L’universo è piatto

Chissà per quale motivo, ma il nostro pianeta è pieno di troll. Forse perché, semplicemente, il numero di troll su un pianeta è direttamente proporzionale al numero di esseri umani.

Per esempio, ci sono persone che affermano che la Terra, secondo loro, è piatta. Affermazione, ovviamente, fatta senza uno straccio di ragionamento scientifico e contro tutte le evidenze che già gli antichi greci avevano presentato un paio di migliaia di anni fa. Tra l’altro anche nel Medioevo, spesso citato a sproposito, sapevano benissimo che la Terra fosse rotonda e non piatta.

Ma se la Terra sicuramente non è piatta, che cosa possiamo dire riguardo al nostro universo?

Ebbene, udite udite: l’universo è piatto.

Tranquilli, non vi agitate: non vi sto trollando, anzi.

Se avrete la pazienza di seguirmi in questo post, faremo un passo alla volta e vedremo perché possiamo dire che l’universo è piatto.

Tre tipi di curvatura

Per prima cosa, prendiamo un foglio di carta e disegniamo un triangolo.

Triangolo su un piano

Niente di strano: disegniamo tre linee che si incontrano in tre vertici producendo una figura chiusa. La somma degli angoli interni di un triangolo disegnato su un foglio è di 180 gradi.

Ora prendiamo una sfera (una palla, un’arancia) e disegniamo un triangolo, cioè disegniamo tre linee che si uniscono in tre vertici producendo una figura chiusa.

Triangolo su una sfera

In questo caso, gli angoli del triangolo sono tutti più grandi: la somma degli angoli interni non sarà più 180 gradi, bensì maggiore di 180 gradi.

Ora proviamo a prendere una superficie a forma di sella di cavallo e proviamo a disegnare un triangolo sopra di essa.

Triangolo su una superficie a forma di sella di cavallo

In questo caso, invece, gli angoli del triangolo sono tutti più piccoli e la somma degli angoli interni sarà minore di 180 gradi.

Perché ho fatto tutto questo discorso? Perché i tre tipi di superficie che ho presentato (piano, sfera, “sella di cavallo”) corrispondono a tre tipi di curvature differenti. Abbiamo visto che disegnare un triangolo su una superficie e fare la somma degli angoli interni, è un ottimo modo per capire su che tipo di superficie siamo.

Se la somma degli angoli interni di un triangolo è esattamente uguale a 180 gradi, allora la superficie sarà piatta, come quella del foglio di carta.

Se la somma degli angoli è maggiore di 180 gradi, allora la superficie sarà curva positivamente o chiusa, come quella di una sfera.

Se la somma degli angoli è minore di 180 gradi, allora la superficie sarà curva negativamente o aperta, come quella di una sella di cavallo.

La curvatura dell’universo dipende dalla sua densità

Ma come facciamo a capire la curvatura dell’universo in cui viviamo?

La teoria della relatività ci viene in soccorso in questo caso. Infatti, secondo la relatività, la curvatura dell’universo è condizionata dalla presenza di massa e viceversa. Quindi, se ci sarà tanta massa allora la curvatura dell’universo sarà grande.

Detta così, però ci riferiamo a proprietà locali, è chiaro: per esempio, dove c’è il Sole (che ha una massa enorme) l’universo sarà curvato. In un luogo in cui invece non ci sono stelle e pianeti, allora lì l’universo sarà piatto.

Noi invece siamo interessati alla curvatura globale dell’universo: cioè, in base a tutto ciò che c’è nell’universo, abbiamo un universo chiuso, aperto o piatto.

Infatti, la teoria della relatività ci dice che esiste un valore critico di densità per l’universo per il quale l’universo è piatto. Se la densità dell’universo è maggiore di questo valore allora esso è chiuso; se la densità dell’universo è minore di questa densità critica allora esso è aperto.

E tutto ciò si ripercuote proprio sulle distanze che misuriamo e sui potenziali triangoli che potremmo disegnare.

