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Un aiuto (spero utile) per chi deve fare la seconda prova di matematica e fisica alla maturità del liceo scientifico

Quest’anno, come ogni anno, le ragazze e i ragazzi del liceo scientifico dovranno affrontare la temutissima seconda prova dell’esame di stato. Argomento: matematica e fisica; ovvero, un mix letale di esercizi di fisica che richiedono nozioni avanzate di matematica, e viceversa.

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Il Sole visto da vicino sembra riso soffiato caramellato

Se c’è una cosa che sappiamo tutti è che non bisogna MAI guardare direttamente il Sole: la nostra vista potrebbe essere compromessa da ciò. Gli occhiali da sole sono un minimo filtro, vero, ma per guardare direttamente quella sfera calda e infernale che è la nostra stella sarebbe meglio indossare filtri appositi. Tuttavia, nel 2020, la tecnologica ci permette di guardare uno dei posti più roventi che conosciamo nel nostro vicino universo, addirittura semplicemente guardando un video. Vediamo come.

Il Sole è una palla fatta da un mare di particelle cariche elettricamente (questo mare è detto plasma) e circondata da un campo magnetico.

La cosa non deve soprendere: le particelle cariche, per il solo fatto di essere cariche generano un campo elettrico; poi, se si muovono, allora generano un campo magnetico. Quindi a seconda di come si muove, il plasma modifica le caratteristiche del campo magnetico, siccome è proprio il plasma a generarlo.

Un campo magnetico è qualcosa che conosciamo tutti: prendiamo una calamita e spargiamo della limatura di ferro tutto attorno. Che cosa succede? La limatura si distribuisce in un modo tale da creare delle linee, dette linee del campo magnetico, che vanno dal polo nord al polo sud della calamita.

Possiamo immaginare il Sole come una grossa calamita spaziale: se spargessimo della limatura di ferro attorno al Sole, essa si distribuirebbe proprio seguendo l’intensità del campo magnetico attorno al Sole.

Fin qua tutto bene. Ma le calamite sono oggetti solidi, stabili. La superficie del Sole è invece composta da un plasma che sembra bollire, in continuo movimento. Queste cariche elettriche in moto modificano continuamente la struttura del campo magnetico del Sole (cioè le linee del campo magnetico, per capirci). Queste linee addirittura possono intrecciarsi, aprirsi e fare altri giochi strani.

Quando questi fenomeni accadono, le particelle che si trovano nei pressi della superficie solare, come la limatura di ferro, non fanno altro che accodarsi e seguono la nuova struttura delle linee del campo magnetico. Spesso, quando tutto questo accade, tempeste di particelle cariche sono scagliate verso i pianeti del Sistema solare e quindi, per quanto concerne noi, verso la Terra. Non solo si formano aurore polari molto intense, ma a volte le telecomunicazioni sul nostro pianeta possono subire dei danni. Ciò che voglio cercare di dire è che è importante studiare l’interazione tra plasma e campo magnetico solare nel maggiore dettaglio possibile.

Ed ecco che entra in gioco, a questo punto della storia, il telescopio solare Daniel K. Inouye, dal nome di un senatore americano che non è più tra noi.

Il telescopio Inouye si trova alle Hawaii (dove, tra l’altro, qualcuno protesta contro la costruzione di nuovi telescopi, ma vabbè) ed è il più grande osservatorio solare sulla Terra. Questo telescopio con uno specchio di 4 metri di diametro, e con la tecnologia dell’ottica adattiva, è in grado, dalla Terra, di avere una risoluzione incredibile, superando tutti i problemi dovuti alla turbolenza atmosferica. E, giusto per mettere in chiaro le cose, in questi giorni la collaborazione al lavoro al telescopio Inouye ha reso pubbliche le prime immagini ottenute con questo strumento della superficie del Sole.

E niente, lascio giudicare a voi, che intanto io sono ancora a bocca aperta.

Sbalorditivo, sembra uno strato di riso soffiato caramellato (che buono!).

Questo video mostra con una capacità risolutiva pazzesca, a velocità aumentata, che cosa succede in 10 minuti sulla superficie del Sole. Come vedete il plasma ribolle, si muove, si agita. Questo video mostra uno spicchio di 30 km di superficie del Sole: pensate, per fare un confronto e capire la potenza del telescopio Inouye, che il diametro del Sole misura 1,4 miliardi di km. E questo è solo il primo assaggio di ciò che il telescopio Inouye può fare. Poffarbacco.

