A un livello fondamentale, di cosa è fatto il nostro universo? Questa domanda ha portato avanti la fisica per secoli. Anche con tutti i progressi che abbiamo fatto, non lo sappiamo ancora. Il Large Hadron Collider ha scoperto il bosone di Higgs e completato il modello standard all’inizio di questo decennio, ma la suite completa delle particelle che conosciamo rappresenta solo il 5% dell’energia totale nell’universo.

Non sappiamo cosa sia la materia oscura, ma la prova indiretta della sua presenza è schiacciante. Lo stesso succede con l‘energia oscura. Ma sul perché le particelle fondamentali hanno le masse che hanno, o perché i neutrini non sono senza massa, o perché il nostro Universo è fatto di materia e non di antimateria, siamo ancora in alto mare. I nostri strumenti e ricerche attuali non hanno risposto a questi grandi enigmi esistenziali della fisica moderna. La fisica delle particelle ora è davanti ad un incredibile dilemma: conitnuare a provare, con tutti i limiti tecnologici o arrendersi.

Il modello standard della fisica delle particelle rappresenta tre delle quattro forze (eccetto la gravità), la suite completa di particelle scoperte e tutte le loro interazioni. Se ci sono particelle aggiuntive e / o interazioni che sono individuabili con i collisori che possiamo costruire sulla Terra è un argomento di cui si può discutere, ma la risposta òa conosceremo solo se esploreremo oltre la frontiera energetica nota. – PROGETTO DI EDUCAZIONE ALLA FISICA CONTEMPORANEA / DOE / NSF / LBNL

Le particelle e le interazioni che conosciamo sono tutte governate dal modello standard della fisica delle particelle, oltre che dalla gravità, dalla materia oscura e dall’energia oscura. Negli esperimenti di fisica delle particelle, tuttavia, è importante solo il modello standard. I sei quark carichi di leptoni e neutrini, gluoni, fotoni, bosoni di gauge e bosoni di Higgs sono tutto ciò che predice, e ogni particella non è stata solo scoperta, ma ne sono state misurate anche le proprietà.

Di conseguenza, il modello standard è forse vittima del proprio successo. Le masse, gli spin, le vite, le forze di interazione e i rapporti di decadimento di ogni particella e antiparticella sono stati tutti misurati e concordano ogni volta con le previsioni del Modello standard. Ci sono enormi enigmi sul nostro universo e la fisica delle particelle non ci ha dato indicazioni sperimentali su dove o come potrebbero essere risolti.

Le particelle e le antiparticelle del modello standard sono state rilevate direttamente, con l’ultimo blocco, il bosone di Higgs, che è caduto all’LHC all’inizio di questo decennio. Le particelle portano a costanti fondamentali che sono assolutamente necessarie per descriverle completamente. Queste particelle possono essere ben descritte dalla fisica delle teorie dei campi quantistici che stanno alla base del Modello Standard, ma non descrivono tutto, come la materia oscura. –  E. SIEGEL / OLTRE LA GALASSIA

Potrebbe quindi essere allettante presumere che la costruzione di un collisore di particelle più potente sarebbe un’inutile impresa. In effetti, questo potrebbe essere il caso. Il modello standard della fisica delle particelle ha previsioni esplicite per gli accoppiamenti che avvengono tra le particelle. Se è vero che ci sono un certo numero di parametri che rimangono mal determinati al momento, è concepibile che non ci siano nuove particelle che un collisore di prossima generazione potrebbe rivelare.

La particella del modello standard più pesante è il quark top, che richiede circa 180 GeV di energia per essere creata. Il Large Hadron Collider può raggiungere energie di 14 TeV (circa 80 volte l’energia necessaria per creare un quark top), ma potrebbe non esserci nessuna nuova particella da scoprire a meno di non riuscire a raggiungere energie più grandi di 1.000.000 volte. Questa è la grande paura di molti: la possibile esistenza di un cosiddetto “deserto energetico” che si estende per molti ordini di grandezza.

C’è sicuramente nuova fisica oltre il Modello Standard, ma potrebbe non apparire fino a quando le energie saranno molto, molto più grandi di quelle che un collisore terrestre potrebbe mai raggiungere.Tuttavia, se questo scenario è vero o no, l’unico modo per saperlo è provare. Nel frattempo, le proprietà delle particelle conosciute possono essere esplorate meglio con un collisore futuro rispetto a qualsiasi altro strumento. L’LHC non è riuscito a rivelare, fino ad ora, nulla oltre le particelle conosciute del Modello Standard. –  UNIVERSE-REVIEW.CA

Ma è anche possibile che ci sia una nuova fisica presente su una scala modesta oltre la quale abbiamo già esplorato. Esistono molte estensioni teoriche al modello standard piuttosto generiche, in cui le deviazioni dalle previsioni del modello standard potrebbero essere rilevate da un collisore di nuova generazione.

Se vogliamo sapere qual è la verità sul nostro Universo, dobbiamo guardare, e ciò significa spingere le attuali frontiere della fisica delle particelle in un territorio inesplorato. In questo momento, la comunità scientifica sta discutendo tra più approcci, ognuno con i suoi pro e contro. Lo scenario da incubo, tuttavia, non è che cercheremo e non troveremo nulla: è questa lotta intestina e la mancanza di unità distruggerà per sempre la fisica sperimentale e non otterremo affatto un collisore di nuova generazione.

Un ipotetico nuovo acceleratore, sia uno lungo lineare che uno installato in un grande tunnel sotto la Terra, potrebbe sminuire la sensibilità alle nuove particelle che i collisori precedenti e attuali possono ottenere. Anche avendolo, non c’è alcuna garanzia che troveremo qualcosa di nuovo, ma siamo sicuri di non trovare nulla di nuovo se non ci proviamo. –  COLLABORAZIONE ILC

Quando si tratta di decidere quale collider costruire dopo, ci sono due approcci generici: un collisore di leptoni (dove elettroni e positroni vengono accelerati e fatti scontrare) e un collisore di protoni (dove i protoni vengono accelerati e fatti scontrare). I collisori di leptoni hanno questi vantaggi:

• il fatto che i leptoni sono particelle puntuali, piuttosto che particelle composite,
• Il 100% dell’energia degli elettroni in collisione con i positroni può essere convertita in energia per nuove particelle,
• il segnale è pulito e molto più facile da estrarre,
• e l’energia è controllabile, nel senso che possiamo scegliere di sintonizzare l’energia su un valore specifico e massimizzare la possibilità di creare una particella specifica.