Perché, infatti, a questo punto si potrebbe pensare di andare in giro nell’universo a disegnare triangoli per misurarne gli angoli.

Ora, partiamo dalle cose semplici: se lo facciamo dentro casa, sicuramente otterremo una triangolo piatto. Va bene: localmente, qualsiasi superficie curva ci sembra piatta. Forse vi sembrerà strano, eppure questa è un’affermazione importante: è previsto anche dalla teoria della relatività.

Se potessimo disegnare un triangolo gigante tra diversi punti del pianeta (ma lo si può fare come esercizio su un mappamondo), vedremmo immediatamente, a causa della rotondità della Terra, che il triangolo ha angoli la cui somma è maggiore di 180 gradi.

Lo stesso discorso vale per l’universo: non basta disegnare un potenziale triangolo in una piccola regione del sistema solare. L’universo è enorme, quindi c’è bisogno di disegnare un triangolo davvero enorme.

È un po’ come la storia della parete grande e del pennello grande: per disegnare un triangolo grande nell’universo abbiamo bisogno di grandi dati scientifici e non di dati scientifici grandi. E quando dico grandi dati scientifici voglio dire grandi nel senso di stupendi, meravigliosi.

Misurare la curvatura dell’universo

Per fortuna questi grandi dati li abbiamo: sono i dati della radiazione cosmica di fondo.

La radiazione cosmica di fondo ci mostra com’era l’universo 380 mila anni dopo il Big Bang. Praticamente l’universo neonato, se pensiamo che oggi l’età dell’universo è di 13,7 miliardi di anni.

La mappa della radiazione cosmica di fondo (Crediti: ESA/Planck)

Perché usiamo la radiazione cosmica di fondo per studiare la curvatura dell’universo? Perché la radiazione cosmica di fondo è la luce più lontana che riusciamo a misurare. E quindi, siccome sono i dati più lontani a disposizione, di conseguenza il potenziale triangolo che potremmo disegnare sarebbe il più grande possibile.

Ma come lo disegniamo questo triangolo? Se guardate la mappa della radiazione cosmica di fondo, notate che ci sono zone rosse e zone blu. Ovviamente sono colori artificiali: si tratta di una scala che indica le fluttuazioni di temperatura tra le varie regioni (non ci interessa entrare nei dettagli della radiazione di fondo ora, ma se volete saperne di più, andate qui). Le zone rosse sono più calde, le zone blu sono più fredde (la differenza è dell’ordine del centimillesimo di grado).

Gli astrofisici, davanti a questa mappa, si fanno un sacco di domande: per esempio, qual è la probabilità di trovare due zone calde vicine a una certa distanza? Per rispondere a questa domanda (ora lo dico brutalmente) calcolano tutte le possibili coppie di zone calde a tutte le possibili distanze della mappa. Alla fine viene fuori un grafico di questo tipo.

La maggior parte delle zone calde sulla mappa della radiazione di fondo è separata da 1°, come distanza angolare. I punti rappresentato i dati osservati, la curva continua rappresenta il miglior modello che si adatta ai dati (Crediti: ESA/Planck)

Viene fuori, dal grafico qui sopra, che la tipica distanza tra due zone calde è di 1°, in scala angolare sulla mappa della radiazione di fondo (che è una mappa bidimensionale).

Ce lo dicono i dati: l’universo è piatto

OK, ma che c’entra tutto questo con la curvatura dell’universo?

C’entra, c’entra: la scala del picco del grafico dipende proprio dalla geometria dell’universo. Guardate la figura qui sotto.

Crediti: NASA (con modifiche/traduzioni di Quantizzando)

Sulla sinistra, il satellite osserva la distanza tra due zone calde: la luce che ci arriva dalla radiazione di fondo percorre traiettorie diverse a secondo che l’universo sia aperto o piatto. E quindi, l’angolo misurato dal satellite è diverso a seconda della geometria dell’universo. Tutto ciò si ripercuote sul grafico delle fluttuazioni (a destra): il picco si sposta verso angoli più piccoli se, per esempio, l’universo è aperto anziché piatto.

