi: è attraverso il processo di fusione termonucleare nei loro nuclei che si sono formati gli elementi più pesanti.

In primo luogo, l’idrogeno viene fuso in elio, quindi l’elio in carbonio e così via fino al ferro, a seconda della massa della stella (le più piccole non hanno abbastanza energia per fondere l’elio in carbonio e pongono fine alla loro vita quando raggiungono quel punto). Quelle più massicce, invece, non hanno abbastanza energia per fondere il ferro; quando il loro nucleo è interamente di ferro, diventano supernovae.

Queste colossali esplosioni cosmiche proiettano tutto quel materiale fuso nello spazio vicino; inoltre le esplosioni sono così energiche da generare una serie di reazioni nucleari che forgiano elementi ancora più pesanti, come l’oro, l’argento, il torio e l’uranio. Le baby stelle che si formano poi dalle nuvole di residui stellari che contengono questi materiali hanno una metallicità superiore rispetto alle stelle precedenti.

Le stelle di oggi – Popolazione I – hanno la più alta metallicità (a proposito, questo significa che alla fine nessuna nuova stella sarà in grado di formarsi, poiché l’approvvigionamento di idrogeno dell’Universo sarà finito). E le stelle nate quando l’Universo era molto giovane hanno una metallicità molto bassa, con le prime stelle conosciute come stelle ultra-povere di metalli o stelle UMP.

Queste UMP sono considerate stelle di Popolazione II, arricchite dal materiale di una singola supernova di Popolazione III.

Utilizzando un sondaggio fotometrico chiamato S-PLUS, un team di astronomi guidato dal NOIRLab della National Science Foundation ha identificato SPLUS J210428-004934, e sebbene non abbia la metallicità più bassa che abbiamo mai rilevato (quell’onore appartiene a SMSS J0313-6708 ), ha una metallicità media per una stella UMP.

Ha anche la più bassa abbondanza di carbonio che gli astronomi abbiano mai visto in una stella povera di metalli. Questo potrebbe darci un nuovo importante vincolo sulla stella progenitrice e sui modelli di evoluzione stellare per metallicità molto basse, hanno detto i ricercatori.

Per capire come si sarebbe potuta formare la stella, hanno eseguito modelli teorici. Hanno scoperto che le abbondanze chimiche osservate in SPLUS J210428-004934, comprese le abbondanze stellari UMP a basso tenore di carbonio e più normali di altri elementi, potrebbero essere riprodotte al meglio da una supernova ad alta energia di una singola stella di Popolazione III 29,5 volte la massa del Sole .

Tuttavia, gli adattamenti più vicini dalla modellazione non erano ancora in grado di produrre abbastanza silicio per replicare esattamente SPLUS J210428-004934. È, quindi, necessario cercare stelle più antiche con proprietà chimiche simili per cercare di risolvere questa strana discrepanza.

“Ulteriori stelle UMP identificate dalla fotometria S-PLUS miglioreranno notevolmente la nostra comprensione delle stelle di Pop III e consentiranno la possibilità di trovare una stella di piccola massa priva di metallo che vive ancora oggi nella nostra galassia“, hanno scritto i ricercatori.

Una visita della missione BepiColombo dell’ESA/JAXA su Venere ha rivelato informazioni sorprendenti su come i gas vengono strappati via dagli strati superiori dell’atmosfera del pianeta. Rilevazioni in una regione precedentemente inesplorata dell’ambiente magnetico del pianeta hanno mostrato che il carbonio e l’ossigeno vengono accelerati a velocità tali da poter sfuggire all’attrazione gravitazionale del pianeta.

I risultati dello studio sono stati pubblicati su Nature Astronomy.

Fuga di ossigeno e carbonio nella regione inesplorata della magnetosfera di Venere

Lina Hadid, ricercatrice del CNRS presso il Plasma Physics Laboratory (LPP) e autrice principale dello studio, ha dichiarato: “Questa è la prima volta che si osservano ioni di carbonio con carica positiva fuggire dall’atmosfera di Venere. Si tratta di ioni pesanti che di solito si muovono lentamente, quindi stiamo ancora cercando di capire questa dinamica. Potrebbe darsi che un “vento” elettrostatico li stia allontanando dal pianeta, oppure potrebbero essere accelerati attraverso processi centrifughi”.

