Potrebbe essere stato misurato per la prima volta un terremoto su Marte

La NASA ha riportato la notizia secondo cui dai dati della sonda InSight su Marte sarebbe stato rilevato il primo terremoto sul pianeta rosso (o, se volete, martemoto).

Il segnale è stato ottenuto dal sismometro SEIS, uno degli strumenti che InSight ha sganciato e poggiato sulla superficie di Marte.

Questo scatto mostra il momento in cui il braccio meccanico della sonda InSight ha poggiato il sismometro SEIS sulla superficie di Marte, il 19 dicembre 2018. (Crediti: NASA/InSight)

Non siamo ancora sicuri si tratti di un terremoto marziano, però molto probabilmente il segnale è dovuto a qualche fenomeno che è accaduto sotto la superficie di Marte, da cui l’ipotesi del terremoto.

Il segnale misurato da SEIS

Nel brevissimo video qui sotto è mostrato il segnale misurato (indicato con LIKELY MARSQUAKE) messo a confronto con il segnale dovuto al vento marziano (MARS WIND) e il segnale registrato dal movimento del braccio robotico (ROBOTIC ARM). Il suono che sentirete è stato reso udibile all’orecchio umano, perché se foste su Marte non sentireste nulla con il semplice supporto di un orecchio umano.

Il segnale è stato registrato il 6 aprile 2019, giorno 128 della missione InSight (anzi Sol 128, visto che i giorni marziani sono chiamati Sol).

Sebbene questo sia il primo segnale di un probabile terremoto marziano, esso comunque non è il primo segnale in assoluto registrato dal sismometro SEIS. Un primo segnale infatti era stato già registrato il 14 marzo 2019 (Sol 105), ma si trattava di un segnale troppo debole; stessa cosa per i segnali registrati più di recente, il 10 aprile (Sol 132) e l’11 aprile 2019 (Sol 133). Naturalmente, anche questi tre eventi con segnale più debole sono ancora sotto esame per determinare l’origine di ciò che è stato misurato.

I terremoti marziani ci parlano di Marte

Se il segnale del 6 aprile 2019 fosse confermato come quello di un terremoto marziano allora sarebbe una notizia davvero molto importante.

Infatti le onde sismiche possono viaggiare per lunghe distanze nell’interno di un pianeta e attraversare i materiali di cui è composto un pianeta (questo vale non solo su Marte, ma anche sulla Terra). Ciascun materiale ha il suo modo di interagire con le onde sismiche: per questo, studiare i terremoti su Marte può dirci davvero molto su com’è fatto il pianeta rosso al suo interno. Tra l’altro, la NASA non ha fatto le cose a caso: la zona di atterraggio di InSight su Marte è nei pressi del monte Elysium, una regione che potrebbe essere stata molto attiva per quanto riguarda vulcani e terremoti nel recente passato, da 1 a 10 milioni di anni fa, un lasso di tempo molto breve se si considerano i tempi di formazione ed evoluzione dei pianeti (che si contano in miliardi di anni).

Una sfida per gli ingegneri

Già non è facile misurare i terremoti sulla Terra, figurarsi su Marte. Infatti il sismometro SEIS è una bella sfida, non c’è dubbio.

Come avete già visto dalla prima foto di questo post, il sismometro SEIS è coperto da una specie di scudo: questo perché su Marte ci sono tempeste di sabbia e forti escursioni termiche tra giorno e notte (si arriva fino a 94 gradi Celsius di differenza). Questo della temperatura è il problema più grosso: i sismometri sono molto sensibili alle variazioni di temperatura. Per questo SEIS è stato necessario isolare tutte le parti più sensibili del sismometro con un complesso sistema di sfere in grado di fare ciò.

Come direbbe qualcuno, oh ragassi, stiamo cercando di misurare i terremoti su Marte, mica siam qui a rompere le noci a Cip e Ciop.

La prima foto di un buco nero: tutte le cose da sapere

Abbiamo finalmente la prima storica foto di un buco nero: in questo post vi racconto tutte le cose più importanti da sapere a riguardo.

Il 10 aprile 2019 è stata un’importante giornata scientifica, una di quelle giornate difficili da dimenticare. Alzi la mano chi ha detto WOW.