Dunque, come potete vedere dal grafico originale delle fluttuazioni di temperatura, il picco si ha intorno a separazioni di 1°: proprio quello che ci aspettiamo in un universo piatto. O, se volete, abbiamo anche scoperto che la densità dell’universo è esattamente pari al valore della densità critica che salta fuori dalla teoria della relatività.

Comunque la mettiate, la conclusione è la stessa: i dati della radiazione di fondo ci dicono che l’universo è piatto.

Perché l’universo è proprio piatto?

Visto che abbiamo già fatto grandi cose con la misura della curvatura dell’universo (mica è facile come abbiamo visto), a questo punto possiamo anche andare oltre e chiederci: ma perché l’universo è piatto?

La domanda ha senso: per essere piatto, l’universo deve avere una densità esattamente uguale alla densità critica. Insomma, potrebbe tranquillamente essere chiuso o aperto.

La risposta, se siete lettori abituali di Quantizzando, non vi soprenderà ed è questa: non sappiamo perché l’universo è proprio piatto. Cioè, la teoria del Big Bang (basata sulla relatività) ci dice che l’universo può essere piatto, oppure aperto, oppure chiuso, ma non ci dice quale delle tre possibilità dovremmo effettivamente osservare.

Però, gli astrofisici qualche idea se la sono fatta riguardo alla piattezza dell’universo. Nel 1980, l’astrofisico Alan Guth ha proposto la teoria dell’inflazione. Ne ho parlato tempo fa su Quantizzando, ma la rivediamo insieme molto brevemente.

La teoria dell’inflazione è oggi considerata come la teoria che effettivamente descrive il Big Bang. Cioè, all’inizio della sua storia, l’universo ha passato una fase di espansione molto accelerata. Si tratta di una teoria, questa dell’inflazione, che non ha ancora ricevuto conferme sperimentali convincenti. Eppure gli astrofisici la considerano una teoria importante proprio perché, tra le varie previsioni che fa, la teoria dell’inflazione prevede che l’universo debba essere piatto.

Infatti, secondo la teoria dell’inflazione, all’inizio la curvatura dell’universo poteva essere qualunque: l’espansione super-accelerata avrebbe poi, in un certo senso, “stirato” l’universo fino a farlo diventare piatto.

Che facciamo, ci crediamo? Sì, ma non ciecamente. L’inflazione è una possibile soluzione al dilemma; altre soluzioni potrebbero saltare fuori, oppure qualcuno potrebbe raccogliere dati sperimentali contro l’inflazione in futuro. Tuttavia, al momento sembra una teoria plausibile: l’importante è tenere presente che potremmo gettare l’inflazione nel cestino da un momento all’altro nel caso dovessimo scoprire qualcosa di nuovo che la superi.

Cosa abbiamo imparato in questo post

Quindi, tirando le fila: abbiamo visto che l’universo è piatto e lo possiamo dire con il supporto dei dati della radiazione di fondo. In realtà, non l’ho detto prima, ma anche altre osservazioni astrofisiche (sempre basate sulla misura delle distanze) confermano questo quadro.

Certo, non sappiamo ancora perché l’universo è esattamente piatto. Anzi, abbiamo visto che la piattezza dell’universo è quasi un problema: per risolvere questo dilemma, abbiamo tirato in ballo la teoria dell’inflazione, ma ancora non siamo certi che sia la teoria giusta (anche se per ora ce la teniamo stretta).

Magari questa storia è una consolazione per tutti coloro che ritengono ancora che la Terra sia piatta: accettate che il nostro pianeta sia rotondo perché in cambio la scienza vi dimostra che a essere piatto è l’intero universo. Mica male, vero?

Studiare il Sole con NASA Parker Solar Probe

Il 12 agosto 2018, alle 9:33 in Italia, la NASA ha lanciato nello spazio la Parker Solar Probe: una missione che studierà il Sole da molto vicino.