I collisori di Leptoni, in generale, sono ottimi per gli studi di precisione e non ne abbiamo avuto uno all’avanguardia dal momento che LEP era operativo quasi 20 anni fa.

Alle varie energie del centro di massa nei collettori di elettroni / positroni (leptoni), vari meccanismi di produzione di Higgs possono essere raggiunti a energie esplicite. Mentre un collisore circolare può ottenere tassi di collisione e tassi di produzione molto più alti di particelle W, Z, H e t, un collisore lineare abbastanza lungo può raggiungere energie più elevate, permettendoci di sondare i meccanismi di produzione di Higgs che un collisore circolare non può raggiungere. Questo è il vantaggio principale dei collisori di leptoni lineari; se sono solo a bassa energia (come l’ILC proposto), non c’è motivo per non farli circolari. – H. ABRAMOWICZ ET AL., EUR. PHYS. J. C 77, 475 (2017)

È molto improbabile, a meno che la natura sia estremamente gentile, che un collisore di leptoni scoprirà direttamente una nuova particella, ma potrebbe essere la soluzione migliore per scoprire indirettamente la presenza di particelle al di fuori del Modello standard. Abbiamo già scoperto particelle come i bosoni W e Z, il bosone di Higgs e il quark top, ma un collisore di leptoni potrebbe produrli in grande abbondanza e attraverso una varietà di canali.

Più eventi di interesse creiamo, più profondamente possiamo sondare il Modello standard. Il Large Hadron Collider, ad esempio, sarà in grado di dire se Higgs si comporta in modo coerente con il modello standard fino a circa il livello dell’1%. In un’ampia serie di estensioni del modello standard, sono previste deviazioni di ~ 0,1% e il futuro collisore leptonico offrirà i migliori vincoli di fisica possibili.

I canali di decadimento di Higgs osservati rispetto all’accordo Modello standard, con gli ultimi dati di ATLAS e CMS inclusi. L’accordo è sbalorditivo e allo stesso tempo frustrante. Entro il 2030, LHC avrà circa 50 volte più dati, ma le precisioni su molti canali di decadimento saranno note solo per pochi punti percentuali. Un futuro collisore potrebbe aumentare quella precisione di più ordini di grandezza, rivelando l’esistenza di potenziali nuove particelle. – ANDRÉ DAVID, TRAMITE TWITTER

Questi studi di precisione potrebbero essere incredibilmente sensibili alla presenza di particelle o interazioni che non abbiamo ancora scoperto. Quando creiamo una particella, essa ha un certo insieme di rapporti di ramificazione, o probabilità che decadrà in una varietà di modi. Il modello standard prevede predizioni esplicite per tali rapporti, quindi se creiamo un milione o un miliardo o un trilione di particelle di questo tipo, possiamo sondare tali rapporti di ramificazione con precisioni senza precedenti.

Se si desiderano vincoli di fisica migliori, sono necessari più dati e dati migliori. Non sono solo le considerazioni tecniche che dovrebbero determinare quale collisore verrà dopo, ma anche dove e come ottenere il personale migliore, la migliore infrastruttura e supporto e dove è possibile creare una forte comunità di fisica sperimentale e teorica.

Ci sono due proposte di classi generali per un collisore di leptoni: un collisore circolare e un collisore lineare. I collisori lineari sono semplici: accelerano le particelle in linea retta e le fanno scontrare al centro. Con la tecnologia di accelerazione ideale, un collisore lineare lungo 11 km potrebbe raggiungere energie di 380 GeV: abbastanza per produrre W, Z, Higgs, o top in grande abbondanza. Con un collisore lineare di 29 km, è possibile raggiungere energie di 1,5 TeV e con un collider di 50 km, 3 TeV, anche se i costi aumentano enormemente per accompagnare lunghezze maggiori.

I raccoglitori lineari sono leggermente meno costosi dei collettori circolari per la stessa energia, perché puoi scavare un tunnel più piccolo per raggiungere le stesse energie e non subiscono perdite di energia a causa della radiazione di sincrotrone, consentendo loro di raggiungere energie potenzialmente più elevate. Tuttavia, i collettori circolari offrono un enorme vantaggio: possono produrre un numero molto maggiore di particelle e collisioni.

The Future Circular Collider è una proposta per costruire, negli anni ’30, un successore del LHC con una circonferenza di 100 km: quasi quattro volte più grande delle attuali gallerie sotterranee. Ciò consentirà, con l’attuale tecnologia dei magneti, la creazione di un collisore leptonico in grado di produrre ~ 10 ^ 4 volte il numero di particelle W, Z, H e t prodotte dai collisori precedenti e attuali. – STUDIO DEL CERN / FCC

Mentre un collisore lineare potrebbe essere in grado di produrre da 10 a 100 volte più collisioni di un collisore leptonico della generazione precedente come LEP (dipendente dalle energie), una versione circolare può superarla facilmente: producendo 10.000 volte il numero di collisioni alle energie richieste per crea il bosone Z.

Sebbene i collisori circolari abbiano tassi di eventi sostanzialmente più elevati rispetto ai collisori lineari delle energie rilevanti che producono anche particelle di Higgs, iniziano a perdere il loro vantaggio sulle energie necessarie per produrre quark top e non possono andare oltre, dove i collisori lineari diventano dominanti.

Poiché tutti i processi di decadimento e produzione che si verificano in queste particelle pesanti si ridimensionano in base al numero di collisioni o alla radice quadrata del numero di collisioni, un collettore circolare ha il potenziale per sondare la fisica con molte volte la sensibilità di un collisore lineare.

