Gli scienziati dell’Istituto Max Planck per la ricerca sul sistema solare (MPS), la Georg August University di Göttingen e l’Osservatorio Sonneberg hanno scoperto 18 pianeti di dimensioni terrestri oltre il sistema solare. I mondi sono così piccoli che le precedenti analisi li avevano trascurati; uno di questi è uno dei più piccoli finora scoperti; un altro potrebbe riuscire ad offrire condizioni favorevoli per la vita. I ricercatori hanno rianalizzato una parte dei dati del Kepler Space Telescope della NASA, con un nuovo metodo più sensibile da essi sviluppato. Il team stima che questo nuovo metodo abbia il potenziale di trovare più di 100 pianeti extrasolari aggiuntivi all’interno dei dati della “missione Kepler“. Gli scienziati hanno descritto i risultati raggiunti sulla rivista Astronomy & Astrophysics.

I 18 mondi appena scoperti rientrano nella categoria dei pianeti di dimensioni terrestri. Il più piccolo di loro sarebbe grande circa il 69% della Terra; il più grande è poco più del doppio del raggio terrestre; hanno anche un’altra cosa in comune, tutti i 18 pianeti finora non erano stati rilevati nei dati dal Telescopio Spaziale Kepler. Gli algoritmi di ricerca comuni non erano abbastanza sensibili.

Nella loro ricerca di mondi lontani, gli scienziati usano spesso il cosiddetto “metodo di transito“, per individuare stelle con variazioni periodiche di luminosità. Se ad una stella capita di aver un pianeta il cui piano orbitale è allineato con la visuale dalla Terra, il pianeta occulta una piccola frazione della luce stellare mentre passa davanti alla stella ogni volte che effettua un orbita totale.

“Gli algoritmi di ricerca standard tentano di identificare bruschi cali di luminosità”, spiega il Dr. Rene Heller di MPS, primo autore della pubblicazione. “In realtà, tuttavia, un disco stellare appare leggermente più scuro sul bordo rispetto che al centro; quando un pianeta si muove davanti a una stella, nella fase iniziale blocca meno luce stellare rispetto a quando è a metà del tempo del transito. La stella si trova nel centro del transito poco prima che essa diventi gradualmente più luminosa”, spiega.

I grandi pianeti tendono a produrre variazioni di luminosità profonde e chiare delle loro stelle ospiti, in modo che la variazione di luminosità dal centro a arco sottile sulla stella non giochi un ruolo importante nella loro scoperta. I piccoli pianeti, tuttavia, presentano agli scienziati sfide enormi. Il loro effetto sulla luminosità stellare è così piccolo che è estremamente difficile distinguere dalle fluttuazioni naturali della luminosità della stella e dal rumore che necessariamente viene fornito con qualsiasi tipo di osservazione. Il team di René Heller è ora in grado di dimostrare che la sensibilità del metodo di transito può essere notevolmente migliorata, se nell’algoritmo di ricerca si assume una curva di luce più realistica.

“Il nostro nuovo algoritmo aiuta a disegnare un’immagine più realistica della presenza di esopianeti nello spazio”, riassume Michael Hippke dell’Osservatorio di Sonneberg. “Questo metodo costituisce un significativo passo in avanti, specialmente nella ricerca di pianeti simili alla Terra.”

I ricercatori hanno utilizzato i dati del telescopio spaziale Kepler della NASA come banco di prova per il loro nuovo algoritmo. Nella prima fase della missione dal 2009 al 2013, Kepler ha registrato le curve di luce di oltre 100.000 stelle, con la conseguente scoperta di oltre 2300 pianeti. Dopo un difetto tecnico, il telescopio è stato utilizzato in una modalità di osservazione alternativa, chiamata missione K2, ma ha comunque monitorato più di 100.000 stelle fino alla fine della missione avvenuta nel 2018. Come primo campione di prova per il loro nuovo algoritmo, i ricercatori hanno deciso di rianalizzare tutte le 517 stelle del K2 per le quali è già nota la presenza di almeno un pianeta.