Ieri, per la prima volta nella storia, abbiamo visto com’è fatto da vicino uno dei luoghi più inaccessibili dell’universo: un buco nero. Per la precisione, il buco nero supermassivo che si trova verso il centro della galassia M87.

A questo link trovate il comunicato stampa dell’ESO, dove trovate anche tutti gli articoli scientifici.

Il buco nero osservato ha una massa di 6,5 miliardi di volte la massa del Sole; la galassia M87 si trova a 55 milioni di anni luce da noi. Quindi, in sostanza, la foto mostra ciò che accadeva da quelle parti 55 milioni di anni fa.

L’immagine è stata ottenuta dalla collaborazione internazionale Event Horizon Telescope: oltre 200 scienziati, di diverse nazioni, hanno lavorato a questo progetto per più di 20 anni. I dati che vediamo oggi nell’immagine del buco nero sono parte delle osservazioni concluse nell’aprile 2017. La mole di dati (dell’ordine di petabyte) da analizzare era così elevata che ci sono voluti quasi due anni per arrivare allo storico annuncio. Un lavoro enorme, ma anche grandi soddisfazioni, come testimonia la foto qui sotto: è la scienziata Katie Bouman mentre emozionata guarda la prima ricostruzione in assoluto dell’immagine del buco nero di M87.

Qualche giorno fa avevo scritto un post sempre su questo blog dove vi raccontavo come si fa a ottenere un’immagine simile e consiglio la lettura di quel post prima di procede (qualora non lo abbiate già fatto). L’articolo in questione lo trovate a questo link:

Come fa Event Horizon Telescope a fotografare un buco nero

Dopo la sbornia di WOW, oggi vorrei provare a raccontarvi perché questa immagine è importante, che cosa possiamo imparare e come potrebbe cambiare il futuro dell’astrofisica. Pronti?

Questa foto conferma la teoria della relatività generale

Per prima cosa dobbiamo dire che l’immagine del buco nero di M87 è una conferma ulteriore della validità della teoria della relatività. I dati associati all’immagine sono consistenti con il fatto che ciò che è mostrato nella foto è un buco nero con un orizzonte degli eventi e che ruota in senso orario.

Per fare ciò si è fatto come sempre: si sono preparati dei modelli con vari parametri (massa, rotazione, per esempio) e si sono confrontati con i dati osservati. Guardate qui sotto le simulazioni teoriche (immagine a sinistra, fila in basso) con le osservazioni reali (immagine a destra): incredibile!

Cioè, questo vuol dire che la teoria della relatività prevede e spiega l’osservazione di questo tipo di fenomeni. Ora, magari in futuro i dati dell’Event Horizon Telescope ci diranno che con dati più accurati verrà fuori qualche discrepanza con la relatività. Sarebbe bello perché vorrebbe dire che avremmo una nuova teoria da capire (e non vorrebbe dire che dovremmo abbandonare la relatività, visto che ha funzionato finora).

Per il momento comunque la relatività se la cava alla stragrande. Complimenti Albert Einstein.

Anzi, a dirla tutta e a dire il vero, complimenti Karl Schwarzschild: Einstein tirò fuori dal cilindro la relatività, ma fu Schwarzschild a risolvere le equazioni che descrivono un buco nero. Infatti, quando si parla di buchi neri si ha spesso a che fare con il nome di Schwarzschild, come vedremo tra poco.

Che cosa c’è nell’immagine del buco nero

Dunque, al centro abbiamo una regione oscura, nel senso che non emette luce: lì dentro c’è il buco nero. Ma attenzione: quella regione oscura non è il buco nero. Il buco nero è circa al centro della zona oscura.

Il buco nero è delimitato da una regione chiamata orizzonte degli eventi. Il confine dell’orizzonte degli eventi si trova (più o meno, dipende se il buco nero ruota o meno) a una distanza dal buco nero chiamata raggio di Schwarzschild (che si indica con rs) Se si supera l’orizzonte degli eventi non è più possibile comunicare con il mondo esterno, e viceversa da fuori non è possibile comunicare con ciò che c’è oltre l’orizzonte degli eventi.

Ma l’orizzonte degli eventi, nell’immagine dell’Event Horizon Telescope, non si trova al limite della zona oscura, perché c’è dell’altro. Fuori dall’orizzonte degli eventi infatti c’è una regione chiamata sfera fotonica: si chiama così perché a questa distanza la luce (i fotoni) sono costretti a stare su orbite. La sfera fotonica si trova a una distanza pari a 1,5 raggi di Schwarzschild dal buco nero.