Il nome Parker della sonda si riferisce all’astrofisico Eugene Newman Parker: nel 1958, Parker ha ipotizzato diversi meccanismi per spiegare come funziona l’atmosfera del Sole, come vedremo tra poco. Eugene Parker oggi ha 91 anni e può godersi la missione della sonda che porta il suo nome mentre si gode pure una meritata pensione.

Tra l’altro, questa è la prima volta che la NASA sceglie di chiamare una sua missione con il nome di una persona ancora in vita. Insomma, giusto per far capire che se esistesse il Nobel per l’astrofisica, Parker l’avrebbe già vinto da tempo.

Ci sono tantissime cose da dire su questa missione: ma non c’è fretta. Nel senso che avremo tutto il tempo di parlarne nei prossimi mesi e anni. Oggi, però, in occasione del lancio, vorrei almeno introdurvi ad alcuni aspetti essenziali della missione. Per esempio, perché la NASA ha inviato una sonda verso il Sole, e come è fatta questa sonda.

Prima un piccolo ripasso

Il Sole è una stella, cioè una palla fatta di particelle cariche e campi magnetici. Il Sole produce energia nel suo nucleo, dove avvengono le reazioni di fusione nucleare: 4 nuclei di idrogeno sono trasformati in un nucleo di elio più fotoni, cioè luce.

I fotoni prodotti nel nucleo del Sole iniziano così un lungo viaggio verso la superficie della stella: il Sole ha un raggio di circa 700 mila chilometri e i fotoni lungo il loro cammino incontrano altre particelle cariche con cui interagiscono. Quindi i fotoni sono continuamente assorbiti ed emessi e, dopo anche un milione di anni finalmente arrivano in superficie. Poi, dopo circa 8 minuti arrivano da noi sulla Terra alla velocità della luce, senza altri ostacoli. In pratica è come quando si esce da un luogo affollato per arrivare al parcheggio dove abbiamo l’auto: prima si procede molto lentamente a causa dell’elevata densità di persone, poi una volta in auto si può viaggiare in modo più agevole e veloce.

Il viaggio di un fotone nel Sole è come quello su una strada provinciale in Molise, pieno di curve e traffico. Poi, una volta fuori, inizia l’autostrada.

Siccome il Sole non è una palla rigida, non solo i fotoni, ma anche le particelle che lo compongono fluttuano nello spazio. Questo insieme di particelle cariche è chiamato plasma. Una volta arrivati in superficie, abbiamo l’atmosfera del Sole, una regione chiamata corona solare.  Man mano poi che ci allontaniamo dal Sole attraverso la corona, abbiamo una regione ancora meno densa di plasma ma che si estende praticamente in tutto il sistema solare, un flusso di particelle che arriva a tutti i pianeti: siamo nella zona del vento solare.

Qui la zona del vento solare è indicata con solar wind

Ora sappiamo, dai dati di altre sonde, che esiste una regione di transizione tra corona e vento solare. E ci sono diverse cose ancora poco chiare su questa zona di transizione, sulla corona e sul vento solare: tutte cose che la Parker Solar Probe cercherà di capire.

Vediamo insieme quali sono questi problemi.

Perché la corona solare è così calda?

La corona solare è l’insieme di particelle cariche (plasma) che si trovano a una distanza entro circa 20 milioni di km intorno al Sole. Siccome la densità di queste particelle è molto bassa, risulta difficile vedere la corona. Le uniche occasioni in cui si può vedere la corona solare si hanno quando il disco del Sole è coperto, per esempio durante un’eclissi di Sole.

EHI, ATTENZIONE: MAI GUARDARE DIRETTAMENTE IL SOLE SENZA PROTEZIONI.

Eclissi di Sole del 9 marzo 2016. Crediti: Catalin Beldea/Stiinta

Nella corona solare, la temperatura del plasma può raggiungere anche un milione di gradi. Ora, questo è un problema: infatti la temperatura della superficie del Sole è di soli circa 5500 gradi.

