Forse abbiamo trovato una esoluna

Qualche decennio non sapevamo ci fossero pianeti al di fuori del nostro sistema solare. O meglio, lo sospettavamo ma non avevamo conferme scientifiche. Al giorno d’oggi, i pianeti extra-solari si sprecano, sono qualche migliaio e siamo molto felici di ciò.
Inoltre, ogni tanto sbuca anche qualche annuncio di qualche possibile candidato simile alla nostra Terra (annunci da guardare con scetticismo ed entusiamo, allo stesso tempo), quindi il nostro sorriso scientifico è più che mai radioso.

Trovare un pianeta extra-solare non è roba per tutti. Per trovarne a iosa c’è voluto un osservatorio spaziale, NASA Kepler, che ha studiato la luce proveniente da un manipolo di stelle della nostra Galassia. Lo studio fatto dal satellite Kepler è quello di notare qualora ci fossero cali di intensità nella luce proveniente dalle stelle studiate; se tali cali sono periodici, allora magari essi avvengono perché un qualche oggetto, di dimensioni non trascurabili, passa davanti alla stella in questione. Quell’oggetto celeste che passa davanti alla stella è proprio un pianeta extra-solare.

In questo modo la ricerca ha fatto passi da gigante nel mondo dei nuovi mondi galattici. Persino la stella a noi più vicina ha un pianeta extra-solare, magari pure simile alla Terra (ma boh, chi può dirlo, non è chiaro al momento).

In tutto questo trambusto per la scoperta che, tutto sommato, nè il nostro pianeta nè il nostro sistema solare sono poi così speciali come asserito per millenni, ecco che ci siamo dimenticati (noi, eh, mica gli scienziati) di parlare delle lune extra-solari.

Prima di tutto: una luna extra-solare è, lo dice la parola stessa, una luna che orbita attorno un pianeta extra-solare. Nulla di strano: proprio come la nostra Luna, oppure le lune di Saturno e Giove, anche gli altri pianeti sparsi nella Via Lattea potrebbero avere delle Lune.
Sembra una cosa lecita, quasi da Dichiarazione Universale dei Diritti dei Pianeti della Galassia (se esistesse, ma non esiste).

Voi direte: ma dai, è già una cosa difficilissima beccare un pianeta extra-solare quando passa davanti a una stella, figurarsi una luna che passa vicino a un pianeta con entrambi che passano davanti alla stella, che mio padre al mercato comprò. Insomma, ma neanche viene la voglia di mettersi lì a vedere. E poi, materialmente, come si potrebbe fare? Abbiamo gli strumenti con la sensibilità adatta per distinguere il calo di luce provocato da un pianeta da solo, rispetto al calo provocato da un pianeta con luna al seguito?

La risposta a questa domanda è: forse.

Forse, perché qualcuno ci ha provato. Sto parlando degli scienziati Alex Teachey e David M. Kipping della Columbia University insieme a Allan R. Schmidt, un non-scienziato, un cittadino appassionato, uno di noi insomma, che ha già partecipato a un considerevole numero di lavori scientifici.

Il lavoro che sto per descrivervi nelle prossime righe fa parte del progetto The Hunt for Exomoon with Kepler (HEK), un progetto che punta a beccare, usando i dati di Kepler, satelliti naturali (lune, appunto) che orbitano attorno a pianeti extra-solari.

Dato che, effettivamente, beccare una luna extra-solare è una cosa parecchio complicata, allora i tre hanno provato a sovrapporre tutti i segnali di 284 pianeti extra-solari osservati da Kepler e hanno analizzato la cosa statisticamente in maniera precisa. L’articolo scientifico lo potete trovare qui.

In particolare i tre autori dell’articolo hanno studiato la possibilità che pianeti extra-solari abbiano lune a una distanza dalla stella pari a 150 milioni di km (proprio la distanza Terra-Sole, non è che si scelgono numeri a caso, dopotutto).

