Un tempo era una delle stelle più luminose del cielo, facilmente visibile ai marinai che navigavano nel cielo australe a metà degli anni Quaranta dell’Ottocento. Ma la stella Eta Carinae è svanita rapidamente nell’oscurità dopo il suo breve sfogo.

Ora, più di un secolo e mezzo dopo, gli osservatori spaziali della NASA (sondando dalla luce infrarossa attraverso i raggi X), hanno consentito ad astronomi e artisti di assemblare un modello tridimensionale della Nebulosa Homunculus e delle nubi di polvere e gas che avvolgono la stella petulante. Più che una semplice visualizzazione accattivante, la storia della Grande Eruzione del 1843 e la storia della nebulosa espulsa è progettata per arricchire l’apprendimento astronomico, un obiettivo chiave dell’Universo dell’apprendimento della NASA.

La visualizzazione esplora la grande eruzione di una stella massiccia

Una nuova visualizzazione astronomica dell’Universo dell’apprendimento della NASA mostra le emissioni multilunghezza d’onda (dalla luce infrarossa ai raggi X), e le strutture tridimensionali che circondano Eta Carinae, una delle stelle più massicce ed eruttive della nostra galassia. Il video, “Eta Carinae: The Great Eruption of a Massive Star”.

Eta Carinae, o Eta Car, è famosa per uno sfogo brillante e insolito, chiamato “Grande Eruzione“, osservato negli anni ’40 dell’Ottocento. Questo l’ha resa brevemente una delle stelle più luminose del cielo notturno, rilasciando quasi la stessa quantità di luce visibile in un’esplosione di supernova.

La stella è sopravvissuta allo sfogo e lentamente è svanita per i successivi cinque decenni. La causa principale di questo cambiamento di luminosità è una piccola nebulosa di gas e polvere, chiamata Homunculus Nebula, che è stata espulsa durante l’esplosione e ha bloccato la luce della stella.

Le osservazioni effettuate con il telescopio spaziale Hubble della NASA e l’Osservatorio a raggi X Chandra, rivelano i dettagli nella luce visibile, ultravioletta e a raggi X. Astronomi e artisti dello Space Telescope Science Institute (STScI) di Baltimora, nel Maryland, hanno sviluppato modelli tridimensionali per rappresentare la forma a clessidra dell’Homunculus e le nubi di gas incandescente che lo circondano. Il risultato è uno straordinario tour delle emissioni nidificate che riporta le immagini 2D alla vita 3D.

Il modello Violent Star Eta Carinae si basa su osservazioni a lunghezza d’onda multipla

“Il team ha svolto un lavoro così straordinario, rappresentando gli strati volumetrici, che gli spettatori possono comprendere immediatamente e intuitivamente la complessa struttura attorno a Eta Car”, ha affermato Frank Summers, principale scienziato della visualizzazione presso STScI e responsabile del progetto. “Non possiamo solo raccontare la storia della Grande Eruzione, ma anche mostrare la nebulosa risultante in 3D”.

Inoltre, Eta Carinae è estremamente luminosa alle lunghezze d’onda dell’infrarosso e la sua radiazione colpisce la molto più grande Nebulosa Carina dove risiede. Lavorando con le osservazioni dello Spitzer Space Telescope della NASA, il team è stato in grado di collocare Eta Carinae nel contesto dell’abbagliante vista a infrarossi della regione di formazione stellare.

“L’immagine a infrarossi di Spitzer ci consente di scrutare attraverso la polvere che oscura la nostra vista nella luce visibile per rivelare i dettagli intricati e l’estensione della nebulosa Carina attorno a questa stella brillante”, ha commentato Robert Hurt, scienziato capo della visualizzazione presso Caltech/IPAC e membro del team.

Estendendo gli obiettivi dell’Universo dell’apprendimento della NASA, le risorse di visualizzazione promuovono l’apprendimento oltre la sequenza video. “Possiamo prendere questi modelli come quello per Eta Carinae e usarli nella stampa 3D e nei programmi di realtà aumentata”, ha osservato Kim Arcand, scienziato capo della visualizzazione presso il Chandra X-ray Center di Cambridge, nel Massachusetts. “Ciò significa che più persone possono mettere le mani sui dati, letteralmente e virtualmente, e questo migliora l’apprendimento e il coinvolgimento”.

Eta Carinae è una delle stelle più massicce conosciute. Queste stelle eccezionali sono soggette a esplosioni durante la loro vita. Termineranno la loro vita collassando in un buco nero, probabilmente accompagnati dall’esplosione di una supernova. Eta Carinae è uno degli esempi più vicini e meglio studiati per conoscere la vita energetica e la morte di stelle molto massicce.

