Tante onde, una Galassia

La nostra Galassia, la Via Lattea, può essere osservata sotto differenti punti di vista. Basta cambiare la lunghezza d’onda della luce che analizziamo.
Se cliccate sul sito chromoscope.net potrete capire meglio quello che voglio dire. Avrete la possibilità di osservare la nostra Galassia con occhi diversi. Tra l’altro avevamo già accennato a tutto ciò in un precedente post sempre su Quantizzando (da un titolo simile), ma oggi andremo un poco più in dettaglio.

Come potete vedere direttamente dal sito, ci sono diverse opzioni di visualizzazione, ognuna corrispondente ad un particolare intervallo di lunghezze d’onda. Si va dalle “cortissime” onde dei raggi gamma alle “lunghissime” onde radio, passando per la luce visibile, ovvero l’intervallo di lunghezze d’onda della luce a cui il nostro occhio è sensibile.
Proviamo a vedere in dettaglio perché la Via Lattea appare diversa e quali sono i fenomeni principali in gioco. Nel seguito ci riferiremo solo alla spiegazione dell’emissione proveniente dal disco della nostra Galassia, trascurando le altre parti della mappa. Dunque, iniziamo.
Raggi gamma: questa emissione è dovuta a fenomeni molto energetici che avvengono nella Galassia. Per esempio i raggi cosmici, che sono nuclei atomici e/o protoni parecchio energetici; quando queste particelle incontrano il gas che si trova tra le stelle (principalmente idrogeno) avvengono dei processi che permettono l’emissione di un’onda elettromagnetica gamma (cioè con piccolissima lunghezza d’onda).
Raggi X: questa emissione è dovuta alle parti più esterne (corone) delle stelle, alle nane bianche, ai resti di supernovae, al disco di accrescimento attorno ad un buco nero.
Idrogeno alfa: come dice il nome stesso, questa emissione è dovuta all’idrogeno. Si tratta di una particolare riga di emissione dell’idrogeno e quindi osservare a tali lunghezze d’onda permette di tracciare la presenza dell’idrogeno nella Galassia.
Infrarosso: NIR sta per Near InfraRed (vicino infrarosso) mentre FIR sta per Far InfraRed (lontano infrarosso) e si riferisce alla parte di lunghezze d’onda rispettivamente più vicine e più lontane alla lunghezza d’onda corrispondente al colore rosso. In pratica è un modo per delimitare l’intervallo di lunghezze d’onda dell’infrarosso. Questa emissione è dovuta ad oggetti molto (relativamente) freddi, come stelle piccole ma anche grani di polvere.
Visibile: Beh, questo è quello che vediamo tutte le notti.
Microonde: questa emissione nella Via Lattea è dovuta principalmente ad un fenomeno chiamato MASER che è l’analogo del LASER con la differenza che quest’ultimo funziona nel visibile. In un altro post spiegheremo sicuro di cosa si tratta; nel frattempo quello che dovete tenere a mente è che è possibile ottenere una cosa simile al più famoso LASER anche usando le microonde e, in particolare, questo avviene naturalmente nella nostra Galassia quando si hanno nubi molecolari.
Radio: qui abbiamo elettroni che si muovono nel campo magnetico della Galassia ma anche la famosissima riga a 21 centimetri che è una riga molto particolare emessa dall’atomo neutro (un protone + un elettrone = carica elettrica nulla) di idrogeno e molto importante per tracciare la velocità circolare delle nubi di idrogeno attorno alla Galassia e quindi per studiare la materia oscura.
E con questo abbiamo finito. Voi direte: beh, allora? Qual è il punto di questo post?
Di certo non voglio che voi impariate tutti i possibili fenomeni fisici che possono avvenire a tutte le possibili lunghezze d’onda della luce!
Quello che vorrei è che cominciaste a guardare il mondo con occhi diversi.
Ovviamente non potrete osservare le microonde o gli infrarossi, non è questo che dico.
Dico che quando vi capita di osservare qualsiasi cosa, un’immagine astronomica oppure no, chiedetevi sempre come essa apparirebbe se la osservassimo ad una lunghezza d’onda differente.
La risposta potrebbe essere sorprendente o alquanto deludente, ma non importa.
Quello che davvero importa è che dentro di voi sentirete quell’intimità pazzesca con le leggi fisiche che regolano l’universo e che vi farà sentire parte di esso. Sentirete l’impulso della curiosità, esatto, proprio lo stesso che ha mosso tanti scienziati in passato ad esplorare percorsi incontaminati della scienza per il puro gusto di capire la natura che ci circonda.
E capirete che, in fondo, siamo tutti astrofisici, che lo vogliate o meno.