Risultato: quello che viene fuori è che sembra sia abbastanza raro che pianeti extra-solari molto vicini alla loro stella abbiano lune. Secondo gli autori, questo supporta il quadro teorico attuale che afferma che i pianeti perdono le loro lune quando si muovono verso zone più interne del loro sistema (extra-)solare. I dati raccolti da Kepler e utilizzati nell’articolo scientifico che stiamo raccontando sono formati da curve di luce, ovvero curve che rappresentano l’intensità della luce proveniente dalla stella, al passare del tempo. Ecco qualch esempio di curve di luce:

Per fare tutto ciò, come quasi sempre, si sono confrontati i dati misurati da Kepler con i modelli teorici di curve di luce in cui dentro gli scienziati ci hanno infilato sia la presenza di un pianeta che quella di una luna extra-solare.
Ma c’è di più.

Tra i vari dati, oltre a provare a confrontare i modelli globalmente, si è provato anche a confrontare i modelli singolarmente con ogni pianeta extra-solare utilizzato per l’analisi. Alla fine è sbucato anche un possibile segnale che potrebbe davvero essere una luna extra-solare. Qualora ci fosse, dovrebbe essere nel sistema planetario Kepler-1625 (caspita, mi sembra di parlare come se fossi in un film di fantascienza, ah no, è la realtà!). Stiamo parlando di un segnale che ha un livello di confidenza di 4,1 sigma, cioè possiamo dire al 99,9936% che il segnale c’è per davvero.

Ma si tratta davvero di una luna extra-solare? Possiamo già dirlo con certezza? Beh, il titolo di questo post funge proprio da spoiler. Ancora non ne siamo sicuri. Per poter avere qualche informazione in più su Kepler-1625 bisognerà aspettare LUI, quello che tutti ma proprio tutti conoscono: il telescopio spaziale Hubble.
Per farlo, però, ovviamente bisogna aspettare che la luna extra-solare passi davanti alla stella, altrimenti come facciamo? Il modello utilizzato per trovare il segnale prevede un nuovo passaggio per ottobre 2017. Eccolo qua: tra qualche mese punteremo il telescopio spaziale Hubble verso Kepler-1625 e ne sapremo di più.

Purtroppo, finora, il progetto HEK non ha ancora trovato nessuna luna extra-solare, anche se ci sono stati anche altri candidati oltre a Kepler-1625.
Ora, che vi devo dire: magari non viene fuori niente, magari viene fuori che abbiamo trovato una luna che orbita attorno a pianeta che orbita, a sua volta, attorno a una stella diversa dal nostro Sole.
Sarebbe una cosa pazzesca, anche solo a pensarci.

(Al massimo, se va bene, ricordatevi di questo blog quando se ne parlerà al telegiornale.
Vabbé, ammesso che se ne parli, eh.)

Fonti
HEK VI: on the dearth of galilean analogs in Kepler, and the exomoon candidate Kepler-1625B; A. Teachey, D.M. Kipping, A.R. Schimtt

Osservato il barione Xi al CERN: di che si tratta?

Gli scienziati del CERN dell’esperimento LHCb hanno annunciato di aver osservato una particella che mai avevano visto prima: il barione Xi.
Il barione Xi è una particella formata da tre quark: due sono quark charm e l’altro è un quark up.
ASPETTATE, non andate via che adesso vi spiego tutto, con calma. Iniziamo.

Rappresentazione artistica del barione Xi osservato con LHC (© CERN)

1) Cos’è un barione?
Questa è facile, dai: un barione è una particella formata da tre quark.

2) E vabbè, e cosa sono i quark?
I quark sono delle particelle elementari che esistono i natura. Elementari nel senso che non sono composti da ulteriori particelle a loro volta.
Ci sono ben sei tipi di quark e hanno dei nomi particolari: up, down, charm, strange, top, bottom. La differenza principale tra i vari quark è la loro massa; i quark up e down sono i meno massivi, i quark top e bottom sono quelli più massivi. Poi ci sono le cariche elettriche: up, charm e top sono carichi positivamente e hanno carica +2/3 la carica elettrica fondamentale (la carica fondamentale non è altro che la carica elettrica dell’elettrone ma con il segno positivo); down, strange e bottom sono carichi negativamente e hanno carica -1/3 la carica dell’elettrone.
I quark si chiamano in questo modo per colpa del fisico Murray Gell-Mann. O meglio, egli riprese il nome da un passo di un libro di James Joyce “Finnegan’s Wake” che Gell-Mann stava leggendo all’epoca. Ah già, perché Gell-Mann nel 1969 ha proprio vinto il premio Nobel per la fisica per la classificazione dei quark.
I quark stanno insieme e stanno vicini non per miracolo, ma perché essi interagiscono tramite la forza nucleare forte. Questa è una interazione particolare che sentono solo i quark in quanto quark e che permette loro di stare uniti nei barioni.