Nella GIF qui sotto potete vedere il significato della sfera fotonica: il cerchio scuro più interno è il buco nero delimitato dall’orizzonte degli eventi; la circonferenza più esterna è la sfera fotonica. Se inviamo dei raggi di luce (dei fotoni) verso il buco nero, vedete che ci cadono tutti dentro. Per avere un raggio che non cade nel buco nero bisogna inviarlo a una distanza di 2,6 raggi di Schwarschild dal centro (dove si trova effettivamente il buco nero).

Quindi questo vuol dire che quando guardiamo verso un buco nero, in realtà vediamo buia una regione più grande di quella che effettivamente corrisponde al buco nero e all’orizzonte degli eventi; per esempio, sempre nella GIF qui sopra, fatta per un buco nero non rotante, la regione buia si estende ben oltre l’orizzonte degli eventi fino a 2,6 raggi di Schwarzschild. Possiamo chiamare la regione scura l’ombra del buco nero: questa ombra è proprio ciò che abbiamo osservato.

E ora veniamo alla parte visibile.

Il modello che abbiamo per il nucleo della galassia M87 è quello di un disco di gas, chiamato disco di accrescimento, che ruota attorno al buco nero supermassivo, si comprime e si riscalda tantissimo (fino a temperature di qualche miliardo di gradi Celsius) e cade dentro al buco nero. Quindi dobbiamo immaginare un disco che emette luce attorno al buco nero. Con EHT abbiamo osservato la luce radio, per esempio.

Il gas in questo disco di accrescimento gira e, per quello che abbiamo misurato, gira in senso orario: quindi c’è una parte di gas che si muove tecnicamente nella nostra direzione e una parte di gas che si muove in direzione opposta. Il gas che si muove verso di noi, nell’immagine, è quello più brillante: questo effetto si chiama beaming relativistico. Quando del materiale che emette luce si muove a velocità prossime a quelle della luce, la sua luminosità apparente dipende dalla direzione del moto: l’effetto finale è che vediamo una parte del disco più luminosa dell’altra, a causa del moto del gas.

Tra l’altro, giusto per inciso, oltre al disco di accrescimento, la regione in cui si trova il buco nero supermassivo di M87 produce anche dei getti di materiale, già osservati nel 1918 dall’astronomo H.D. Curtis. Per questo motivo si dice anche che M87 ha un nucleo galattico attivo (AGN in inglese, che sta per Active Galactic Nucleus)

Ma torniamo alla foto del buco nero. La luce emessa dal gas, inoltre, subisce l’effetto di lente gravitazionale. Quando la luce attraversa una regione di spaziotempo in cui c’è un oggetto molto massivo, essa curva la sua traiettoria.

Un esempio di lente gravitazionale: la stella si trova dietro al Sole, ma il Sole con la sua massa curva lo spaziotempo. Di conseguenza anche la traiettoria della luce della stella curva e noi vediamo la stella in un’altra posizione apparente.

Siccome più un oggetto è massivo, più sarà curvo lo spaziotempo, più saranno grandi gli effetti di curvatura della luce, allora i buchi neri sono il luogo dove gli effetti di lente gravitazionale sono portati all’estremo.

Quindi, nel caso di un disco di accrescimento visto di taglio per esempio, noi vedremo la parte di disco dietro al buco nero tutta distorta a causa della lente gravitazionale.

Esempio di lente gravitazionale per il caso particolare di un disco di accrescimento visto di taglio.

Tuttavia, il disco di accrescimento del buco nero di M87 è visto praticamente di faccia (face-on si dice, cioè come se fosse un quadro appeso a un muro).

Comunque sia, studiare le caratteristiche dell’immagine del disco è un altro buon modo per testare la relatività generale: i dati dell’immagine del buco nero di M87 possono aiutarci a controllare ancora meglio se la relatività funziona bene (e per ora lo fa, ma chissà con i futuri dati).

Questo è un altro modo per testare la relatività generale: le lenti gravitazionali sono previste e descritte all’interno della teoria di Einstein e quindi i dati dell’immagine del buco nero di M87 possono aiutarci a controllare ancora meglio se la relatività funziona bene (e per ora lo fa, ma chissà con i futuri dati).