La FCC-ee proposta, o lo stadio lepton del Future Circular Collider, potrebbe realisticamente scoperto prove indirette per qualsiasi nuova particella accoppiata a W, Z, Higgs o top quark con masse fino a 70 TeV: cinque volte l’energia massima del Large Hadron Collider.

Il rovescio della medaglia di un lepton è un collisore di protoni, che – a queste alte energie – è essenzialmente un collisore gluone-gluone. Questo non può essere lineare; deve essere circolare.

La scala del futuro Circular Collider (FCC) proposto, confrontata con l’LHC attualmente al CERN e al Tevatron, già operativa al Fermilab. The Future Circular Collider è forse la proposta più ambiziosa per un collisore di nuova generazione fino ad oggi, comprese opzioni di lepton e protone come varie fasi del suo programma scientifico proposto. –  PCHARITO / WIKIMEDIA COMMONS

C’è davvero un solo sito adatto per questo: il CERN, poiché non solo ha bisogno di un nuovo, enorme tunnel, ma di tutte le infrastrutture delle fasi precedenti, che esistono solo al CERN. (Potrebbero essere costruiti altrove, come un sito in Asia, ma il costo sarebbe più alto che in un sito in cui esistono già infrastrutture come LHC e collettori precedenti come SPS.)

Proprio mentre l’LHC occupa attualmente il tunnel precedentemente occupato dal LEP, un collettore circolare di lepton potrebbe essere sostituito da un collider di protoni circolare di prossima generazione, come il proposto FCC-pp. Purtroppo, non è possibile eseguire simultaneamente un collider di protoni esplorativi e un collisore di lepton di precisione; devi smantellare uno per finire l’altro.

Il rivelatore CMS al CERN, uno dei due più potenti rilevatori di particelle mai assemblati. Ogni 25 nanosecondi, in media, un nuovo grappolo di particelle collide al centro di questo rivelatore. Un rilevatore di prossima generazione, sia per un lepton che per un collisore di protoni, può essere in grado di registrare ancora più dati, più velocemente e con una precisione più elevata rispetto ai rilevatori CMS o ATLAS al momento. – CERN

È molto importante prendere la decisione giusta, poiché non sappiamo quali segreti la natura riserva al di là delle frontiere già esplorate. Passare a energie più elevate sblocca il potenziale per nuove scoperte dirette, mentre andando verso precisioni più elevate e statistiche più grandi potrebbero fornire prove indirette ancora più forti per l’esistenza di nuova fisica.

I collisori lineari della prima fase avranno un costo compreso tra 5 e 7 miliardi di dollari, compreso il tunnel, mentre un collisore di protoni di quattro volte il raggio dell’LHC, con magneti due volte più forti, 10 volte il tasso di collisione e calcolo e criogenia di prossima generazione potrebbe costare un totale di fino a $ 22 miliardi, offrendo un grande salto rispetto al LHC mentre LHC era sopra il Tevatron. Qualcosa potrebbe essere risparmiato costruendo il collettore circolare di lepton e protoni uno dopo l’altro nello stesso tunnel, che essenzialmente fornirebbe un futuro per la fisica delle particelle sperimentali dopo che l’LHC esaurirà la sua utilità alla fine degli anni ’30.

La cosa più importante da ricordare in tutto questo è che non stiamo semplicemente continuando a cercare la supersimmetria, la materia oscura o qualsiasi particolare estensione del Modello Standard. Abbiamo un sacco di problemi e di enigmi che indicano che ci deve essere nuova fisica oltre ciò che attualmente comprendiamo, e la nostra curiosità scientifica ci costringe a cercare. Nella scelta di quale macchina costruire, è fondamentale scegliere la macchina più performante: quella con il maggior numero di collisioni alle energie a cui siamo interessati a sondare.

Indipendentemente da quali progetti specifici la comunità sceglierà, ci saranno dei compromessi. Un collisore lineare di leptoni può sempre raggiungere energie più alte di quelle circolari, mentre uno circolare può sempre creare più collisioni e andare a precisioni più alte. È in grado di raccogliere un numero di dati pari a un decimo di tempo e di individuare effetti più sottili, al costo di una portata energetica inferiore.

Questo diagramma mostra la struttura del modello standard (in un modo che mostra le relazioni e gli schemi chiave in modo più completo e meno fuorviante rispetto all’immagine più familiare basata su un quadrato 4×4 di particelle). In particolare, questo diagramma descrive tutte le particelle nel Modello Standard (inclusi i loro nomi di lettere, masse, spin, mani, cariche e interazioni con i bosoni di gauge: cioè, con le forze forti ed elettrodebole). Descrive anche il ruolo del bosone di Higgs e la struttura della rottura della simmetria elettrodebole, indicando come il valore di aspettativa del vuoto di Higgs rompa la simmetria elettrodebole e come le proprietà delle restanti particelle cambino di conseguenza. Si noti che il bosone Z si accoppia ai due quark e ai leptoni e può decadere attraverso i canali del neutrino. – LATHAM BOYLE E MARDUS DI WIKIMEDIA COMMONS

Avrà successo? Indipendentemente da ciò che troviamo, questa risposta è inequivocabilmente sì. Nella fisica sperimentale, il successo non equivale a trovare qualcosa, come alcuni potrebbero credere erroneamente. Invece, avere successo significa conoscere qualcosa, post-esperimento, che non sapevi prima di aver fatto l’esperimento. Per andare oltre le attuali frontiere, vorremmo idealmente sia un leptone che un collisore di protoni, alle più alte energie e ai tassi di collisione che possiamo raggiungere.

Non c’è dubbio che le nuove tecnologie e gli spin-off verranno da qualsiasi collisore o collisore, ma non è questo il motivo per cui lo facciamo. Stiamo cercando i segreti più profondi della natura, quelli che rimarranno inafferrabili anche dopo che il Large Hadron Collider avrà finito la sua attività. Abbiamo le capacità tecniche, il personale e le competenze per realizzarlo a portata di mano. Tutto ciò di cui abbiamo bisogno è la volontà politica e finanziaria, come civiltà, di cercare le verità ultime sulla natura.