Questi movimenti del plasma da studiare sono tutto ciò che vogliono gli astrofisici. In generale noi creiamo dei modelli per quando riguarda il funzionamento del Sole: siccome non possiamo guardarci dentro, ipotizziamo che accadano certi fenomeni all’interno del Sole, in grado poi di produrre (sempre secondo le nostre ipotesi) degli effetti misurabili in superficie. A quel punto prendiamo un telescopio e andiamo a misurare dei dati per poi confrontarli con le nostre teorie.

I dati del telescopio Inouye ci costringono a creare modelli sempre più dettagliati, locali e precisi. Naturalmente, non è che buttiamo i modelli vecchi: i nuovi modelli locali devono essere in grado, se approssimati, di essere compatibili con i modelli su scala maggiore. Comunque sia, l’obiettivo è sempre quello: studiare il plasma ad alta risoluzione e confrontare modelli teorici e dati per capire meglio come funzionano il Sole e il suo campo magnetico.

Devo dire che è abbastanza impressionante avere a disposizione immagini di questo tipo: le stelle sono i mattoncini fondamentali di tutto l’universo, si formano ovunque, continuamente, illuminano l’universo e al loro interno avvengono massicci fenomeni di fusione nucleare. Sapere che dalla cima di una montagna del nostro pianeta siamo in grado di raggiungere un posto così infernale, magari stando seduti su una comoda sedia girevole, è un confortante indicatore che l’astronomia abbia davvero fatto passi da gigante.

La pulsar dei Joy Division

I Joy Division sono stati un gruppo britannico fondato nel 1977 e sciolto nel 1980 per motivi direi tragici, cioè la morte di Ian Curtis, il frontman dei Joy Division. La band è durata solo tre anni ma avuto tempo di creare un capolavoro musicale: il disco Unknown Pleasure, la cui cover è l’immagine di questo post.

Se non avete mai ascoltato questo album ritagliatevi un’ora e fatelo subito.

Voi direte: ma perchè parliamo di musica su Quantizzando, sebbene si tratti di gran musica? Cioè, voi vi starete chiedendo quale sia il nesso con l’astrofisica. Beh, il nesso è proprio nella cover di Unknown Pleasure.

Quelle linee che sembrano non avere alcun significato, in realtà sono una misura astrofisica: è ciò che abbiamo ottenuto guardando una stella di neutroni pulsare.

Nel dettaglio, si tratta del segnale vero osservato nel 1970 degli impulsi radio di una pulsar, ovvero di una stella di neutroni come dicevo.

Il segnale della cover in questione fu osservato da Harold Craft, uno studente di dottorato che nel 1970 lavorava all’osservatorio di Arecibo, in Puerto Rico. Craft ci fece la tesi di dottorato grazie a questa immagine e questi dati: mise insieme impulsi brevi e lunghi della stella di neutroni per provare a capire come si originassero quegli impulsi.

A dire il vero, Craft all’inizio non aveva la minima idea che la sua immagine fosse poi stata scelta per la cover dell’album proprio dai Joy Division. Inutile dire che, una volta saputo, Craft subitò acquisto una copia dell’album.

La stella di neutroni della cover ha un nome: si chiama CP1919 e, come vi dicevo, fu osservata e studiata da Craft con il gigantesco telescopio di Arecibo, grande 305 metri e inaugurato il 1 novembre 1963.

Il radiotelescopio di Arecibo, e in generale tutto Puerto Rico, ha passato un brutto momento quando nel 2017 arrivò, purtroppo, l’uragano Maria a spazzare via tutto.

Molti poi, ne sono certo, si ricorderanno di Arecibo anche per questa scena di 007 GoldenEye, con uno dei miei Bond preferiti: Pierce Brosnan.

Ma torniano un attimo alla pulsar CP1919.

CP1919 fu scoperta qualche anno prima delle osservazioni di Craft: a scoprire questa stella di neutroni fu l’astrofisica Jocelyn Bell-Burnell nel 1967.

Jocelyn Bell-Burnell negli anni Sessanta.

In quel periodo, Jocelyn Bell-Burnell stava svolgendo il suo dottorato di ricerca a Cambridge sotto la supervisione di Antony Hewish. Bell-Burnell si occupava di studiare quasar con i dati dei radio telescopi. Non solo: insieme ad altri costruì proprio materialmente un radio telescopio.