Nuovi dati, altri buchi neri

In futuro avremo sicuramente i primi dati di un altro buco nero supermassivo, quello che si trova al centro della nostra Via Lattea e che si chiama Sagittarius A* (probabilmente non prima del 2020, come riportato dalla scienziata Elisabetta Liuzzo durante una puntata di Radio3Scienza, minuto 18:20). Poi verranno aggiunti altri radiotelescopi al progetto Event Horizon Telescope; questo permetterà di campionare meglio i dati del buco nero e così aumentare la risoluzione in modo da avere immagini più nitide.

Grandi cose ci aspettano.

Come fa Event Horizon Telescope a fotografare un buco nero?

Mercoledì 10 aprile verranno resi noti i primi risultati di Event Horizon Telescope, il progetto che mira a “fotografare” un buco nero. Nell’attesa trepidante di domani, oggi vi racconto come funziona Event Horizon Telescope.

Mercoledì 10 aprile 2019, nel primo pomeriggio, ci sarà un’attesissima conferenza stampa dell’ESO in cui verranno mostrati i primi risultati dell’analisi dati dell’Event Horizon Telescope (EHT, in breve).

Non sappiamo oggi esattamente che cosa verrà annunciato tra 24 ore; tutti ci aspettiamo una primissima immagine delle regioni vicinissime all’orizzonte degli eventi di un buco nero; probabilmente del buco nero supermassivo al centro della Via Lattea, buco nero che si chiama Sagittarius A* oppure del buco nero della galassia M87, molto più distante di Sagittarius A* ma anche molto più grosso.

Tutti ci aspettiamo questo tipo di notizia perché EHT è stato progettato proprio per questo motivo.

Visto che quando avremo i risultati ci sarà sicuramente molto da dire, ho preferito raccogliere in questo post come funziona EHT, così da dedicarci poi domani alla notizia in maniera più dettagliata.

Che cos’è un buco nero?

La teoria della relatività di Einstein dice che noi tutti siamo immersi in una struttura chiamata spaziotempo formata da tre coordinate spaziali e una temporale. Ogni osservatore, a seconda delle condizioni fisiche in cui si trova, misura le proprie distanze e i propri tempi, che non sono per forza gli stessi di un altro osservatore. Per condizioni fisiche si intende, per esempio, la quantità di massa che c’è nei dintorni dell’osservatore: più massa c’è, più la struttura dello spaziotempo sarà diversa da quella di un osservatore che non ha massa attorno.

Se la struttura dello spaziotempo è modificata dalla presenza di massa, si dice in gergo che quella regione di spaziotempo ha una certa curvatura. La relatività dice che più grande è la massa, più grande è la curvatura.

Un buco nero è una regione di spaziotempo che ha curvatura infinita. Si tratta di un concetto un po’ difficile da immaginare ma in sostanza bisogna pensare a una massa molto grande concentrata in uno spazio molto piccolo.

Per esempio, un buco nero supermassivo è un oggetto che può avere una massa di milioni o miliardi di volte la massa del Sole concentrata in un solo punto dello spaziotempo. Sì, è incredibile, ma queste cose esistono davvero.

Che cos’è l’orizzonte degli eventi di un buco nero?

Come dicevo prima, ogni osservatore descrive lo spaziotempo in modo relativo. Un osservatore che si trova abbastanza lontano da un buco nero non può osservare esattamente il punto in cui si trova un buco nero ma deve fermarsi a una regione chiamata orizzonte degli eventi. Per questo, anche se usassimo i più potenti mezzi tecnologici dell’universo, non aspettiamoci di vedere oltre l’orizzonte degli eventi di un buco nero. Comunque sia, la materia può superare l’orizzonte degli eventi, anche se noi non siamo in grado di vedere da lontano questo fenomeno.

Inoltre, se c’è della materia attorno a un buco nero, ciò che si osserva è un disco luminoso attorno all’orizzonte degli eventi: questo perché la gravità di un buco nero è molto grande, la materia si scalda ed emette luce.

Com’è fatto EHT?

Event Horizon Telescope è un insieme di radiotelescopi sparsi sul nostro pianeta che hanno come obiettivo quello di osservare direttamente un buco nero e di ricavare un’immagine.

I telescopi che fanno parte di EHT sono mostrati in questa mappa.