Fonte: Forbes

Molti di noi sono confusi dall’idea della relatività quando la incontriamo per la prima volta. Gli oggetti non si muovono solo attraverso lo spazio, ma anche attraverso il tempo, ed i loro movimenti attraverso entrambi sono inseparabilmente intrecciati nella trama dello spaziotempo. Inoltre, quando aggiungi la gravità nel mix, scopri che la massa e l’energia influenzano la curvatura dello spaziotempo in base alla loro presenza, abbondanza, densità e distribuzione, e che lo spazio-tempo curvo determina come la materia e l’energia si muovono attraverso di esso.

Se raccogli abbastanza massa in un particolare volume di spaziotempo, otterrai un oggetto noto come buco nero. Ogni buco nero è circondato da un orizzonte degli eventi: questo è il confine tra il punto in cui un oggetto potrebbe ancora sfuggire dalla forza gravitazionale del buco nero e dove ogni cosa cade irrevocabilmente verso la singolarità centrale.

Eppure, nonostante il fatto che nulla sfugge dall’interno dell’orizzonte degli eventi, i buchi neri non sono effettivamente neri.

Ed Ecco la spiegazione di questa affermazione.

Quando una stella abbastanza massiccia termina la sua vita, o due residui stellari abbastanza grandi si fondono, si può formare un buco nero, con un orizzonte di eventi proporzionale alla sua massa e un disco di accrescimento di materia che lo circonda. Quando il buco nero ruota, anche lo spazio fuori e dentro l’orizzonte degli eventi ruota: questo è l’effetto del trascinamento del frame, che può essere enorme per i buchi neri. – ESA / HUBBLE, ESO, M. KORNMESSER

Quando la Relatività Generale fu presentata per la prima volta al mondo nel 1915, rivoluzionò la nostra comprensione dello spazio, del tempo e della gravitazione. In precedenza, quando si considerava la teoria di Newton, lo spazio ed il tempo venivano considerati come entità assolute: era come se poteste mettere una griglia di coordinate sopra l’Universo e descrivere ogni punto con tre coordinate spaziali e una coordinata temporale.

La rivoluzione che portò Einstein fu duplice. Innanzitutto, queste coordinate non erano assolute, ma relative: ogni osservatore ha la propria posizione, quantità di moto e accelerazione e osserva un insieme unico di coordinate spazio-temporali distinte da tutti gli altri osservatori. Secondo, qualsiasi particolare sistema di coordinate non rimane fisso nel tempo, poiché anche gli osservatori a riposo saranno sospinti dal movimento dello spazio stesso. In nessun luogo questo è più evidente che in un buco nero.

I buchi neri sono noti per assorbire la materia e avere un orizzonte di eventi da cui nulla può sfuggire, e per cannibalizzare i suoi vicini. Ma questo non implica che i buchi neri succhino tutto, consumino l’universo o siano completamente neri. Quando qualcosa cade in un buco nero, emetterà radiazioni per tutta l’eternità. Queste radiazioni, con l’attrezzatura giusta, potrebbero anche essere osservabili. – RADIOGRAFIA: NASA / CXC / UNH / D.LIN ET AL, OTTICO: CFHT, ILLUSTRAZIONE: NASA / CXC / M.WEISS

Invece di visualizzare lo spazio come una rete fissa di strade tridimensionali, è forse più accurato visualizzare lo spazio come una passerella mobile. Non importa dove ti trovi nell’Universo, lo spazio sotto i tuoi piedi viene trascinato da tutti gli effetti gravitazionali in gioco. L’Universo in espansione fa in modo che gli oggetti non legati si allontanino l’uno dall’altro.

Al di fuori dell’orizzonte degli eventi di un buco nero, qualsiasi cosa viene attratto verso il buco nero, ma le collisioni e le interazioni elettromagnetiche possono accelerare quel materiale in una varietà di direzioni, anche incanalandolo lontano dal buco nero stesso. Una volta attraversato l’orizzonte degli eventi, tuttavia, nulla può più uscire. Lo spazio accelera verso la singolarità più veloce della luce. Sebbene sembri fantascienza, abbiamo effettivamente teorizzato l’orizzonte degli eventi di un buco nero. Proprio come Schwarzschild predisse nel 1916, L’orizzonte degli eventi è realtà.

Nell’aprile del 2017, tutti gli 8 telescopi associati al telescopio Event Horizon puntarono a Messier 87. Questo è l’aspetto di un buco nero supermassiccio, dove l’esistenza dell’orizzonte degli eventi è chiaramente visibile. Solo attraverso il VLBI si è potuta raggiungere la risoluzione necessaria per costruire un’immagine come questa, ma esiste il potenziale per migliorarla un centinaio di volte. L’ombra è coerente con un buco nero rotante (Kerr). – EVENT HORIZON TELESCOPE COLLABORATION ET AL.

Questa è una proprietà della relatività che non è generalmente apprezzata. Spesso sentirai dire che nulla può muoversi più velocemente della velocità della luce, e questo è vero, ma solo se capisci cosa significa muoversi. Il movimento deve sempre essere relativo a qualcos’altro; non esiste una cosa come il movimento assoluto. Nel caso del movimento relativo alla velocità della luce, si tratta di un movimento relativo alla struttura dello spazio stesso: relativo al movimento che una particella liberata dal riposo sperimenterebbe.

La materia e l’energia non possono muoversi più velocemente della luce, ma lo spazio stesso non ha tali restrizioni. Al di fuori dell’orizzonte degli eventi, il tessuto dello spazio si muove più lentamente della velocità della luce; puoi ancora scappare dalla forza gravitazionale di un buco nero accelerando abbastanza velocemente. All’interno dell’orizzonte degli eventi, però, tutti i percorsi che la materia o la luce possono intraprendere, lo condurranno solo in un punto: la singolarità centrale.