La domanda grossa qui è: come fa la corona ad avere questa temperatura così elevata?

Tra le varie teorie proposte, c’è lo zampino di Eugene Parker, il quale ha proposto il fenomeno dei nanoflare: il campo magnetico solare subisce delle modifiche tali per cui innesca dei moti nel plasma su scale molto piccole. Siccome si tratta di moti che avvengono in piccole regioni, allora l’energia trasmessa dal campo magnetico solare è immediatamente dissipata sotto forma di calore.

Questa sembrerebbe una buona spiegazione del perché la corona abbia una temperatura così elevata, ma c’è un problema: i nanoflare non sono mai stati osservati finora.

E allora, dal punto di vista scientifico, che si fa? Bravi, si va in cerca di evidenze sperimentali: per questo è stata lanciata la Parker Solar Probe.

Poi, chissà, magari con i dati della Parker Solar Probe scopriamo che non è colpa dei nanoflare ma il motivo è un altro. Non importa: la scienza farà il suo lavoro gettando via la teoria che non torna con i dati e tirandone fuori un’altra. Questo, tra l’altro, vorrà dire che avremo scoperto qualcosa di nuovo.

Come si forma il vento solare?

Il vento solare è composto da particelle cariche elettricamente (plasma) che sfuggono dal Sole e arrivano a incontrarsi con i campi magnetici dei pianeti del sistema solare.

Vento solare dai dati NASA STEREO (Crediti: Craig DeForest, SwRI)

Queste particelle sono rilasciate dalla corona solare: vicino al Sole sono controllate dal campo magnetico solare, poi a un certo punto, il flusso di queste particelle diventa più turbolento e non controllato: siamo nella zona del vento solare.

Funziona più o meno così: avete presente un piccolo getto d’acqua? Prima il getto è compatto, poi dopo un po’ lo è meno e tutto il getto si disperde in gocce. Ecco, al plasma solare accade la stessa cosa, solo che non abbiamo capito bene perché.

Quando finisce la corona, inizia il vento solare. Così, all’improvviso.

In realtà, qualche idea in giro tra gli astrofisici c’è, ma niente di definitivo. Ecco allora un buon motivo per spedire una sonda a raccogliere dati.

Come farà la sonda a resistere a temperature così elevate?

Per studiare bene la corona solare e il vento solare, l’unica cosa da fare è avvicinarsi parecchio al Sole, immergersi nella corona solare.

E infatti Parker Solar Probe farà proprio così. La corona solare si estende per circa 32 milioni di km a partire dalla superficie del Sole. Parker Solar Probe si posizionerà, nel punto di massimo avvicinamento al Sole, a 6 milioni di km.

Non so se mi spiego, vicinissimi al Sole andiamo stavolta.

Una faccenda che abbiamo lasciato in sospeso è la seguente: come farà Parker Solar Probe a resistere nella corona solare visto che le temperature sono oltre il milione di gradi? Bella domanda.

Innanzitutto una precisazione: la temperatura è una cosa, il calore è un’altra.

La temperatura è un indicatore del moto delle particelle che ci sono nella corona. Temperatura alta, particelle più veloci, così a naso. Poi però c’è il calore, cioè l’energia che queste particelle riescono a trasferire a un altro corpo.  Ora, le particelle della corona solare si muovono parecchio: per questo hanno una temperatura di un milione di gradi. Però sono poche: quindi non riescono a trasferire in maniera efficiente la loro energia, cioè il calore.

Quindi, in realtà, Parker Solar Probe non dovrà resistere a temperature di un milione di gradi, ma più basse. Certo, non basterà una buona crema solare ma la NASA ha progettato per la sonda uno scudo termico in grado di resistere a temperature di circa 1400 gradi.

Ma arrivare vicino al Sole non è facile come sembra

Potrebbe sembrare strano, ma è più facile mandare una sonda su Marte che vicino al Sole. Cioè, tecnicamente proprio, è più facile spedire una sonda lontano dal Sole piuttosto che dalle sue parti. Ma come è possibile?