Il video di visualizzazione e le ampie risorse correlate, che includeranno un’imminente live chat online di Universe of Learning con Summers sulla visualizzazione, sono disponibili all’indirizzo https://universeunplugged.ipac.caltech.edu/video/astroviz-eta-car.

Un team internazionale di ricercatori con la partecipazione chiave del PRISMA + Cluster of Excellence presso la Johannes Gutenberg University Mainz (JGU) e l’Helmholtz Institute Mainz (HIM), ha pubblicato per la prima volta dati completi sulla ricerca della materia oscura utilizzando una rete mondiale di magnetometri ottici.

Secondo gli scienziati, i campi di materia oscura dovrebbero produrre un modello di segnale caratteristico che può essere rilevato da misurazioni correlate in più stazioni della rete GNOME. L’analisi dei dati di un’operazione GNOME, non ha ancora fornito un’indicazione corrispondente. Tuttavia, la misurazione consente di formulare vincoli sulle caratteristiche della materia oscura, come riportano i ricercatori sulla prestigiosa rivista Nature Physics.

GNOME sta per Rete globale di magnetometri ottici per ricerche di fisica esotica. Dietro ci sono magnetometri distribuiti in tutto il mondo in Germania, Serbia, Polonia, Israele, Corea del Sud, Cina, Australia e Stati Uniti. Con GNOME, i ricercatori vogliono in particolare far avanzare la ricerca della materia oscura, una delle sfide più entusiasmanti della fisica fondamentale nel 21° secolo. Dopotutto, è noto da tempo che molte osservazioni astronomiche sconcertanti, come la velocità di rotazione delle stelle nelle galassie o lo spettro della radiazione cosmica di fondo, possono essere meglio spiegate dalla materia oscura.

“Oggi le particelle bosoniche estremamente leggere sono considerate uno dei candidati più promettenti per la materia oscura. Questi includono le cosiddette particelle simili ad assioni – ALP in breve”, ha affermato il professor Dmitry Budker, professore al PRISMA + e all’HIM, una collaborazione istituzionale dell’Università Johannes Gutenberg di Mainz e del GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung a Darmstadt.

“Possono anche essere considerati come un classico campo oscillante con una certa frequenza. Una particolarità di tali campi bosonici è che – secondo un possibile scenario teorico – possono formare pattern e strutture. Di conseguenza, la densità della materia oscura potrebbe essere concentrata in molte regioni diverse: ad esempio, potrebbero formarsi pareti di domini discreti più piccole di una galassia ma molto più grandi della Terra”.

“Se un tale muro incontra la Terra, viene gradualmente rilevato dalla rete GNOME e può causare schemi di segnali caratteristici transitori nei magnetometri”, ha spiegato il dottor Arne Wickenbrock, uno dei coautori dello studio. “Ancora di più, i segnali sono correlati tra loro in determinati modi, a seconda della velocità con cui si muove il muro e quando raggiunge ogni posizione”.

La rete nel frattempo è composta da 14 magnetometri distribuiti in otto paesi in tutto il mondo, nove dei quali hanno fornito dati per l’analisi in corso. Il principio di misurazione si basa su un’interazione della materia oscura con gli spin nucleari degli atomi nel magnetometro. Gli atomi vengono eccitati con un laser a una frequenza specifica, orientando gli spin nucleari in una direzione. Un potenziale campo di materia oscura può disturbare questa direzione, che è misurabile.

In senso figurato, si può immaginare che gli atomi nel magnetometro inizialmente danzano confusi, come chiarito da Hector Masia-Roig, dottorando del gruppo Budker e anche autore del presente studio. “Quando sentono la giusta frequenza della luce laser, ruotano tutti insieme. Le particelle di materia oscura possono sbilanciare gli atomi danzanti. Possiamo quindi misurare questa perturbazione in modo molto preciso”.

Ora la rete dei magnetometri diventa importante: quando la Terra si muove attraverso un muro di materia oscura spazialmente limitato, gli atomi danzanti in tutte le stazioni vengono gradualmente disturbati. Una di queste stazioni si trova in un laboratorio dell’Istituto Helmholtz di Magonza. “Solo quando abbiniamo i segnali di tutte le stazioni possiamo valutare cosa ha innescato il disturbo”, ha affermato Masia-Roig. 

Nel presente studio, il team di ricerca analizza i dati di un mese di funzionamento continuo di GNOME. Il risultato: i segnali statisticamente significativi non sono apparsi nell’intervallo di massa studiato da un femtoelettronvolt (feV) a 100.000 feV. Al contrario, ciò significa che i ricercatori possono restringere la gamma in cui tali segnali potrebbero teoricamente essere trovati anche più lontano di prima. Per gli scenari che si basano su pareti di materia oscura discrete, questo è un risultato importante, “anche se non siamo ancora stati in grado di rilevare un tale muro di domini con la nostra ricerca ad anello globale”, ha aggiunto Joseph Smiga, un altro dottorando a Magonza e autore di lo studio.