Sia all’interno che all’esterno dell’orizzonte degli eventi, lo spazio scorre come una passerella mobile o una cascata, a seconda di come si desidera visualizzarlo. Nell’orizzonte degli eventi, anche se corressi (o nuotassi) alla velocità della luce, non ci sarebbe il superamento del flusso dello spaziotempo, che ti trascina nella singolarità al centro. Al di fuori dell’orizzonte degli eventi, tuttavia, altre forze (come l’elettromagnetismo) possono spesso superare l’attrazione gravitazionale, permettendo a materia ed energia di sfuggire. – ANDREW HAMILTON / JILA / UNIVERSITÀ DEL COLORADO

Con questo in mente, potresti iniziare a pensare a quanto neri questi oggetti, i buchi neri, siano davvero. Se nulla di ciò che attraversa l’orizzonte degli eventi può più uscire, potresti pensare che è solo la materia che rimane fuori dall’orizzonte degli eventi che è sempre visibile. Che l’universo al di fuori dell’orizzonte degli eventi possa essere ancora visibile, ma l’orizzonte degli eventi stesso è una superficie completamente nera, priva di qualsiasi tipo di luce. Potresti pensare che, poiché nulla può uscire, i buchi neri non emettono nulla.

Se è quello che pensi, non sei il solo: questo è uno dei malintesi più comuni e popolari di tutti i tempi sui buchi neri. Ma se pensi davvero che i buchi neri siano completamente neri, e che non puoi mai vedere nulla che cada dentro, ci sono due cose che devi considerare.

Un’illustrazione di un buco nero attivo, uno che assorbe la materia e accelera una parte di esso verso l’esterno in due getti perpendicolari, è un eccellente descrittore di come funzionano i quasar. La materia che cade in un buco nero, di qualsiasi varietà, sarà responsabile di un’ulteriore crescita sia in termini di massa che di dimensioni del buco nero. Nonostante tutte le idee sbagliate che circolano, tuttavia, non c’è il “risucchio” totale della materia esterna. – MARK A. GARLICK

1) Pensa alla materia che cade in un buco nero. I buchi neri crescono in massa ogni volta che qualcosa dall’esterno dell’orizzonte degli eventi attraversa l’orizzonte degli eventi e vi cade dentro. Anche se i buchi neri non succhiano effettivamente la materia, crescono quando le particelle si incrociano nella regione di non ritorno che li circonda. Se tu fossi la materia che è passata oltre orizzonte degli eventi, una volta che lo hai attraversato, è vero che non potresti tornare.

Ma cosa succederebbe se tu restassi fuori dall’orizzonte degli eventi e guardassi qualcun altro che vi cade dentro? Ricorda che lo spazio stesso è in movimento, che lo spazio e il tempo sono correlati e che i fenomeni descritti dalla relatività sono reali e devono essere considerati. All’orizzonte degli eventi, lo spazio si muove alla velocità della luce. Il che significa che, a qualcuno infinitamente lontano, il tempo all’orizzonte degli eventi non sembra più passare.

Se ti trovassi ad osservare qualcosa cadere in un buco nero, vedresti la luce emessa da quel qualcosa diventare più debole, più rossa, e la sua posizione sarebbe asintotizzata verso l’orizzonte degli eventi. Se si potesse continuare ad osservare i deboli fotoni emessi, sembrerebbero essere distesi nello spazio e distesi nel tempo. Avrebbero sperimentato il redshift gravitazionale, con la luce emessa da loro che che si allunga, passando dal visibile all’infrarosso alle microonde, fino alle frequenze radio.

Niente scomparirà mai del tutto. Ci sarà sempre, infinitamente lontano nel futuro, la luce da osservare della caduta dei fotoni in un buco nero. Anche se i fotoni sono quantizzati, non c’è limite a quanto può essere bassa la loro energia. Con un telescopio sufficientemente grande e sensibile a lunghezze d’onda sufficientemente lunghe, dovresti sempre essere in grado di vedere la luce di qualsiasi cosa stia cadendo in un buco nero. Quando qualcosa cade là dentro, la sua luce non scompare mai completamente.

Un’illustrazione dell’energia del punto zero dello spazio stesso: il vuoto quantistico. È pieno di piccole fluttuazioni di breve durata, sulle quali gli osservatori che accelerano a ritmi diversi (o che esistono in regioni dove la curvatura dello spazio è diversa) non saranno d’accordo su quale sia l’energia più bassa (stato fondamentale) del vuoto quantistico. – NASA / CXC / M.WEISS

2) Pensa alla natura quantistica dello spazio al di fuori dell’orizzonte degli eventi. Se ti trovi in ​​uno spazio puramente vuoto, dove non c’è materia, energia o radiazione ad occuparlo, potresti pensare che tutti gli osservatori inerziali (non accelerati) concorderebbero su quali siano le proprietà di quello spazio. Ma se stai parlando dello spazio al di fuori di un buco nero, non è possibile.

Perché no? Due motivi, in tandem, lo assicurano:

• il vuoto dello spazio perfettamente vuoto non è completamente vuoto, poiché contiene inevitabilmente fluttuazioni quantiche,
• il fatto che il tessuto dello spazio stesso stia accelerando a velocità diverse a seconda della distanza dalla singolarità centrale.

Combina queste due cose e sorge una situazione ineludibile: osservatori diversi non saranno d’accordo su quale sia il vero stato di energia più bassa del vuoto quantistico vicino a un buco nero.

Un’illustrazione dello spaziotempo fortemente curvo, al di fuori dell’orizzonte degli eventi di un buco nero. Man mano che ti avvicini sempre di più alla posizione della massa, lo spazio diventa sempre più curvo, portando infine a una posizione dall’interno della quale nemmeno la luce può sfuggire: l’orizzonte degli eventi. Il raggio di quella posizione è impostato dalla massa del buco nero, dalla velocità della luce e dalle sole leggi della Relatività Generale. Gli osservatori vicini al buco nero confrontandosi con osservatori lontani non sarebbero d’accordo su quale sia l’energia del punto zero del vuoto quantistico. – UTENTE PIXABAY JOHNSONMARTIN

In una regione dello spazio in cui la curvatura è gravemente non piatta, il vuoto quantistico sembra essere in uno stato eccitato.