A differenza della Terra, Venere non genera un campo magnetico intrinseco nel suo nucleo. Attorno al pianeta tuttavia viene creata una debole “magnetosfera indotta” a forma di cometa dall’interazione delle particelle cariche emesse dal Sole (il vento solare ) con le particelle elettricamente cariche nell’atmosfera superiore di Venere. Avvolta attorno alla magnetosfera c’è una regione chiamata “guaina magnetica” dove il vento solare viene rallentato e riscaldato.

Il 10 agosto 2021, BepiColombo è passato accanto a Venere per rallentare e aggiustare la rotta verso la sua destinazione finale, Mercurio. La navicella spaziale ha sorvolato la lunga coda della magnetoguaina del pianeta ed è emersa attraverso il naso delle regioni magnetiche più vicine al Sole.

Nel corso di un periodo di osservazioni di 90 minuti, gli strumenti di BepiColombo hanno misurato il numero e la massa delle particelle cariche incontrate, acquisendo informazioni sui processi chimici e fisici che guidano la fuga atmosferica nel fianco della magnetoguaina.

Le somiglianze con la Terra

All’inizio della sua storia, Venere aveva molte somiglianze con la Terra, comprese quantità significative di acqua liquida. Le interazioni con il vento solare hanno portato via l’acqua, lasciando un’atmosfera composta principalmente da anidride carbonica e piccole quantità di azoto e altre specie in tracce.

Missioni precedenti, tra cui Pioneer Venus Orbiter della NASA e Venus Express dell’ESA, hanno effettuato studi dettagliati sul tipo e sulla quantità di molecole e particelle cariche che si perdono nello Spazio. Tuttavia, i percorsi orbitali delle missioni hanno lasciato alcune aree attorno a Venere inesplorate e molte domande ancora senza risposta.

I dati per lo studio sono stati ottenuti dall’analizzatore di spettro di massa (MSA) di BepiColombo e dall’analizzatore di ioni di mercurio (MIA) durante il secondo sorvolo di Venere della sonda. I due sensori fanno parte del pacchetto di strumenti Mercury Plasma Particle Experiment (MPPE), trasportato da Mio, il Mercury Magnetospheric Orbiter guidato da JAXA.

“Caratterizzare la perdita di ioni pesanti e comprendere i meccanismi di fuga su Venere è fondamentale per capire come si è evoluta l’atmosfera del pianeta e come ha perso tutta la sua acqua“, ha affermato Dominique Delcourt, ricercatore presso LPP e ricercatore principale dello strumento MSA.

Gli strumenti di modellazione meteorologica spaziale SPIDER di Europlanet hanno consentito ai ricercatori di monitorare il modo in cui le particelle si propagavano attraverso la magnetoguaina venusiana.

Conclusioni

“Questo risultato mostra informazioni uniche che possono emergere dalle misurazioni effettuate durante i sorvoli planetari, in cui la navicella spaziale può muoversi attraverso regioni generalmente irraggiungibili dalle navicelle spaziali in orbita“, ha affermato Nicolas André, dell’Institut de Recherche en Astrophysique et Planétologie (IRAP) e responsabile del servizio SPIDER.

Una flotta di veicoli spaziali esplorerà Venere nel prossimo decennio, tra cui la missione Envision dell’ESA, l’orbiter VERITAS della NASA e la sonda DAVINCI, e l’orbiter Shukrayaan dell’India. Collettivamente, questi veicoli spaziali forniranno un quadro completo dell’ambiente venusiano, dalla magnetoguaina, attraverso l’atmosfera, fino alla superficie e all’interno.

“Risultati recenti hanno indicato che la fuga atmosferica da Venere non può spiegare completamente la perdita del suo contenuto storico di acqua. Questo studio è un passo importante per scoprire la verità sull’evoluzione storica dell’atmosfera venusiana e le prossime missioni aiuteranno a colmare molte lacune”, ha concluso il coautore Moa Persson dell’Istituto svedese di fisica spaziale.