Sappiamo che il nostro pianeta viene bombardato occasionalmente da corpi celesti che, catturati dal suo intenso campo gravitazionale, impattano con l’atmosfera bruciando o, se di dimensioni sufficienti, impattando sulla superficie. La Terra, durante il suo percorso attorno al Sole, incrocia con una certa regolarità vaste nuvole di detriti che producono piogge di meteore e inoltre incrocia corpi di dimensioni cosi piccole, circa 1 mm, da passare praticamente inosservati.

Due astrofisici di Harvard molto noti, Amir Siraj e il Prof. Abraham Loeb hanno effettuato uno studio secondo il quale l’atmosfera del nostro pianeta sarebbe raggiunta da piccoli corpi rocciosi di dimensioni comprese da 1 mm fino a 10 cm che si muoverebbero nello spazio a velocità fantastiche. I due studiosi sostengono che queste meteore potrebbero essere state prodotte da supernovae relativamente vicine che avrebbero impresso loro velocità sub relativistiche e relativistiche.

Lo studio di Siraj e Loeb si intitola “Firme osservative delle mete sub-relativistiche“, è apparso di recente sul server di prestampa arXiv ed è stato presentato all’Astrophysical Journal.

Siraj e Loeb affrontano un vero e proprio mistero astrofisico, ovvero se l’ejecta creato da una supernova può essere accelerato a velocità relativistiche e viaggiare attraverso lo spazio interstellare fino a raggiungere l’atmosfera terrestre.

L’esistenza di questo tipo di piccoli oggetti cosmici è stata proposta in passato anche da altri astronomi, tra cui Lyman Spitzer e Satio Hayakawa. E’ stata studiata a fondo la possibilità che questi oggetti cosmici possano sopravvivere a un viaggio interstellare. Come ha spiegato Siraj a Universe Today via e-mail:

“Le prove empiriche indicano che in passato almeno una supernova ha scagliato pesanti elementi sulla Terra. È noto che le supernovae rilasciano quantità significative di polvere a velocità sub-relativistiche. Vediamo anche prove di aggregazione o “proiettili” nella eiezione da supernova. La frazione di massa è sconosciuta, ma se solo lo 0,01% della polvere eiettata fosse contenuta in oggetti di dimensioni millimetriche o più grandi, ci aspetteremmo che uno di essi appaia nell’atmosfera terrestre come meteora sub-relativistica ogni mese (in base alla tasso di supernovae nella galassia della Via Lattea)“.

La base teorica pare solida ma non sappiamo se effettivamente granelli di polvere cosmica entrino a velocità relativistiche nella nostra atmosfera, perché la ricerca odierna non è in grado di compiere osservazioni del genere.

“Le meteore in genere viaggiano vicino allo 0,01% della velocità della luce“, ha affermato Siraj. “Pertanto, le ricerche attuali cercano segnali emessi da oggetti che si muovono a quella velocità. Le meteore emesse dalle supernova si muoverebbero cento volte più velocemente (circa l’1% della luce della velocità), e quindi i loro segnali sarebbero diversi dalle meteore tipiche, rendendole non rilevabili dai sistemi di rilevamento attualmente in uso“.

Per effettuare lo studio, Siraj e Loeb hanno sviluppato un modello idrodinamico e radiativo per tracciare l’evoluzione dei cilindri al plasma caldi che risultano da meteore sub-relativistiche che attraversano l’atmosfera. Da questo, sono stati in grado di calcolare quale tipo di segnali verrebbero prodotti, fornendo così un’indicazione di ciò che gli astronomi dovrebbero registrare. Come ha spiegato Siraj:

“Abbiamo scoperto che una meteora sub-relativistica darebbe origine a un’onda d’urto che potrebbe essere captata da un microfono e anche a un lampo luminoso di radiazione in lunghezze d’onda ottiche, che durerà per circa un decimo di millisecondo. Per meteore di 1 mm, un piccolo rivelatore ottico (1 centimetro quadrato) potrebbe facilmente rilevare il lampo di luce verso l’orizzonte“.

Con questo in mente, Siraj e Loeb hanno delineato il tipo di infrastruttura che consentirebbe agli astronomi di confermare l’esistenza di questi oggetti e di studiarli. Ad esempio, nuovi sondaggi potrebbero incorporare microfoni e strumenti a infrarossi-ottici in grado di rilevare la firma acustica e i flash ottici creati da questi oggetti che entrano nella nostra atmosfera e le conseguenti esplosioni.