Il lavoro futuro della collaborazione GNOME si concentrerà sul miglioramento sia dei magnetometri stessi che dell’analisi dei dati. In particolare, il funzionamento continuo dovrebbe essere ancora più stabile. Questo è importante per cercare in modo affidabile segnali che durano più di un’ora. Inoltre, i precedenti atomi alcalini nei magnetometri devono essere sostituiti da gas nobili. Con il titolo Advanced GNOME, i ricercatori si aspettano che ciò si traduca in una sensibilità notevolmente migliore per misurazioni future nella ricerca di ALP e materia oscura.

Gli scenari catastrofici di fine del nostro universo proposti dai fisici dell’Università Federale del Kazan includono il Big Rip, un effetto per il quale la materia e lo spaziotempo verranno progressivamente fatti a pezzi a causa dell’espansione dell’universo.

In un loro lavoro precedente, gli stessi scienziati si sono dedicati alla dimostrazione di come i modelli Big Rip siano collegati con l’accelerazione dell’espansione dell’Universo. L’energia oscura, teorizzata come la forza dell’espansione, è ancora un grande mistero per la scienza.

Il Big Rip, o Grande Strappo, è un’ipotesi cosmologica sul destino ultimo dell’universo. L’ipotesi si inquadra nello stato sviluppato in seguito a osservazioni astronomiche di eventi di supernovae di tipo Ia in galassie lontane che nel 1998 hanno appunto rivelato come l’espansione dell’Universo stia accelerando, un risultato inizialmente sorprendente per molti cosmologi.

La chiave della teoria è nell’ammontare di energia oscura nell’Universo. Se l’energia oscura fosse superiore a un certo valore, tutta la materia verrebbe, alla fine, fatta letteralmente a pezzi.

Il valore da considerare è w ossia il rapporto tra la pressione dell’energia oscura e la sua densità. Se w < −1 l’Universo verrà alla fine frantumato. Il conto alla rovescia sarebbe catastrofico: prima le galassie verrebbero separate le une dalle altre, poi la gravità sarebbe troppo debole per tenerle assieme e le stelle si separerebbero. Circa tre mesi prima della fine, i pianeti si separerebbero dalle stelle. Negli ultimi minuti, le stelle e i pianeti sarebbero disintegrati, e gli atomi verrebbero distrutti una frazione di secondo prima della fine. In seguito, l’Universo sarebbe ridotto a una serie di particelle elementari isolate le une dalle altre, in cui ogni attività sarebbe impossibile. Poiché ogni particella sarebbe impossibilitata a vedere le altre, in un certo senso l’Universo osservabile si ridurrebbe effettivamente a zero.

Gli autori di questa ipotesi, un gruppo diretto da Robert Caldwell del Dartmouth College, hanno calcolato che il tempo intercorrente da oggi alla fine dell’universo è dato da:

{\displaystyle t_{rip}-t_{0}\approx {\frac {2}{3|1+\omega |H_{0}{\sqrt {1-\Omega _{m}}}}}}

dove {\displaystyle \omega } è il valore della forza repulsiva dell’energia oscura, H₀ è la costante di Hubble e Ω_m il valore attuale della densità complessiva di materia dell’universo.

Ponendo, ad esempio, ω = −1,5, H₀ = 70 km/s/Mpc ed Ω_m = 0,3 ne deriva che il momento finale sarebbe circa 3,5 × 10¹⁰  anni dopo il Big Bang, il che equivale a circa 2,1 × 10¹⁰ (21 miliardi) di anni da adesso. Nonostante sembri un tempo lungo è comunque molto meno di quanto qualunque altra teoria cosmologica ipotizzi, va però precisato che non è possibile stabilire con precisione il valore di ω, e che potrebbe essere molto vicino a -1, posticipando sensibilmente l’evento.

Alcuni studi hanno mostrato che tali modelli sono compatibili con le osservazioni e, anzi, in alcuni casi addirittura in maggior accordo con i dati rispetto ad altri che prevedono un arresto dell’accelerazione cosmica; tale affermazione è discussa. Secondo alcuni la viscosità dell’universo gioca un ruolo in questo.

Alla fine la materia e l’energia si dissolveranno anch’esse, i buchi neri assorbiranno il restante, evaporando poi tramite la radiazione di Hawking (resta da risolvere il paradosso dell’informazione del buco nero); lo stato finale sarà un gas di fotoni, leptoni e forse protoni, senza gravità.