Perché? Perché la tua visione di ciò che appare piatto è diversa da quella di un osservatore vicino all’orizzonte degli eventi. Per convertire dalla sua percezione di piatto (che è curvo per te) al tuo fotogramma di riferimento, devi calcolare ciò che percepiresti diversamente se fossi nella sua posizione. Mentre lui vedono solo lo spazio vuoto, tu, da molto lontano, vedi copiose quantità di radiazioni che emanano dallo spazio curvo vicino all’orizzonte degli eventi.

L’orizzonte degli eventi di un buco nero è una regione sferica o sferoidale dalla quale nulla, nemmeno la luce, può sfuggire. Ma al di fuori dell’orizzonte degli eventi, si prevede che il buco nero emetta radiazioni. Il lavoro di Hawking del 1974 fu il primo a dimostrarlo e fu probabilmente il suo più grande successo scientifico. – NASA; DANA BERRY, SKYWORKS DIGITAL, INC.

Questo è ciò che è la radiazione di Hawking: la radiazione che osserveresti perché la tua percezione del vuoto quantistico è diversa nello spazio piatto piuttosto che nello spazio curvo. Questo è un modo più corretto di visualizzare la radiazione di Hawking rispetto alla spiegazione di Hawking delle coppie particella-antiparticella create vicino a un buco nero, dove uno cade e l’altro sfugge, per i seguenti motivi:

• La radiazione di Hawking è composta quasi esclusivamente fotoni, non particelle o antiparticelle,
• Le radiazioni di Hawking non provengono tutte dall’orizzonte degli eventi, ma da circa 10-20 raggi di Schwarzschild dell’orizzonte degli eventi,
• se calcoli le energie delle coppie particella-antiparticella che sorgono vicino all’orizzonte degli eventi combinando la meccanica quantistica e la relatività generale, ottieni il giusto valore medio ma lo spettro energetico sbagliato; è necessario evitare la spiegazione di Hawking per ottenere la risposta giusta.

La radiazione di Hawking è ciò che inevitabilmente risulta dalle previsioni della fisica quantistica nello spazio-tempo curvo che circonda l’orizzonte degli eventi di un buco nero. Questa visualizzazione è più accurata di una semplice analogia di coppia particella-antiparticella, poiché mostra i fotoni come la fonte primaria di radiazione piuttosto che le particelle. Tuttavia, l’emissione è dovuta alla curvatura dello spazio, non alle singole particelle, e non tutte riconducono all’orizzonte degli eventi stesso. – E. SIEGEL

Ma questa è una vera forma di radiazione. Ha energie reali e una distribuzione di energia calcolabile per i suoi fotoni, e puoi calcolare sia il flusso che la temperatura di questa radiazione in base alla massa del buco nero. Forse controintuitivamente, i buchi neri più massicci emettono minori quantità di radiazioni a bassa temperatura, mentre i buchi neri di massa inferiore decadono più rapidamente.

Questo può essere compreso una volta che ti rendi conto che la radiazione di Hawking è la più forte dove lo spazio ha la curvatura più severa, e la curvatura spaziale più severa si verifica più vicino a una singolarità. Buchi neri di massa minore significano orizzonti di eventi di volume più piccolo, e questo significa più radiazioni Hawking, decadimenti più veloci e radiazioni di energia più elevata da cercare. Con la giusta lunghezza d’onda, un telescopio di grande diametro, potrebbe essere in grado di osservare questo fenomeno, un giorno.

Poiché i buchi neri perdono massa a causa della radiazione di Hawking, la velocità di evaporazione aumenta. Dopo un tempo sufficiente, viene rilasciato un brillante lampo di “ultima luce” in una corrente di radiazione di corpo nero ad alta energia che non favorisce né la materia né l’antimateria. – NASA

Un oggetto astrofisico che emette radiazioni, sfugge immediatamente alla definizione di nero: è nero qualcosa che è un assorbitore perfetto e emette radiazioni zero. Se stai emettendo qualcosa, non sei nero.

Questo vale anche per i buchi neri. L’oggetto più perfettamente nero di tutto l’universo non è veramente nero. Piuttosto, emette una combinazione di tutte le radiazioni provenienti da tutti gli oggetti che vi sono caduti insieme alla radiazione di Hawking a temperatura ultra-bassa ma sempre presente.

Se hai mai pensato che i buchi neri siano davvero neri, sappi che non lo sono. proprio come l’idea che i buchi neri attraggano tutto al loro interno e a quella che i buchi neri un giorno consumeranno l’universo, sono i tre più grandi miti sui buchi neri.

Fonte: Forbes

La materia oscura è uno dei più grandi misteri di tutta la scienza moderna. Ovunque guardiamo a grandi scale cosmiche, dalle galassie di massa ridotta ai più grandi ammassi di galassie, dallo sfondo cosmico delle microonde alla rete cosmica che traccia la struttura dell’Universo, possiamo vedere le impronte e gli effetti della sua presenza. Per ogni valore di massa di un protone di materia normale, c’è una quantità di materia oscura cinque volte più grande, fuori massa e che rende superfluo il materiale convenzionale che costituisce tutto ciò che abbiamo rilevato direttamente.

Anche se dobbiamo ancora rilevarla direttamente, e anche se non siamo sicuri di quali siano esattamente le sue proprietà, la materia oscura costituisce una promessa per il futuro dell’umanità. Ubiquamente localizzata in tutta la galassia e ben oltre, la materia oscura potrebbe essere il combustibile perfetto per far avverare i nostri sogni di esplorazione interstellare.

Un grafico logaritmico delle distanze, che mostra la sonda spaziale Voyager, il nostro Sistema Solare e la nostra stella più vicina, per un confronto. Per sperare di viaggiare attraverso le grandi distanze interstellari, avremo bisogno di una tecnologia superiore rispetto a quelle che usiamo attualmente. – NASA / JPL-CALTECH

L’umanità si propone di esplorare le profondità dello spazio, ma, per arrivare a farlo, deve affrontare dei limiti che non può evitare: le leggi della fisica. Per accelerare un’astronave – o qualsiasi massa – è necessario impartirle un impulso per cambiare il suo slancio. Maggiore è l’impulso, più è possibile modificare la velocità di un oggetto. Ciò che determina la grandezza di un impulso è la quantità di forza applicata e per quanto tempo avviene l’applicazione.