Sulla base dei loro calcoli, basterebbero una rete globale di circa 600 rilevatori a cielo aperto che sarebbero in grado di captare alcune di queste meteore relativistiche all’anno. Un’altra possibilità è quella di studiare i dati esistenti cercando possibili tracce di meteore sub-relativistiche e relativistiche. A questo scopo si potrebbero utilizzare le infrastrutture già esistenti.

Un buon esempio di quanto si potrebbe studiare, ha spiegato Siraj, si trova nella rete e nel database del Center for Near-Earth Object Studies (CNEOS) della NASA: “Inoltre, notiamo che la rete mondiale di sensori classificati dal governo degli Stati Uniti (inclusi microfoni e rilevatori ottici ) che fornisce il database CNEOS Fireball e Bolidi probabilmente comprende una valida infrastruttura esistente. Esortiamo il governo degli Stati Uniti a declassificare ampie strisce dei dati CNEOS in modo che gli scienziati possano cercare meteore sub-relativistiche senza spendere più soldi dei contribuenti per sviluppare una nuova rete globale con una già in funzione“.

In questo modo si potrebbero attivare le capacità necessarie a studiare una serie completamente nuova di oggetti che interagiscono regolarmente con l’atmosfera terrestre. Questo ci darebbe una nuova prospettiva allo studio delle supernovae permettendo agli astronomi di porre importanti vincoli sulle emissioni che producono. Si potrebbe a questo scopo investire in una rete globale a basso costo di telecamere a cielo aperto, ne varrebbe certamente la pena.

Fonte: Phys.org 

L’estate scorsa, il rilevatore di onde gravitazionali LIGO ha visto per la seconda volta in assoluto la fusione di due stelle di neutroni. La collisione di questi oggetti incredibilmente densi – giganteschi nuclei residui da antiche esplosioni di supernova – ha generato increspature nello spazio-tempo abbastanza potenti da poter essere rilevati qui sulla Terra.
A differenza della prima fusione, conforme alle aspettative, quest’ultimo evento ha costretto gli astrofisici a ripensare alcune ipotesi di base su ciò che si nasconde là fuori nell’universo. “Abbiamo un dilemma“, ha detto Enrico Ramirez-Ruiz dell’Università della California.
La massa eccezionalmente elevata del sistema a due stelle è stata la prima indicazione che l’osservazione di questa collisione non ha avuto precedenti. La massa delle due stelle coinvolte da sola potrebbe lasciare intendere possibili sorprese future.
In un articolo recentemente pubblicato sul sito scientifico di prestampa arxiv.org, Ramirez-Ruiz e i suoi colleghi sostengono che GW190425, come è noto il sistema binario coinvolto, sfida tutto ciò che pensavamo di sapere sulle coppie di stelle di neutroni. Quest’ultima osservazione sembra fondamentalmente incompatibile con l’attuale comprensione degli scienziati su come si formano queste stelle e quanto spesso. Di conseguenza, i ricercatori potrebbero dover ripensare anni di conoscenze accettate.

Lontano ma ovunque

Prima del 2017, quando LIGO ha catturato la sua prima fusione di stelle di neutroni, tutto ciò che sapevamo delle stelle di neutroni proveniva dalle osservazioni di esemplari relativamente vicini nella nostra galassia della Via Lattea (Delle 2.500 o più conosciute stelle di neutroni, 18 coesistono in coppie orbitanti come stelle di neutroni binarie).
La prima cosa sorprendente è la massa: il nuovo sistema ha una massa totale di circa 3,4 volte il Sole. Tutti gli esempi precedentemente noti di stelle binarie di neutroni pesavano intorno a 2,6 il sole. La prima coppia di stelle binarie di neutroni osservate da LIGO aveva una massa che rientrava nelle misure attese.