3) Esempi di barioni?
Due esempi molto famosi di barioni sono, udite udite, il protone e il neutrone. Per la precisione, il protone è formato da due quark up e uno down. Se tornate un attimo al paragrafo precedente e fate due conti, potete notare che la somma totale delle cariche elettriche dei quark che formano un protone è così +1 volte la carica elettrica fondamentale (cioè il protone ha la stessa carica dell’elettrone ma con segno positivo). Infatti, il protone è stato scoperto prima dei quark ed era già stato definito con tale carica. Quindi, una volta scoperti i quark si decise di assegnare a essi una carica frazionaria per far tornare formalmente le definizioni adottate sino ad allora.
Il neutrone, invece, è formato da un quark up e due down. E infatti la carica totale fa zero.

4) Quanti barioni ci sono?
Ora, voi capite che se i barioni sono particelle formate da tre quark, allora potete letteralmente impazzire a formare particelle fatte di tre quark con tutti e sei i quark che avete a disposizione. Abbiamo visto che protoni e neutroni sono fatti di quark up e down, ma esistono particelle fatte di quark top e bottom? E fatte di quark charm e strange? L’unica cosa è che la somma totale delle cariche deve fare un numero intero, cioè i quark devono assemblarsi sempre in modo da fare particelle con carica elettrica un certo multiplo della carica elettrica fondamentale (che, ripeto, è quella dell’elettrone con il segno positivo).
Il modello standard della fisica delle particelle dunque prevede l’esistenza di barioni di questo tipo che non siano protoni e neutroni. La loro difficoltà nell’osservarli è dovuta alla loro instabilità, ovvero solo i protoni e i neutroni riescono a stare abbastanza tempo stabili senza decadere in altri tipi di particelle (anche se i neutroni, quando sono liberi, decadono; ma nei nuclei atomici stanno tranquilli).
Quindi, ecco che entrano in gioco gli acceleratori di particelle.
In particolare, per beccare un barione con due quark charm come il barione Xi, ci vogliono energie elevate, visto che i quark charm sono più massivi dei soliti noiosi quark up e down. E infatti finora non era stato ancora osservato e ci è voluto LHC, che con le sue alte energie ha permesso di generarne abbastanza durante i vari scontri nell’acceleratore di particelle. Per inciso, barioni diversi da protone e neutrone erano stati già osservati; trovate una lista qui.
Altra cosa: visto che il barione Xi è formato da due quark charm e un quark up, ora sapete anche perché la sua carica elettrica è +2 volte la carica elettrica fondamentale.

5) Si tratta di una cosa importante?
Beh, direi proprio di sì. Certo, non importante come il bosone di Higgs, ma comunque si tratta di una notizia relativamente importante per la fisica e la ricerca.
Il barione Xi era previsto dal modello standard della fisica delle particelle. E ora è stato osservato. E, normalmente, qui scatta automatico il WOW. Infatti, ancora una volta gli scienziati ci hanno visto giusto quando hanno provato a buttare già una teoria che potesse descrivere le particelle che ci sono nell’universo. E questa è una cosa spettacolare: prevedere l’esistenza di una particella e poi effettivamente osservarla, vuol dire che si è stati bravi e in gamba a leggere il mondo fisico con il linguaggio matematico, provando a citare Galileo Galilei. Questo è il modo in cui lavora la scienza.
Inoltre, come interagiscono i quark tra loro non è una cosa che conosciamo alla grandissima. Cioè, sappiamo abbastanza bene come funzionano le cose (la teoria che si occupa di ciò si chiama cromodinamica quantistica), ma ora possiamo anche avere a disposizione un ulteriore banco di prova, ovvero proprio il barione Xi. Infatti nel barione Xi ci sono i massivi quark charm e il poco massivo quark up: i fisici del CERN ora potranno anche studiare come interagiscono quark di masse diverse all’interno di una stessa particella. Per capirlo sarà importante studiare come decade il barione Xi, ovvero come esso si trasforma in altre particelle più leggere (l’abbiamo detto che i barioni, tranne il protone e il neutrone, non sono personaggi molto stabili).