Event Horizon Telescope è fatto di radiotelescopi per un motivo molto semplice: avere una risoluzione angolare alta. Un buco nero è un punto dello spaziotempo e, anche se l’orizzonte degli eventi invece è una regione finita dello spazio, stiamo sempre parlando di un oggetto piccolo, sebbene supermassivo. In più, il buco nero Sagittarius A* è al centro della nostra galassia, quindi non proprio dietro l’angolo: è come se volessimo fotografare da Terra un’arancia sulla Luna, insomma.

La risoluzione di un telescopio è la capacità di distinguere i dettagli di una sorgente posta a una certa distanza. In generale, più è grande un telescopio più è alta la risoluzione.

L’idea che sta dietro EHT è quella di mettere insieme più radiotelescopi per aumentare la risoluzione. Siccome costruire un’antenna grande come l’Oceano Pacifico non è proprio facilissimo, allora si sfrutta una tecnica chiamata interferometria che permette di usare tanti piccoli telescopi per simulare il comportamento di un telescopio molto grande.

Event Horizon Telescope è composto di radiotelescopi perché osserverà le onde radio emesse nei dintorni dell’orizzonte degli eventi del buco nero.

Come funziona EHT? Come esce fuori una foto del buco nero?

Il principio dell’interferometria è quello di un’onda che attraversa dei fori.

In pratica, un’onda piana (segnale di partenza) quando attraversa due fori si scompone in una serie di onde sferiche che si sommano tra loro in modi diversi. Alla fine il segnale osservato sarà una roba complicata proprio somma di queste onde sferiche. Da questo segnale osservato si può risalire, con la matematica delle trasformate di Fourier per esempio, al segnale originario.

Con l’interferometria dei radiotelescopi accade una cosa simile: al posto del segnale di partenza abbiamo le onde radio provenienti dalle regioni intorno a un buco nero, i due fori sono due radiotelescopi a una certa distanza e il segnale osservato è ciò che vogliamo: l’immagine di un buco nero.

Il vantaggio è che in questo modo l’osservazione finale avrà una risoluzione pari a quella di un ipotetico telescopio grande come la distanza tra i due radiotelescopi piccoli, quindi una risoluzione molto grande.

Ma allora basta mettere due radiotelescopi lontanissimi e avere una risoluzione enorme?

E infatti non è così semplice. Questo perché una coppia di radiotelescopi è in grado di campionare solo il segnale a una certa risoluzione angolare ma…per tutte le altre scale angolari? Servono altre coppie di radiotelescopi a diverse distanze tra loro. Ecco perché di solito si ha quello che si chiama array di telescopi quando si fa interferometria radio.

Ovviamente, non abbiamo un numero infinito di radiotelescopi e quindi non possiamo campionare tutte le scale angolari. Avremo accesso solo a parte delle informazioni e quindi tocca ricostruire ciò che non osserviamo.

Il problema è che tecnicamente possono esserci più ricostruzioni associate ai dati raccolti da EHT.

A sinistra: una simulazione di come potrebbe essere realmente il buco nero.
Al centro: misure che potrebbe fare EHT sull’immagine a sinistra.
A destra: ci sono infinite ricostruzioni che vanno d’accordo con le misure.
(Crediti: https://eventhorizontelescope.org)

E quindi? Beh, non tutte le ricostruzioni hanno la stessa probabilità di essere corrette.


Un algoritmo è in grado di distinguere tra ricostruzioni più o meno probabili
(Crediti: https://eventhorizontelescope.org)

E quindi alla fine il processo di ricostruzione porta ad avere una foto, tra virgolette, del buco nero.

E alla fine ci portiamo a casa la ricostruzione più probabile, cioè la foto del buco nero. (Crediti: https://eventhorizontelescope.org)
E adesso aspettiamo il 10 aprile

L’annuncio di domani sarà storico. Si tratta di un’impresa scientifica molto importante che ci permetterà di capire molte cose. Avremo nuovi dati per testare la teoria della relatività e per provare a capire perché c’è un oggetto di 4,3 milioni di volte la massa del Sole al centro della nostra galassia o comunque oggetti di miliardi di volte la massa del Sole al centro delle galassie in generale.

Comunque domani ne parliamo su Quantizzando e sui vari social media.

Potete seguire Quantizzando su Instagram, Twitter, Facebook.