Ma l’alta massa combinata è solo il primo dei misteri della fusione di queste due stelle. Ancora più sconcertante è la presunta abbondanza di grandi stelle di neutroni: in base alla recente osservazione, gli scienziati di LIGO stimano che questi accoppiamenti pesanti dovrebbero essere comuni quasi quanto i sistemi di stelle binarie più leggeri che gli astronomi hanno studiato per decenni. Le grandi coppie di stelle di neutroni dovrebbero essere in tutto l’universo, inclusa la nostra Via Lattea.
Perché, quindi, non sono mai stati individuati prima?
Una possibilità è che queste fusioni sono difficili da rilevare perché avvengono molto rapidamente.
Con un telescopio che può vedere solo la luce – vale a dire tutti i telescopi fino a quando è arrivato LIGO – bisognere guardare nel posto giusto al momento giusto. Un breve lampo da una coppia di stelle di neutroni potrebbe passare inosservato. “Se un tipo di binario si fonde molto rapidamente, statisticamente è molto improbabile che tu riesca a vederne uno proprio quando accade“, ha detto Salvatore Vitale, astrofisico del Massachusetts Institute of Technology che fa parte della collaborazione LIGO.
LIGO ha cambiato le carte in tavola. È un rilevatore di onde gravitazionali omnidirezionali che monitora l’intero cielo. Vitale e il resto del team credono di essersi imbattuti in qualcosa di praticamente invisibile prima dell’avvento dell’astronomia delle onde gravitazionali.
Il problema più significativo di questa sovrabbondanza nascosta di gigantesche stelle di neutroni, tuttavia, è che non si capisce perché dovrebbero essercene così tante.
In pratica, se ci sono tante coppie di stelle di neutroni massicce quante ce ne sono di più leggere, allora dovremmo aspettarci di trovare tante stelle pesanti (che le creano) quante stelle più leggere. Ma non è così: gli astronomi stimano che meno del 10% di tutte le stelle sia abbastanza grande da produrre stelle di neutroni così massicce. “Abbiamo prove confuse provenienti da metodi molto diversi“, ha detto Ramirez-Ruiz.
E le domande non finiscono qui. Le migliori simulazioni al computer esistenti dell’evoluzione stellare, semplicemente non possono tenere conto dell’abbondanza stimata di queste coppie di stelle insolitamente pesanti perché nessuno, fino ad ora, pensava potessero essercene così tante.
Gli scienziati usano spesso simulazioni al computer per modellare processi complicati per lunghi periodi di tempo. In questo caso, gli autori hanno modellato il ciclo di vita di oggetti stellari compatti per miliardi di anni. “Inserisci un gruppo di stelle e dici al codice come esplodono le stelle“, ha detto Vitale. Quindi “lo lasci calcolare cosa accadrebbe in qualche milione o miliardi di anni e vedi qual è il risultato“.
Per fornire una fedele simulazione dell’universo, il codice considera gli effetti della relatività, del magnetismo, delle radiazioni gravitazionali e molto altro. Fa anche ipotesi su dettagli che non sono completamente compresi, come la quantità di gas che ricade in una stella dopo l’esplosione di una supernova rispetto a quanto viene perso nello spazio. Queste ipotesi offrono ai ricercatori una vasta gamma di possibili input che possono essere inseriti nel codice rimanendo comunque entro i limiti della plausibilità fisica.
Tuttavia, indipendentemente dagli input inseriti nella simulazione, il risultato non si è in alcun modo avvicinato al numero di coppie di stelle di neutroni pesanti previste da LIGO. “Se questa è una stella binaria di neutroni, dovrà fornirci risposte a molte domande”, ha commentato Mohammad Safarzadeh, un astrofisico di Santa Cruz che ha guidato la ricerca. Come lui e i suoi colleghi hanno scritto nel loro articolo, un tasso di fusione così elevato richiede un “cambiamento radicale nella nostra comprensione dell’esplosione di supernova“.
I ricercatori avvertono, tuttavia, che le simulazioni sulle supernovae sono notoriamente complesse e difficili. I modelli che li guidano sono noti per essere “estremamente approssimativi“, secondo Safarzadeh, “e dire estremamente approssimativi è generoso“. Vitale concorda: “È un problema molto, molto difficile da simulare“. Tuttavia, una così forte disparità tra teoria e prove è preoccupante. “È un invito all’azione“, ha detto Ramirez-Ruiz, “che dovrebbe spingere gli scienziati a ripensare il modo in cui queste stelle si formano“.
Molti aspetti dell’evoluzione delle stelle binarie sono poco compresi, incluso il modo in cui le stelle scambiano massa e si avvicinano abbastanza da fondersi. “Conosciamo molto sulla formazione stellare e sull’evoluzione, ma molta della fisica legata alla produzione di binari compatti è ancora poco conosciuta“, ha dichiarato Ben Farr, fisico dell’Università dell’Università dell’Oregon e membro della collaborazione LIGO.

Le scoperte riportate nel documento, quindi, stanno spingendo gli astrofisici a riesaminare ciò che pensavano di sapere sulle stelle di neutroni.
Fonte: Quanta Magazine

Con che velocità si sta espandendo l’universo?