Urano, un pianeta in tilt

I pianeti del Sistema Solare li conosciamo tutti. Il più vicino al Sole è Mercurio, poi abbiamo Venere, Terra e Marte a formare il gruppo dei pianeti rocciosi, ovvero quei pianeti che hanno una crosta, in soldoni quei pianeti su cui si può camminare.
Superata la fascia degli asteroidi troviamo Giove, Saturno, Urano e Nettuno, i quali sono pianeti gassosi, ovvero non hanno una superficie su cui poter camminare, sono grandi palle di gas.
Ogni pianeta compie almeno due movimenti: c’è un moto di rivoluzione intorno al Sole (qui su Quantizzando amiamo dire che il pianeta cade sul Sole) e c’è un moto di rotazione attorno all’asse del pianeta.

Prima di proseguire decidiamo una convenzione: il nostro Sistema Solare è come un tavolo da cucina. I pianeti e il Sole si trovano poggiati sul tavolo e compiono tutti i movimenti sopra di esso.
Dunque, detto questo, per quanto riguarda il moto di rivoluzione quasi tutti i pianeti girano (o meglio, cadono) intorno ad esso in senso anti-orario (se guardiamo il tavolo dall’alto). Ho detto quasi perché c’è un pianeta che gira in senso opposto, cioè orario: si tratta di Venere.
Invece per il moto di rotazione attorno al proprio asse abbiamo che tutti i pianeti hanno il proprio asse più o meno inclinato rispetto al piano in cui si svolgono i moti del Sistema Solare (cioè rispetto al piano del tavolo) e tutti eccetto uno hanno il proprio asse che punta verso la direzione alto-basso (sempre secondo l’esempio del tavolo da cucina): l’eccezione è data da Urano, il quale, secondo il solito convenzionale sistema di riferimento, ha il proprio asse che è “sdraiato” sul nostro tavolo. In pratica Urano si comporta come una palla che rotola sul tavolo.
Sono sicuro che la prossima immagine aiuterà a schiarirvi le idee:

Ma è importante questa cosa? Certo che lo é. Innanzitutto come curiosità: infatti perché c’è un pianeta che ha il proprio asse fatto in tal modo? E perché Venere gira intorno al Sole in senso orario?
Comunque, al di là della semplice curiosità, capire questi fatti potrebbe gettare nuova luce sulle dinamiche di formazione ed evoluzione del nostro Sistema Solare.
Inoltre la direzione dell’asse di rotazione è importante per la spiegazione delle stagioni. Infatti se qui sulla Terra abbiamo le stagioni che abbiamo e anche che quando da noi è estate nell’emisfero Sud è inverno, lo dobbiamo all’inclinazione dell’asse terrestre.

Invece pensate al povero Urano, altro che stagioni! Urano passa un bel po’ di tempo a mostrare uno dei propri poli verso il Sole e un altro bel po’ di tempo a mostrare l’altro polo. Tranquilli, per fortuna punto sempre su una bella immagine quando le parole diventano di troppo! Ecco qua cosa voglio dire:

Quando dico tempo non voglio dire mesi bensì anni. Infatti Urano è molto più distante della Terra dal Sole (circa 20 volte più distante) e quindi deve compiere un’orbita più grande. Risultato? I poli restano illuminati, in maniera alterna, circa una quarantina d’anni. Che vuol dire anche, per uno dei due poli, una lunghissima notte!
Durante gli equinozi invece, come potete vedere dal disegno, abbiamo una situazione simile a quella del nostro pianeta poiché vi è finalmente un’alternanza giorno-notte (un giorno su Urano dura circa 17 ore).

Quindi Urano è completamente inclinato rispetto agli altri pianeti del Sistema Solare. Da qui il titolo di questo post, in quanto “tilt” in inglese vuol dire “inclinato” e quindi il gioco di parole in italiano è fatto.

Resta da domandarci perché Urano sia inclinato in tal modo.

La risposta è una di quelle risposte molto comuni in astrofisica: non lo sappiamo!
O meglio, c’è qualche idea ma risulta difficile dimostrarne la validità. L’ipotesi più accreditata sembra essere quella di uno scontro di Urano con un altro corpo celeste alla fine del quale l’inclinazione dell’asse di Urano è stata stravolta. Per inciso, una simile spiegazione viene anche proposta per spiegare il moto retrogrado (si dice così, eh) di Venere attorno al Sole. Quello che si può fare per dimostrare vera questa ipotesi potrebbe essere simulare numericamente (con l’utilizzo di supercomputer) i fenomeni fisici in gioco alla formazione dei pianeti gassosi seguendo le attuali teorie sulla nascita del Sistema Solare. Quindi ce n’è di lavoro da fare per scoprire la verità su Urano.