E ora, tutti insieme diciamo grazie a LHC e ai fisici che ci lavorano per avere aperto un’altra piccola finestra di conoscenza su come funziona l’universo. Che poi, queste finestre da aprire sono davvero tante, probabilmente non smetteremo mai.

Fonte
CERN press release, The LHCb experiment is charmed to announce the observation of a new particle with two heavy quarks

Quella volta che Feynman provò a sbagliare

La storia contemporanea, anzi oserei dire la nostra quotidianità, è costellata da dichiarazioni che in qualche modo sfuggono all’onere della prova. Ognuno di noi si sente coinvolto in qualsiasi discussione, su qualsiasi argomento, con qualsiasi tempistica. Ormai assistiamo, praticamente impotenti, a un clima culturale dove le affermazioni fatte hanno un po’ perso peso specifico. In parte per quanto appena detto, ovvero per la consapevole dimenticanza di offrire un modo per controllare le fonti riguardo ciò che si afferma; in parte perché abbiamo spesso la memoria corta e tendiamo anche a dimenticare alcune affermazioni, fenomeno forse dovuto all’enorme mole di informazioni che recepiamo ogni giorno, oppure alla tempestività con cui uno stato su un social network finisce nel dimenticatoio.

Tuttavia, se il mondo è pieno di persone che fanno affermazioni, allo stesso modo possiamo trovare persone che hanno la briga di andare a controllare. Usando un linguaggio ormai consolidato potremmo chiamarlo fact-checking, ovvero controllo delle affermazioni espresse da qualcuno. Molto comune è l’uso di questo espediente in politica o in economia. Raramente abbiamo invece a che fare con ciò in scienza.
Non si tratta di una scelta: la scienza ha già le sue regole, il controllo e la revisione degli articoli scientifici è parte stessa del processo di pubblicazione di un risultato scientifico.
Ma cosa fare se l’affermazione non è fatta per iscritto ma soltanto a voce? E poi, se colui che fa l’affermazione si chiamasse Richard Feynman?

Richard P. Feynman è stato un fisico molto importante, vincitore del premio Nobel per la fisica nel 1965 per i suoi studi sulla meccanica quantistica. Tra le tante cose per cui lo ricordiamo, oltre al Nobel, ci sono la sua grande capacità di spiegare, le sue famose lezioni, il suo riparare le radio, il suo suonare il bongo.
Durante una serie di lezioni sulla teoria della gravitazione, nel 1962-1963 al Caltech in California (USA), Feynman disse la seguente cosa: “…il centro della Terra dovrebbe essere più giovane di uno-due giorni rispetto all’età della superficie della Terra…“.

Come mai aveva detto questa cosa?

Le lezioni erano sulla gravità, e la gravità è descritta dalla teoria della relatività di Albert Einstein. Tale teoria dice che gli intervalli di tempo e spazio misurati sono relativi, ovvero dipendono dal sistema di riferimento in cui vengono effettuati. Abbiamo già parlato ampiamente della relatività su questo blog e rimando ad alcuni vecchi articoli per una rinfrescata (provate qui e qua).
In particolare, all’interno della teoria della relatività, si ha che più è intenso il campo gravitazionale in cui si è immersi, più evidenti saranno gli effetti relativistici. Ovvero, più è intenso il campo gravitazionale, più lentamente scorre il tempo. Perché accade questo? Perché un campo gravitazionale intenso è generato da una grossa massa. E una grossa massa distorce tanto la struttura dello spazio-tempo. Quindi, campo intenso equivale a una alterazione non indifferente degli intervalli di tempo e spazio misurati in prossimità di quella regione di spazio-tempo in cui il campo è così importante.
Per esempio, è proprio per questo motivo che il film Interstellar di C. Nolan mostra un’alterazione del tempo quando Matthew McCoughney, in precedenza in orbita attorno a un buco nero, tornato alla base confronta il suo orologio con quello di un collega astronauta rimasto sull’astronave principale.