Da quando, nel 1929, Edwin Hubble scoprì che le galassie si stanno allontanando nel tempo, consentendo agli scienziati di risalire all’evoluzione dell’universo fino al Big Bang iniziale, gli astronomi hanno cercato misurare l’esatta velocità di questa espansione. In particolare, astronomi, astrofisici e cosmologi vorrebbero determinare un numero chiamato parametro di Hubble, che indica la velocità con cui il cosmo si sta espandendo. La costante di Hubble ci dice anche l’età dell’Universo, quindi misurarlo è stato un obiettivo importante per molti astronomi nella seconda metà del XX secolo.
Questo valore viene derivato dalla legge di Hubble-Lemaître che afferma che esiste una relazione lineare tra lo spostamento verso il rosso della luce emessa dalle galassie e la loro distanza. Tanto maggiore è la distanza della galassia e tanto maggiore sarà il suo spostamento verso il rosso. In forma matematica la legge di Hubble può essere espressa come

{z={\frac {H_{0}D}{c}}}

dove z è lo spostamento verso il rosso misurato della galassia, D è la sua distanza, c è la velocità della luce e H₀ è la costante di Hubble, il cui valore attualmente stimato è attorno a 2,176 aHz (67,15 km/s/Mpc).
Il problema, tuttavia, è che misurare la costante di Hubble è, forse non sorprendentemente, abbastanza difficile. Si pensa che sia possibile determinare questo parametro con diversi metodi ma gli osservatori impegnati in questa misura stanno ottenendo numeri diversi a seconda del metodo che usano.
C’è da fare un’ulteriore precisazione: in quasi tutti i modelli cosmologici (ed in particolare in tutti quelli basati sull’ipotesi del Big Bang, cioè praticamente tutti quelli attualmente ritenuti possibili) la costante di Hubble è costante solo nel senso che se in questo momento (cioè nello stesso istante di tempo cosmologico) noi ripetessimo la sua misura in qualunque altro punto dell’universo, otterremmo il medesimo valore. Questo valore però cambia nel tempo. Per limitare la confusione, solitamente si usa il termine parametro di Hubble al tempo t (indicato con H(t)), mentre con costante di Hubble H₀ si intende il valore attuale.
L’evoluzione di H è dovuta agli effetti della gravità (la forza gravitazionale della materia presente nell’universo tende a rallentare l’espansione) e della cosiddetta energia oscura (dark energy), che invece tende ad accelerarla; la cosiddetta costante cosmologica sarebbe una forma particolare di energia oscura. Misure condotte in anni recenti (a partire dal 1999) sembrano indicare che l’espansione dell’universo stia in questo momento accelerando.
Sembra che il numero ottenuto in base all’apparizione dell’universo poco dopo il Big Bang sia significativamente più piccolo del numero ottenuto quando si osservano misure che coinvolgono gli oggetti più vicini.
Il primo parametro di Hubble dell’universo, derivato dalle osservazioni del satellite Planck dell’Agenzia spaziale europea, ci dice che l’universo ha circa 13,8 miliardi di anni. Nel frattempo però, le misurazioni effettuate sul cosmo locale darebbero un risultato che assegnerebbe all’universo un’età di quasi un miliardo di anni in meno. Se quell’età più piccola fosse corretta, bisognerebbe rivedere l’intera linea temporale della storia cosmica e falsare la nostra comprensione di quando e come sono accaduti i vari eventi principali nell’evoluzione dell’universo.
Il sostanza dovremmo rivedere completamente il modello cosmologico standard.
Una volta nota l’età dell’universo e accettando l’assunzione che la velocità della luce sia costante, parrebbe che non sia possibile osservare oggetti più lontani dello spazio percorso dalla luce durante l’intera vita dell’universo. La nozione che questa distanza sia banalmente pari a circa 13,82 miliardi di anni luce (4,3 gigaparsec) è erronea, poiché non tiene conto dell’espansione dell’universo che è intervenuta progressivamente, tra l’altro in costante accelerazione, fino a raggiungere la situazione in cui lo spazio si dilata più velocemente della luce.
La distanza di Hubble, ricavata dalla costante di Hubble, posta a 16 miliardi di anni luce dall’osservazione, delimita la distanza oltre la quale leggi fisiche, spazio e tempo perdono significato e contatto causale, cioè non esisterà mai la possibilità di osservare o scambiare alcun segnale, interazione o informazione, che in pratica esce dalla realtà dell’osservatore.
Per tornare al parametro di Hubble, la discrepanza tra i valori di volta in volta calcolati non è così grande da mettere seriamente in dubbio la teoria del Big Bang o il modello cosmologico standard, ma è abbastanza grande che alcuni cosmologi – scienziati che studiano la storia e la composizione dell’universo nel suo insieme – stanno suggerendo che quantomeno è in corso una crisi.