Insomma, questo più che voler essere un post che spiega qualcosa è un post che vi mette a conoscenza di qualcosa, cioè dell’inclinazione dell’asse di Urano. Si tratta di uno di quei misteri, di quelle domande importanti dell’astrofisica che sono dietro l’angolo e che non hanno bisogno di scomodare roba oscura o grandi botti. Eppure sono domande fondamentali, perché la loro comprensione potrebbe farci capire molto più in dettaglio il pezzettino di universo in cui viviamo.

Osservare un buco nero

Finalmente siamo arrivati a parlare di questo argomento anche su Quantizzando. Dunque, la mia idea non è proprio spiegarvi cos’è un buco nero. Piuttosto vorrei farvi capire perché riteniamo ci sia un buco nero al centro della nostra Galassia (e anche delle altre di galassie).

Per capire cos’è un buco nero bisogna scomodare la teoria della Relatività Generale. Comunque, ovviamente, noi non lo faremo in questo blog, dato che non usiamo nemmeno la più semplice delle formule matematiche. Cercherò di metterla, come al solito, in termini davvero semplici.

Io la vedrei così, la faccenda. Un buco nero è la risposta ad una precisa domanda: cosa accade se la materia collassa su se stessa fino a comprimersi in un oggetto davvero di dimensioni infinitesime?

Ecco, appunto, la risposta è un buco nero. Potete ben capire che la situazione non è così semplice. Stiamo parlando di un regime fisico che non sperimentiamo quotidianamente e quindi non abbiamo il benché minimo senso di immaginazione di come le cose possano andare. Ma abbiamo una teoria che descrive questa situazione e questa teoria è la teoria della Relatività Generale sviluppata da Albert Einstein nei primi decenni del secolo scorso.

La domanda successiva da porsi è: come possiamo osservare un buco nero? Questa è una domanda super-intelligente! Infatti ci sarà un motivo per cui si chiama nero, giusto?

Il motivo è che la forza di gravità esercitata da un buco nero è così forte che nemmeno la luce (o se volete le onde elettromagnetiche o se volete i fotoni) può sfuggire. Cosa vuol dire?

Immaginiamo di voler lanciare una pallina sulla Luna dal terrazzo di casa. Ah-Ah-Ah, direte voi, ridendo allegramente dello sprovveduto che proverebbe a fare una cosa del genere. E avete ragione (in parte). Il punto è che noi possiamo in principio mandare una pallina sulla Luna dal nostro terrazzo a patto, però, che la velocità della pallina sia abbastanza grande tale che la pallina non venga tirata di nuovo giù sulla Terra.

In realtà la pallina, durante il suo viaggio verso l’alto, sente sempre la forza di gravità della Terra. Se non ci fosse la gravità e noi lanciassimo una pallina verso l’alto con una certa velocità, allora la pallina manterrebbe la sua velocità per sempre (escludiamo ogni tipo di interazione con l’aria che pure è importante). Se, al contrario, abbiamo la Terra che tira durante tutto il viaggio aereo della pallina, il risultato finale è che la pallina, praticamente, rallenta.

Rallenta che ti rallenta, ad un certo punto la velocità della pallina che punta verso la Luna sarà zero. E cosa accade a quel punto? Beh, l’unica forza rimasta è quella della Terra che tira giù con la sua gravità. E dunque, inesorabilmente, la pallina ricade a Terra.

Ma questa, ordunque, è una sfida! Basta mandare la pallina con una velocità abbastanza alta tale per cui non assumerebbe mai il valore zero a causa della gravità terrestre. E dunque magari ci vorrebbe un razzo potente e così via, eccetera, eccetera.

Questo concetto fisico si chiama velocità di fuga. Si tratta della velocità che un oggetto deve avere per sfuggire alla gravità di un altro ed è una cosa facile da calcolare. In principio la forza di gravità agisce fino ad una distanza infinita, quindi non avremo mai un punto in cui l’oggetto è “libero”. Però possiamo calcolare la velocità iniziale di lancio che un oggetto (la nostra pallina) dovrebbe avere per fare in modo che quel processo che abbiamo descritto prima del rallentamento avvengano lontanissimo. Cioè la velocità di fuga è la velocità iniziale necessaria per fare in modo che la pallina raggiunga una velocità pari a zero solo quando si trova ad una distanza infinita.

Non lasciatevi confondere dalla parola “infinito”. Si tratta di un modo matematico di dire “distanza moooooolto grande”. Quanto grande? Grande abbastanza per cui la forza di gravità della Terra diventi trascurabile, tutto qua. Questo è uno dei motivi per cui si usa la matematica, rende le cose più semplici, checchesenedica!

Per il nostro pianeta, la velocità di fuga, cioè quella necessaria a sfuggire dalla gravità terrestre (scusate se lo ripeto mille volte, ma voglio sia chiaro!) è di circa 11 chilometri al secondo ovvero 40 mila chilometri orari. Quindi, in sostanza, scordatevi di comprare una Ferrari e di lanciarvi nello spazio, non ce la fareste!