Dunque il discorso di Feynman è ora abbastanza comprensibile: al centro della Terra il campo gravitazionale del pianeta è più intenso, quindi in accordo alla relatività, il tempo deve scorrere più lentamente. Di conseguenza il centro della Terra è più giovane della superficie del nostro pianeta.
Che dire, non fa una grinza.

Ora il punto è: giusto quello che ha detto Feynman dal punto di vista quantitativo? Davvero si tratta di una differenza di tempo pari a uno-due giorni?
Ecco, voi non ci crederete, ma dal 1962 al 2016 nessuno aveva mai svolto i conti sul serio. Attenzione, però: non che non fosse successo perché nessuno ne fosse capace, anzi. Tutti coloro che erano alle lezioni di Feynman erano in grado di fare quei conti, ma nessuno li fece. Ahia.

Ahia, perché venne praticamente dato per assolutamente vero quello che disse Feynman. Ci fu praticamente una mancanza di controllo all’interno della comunità scientifica. Il discorso fatto da Feynman fu ritenuto così abbastanza plausibile che nessuno si preoccupò di andare a controllare i conti. Altri tempi? Speriamo. Sicuramente, nonostante il conto non fosse un questione di vita o di morte, il fatto che ci siano voluti 54 anni per fare un controllo la dice lunga sul carisma e l’importanza di Richard Feynman all’interno della comunità scientifica. Ma infatti, sia chiaro, Feynman è stato uno dei più grandi di tutti. Solo che bisogna sempre ricordare che anche i più grandi possono sbagliare e sbagliare è una cosa umana. Del resto, alla fine della fiera, Feynman aveva realmente ragione: il centro della Terra è più giovane del resto del pianeta.

I conti veri e propri sono stati fatti da U.I. Uggerhoj, R.E. Mikkelsen, e J. Faye, i primi due della Aarhus University e il terzo della University of Copenaghen, tutti con base in Danimarca quindi. Se volete dare un’occhiata al loro lavoro, trovate tutto in questo articolo scientifico qua (link).

I tre scienziati hanno trovato quindi che, sostanzialmente, Feynman era nel giusto, come abbiamo già anticipato. Però, quantitativamente si sbagliava. Infatti, secondo i calcoli dei tre scienziati, il centro della Terra sarebbe più giovane di 2,49 anni. Tenendo conto che la Terra ha un’età di 4,5 miliardi di anni circa, l’errore di Feynman dopotutto non è così grossolano (cosa volete che siano due giorni o due anni in confronto a 4,5 miliardi di anni?).

Resta da capire come un bel po’ di scienziati si siano lasciati tradire dalle parole di Feynman, di cui hanno attinto fidandosi ciecamente. Certo, sono cose che capitano e, secondo me, vale la pena porre su questi eventi la giusta attenzione, in modo da ricordare non solo che tutti possono sbagliare, anche i premi Nobel, ma soprattutto che controllare non fa mai male (del resto anche questo è il lavoro dello scienziato, lo dice il metodo scientifico). D’altra parte, va ricordato, Feynman era il primo che ammetteva i propri errori (giusto per ribadire la grandezza di questo personaggio).

Alla fine comunque Feynman, pur sbagliando, aveva ragione. La teoria della relatività funziona anche per quanto riguarda l’età di parte del nostro pianeta.
Questa storia, oltre che essere un bell’aneddoto sull’importanza dell’applicazione del metodo scientifico (seppur con decenni di ritardo), mostra anche un meraviglioso esempio di applicazione della relatività, che gli esempi per far capire certe teorie non sono mai abbastanza.

Chissà cosa ne avrebbe pensato Jules Verne di tutta questa storia.


Bibliografia
The young center of the Earth, U.I. Uggerhoj, R.E. Mikkelsen, e J. Faye, 2016
Feynman Lectures on Gravitation, R.P. Feynman, F.B. Morinigo og W.G. Wagner