Bell-Burnell, a destra, durante la costruzione di un radio telescopio nelle desolate campagne inglesi.

Il radio telescopio costruito dalla squadra di Bell-Burnell era molto grande: consisteva in una serie di antenne fatte di fili metallici sparse su un campo. Siccome era molto grande, il radio telescopio fatto in casa aveva anche la possibilità di intercettare molte interferenze. Certo, forse nel 1967 non era come oggi dove qualsiasi dispositivo crea interferenza, però comunque bisognava stare attenti.

Inoltre, a proposito di dispositivi, i dati raccolti non erano dei semplici file da analizzare al computer: Bell-Burnell si trovava ogni giorno a guardare attentamente, con i suoi occhi, lunghi fogli pieni di dati, alla ricerca sia di quasar da studiare, sia di interferenze da scartare.

Un lavoraccio assurdo, ma svolto con grande perizia.

Mentre Bell-Burnell guardava e riguardava quei dati, alla fine notò una sorgente particolare che non era evidentemente un’interferenza: era la sorgente CP1919. Presto si notò che la sorgente emetteva impulsi molto regolari e fu una cosa clamorosa, giusto per dirla con un diffuso intercalare molisano.

Addirittura, fu così clamoroso che all’inizio si penso agli alieni e la sorgente fu chiamata LGM-1, cioè Little Green Man numero 1. Qualche tempo dopo poi però fu confermata l’origine pienamente astrofisica della sorgente e ciaone alieni: si trattava di una stella di neutroni pulsante ed era la prima volta nella storia che se ne vedeva una.

Secondo me, Bell-Burnell per questa scoperta avrebbe meritato decisamente un premio Nobel per la fisica, voi che dite? Lo so che anche voi siete d’accordo, ma evidentemente a Stoccolma devono pensarla diversamente visto che il premio Nobel per la scoperta di CP1919 fu assegnato sì, ma a Antony Hewish, il supervisore di dottorato di Bell-Burnell. Insomma, un’ingiustizia assolutamente clamorosa.

Nel 2018 Bell-Burnell ha avuto una rivincita, comunque: ha vinto 3 milioni di dollari del Breakthrough Prize. E sapete che cosa ci ha fatto con tutti quei soldi? Li ha donati per farne borse di studio per future scienziate. Una classe immensa, stima totale.

Questa era una storia di scoperte meravigliose, disastri naturali incalcolabili, film che possono piacere o meno, delusioni inconcepibili, ottima musica. Spero vi sia piaciuta.

Jocelyn Bell-Burnell, un’astrofisica con un’intelligenza e un’etica a cui tutti dovremmo ispirarci.

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Una nebulosa, a 5000 anni luce, grande in cielo quanto la Luna

Questa nella foto è la nebulosa Trifida, si trova a 5000 anni luce da noi e in cielo può essere localizzata nella costellazione del Sagittario.

Trovarla non è difficile: bisogna guardare verso sud, trovare la stella Antares (la gigante rossa della costellazione dello Scorpione) e poi da lì arrivare fino alla nebulosa Trifida.

La nebulosa Trifida si trova nel punto indicato dal quadrato blu tratteggiato in alto a sinistra.

Anche se non sembra dallo screenshot qui sopra, la nebulosa Trifida occupa una porzione di cielo grande quasi come la Luna. Si vede molto bene in questa immagine in cui la nebulosa e la Luna sono sovrapposte in modo artificioso.

La nebulosa Trifida e la Luna: dimensioni apparenti in cielo a confronto.
Crediti: Chamaeleon Team – Franz Hofmann, Wolfgang Paech

Cerchiamo di capire ora che cosa accade in questa nebulosa.

Innanzitutto, la regione cosmica della nostra galassia in cui si trova la nebulosa Trifida è una regione di formazione stellare. Le stelle si formano quando c’è del gas (cioè idrogeno neutro) freddo. Il gas ha una certa massa e quindi tende a collassare su se stesso per colpa della gravità; se il gas ha una temperatura alta allora magari la velocità delle particelle riesce a evitare il collasso, ma se la temperatura è bassa allora è tutto più facile.

Quando la nube di gas collassa, poi, difficilmente si forma soltanto una stella: di solito si formano gruppi di stelle di massa diversa. Le stelle più grosse sono anche le più calde: questo perché le stelle sono palle in cui vige il bilancio tra pressione del gas e peso del gas e tutta la baracca si tiene sù.