Oltre ai pianeti precedentemente noti, i ricercatori hanno scoperto 18 nuovi oggetti che erano stati precedentemente trascurati. “Nella maggior parte dei sistemi planetari che abbiamo studiato, i nuovi pianeti sono i più piccoli”, il coautore Kai Rodenbeck dell’Università di Göttingen e MPS descrive i risultati. Inoltre, la maggior parte dei nuovi pianeti orbita attorno alla loro stella e sono più vicini rispetto ai loro precedenti compagni planetari. Le superfici di questi nuovi pianeti quindi hanno probabilmente temperature ben oltre i 100 gradi Celsius; alcuni hanno persino temperature fino a 1000 gradi Celsius. Solo uno dei corpi fa eccezione, si trova nella cosiddetta zona abitabile di una nana rossa.

Naturalmente, i ricercatori non possono escludere che anche al loro metodo possa sfuggire qualche oggetto planetario nei sistemi che hanno studiato. In particolare, i piccoli pianeti a grandi distanze dalle loro stelle ospiti sono noti per essere “problematici”. Essi infatti richiedono più tempo per completare un’orbita completa, rispetto ai pianeti che orbitano intorno alle loro stelle. Di conseguenza, i transiti dei pianeti nelle orbite più ampie si verificano meno spesso, il che ne rende ancora più difficile il rilevamento dei loro segnali.

Il nuovo metodo sviluppato da Heller e dai suoi colleghi apre interessanti possibilità. Oltre alle 517 stelle attualmente in fase di studio, la missione Kepler offre anche serie di dati per centinaia di migliaia di altre stelle. I ricercatori presumono che il loro metodo consentirà loro di trovare più di 100 altri mondi di dimensioni terrestri nei dati della missione primaria di Keplero. “Questo nuovo metodo è anche particolarmente utile per preparare la prossima missione PLATO, che verrà lanciata nel 2026 dall’Agenzia spaziale europea”, afferma il Prof. Dr. Laurent Gizon, Managing Director presso il MPS. PLATO scoprirà e caratterizzerà molti più sistemi multi-pianeta attorno a stelle simili al Sole, alcuni dei quali saranno in grado di ospitare la vita.

Il nuovo metodo di calcolo viene descritto in un articolo pubblicato sulla rivista Nature e sarebbe stato sviluppato da un gruppo di ricercatori guidati dal professore associato di chimica e biologia chimica Kalaichelvi Saravanamuttu. Il metodo utilizza un materiale polimerico morbido che si trasforma da liquido a gel in reazione alla luce. Gli scienziati si riferiscono a questo polimero come ad un “materiale stimolante di prossima generazione che può calcolare” da solo.

Per farlo funzionare, i ricercatori fanno attraversare da una stringa binaria di luce bianca attraverso il cubo contenente l’operazione che vogliono risolvere. Le proprietà interne dei materiali trasformano quindi l’ingresso del fascio in uno, due o tre gruppi di filamenti a luce bianca che si auto-organizzano in geometrie tridimensionali periodiche che sono il risultato dell’operazione, che vengono lette da un sensore della fotocamera.

In che modo questi materiali si auto-organizzano? Immagino che la risposta debba essere magica o, come spiegano nel loro articolo, la natura intrinseca di questi nuovi polimeri. Secondo gli scienziati, questi film sottili di polimero tenero, colloidi, fluidi, gel e solidi aprono un percorso a incredibili applicazioni che vanno dal rilevamento autonomo, a bassa potenza di rilevamento autonomo – compresi tattili e visivi – ai sistemi di intelligenza artificiale.

“Quando stimolati da segnali elettromagnetici, elettrici, chimici o meccanici, queste architetture di polimeri plastici si spostano tra stati mostrando evidenti cambiamenti nelle proprietà fisiche o chimiche che possono essere sfruttate per il biosensing, il rilascio controllato del farmaco, gli intervalli di banda fotonica sintonizzanti, la bagnabilità e il gonfiore superficiale,” hanno scritto i ricercatori.