Sembra totalmente controintuitivo, eppure ora vi farò vedere che in realtà ha tutto perfettamente senso.

Il Sole governa il sistema solare grazie al fatto che ha una massa enorme e quindi tutti i pianeti sentono la sua enorme gravità. Come risultato, tutti i pianeti sono tenuti al guinzaglio gravitazionale del Sole. Però i pianeti, pur sentendo la gravità del Sole, non ci cadono direttamente sopra come una mela cade dall’albero.

Il motivo di questa cosa lo avevo già raccontato su Quantizzando: i pianeti hanno anche una velocità tangenziale. Immaginate di avere una pallina in mano: se la lasciate, allora cadrà verso il pavimento inesorabilmente; se invece le date una velocità in avanti, allora prima di toccare il pavimento descriverà una breve orbita parabolica. Stessa cosa vale per i razzi lanciati dalla Terra.

La Terra si muove di lato mentre cade sul Sole: ecco perché gira intorno al Sole.

Anzi, c’è un problema in più: anche se puntassimo la sonda diritta contro il Sole, siccome la lanciamo dalla Terra e il nostro pianeta si sta muovendo di lato, allora la sonda avrà anche una certa velocità laterale, uguale proprio a quella della Terra. E quindi mancherà il bersaglio, cioè il Sole.

Se la Terra si muove di lato, anche una sonda lanciata da Terra si muoverà di lato un poco.

L’unica cosa che si può fare è cercare di ridurre quella velocità laterale, cioè cercare di trovare un modo per frenare la sonda di lato. Per fortuna il modo esiste: si può frenare una sonda grazie all’effetto fionda gravitazionale.

In pratica, si lancerà la Parker Solar Probe verso Venere: la gravità di Venere farà frenare gradualmente la sonda, la quale in questo modo orbiterà intorno al Sole nella maniera desiderata. Saranno necessari ben sette incontri ravvicinati con Venere per ottenere ciò che vogliono alla NASA. La sonda, nel momento di massimo avvicinamento al Sole, avrà una velocità di 700 mila km orari.

Meno male che c’è Venere.

Ma perché studiamo il Sole?

Ci sono diversi motivi per cui siamo interessati al Sole, alla corona e al vento solare. n realtà, alla fine, l’unico motivo che ci guida è  la curiosità di capire come funzionano le cose nell’universo: fare ricerca e applicare il metodo scientifico per capire come stanno le cose e qual è il modo migliore per intepretare i fenomeni che osserviamo. 

Comunque, per i più esigenti con le motivazioni, ecco una breve lista che riporto dal sito della missione Parker Solar Probe:

  1. Il Sole è l’unica stella che possiamo studiare da vicino. Studiamo bene una stella per studiarle bene tutte, insomma.
  2. Il Sole permette la vita sulla Terra. Se capiamo bene come funziona il Sole, capiamo meglio come si è sviluppata la vita sulla Terra.
  3. Il vento solare alla fine arriva sulla Terra e interagisce con il campo magnetico. Certo, produce le aurore, ma può anche creare problemi alle orbite dei satelliti o in generale con la loro strumentazione. Capire come funziona il vento solare aiuta ad avere la tecnologia che ci serve sulla Terra bella e funzionante, e inoltre a sprecare meno soldi per manutenzioni varie.
  4. Non solo verso la Terra: il vento solare è ovunque nel sistema solare. Conoscere bene le proprietà del vento solare ci permette di essere preparati quando inviamo sonde e astronauti nello spazio.

A presto con nuovi aggiornamenti

Dunque, credo di aver raccontato quasi tutto.

Il primo incontro della sonda con il Sole avverrà a novembre 2018 e i primi dati ci arriveranno a dicembre 2018.

Quindi continuate a leggere e seguire Quantizzando: parleremo presto di nuovo di questa straordinaria missione spaziale.

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