Per capire meglio questa faccenda, consiglio il seguente video.

Più è grossa la baracca, più grande deve essere la pressione del gas che la tiene in piedi. E per avere una grande pressione bisogna anche bruciare più gas e più velocemente. Risultato: le stelle più grosse sono le più calde e hanno una vita breve (qualche centinaio di milioni di anni, rispetto ai miliardi di anni delle stelle di piccola taglia). Inoltre, il fatto che siano più calde le fa anche illuminare di blu (mentre le stelle più fredde di solito sono gialle o rosse). Questo in realtà succede in tutte le nebulose in cui si formano stelle.

Vediamo ora, nello specifico, i tre colori dell’immagine della nebulosa Trifida: blu, rosso e nero.

Partiamo dal nero, che in realtà indica semplicemente le nubi di polvere cosmica presenti nella nebulosa. Tra l’altro, le nubi di polvere sembrano dividere il cuore rosso della nebulosa in tre parti: ecco il motivo del nome Trifida. Sì, OK, il nome è un po’ pretestuoso, sono d’accordo. Del resto, abbiamo già visto all’opera gli astronomi con i nomi degli oggetti celesti e abbiamo capito che non è cosa.

Inoltre, la polvere blocca la luce delle stelle: in particolare placca quasi totalmente la luce di grande lunghezza d’onda (cioè rossa) e riflette la luce di piccola lunghezza d’onda (blu). Questo è il motivo della luce blu diffusa dalla nebulosa. Ciò accade a causa delle dimensioni dei grani di polvere: in pratica, la luce rossa (lunghezza d’onda maggiore) è come se scavalcasse la polvere e va via; la luce blu invece è diffusa in tutta la nebulosa.

Il rosso è la luce emessa dagli atomi di idrogeno. Che cosa succede? Succede che le stelle calde appena formate emettono luce blu/violetta. Questa luce ha proprio la frequenza giusta per eccitare gli elettroni degli atomi di idrogeno, i quali acquistano quindi energia assorbendo questa luce. Quando poi, in un secondo momento gli elettroni tornano allo stato normale dentro l’atomo di idrogeno, ecco che emettono un bagliore di luce rossa.

Come abbiamo visto, le nebulosa non sono solo uno spettacolo per gli occhi ma sono anche strapieni di fenomeni fisici interessanti.

E poi, lasciatemelo dire, a me i colori delle nebulose piacciono troppo per un motivo forse banale: sono i colori della mia squadra del cuore, il Campobasso.

Se guardate con molta attenzione, c’è un Quantizzando felice alla fine di questo video.

Dalla cometa 67/P alla Sicilia del 1600

Questa è una delle migliori GIF astrofisiche di sempre: la superficie della cometa 67/P nientepopodimenoche ripresa dalla sonda ESA Rosetta (che poi ha pure sganciato sulla superficie della cometa quel cucciolo di lander che era Philae, il 12 novembre 2014).

Crediti: ESA/Rosetta/landrau

Sembra che ci sia una tormenta di neve sulla cometa, ma in realtà quelle tracce che si vedono sono dovute per la maggior parte alla polvere che riflette la luce del Sole.

E quei puntini sullo sfondo? Beh, quelle sono stelle, davvero. Qualcuno che ha la stessa pazienza di chi mi aspetta in orario a un appuntamento si è messo là a capire quali stelle fossero. Risultato: sono le stelle della costellazione del Cane Maggiore (la costellazione di Sirio).

Poi, bonus storico: avete notato quel puntone luminoso in alto a sinistra che tramonta dietro la cometa (a causa della rotazione della cometa, ndr)? Ecco, quello è un ammasso stellare chiamato NGC2362, ammasso scoperto da Giovanni Battista Hodierna nel 1654.

Giovanni Hodierna (Crediti: Wikimedia)

Hodierna era un astronomo siciliano e anche un prete. In quel di Ragusa, nel 1618 Hodierna osservò tre comete con un cannocchiale simile a quello di Galileo, iniziò a classificare nebulose e ammassi stellari e intrattenne una corrispondenza con Christiaan Huygens (che poi scoprì gli anelli di Saturno, per esempio). Così, per dire.

Insomma, qua parliamo di astronomi meridionali che svelano com’è fatto l’universo, altro che quella storia assurda di chi dice che al sud non si lavora.


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