In un razzo convenzionale, l’impulso è fornito dal propellente che subisce una reazione di combustione, la quale produce l’impulso sotto forma di spinta. Anche se questo è il metodo migliore che l’umanità ha escogitato finora per viaggiare nello spazio, è incredibilmente limitante. Tutti i nostri razzi passati e attuali sono basati su sostanze chimiche e ciò pone enormi vincoli su quanto siamo in grado di fare.

Questo test sui motori del 2015 mostra l’accensione del motore Raptor di SpaceX, che si basa su una reazione estremamente potente ed a basso consumo di carburante. Sfortunatamente, è ancora una reazione a base di sostanze chimiche e converte solo circa un milionesimo della massa del combustibile in energia. Dovremo fare di meglio se vorremo realizzare i nostri sogni di esplorazione interstellare su scale temporali adeguate alla vita umana. – SPACEX / ELON MUSK

La ragione di ciò è semplice: per produrre una spinta – cioè, per impartire un impulso alla navicella spaziale – bisogna convertire l’energia chimica immagazzinata nel carburante in energia cinetica che spinge la navicella spaziale. Per generare quell’energia, tuttavia, bisogna consumare parte del carburante immagazzinato a bordo della navicella.

La chiave per ottenere molta più spinta, e quindi molta accelerazione, è l’efficienza del carburante. Alcuni tipi di carburante sono più efficienti, dal punto di vista energetico, rispetto ad altri, il che significa che possiamo ottenere più energia (e spinta e accelerazione) da, ad esempio, 1 chilogrammo di alcuni tipi di carburante. Un modo semplice per pensarci è attraverso l’equazione più famosa di Einstein:  E = mc². Se disponessimo di un carburante perfetto e ideale, potremmo convertire il 100% della massa di questo carburante in energia.

Il lancio di Cassini, il 15 ottobre 1997. Questa foto spettacolare è stata presa da Hangar AF a Cape Canaveral Air Force Station. Per tutta la nostra storia sulla Terra, l’unico modo in cui abbiamo mai raggiunto lo spazio è l’uso di carburanti a base chimica. – NASA

Al massimo, tuttavia, le reazioni a base chimica che utilizziamo attualmente hanno un’efficienza dello 0,0001% circa. Il motivo è il seguente: le reazioni chimiche dipendono dalle transizioni di elettroni tra atomi e molecole. La maggior parte della massa di un atomo è sotto forma di protoni e neutroni, ognuno dei quali ha una massa che contiene circa 10⁹ eV di energia. Le transizioni di elettroni, tuttavia, sono dell’ordine di pochi (tipicamente 1-10) eV di energia. Anche con tutti i trucchi basati sulle sostanze chimiche che possiamo eseguire, non ci sono reazioni note che ci permettano di migliorare su questo.

Certo, possiamo optare per un combustibile di tipo nucleare, ma questo è solo marginalmente migliore, raggiungendo efficienze di circa lo 0,1%. In effetti, è un enorme miglioramento, ma c’è ancora un problema fondamentale con l’accelerazione per raggiungere velocità che permettano di affrontare le distanze interstellari in tempi ragionevoli.

L’equazione del razzo di Tsiolkovsky è necessaria per descrivere quanto velocemente un veicolo spaziale può viaggiare attraverso l’Universo bruciando una parte del suo combustibile per creare spinta. Dover portare il proprio carburante a bordo è un fattore fortemente limitante per quanto riguarda la velocità con cui siamo in grado di viaggiare attraverso lo spazio intergalattico. – SKORKMAZ DI WIKIPEDIA IN INGLESE

Il problema chiave è il seguente: ogni volta che si brucia carburante, è necessario accelerare l’intera massa del veicolo spaziale, compreso il carburante ancora a bordo.

Già, compreso il carburante ancora a bordo.

In altre parole, se partissimo con un razzo in cui il 99% della massa iniziale è carburante, e il carburante fosse perfettamente efficiente al 100% (come se si trattasse di annientamento materia-antimateria pura), accelerando costantemente finché si dispone di carburante, si avrebbe una velocità finale di 740.000 km/ora, una velocità che ci permetterebbe di raggiungere la stella più vicina in un periodo nell’ordine di migliaia di anni.

Tutti i razzi mai immaginati richiedono carburante, ma si potesse inventare un motore di materia oscura, ci si potrebbe rifornire di combustibile mentre si naviga attraverso la galassia. Poiché la materia oscura non interagisce con la materia normale (principalmente) ma passa attraverso di essa, non sarebbe difficile raccoglierla in un volume specifico di spazio; sarà sempre disponibile mentre si attraversa la galassia. – NASA / MSFC

D’altra parte, c’è un altro approccio al viaggio interstellare che potrebbe – in linea di principio – trasformare i nostri sogni fantascientifici in realtà. Cosa accadrebbe se potessimo raccogliere il carburante mentre viaggiamo invece di stoccarlo in grandi riserve nei serbatoi?

In genere, idee come questa coinvolgono enormi campi magnetici che incanalano le particelle caricate in una sorta di “trappola” nella tua astronave, consentendo di mettere insieme nuclei ed elettroni dove è possibile estrarre energia ed eseguire ulteriori reazioni con loro.

Ma la materia oscura offre un enorme vantaggio rispetto alla materia normale a questo proposito. Perché? Perché non è necessario fare nulla di particolare per raccoglierla. Per quanto ne sappiamo, è letteralmente ovunque, distribuita in un alone enorme che circonda e abbraccia ogni grande galassia che conosciamo, inclusa la Via Lattea. Ovunque ci trovassimo nella galassia, ci sarebbe materia oscura tutto intorno a noi.

Il secondo enorme vantaggio deriva dal progressivo allontanamento dai razzi a base chimica e dall’idea di un carburante perfetto. Per i razzi a base chimica, l’efficienza energetica dello 0,0001% è la migliore che possiamo sperare. Per i missili a base nucleare, il potere di fissione potrebbe portarci fino allo 0,1% di efficienza, e la fusione nucleare potrebbe portarci un po’ oltre: forse fino allo 0,7%.