Ma torniamo al buco nero. Tutto sommato abbiamo un oggetto con una certa massa e quindi avrà anch’esso una velocità di fuga. Ebbene, per un buco nero, tale velocità è maggiore di quella della luce!
Piccola nota: il concetto è questo, poi bisognerebbe spiegare che esiste il concetto di orizzonte, ma per il momento lasciamo perdere, fate finta di non aver mai letto questa nota che…si auto-distruggerà in 5..4..3..2..1..sto scherzando ovviamente!

Ora, questo, detto così, non è un enorme problema. La luce viaggia a 300 mila chilometri al secondo, quindi basta superare tale velocità. Ehm, cari lettori di Quantizzando, non è così semplice: ci vuole un’energia (o, equivalentemente, una massa) praticamente infinita (ancora: mooooooooooooooolto grande!). Potete leggere qualche altro dettaglio qui.

Tuttavia questo non vieta che esistano cose che viaggino più veloci della luce. Certo, alcuni concetti usuali a noi comuni mortali (come il concetto di causa-effetto, ad esempio) verrebbero stravolti. Comunque magari (anche) di questo ne parliamo un’altra volta.

Dunque la luce, nonostante la sua alta velocità, non può sfuggire alla gravità di un buco nero.
E quindi ecco perché un buco nero è, appunto, nero. Con nessun telescopio si ha la possibilità di osservare un buco nero direttamente.

Tuttavia non scoraggiatevi. Dei buchi neri se ne parla quasi ogni giorno quindi qualche maniera per studiarli esiste. E infatti è proprio così.

Come abbiamo già detto, il buco nero non permette alla luce di uscire ma esso ha comunque una massa. Avere una massa vuol dire esercitare una forza di gravità. E quindi se c’è qualcosa nei pressi di un buco nero allora quel qualcosa inizierà a sentire tale forza.

Per esempio se potessimo togliere il Sole e mettere al suo posto un buco nero della stessa massa del Sole, la Terra continuerebbe a orbitare come al solito. Per inciso, il Sole non diventerà mai un buco nero perché questo accade solo alle stelle molto massive.

Dunque usiamo la gravità! Questo è proprio il metodo con cui è stato scoperto o, se volete, osservato il buco nero al centro della nostra Galassia.

Non ci credete? Allora ecco un po’ di dati/fatti osservativi. Gli astrofisici hanno osservato il moto delle stelle attorno al centro della Via Lattea per un po’ di tempo. Eccoli qua:

 
Queste sono osservazioni vere, eh!
Allora, vediamo un po’…perché questa è la pistola fumante che indirizza gli astrofisici ad affermare l’esistenza di un buco nero al centro della Via Lattea?
Perché le stelle sembrano orbitare attorno ad un punto particolare e inoltre una delle stelle (come si può vedere alla fine del breve filmato) addirittura chiude un’orbita. Questo permette di calcolare tutti i parametri del sistema e di trovare la somma totale delle masse della stella e dello sconosciuto oggetto al centro, per esempio. Ebbene, si trova una somma delle masse pari a qualche milione di volte quella del Sole. Ma siccome una stella, bene che va può avere una massa di circa un centinaio di volte quella del Sole allora l’unico altro oggetto che possiamo trovare compatibilmente con le dimensioni spaziali del sistema può essere solo un buco nero supermassivo.
Supermassivo? Ecco, il punto è che i buchi neri si possono formare dalla morte di una stella. Ma, come già detto, una stella può raggiungere al massimo un centinaio di masse solari e quindi ci aspetteremmo un buco nero con una massa più o meno di quell’ordine di grandezza. Però, al centro della galassia sembrerebbe esserci un buco nero di qualche milione di masse solari. Qualche milione! Cioè vuol dire che in uno spazio molto compresso ci devono essere una massa pari a quella di qualche milione di stelle come il Sole. Ecco perché l’unica possibilità è un buco nero. Solo questo tipo di oggetti permette che ci sia così tanta massa in uno spazio ristretto.
Comunque, questa non è la fine della storia.  Ci sono molte galassie che hanno una parte centrale attiva (ecco il post di Quantizzando dove ne parlavamo), dove attiva vuol dire che generano una notevole emissione di energia a diverse frequenze elettromagnetiche come, per esempio, onde radio e raggi-x. Da dove viene questa energia? Cos’è il motore del meccanismo che produce questa enorme emissione? Non c’è verso: allo stato attuale della nostra conoscenza, deve trattarsi di un buco nero.
Dunque sembra che quasi tutte le galassie ospitino un buco nero centrale supermassivo. Alcuni attivi altri no. Comunque sembra essere un qualcosa di molto profondo dal punto di vista dei processi di formazione ed evoluzione delle galassie e quindi si tratta di una serie di fenomeni che vanno studiati mooooolto attentamente!