Adam Riess, il cosmologo del Johns Hopkins che ha condiviso il Premio Nobel per la fisica nel 2011, sostiene che non possiamo ignorare la discrepanza, perché continua a comparire, ancora e ancora, in troppe osservazioni indipendenti sul cosmo locale per essere casuale. “Se l’universo fallisce questo cruciale test end-to-end, cosa dovrebbe dirci questo?” Ha scritto Riess su Nature. “È allettante pensare che potremmo vedere prove di una nuova fisica del cosmo”.
Potrebbe essere così, ma “Direi che è almeno altrettanto probabile che non comprendiamo ancora quali siano tutte le sottigliezze di queste misurazioni“, ha affermato il cosmologo Arthur Kosowsky dell’Università di Pittsburgh, “ed è possibile che tutte le misurazioni alla fine convergeranno su un unico valore [per il parametro Hubble]“.
In effetti, la discrepanza potrebbe ridursi a poco più che ai pregiudizi nascosti nelle misurazioni. Per usare un’analogia, se hai un fucile ad aria compressa che tira leggermente a destra mentre spari a un bersaglio, tutti i tuoi colpi possono essere raggruppati attorno a un singolo punto, ma quel punto sarà a destra del centro del bersaglio. Il fucile introduce un errore sistematico nel tuo obiettivo normalmente corretto.
Ma l’analogia è imperfetta perché in cosmologia non sappiamo dove sia il “centro del bersaglio”: il valore preciso del parametro di Hubble non può essere calcolato indipendentemente dalle misurazioni.
A complicare ulteriormente le cose, nessuna delle osservazioni misura direttamente il parametro di Hubble. Al contrario, le misurazioni collegano diversi fenomeni osservabili al tasso di espansione cosmica. Il trucco consiste nell’utilizzare più misurazioni indipendenti come confronto reciproco, sperando che eventuali effetti sistematici possano essere individuati nel processo.
Ad esempio, le osservazioni sull’universo primordiale del satellite Planck – quelle che ci dicono che l’universo si sta espandendo più lentamente – si basano su qualcosa chiamato sfondo cosmico a microonde (CMB), sostanzialmente una specie di eco della prima luce comparsa nell’universo circa 400.000 anni dopo il Big Bang. Tuttavia, non stiamo vedendo questa luce com’era allora; la vediamo dopo che è passata attraverso gruppi di galassie ed è entrata nella Via Lattea, con l’aggiunta di luce proveniente da altre fonti. Per ottenere qualcosa di utile dai dati CMB, gli astronomi devono sottrarre tutto ciò che non è primordiale; sono molto bravi in ​​questo ma potrebbe esserci ancora spazio per una distorsione sistematica nel modo in cui viene fatta la sottrazione.
Le misurazioni basate su oggetti più vicini, quelle che producono un’età leggermente più giovane per l’universo, vengono effettuate utilizzando la luce di supernove di tipo Ia, che sono le esplosioni di oggetti super densi chiamati nane bianche; le pulsazioni di stelle molto grandi; e la distorsione gravitazionale della luce mentre passa dalle galassie. Ogni tipo di misurazione ha il proprio set di errori sistematici che devono essere corretti. Vale anche la pena notare che anche se i loro valori dei parametri di Hubble sono vicini l’uno all’altro, comunque non sono d’accordo. In altre parole, tutte queste osservazioni sono abbastanza complesse che i loro risultati non sono completamente risolti.
Sono in corso nuovi tipi di osservazione, che potrebbero aiutare a identificare dove esistono distorsioni nelle misurazioni dei parametri di Hubble. Rimuovere questi pregiudizi potrebbe portare i numeri calcolati per il parametro di Hubble ad essere in accordo.
E se i numeri fossero giusti?
Ciò potrebbe essere indicativo di alcuni fenomeni precedentemente sconosciuti nell’universo primordiale, dall’epoca precedente alla formazione dei primi atomi. Forse l’energia oscura, che pensiamo stia attualmente guidando l’accelerazione dell’espansione cosmica, ha giocato un ruolo molto prima di quanto la maggior parte dei cosmologi pensi. Forse ci sono particelle extra che erano importanti quando l’universo era più piccolo e più denso, ma la cui influenza si è diluita nel corso dei miliardi di anni.
Nessuna di queste possibilità è perfetta, ma qualunque sia la risposta giusta, è un grosso problema.
“Non ho una sfera di cristallo ma penso che queste misurazioni siano davvero difficili“, dice Kosowsky. Tuttavia, la sua cautela non significa che non sarebbe felice di sbagliarsi. “Sto facendo il tifo perché emerga che questa incertezza in realtà ci sta mostrando qualcosa di eccitante sulla cosmologia“.