Discussa è la possibilità di esistenza dopo il Big Rip e o il Big Freeze. Vi sono diverse ipotesi:

• Sparirà ogni residuo di materia.
• Esisteranno comunque universi paralleli (cfr. multiverso, nelle principali formulazioni, il mondo-brana e la teoria delle bolle/inflazione eterna).
• Alcuni scienziati, che accettano il modello, sostengono che il tempo si fermerà e si annulleranno le dimensioni e le distanze.
• Si genererà un nuovo Big Bang nel nostro universo, a causa della bassissima entropia dopo la quasi distruzione della materia e dell’energia.

L’ultima ipotesi è quella più suggestiva e comprende due possibilità, rientranti nelle varie teorie dell’universo oscillante o modello ciclico. La prima ipotesi è quella dei proponenti della teoria del Big Rip.

Roger Penrose, nel libro Dal Big Bang all’eternità, afferma che l’infinitamente piccolo allora equivarrà all’infinitamente grande, e l’universo apparentemente freddo e morto del Big Rip o del Big Freeze potrebbe così dare origine, per effetto dell’annullamento delle leggi fisiche precedenti, ad un nuovo Big Bang (la bassa entropia sarebbe la stessa della nascita del primo universo), anche se diverso da quello della teoria del Big Bounce. L’attuale universo sarebbe uno degli infiniti “eoni” (ognuno della durata di 10¹⁰⁰) che costituiscono l’eterno universo. Penrose afferma che la prova sarebbe contenuta nella radiazione di fondo.

Modello di Baum-Frampton

Lauris Baum e Paul H. Frampton hanno proposto un ulteriore modello di universo ciclico, strettamente collegato al Big Rip, che tuttavia non sarebbe mai completo; il modello di Baum-Frampton suggerisce che un piccolissimo istante prima della conclusione del Big Rip – implicante la totale distruzione del tessuto cosmico dello spaziotempo – dell’ordine di 10^(-27) secondi, lo spazio si dividerebbe in un gran numero di volumi indipendenti. Questi volumi di spazio sono correlati a “universi osservabili”, che vengono contratti ad una dimensione estremamente piccola, dell’ordine della lunghezza di Planck. Ognuno di tali volumi di spazio non conterrebbe materia o energia per la presenza del Big Rip, quindi – come nel modello di Penrose – l’entropia in ogni singolo volume si ridurrebbe praticamente a zero, rimanendo sostanzialmente inalterata durante questa contrazione. Successivamente il modello seguirebbe lo scenario del “Big Bang”, con entropia nuovamente crescente a causa dell’inflazione cosmica nella creazione dell’universo. Questo accadrebbe in ogni “volume” di spazio derivato dall’universo originale, traducendosi in un numero straordinariamente grande, ma finito, di nuovi universi.

Critiche

La critica fondamentale riguarda la violazione – postulando la distruzione della materia e dell’energia – della legge della conservazione della massa o legge di Lavoisier. I teorici del Big Rip affermano che però rimarrebbero fotoni e leptoni che, anche se privi di massa, sono comunque energia (derivata dalla massa).

“La possibile singolarità futura è stata studiata all’interno della teoria della gravità modificata con l’uso di variabili di sistema dinamiche“, afferma Sergei Odintsov, un astrofisico russo con sede in Spagna attivo nei campi della cosmologia, della teoria dei campi quantistici e della gravità quantistica. “Abbiamo dimostrato che una singolarità del sistema dinamico non è sempre una singolarità fisica. Potrebbe non verificarsi mai una singolarità e l’Universo potrebbe, perciò, evolversi all’infinito. Tuttavia, per descrivere efficacemente un simile scenario abbiamo bisogno di una gravità alternativa che includa invarianti scalari quadratici“.

La singolarità è uno stato dell’Universo caratterizzato da infinita curvatura, energia e intensità del campo gravitazionale. Nel punto in cui sono trascorsi circa 30 – 60 milioni di anni prima della singolarità, tutto si trasforma in plasma e quindi anche il plasma stesso scompare.

In una delle sue opere precedenti, Odintsov et al. meditò su diversi scenari per la morte morte dell’Universo. La teoria includeva quattro tipi di modelli matematici di singolarità e divenne abbastanza popolare tra i cosmologi.

Nel frattempo, quale che sia la dinamica finale della morte dell’universo, con l’attuale dinamica di espansione, così come l’abbiamo capita, l’Universo potrebbe ritrovarsi sull’orlo della distruzione tra 30 e 40 miliardi di anni da oggi.

Fonte: The Daily Galaxy via Kazan Federal University