Allora, qual è il punto di tutto questo?

“L’obiettivo ultimo di questo campo è la biomimetica della reattività intelligente come la tattilità, la visione, il camuffamento, la contrattilità e il volo in cui i complessi sensori naturali come pelle, occhi e muscoli si adattano senza soluzione di continuità agli stimoli ambientali attraverso sequenze di risposta squisitamente programmate“.

Gli scienziati sottolineano che non stanno cercando di competere con le attuali soluzioni di calcolo basate sul silicio, ma stanno cercando di aumentare la complessità delle operazioni che possono eseguire. Parlando con Eurekalert, la coautrice dell’articolo Fariha Mahmood ha detto che stanno “cercando di costruire materiali in grado di dare risposte più intelligenti e sofisticate“.

Secondo Saravanamuttu, “siamo molto entusiasti di poter svolgere addizioni e sottrazioni in questo modo, e stiamo pensando a modi per svolgere altre funzioni computazionali.“

La topologia è una branca della matematica che riguarda lo studio delle proprietà delle figure e delle forme che non cambiano quando viene effettuata una deformazione senza “strappi“, “sovrapposizioni” o “incollature“. Questo può essere studiato considerando una collezione di sottoinsiemi, chiamati insiemi aperti, che soddisfano certe proprietà, commutando il set d’informazioni date in quello che è noto come spazio topologico.  Concetti fondamentali come convergenza, limite, continuità, connessione o compattezza trovano nella topologia la loro migliore formalizzazione.

A metà del XX secolo, George Gamow osservò che la teoria dei numeri e la topologia non avevano applicazione in fisica [1], oggi invece, la topologia non solo è ‘invischiata’ un po’ ovunque in fisica, ma sta anche fornendo nuovi ed interessanti spunti aprendo la porta a nuove fasi topologiche della materia.

Col termine topologia si indica anche la collezione di ‘aperti’ che definisce uno  spazio topologico. Per esempio un cubo e una sfera sono oggetti topologicamente equivalenti (cioè omeomorfi), perché possono essere deformati l’uno nell’altro senza ricorrere ad alcuna incollatura, strappo o sovrapposizione; una sfera e un toroide invece non lo sono, perché il toro contiene un “buco” che non può essere eliminato da una deformazione.

Nonostante l’osservazione di Gamow del 1960, la topologia era già stata applicata: alla teoria quantistica e alla relatività.  Furono considerazioni topologiche che permisero a Paul Dirac di dimostrare che i monopoli magnetici erano la soluzione alle equazioni di Maxwell. Ed è stato il metodo topologico che Sir Roger Penrose ha usato per dimostrare che le singolarità sono una caratteristica generica del collasso gravitazionale [2].

Tuttavia, dal 1970 la topologia è venuta veramente alla ribalta nel campo della fisica, anche grazie alla sua introduzione nelle teorie di gauge. I successi della topologia nelle teorie quantistiche dei campi descrivono molte aree dalla fisica, dalla materia condensata alla fisica delle particelle. Nel 1980, gli argomenti topologici hanno fornito un collegamento tra l’effetto Aharonov-Bohm (fenomeno in meccanica quantistica in cui una particella carica è influenzata da campi magnetici in regioni in cui tali campi sono nulli) e fasi geometriche, ed è stato subito capito che c’era anche un collegamento con l’interpretazione topologica della (al momento) recente scoperta dell’effetto Hall quantistico.

In cosmologia, la topologia può essere usata per descrivere la forma complessiva dell’universo [3]. La classificazione topologica dei collettori di Calabi-Yau ha importanti implicazioni nella teoria delle stringhe, come diversi collettori in grado di sostenere diversi tipi di stringhe [4]. Ma, mentre la topologia è stata utilizzata dai fisici per diversi decenni, è nuovamente tornata alla ribalta grazie alla scoperta di una classe di materiali conosciuti come isolanti topologici [5].