La configurazione ideale, come accennato prima, sarebbe quella di poter utilizzare l’annientamento materia-antimateria, che è al 100% efficiente dal punto di vista energetico. Il lato negativo dell’annichilimento materia-antimateria deriva però dal costo altissimo: ci vuole un’enorme quantità di lavoro, energia e sforzo per creare una quantità straordinariamente piccola di antimateria. Se prendessi tutti i laboratori di fisica delle particelle mai costruiti sulla Terra e unissimo tutta l’antimateria che l’umanità ha mai creato, dal Fermilab al CERN, ci troveremmo con meno di un microgrammo di antimateria.

Certo, E = mc² potrebbe essere il modo più efficiente per estrarre energia dalla massa nell’intero universo, poiché rappresenta la perfetta efficienza. Ma anche se riuscissimo a contenere e conservare l’antimateria con successo e annientarla solo al momento giusto, avremmo comunque una scorta limitata di un carburante che ha richiesto un’incredibile quantità di energia per metterlo insieme. Anche se potessimo generare una quantità arbitraria di antimateria, saremmo ancora fondamentalmente limitati, come nel caso dei razzi a propulsione chimica, dalla quantità di antimateria disponibile.

Ecco perché la promessa di utilizzare la materia oscura come fonte di energia è così affascinante. Non solo la materia oscura può essere una fonte di combustibile illimitata (in termini di abbondanza) ma potrebbe anche avere quel perfetto 100% di efficienza potenziale di conversione materia-a-energia che desideriamo così fortemente .

Si pensa che la nostra galassia sia incorporata in un enorme e diffuso alone di materia oscura, che la permea. La materia oscura fluisce ovunque, anche nel sistema solare. Anche se dobbiamo ancora imparare come rilevare la materia oscura direttamente, la sua presenza abbondante in tutta la nostra galassia e oltre potrebbe fornire una ricetta per il carburante perfetto per le astronavi del futuro. – ROBERT CALDWELL E MARC KAMIONKOWSKI NATURE 458, 587-589 (2009)

Ci sono una moltitudine di esperimenti in corso che cercano di individuare le collisioni della materia oscura sia con la materia normale che con sé stessa. In generale, ci sono due tipi di particelle nell’universo: i fermioni (con spin semi-interi) e i bosoni (con spin interi). Se la materia oscura fosse una particella bosonica senza carica elettrica, cromatica o debole, ciò significherebbe che si comporta come una sua antiparticella.

Se riuscissimo a raccogliere due particelle di materia oscura e a farle interagire l’una con l’altra, c’è una probabilità finita che si annichiliscano. Quando si verifica un annichilimento, viene prodotta energia con un’efficienza del 100%: tramite l’equazione di Einstein E=mc².

In altre parole, se arriveremo a comprendere correttamente la materia oscura, avremo la possibilità di disporre di una fonte di energia libera e illimitata ovunque ci troveremo.

L’esperimento XENON situato nel sottosuolo del laboratorio italiano LNGS. Il rilevatore è installato all’interno di una grande protezione per l’acqua; l’edificio adiacente ospita i vari sottosistemi ausiliari. Se riusciamo a capire e misurare le proprietà delle particelle della materia oscura, potremmo essere in grado di creare condizioni che la portino ad annichilirsi con sé stessa, portando al rilascio di energia. – COLLABORAZIONE XENON1T

Questo perché, come abbiamo detto, la materia oscura è ovunque. Non avremmo nemmeno bisogno di portarla con noi mentre esploriamo l’Universo. Per quanto ne sappiamo – e ammettiamolo, siamo lontani dal capirlo – la materia oscura potrebbe davvero essere il combustibile definitivo. È abbondante in tutta la nostra galassia e oltre; dovrebbe avere una sezione di annichilazione diversa da zero con sé stessa; e quando si annulla, dovrebbe produrre energia con efficienza al 100%.

Forse, quindi, molti di noi hanno pensato agli esperimenti che cercano di individuare direttamente la materia oscura in modo sbagliato.

Sì, vogliamo sapere che cosa costituisce l’universo e quali sono le proprietà fisiche delle sue varie componenti abbondanti. Ma c’è un sogno fantascientifico che potrebbe diventare realtà se la natura è gentile con noi: energia illimitata e libera che aspetta solo che noi la utilizziamo, non importa dove andiamo nella galassia.

Padroneggiare la materia oscura è lo sforzo che potrebbe rendere reale questo sogno

Fonte: Forbes

Dalla notte scorsa, il pianeta con gli anelli è in opposizione alla Terra, cioè nel suo punto più vicino a noi e, nuvole permettendo, sarà possibile osservarlo anche con u semplice binocolo con buone possibilità di vederne gli anelli.

Ovviamente, Saturno si vedrà meglio attraverso l’oculare di un telescopio, ma quelli di noi che sono meno equipaggiati possono comunque godersi lo spettacolo.

Che Saturno è “in opposizione“, significa che si trova nel punto della sua orbita che si avvicina di più alla Terra. L’opposizione avviene quando la Terra è esattamente in linea tra il sole e un altro pianeta.
La distanza di Saturno dalla Terra ora è di circa 1.500.000 milioni di chilometri.

L’ora migliore per guardarlo è intorno alla mezzanotte, quando sarà maggiormente luminoso in cielo. Con un telescopio, ma anche con un buon binocolo, sarà possibile distinguere i famosi anelli di Saturno, composti di roccia, polvere e particelle di ghiaccio.

Guardando con attenzione sarà possibile anche distinguere Titano, la luna più grande di Saturno.

Purtroppo, il tempo non sarà favorevolissimo e, stanotte, il cielo dovrebbe essere sgombro da nubi soprattutto sulla costa tirrenica, sulla Sicilia e sulla Sardegna. In ogni caso, il “Signore degli Anelli” si potrà ancora vedere molto bene per tutto il mese di luglio.

Per individuare Saturno in cielo, basta guardare verso sud-est al tramonto e seguirlo attraverso il cielo verso sud-ovest, dove tramonterà poco prima dell’alba.