La scoperta degli isolanti topologici ha segnato l’inizio di una ricerca più ampia per le fasi topologiche della materia, e questo continua ad essere terreno fertile [6] perché, a differenza  dei numeri quantici basati sulla simmetria, i numeri quantici topologici sono abbastanza insensibili alle imperfezioni. Questa protezione topologica offre affascinanti possibilità per le applicazioni.

Questi principi non sono limitati alla materia condensata [7]; queste idee possono essere applicate a sistemi fotonici, che sono tradizionalmente molto sensibili al disturbo. Essere in grado di creare dispositivi fotonici che sfruttano gli stati topologici renderebbe non solo più facile  fare e migliorare i dispositivi, ma potrebbe anche consentire nuovi disegni.

Principi simili possono essere applicati anche a sistemi meccanici classici. A prima vista, questo può sembrare un po’ strano, ma i modi meccanici (fononi), come i fotoni, sono le modalità bosoniche e topologiche che possono allo stesso modo sorgere [8]; sfruttare queste idee per guidare e controllare le onde sonore potrebbero trovare applicazioni reali in un futuro non troppo lontano. 

Nei sistemi elettronici, la topologia ha permesso di realizzare lo sfuggente fermione di Weyl [9]. Se venissero sviluppati superconduttori topologici [10], essi dovrebbero ospitare fermioni di Majorana – l’ultimo del trio di fermioni fondamentali – fornendo una solida piattaforma per calcoli quantistici.

Molti di questi sistemi topologici sono stati creati facendo uso di alcune simmetrie del cristallo. Ma gli stati topologici possono anche essere trovati nei quasicristalli, la cui simmetria non è molto diversa da cristalli convenzionali. Essi hanno origine topologica in una più alta dimensione superspaziale e hanno caratteristiche non periodiche piuttosto inusuali [11].

Mentre i nuovi materiali topologici vengono scoperti e sviluppati ad una velocità impressionante, le prospettive per creare e sondare  fasi topologiche esotiche sarebbero notevolmente rafforzate se potessero essere realizzati in sistemi che sono stati facilmente sintonizzati. La flessibilità offerta da atomi ultrafreddi potrebbe fornire un tale piattaforma [12]; si spera che ciò porterà a forti correlazioni esotiche di fasi topologiche della materia a portata di mano sperimentale.

Il ruolo della topologia in fisica e lo sviluppo per la realizzazione, sfruttando nuove fasi topologiche della materia, sono ancora nelle loro fasi iniziali. Ma una cosa è chiara: solo mezzo secolo dopo che George Gamow affermava che la topologia non aveva avuto applicazione alla fisica, è difficile pensare alla fisica senza la topologia!

[1] Gamow, G. Biography of Physics (Dover, 1961)

[2] Topology and physics-a historical essay – [Nash, 1997]

[3] The Shape of Space: How to Visualize Surfaces and Three-dimensional Manifolds 2nd (Marcel Dekker, 1985)

[4] The Shape of Inner Space (Yau & Nadi, 2010)

[5] Perspective Article The birth of topological insulators – [Moore, 2010]

[6] Space, matter and topology – Nature Physics 12, 616–618 (2016) doi:10.1038/nphys3800

[7] Topological states in photonic systems – Nature Physics 12, 626–629 (2016) doi:10.1038/nphys3796

[8] Topological mechanics – Nature Physics 12, 621–623 (2016) doi:10.1038/nphys3801

[9]It’s been a Weyl coming – Nature Physics 11, 698–699 (2015) doi:10.1038/nphys3454

[10] A road to reality with topological superconductors – Nature Physics 12, 618–621 (2016) doi:10.1038/nphys3778

[11] Quasiperiodicity and topology transcend dimensions – Nature Physics 12, 624–626 (2016) doi:10.1038/nphys3784

[12]Topological quantum matter with ultracold gases in optical lattices – Nature Physics 12, 639–645 (2016) doi:10.1038/nphys3803

Stefania de Luca è owner del gruppo facebook Astrofisica, cosmologia e fisica particellare