La scala delle distanze cosmiche

Quando sentiamo di qualcosa distante anni luce capiamo subito che non ci riferiamo alla distanza che ci separa dal macellaio di fiducia. Sicuramente stiamo parlando di distanze tra corpi celesti.
Innanzitutto vediamo quanto vale un anno luce. Si tratta della distanza che un fotone percorre in un anno (ammesso che non venga assorbito da qualche atomo). Siccome un fotone viaggia a 300 mila km/s e visto che in un anno ci sono circa 30 milioni di secondi allora la distanza “anno-luce” sarà pari a qualcosa come 10 mila miliardi di km. Una distanza davvero notevole se paragonata a quelle che a cui siamo abituati sulla Terra.
Senza stare ad elencare vari esempi di distanze da noi in unità di anni luce, passiamo ora brevemente in rassegna alcuni metodi utilizzati per misurare le distanze in astrofisica (insomma, basti sapere che le distanze sono oscenamente enormi!).
Il primo metodo è la parallasse. Questo metodo si basa sulla misura dell’angolo sotteso dalla stella che stiamo osservando quando noi ci spostiamo. Ovviamente se ci spostiamo da un lato all’altro della nostra stanza non noteremo mai un apprezzabile cambiamento nella posizione della stella nel cielo. Ma se invece sfruttiamo il fatto che la Terra ogni sei mesi si trova in punti diametralmente opposti della sua orbita attorno al Sole, ecco che effettivamente notiamo uno spostamento apparente della posizione della stella nel cielo.

Piccolo esempio di parallasse.
Purtroppo se le stelle sono troppo distanti allora la parallasse che osserviamo grazie alle diverse posizioni della Terra ogni sei mesi è davvero trascurabile. Quindi non possiamo andare oltre alcune stelle della nostra galassia con la parallasse. Dunque che si fa?
La cosa eccezionale sarebbe usare la parallasse per misurare alcune particolari stelle chiamate candele standard. Si tratta di stelle con particolari proprietà che hanno caratteristiche indipendenti dalla distanza legate alla loro luminosità assoluta. Appartengono a questa categoria le Cefeidi e le Supernovae di tipo Ia (solo per citarne due). Prima di parlare di queste due categorie spieghiamo cosa accade: quando osserviamo una stella in verità noi osserviamo il flusso di luce proveniente dalla stella. Immaginate di avere una lampada da 100 Watt. Se la spostiamo sempre più da noi che osserviamo otteniamo che con l’aumentare della distanza la luce della nostra lampada diventerà sempre più debole; per la precisione il flusso è uguale alla luminosità assoluta diviso la distanza al quadrato. Eppure non cambia il fatto che la lampada sia da 100 Watt. Dunque siccome conosciamo già la luminosità assoluta della lampada e possiamo misurare il flusso che osserviamo allora possiamo capire a quale distanza si trova la lampada usando la legge menzionata poco fa. Lo stesso discorso vale per le stelle. Dunque per misurare la distanza sarebbe ideale conoscere la luminosità assoluta delle stelle. Purtroppo non possiamo farlo per tutte le stelle ma per alcune categorie particolari sì.
Le Cefeidi sono stelle variabili pulsanti. Il periodo di questa variabilità dovuta alla pulsazione della stella è direttamente legato alla luminosità assoluta. Dunque ecco che abbiamo una candela standard!
Se osservando una galassia vediamo che essa ospita una Cefeide allora ci basterà misurarne il flusso e il periodo di variabilità (il quale non dipende dalla distanza). Dopo ciò avremo luminosità assoluta e quindi la distanza.
Le Supernovae di tipo Ia sono un sistema binario di stelle di cui una componente è una stella chiamata nana bianca. Quello che accade in questi sistemi è che la stella diciamo “normale” butta del proprio materiale sulla nana bianca secondo un processo di accrescimento. A causa della struttura interna della nana bianca questo processo non può durare per sempre. Quando la nana bianca aumenta la sua massa e raggiunge un valore critico chiamato massa di Chandrasekhar avviene una esplosione! La differenza di flusso misurato durante l’esplosione e circa due settimane dopo l’evento presentano sempre le stesse caratteristiche che si possono legare alla luminosità assoluta; quindi anche qui possiamo stimare la distanza.
Altri importanti indicatori di distanza (e anche gli ultimi di cui parliamo in questo post) sono le relazioni di scala. Nell’universo sembrano esistere due grandi categorie di galassie: spirali ed ellittiche. Le spirali sono galassie a disco in cui le stelle mostrano una rotazione attorno al centro del disco. Le ellittiche invece presentano un moto casuale delle stelle. La situazione è leggermente più complicata ma ora non facciamoci caso e concentriamoci sul fatto che gli astronomi Tully e Fisher per le spirali e Faber e Jackson per ellittiche hanno trovato una relazione empirica (supportata poi anche dalla teoria) che lega la luminosità assoluta della galassia alla velocità delle stelle. Siccome la velocità delle stelle si può misurare indipendentemente dalla distanza ecco che abbiamo un altro stimatore della distanza (stavolta delle galassie!).
I metodi elencati fin qui non sono indipendenti. Non tutti si possono usare per tutte le distanze. Dunque misurando bene la parallasse delle Cefeidi della nostra galassia possiamo calibrare bene la relazione periodo-luminosità indipendentemente dalla distanza e poi usare tale relazione applicata alle Cefeidi di altre galassie per stimare la distanza. E poi fare lo stesso lavoro per calibrare ad esempio le Supernovae di tipo Ia. Insomma è come una scala in cui si tenta pian piano di arrivare al piolo più in alto. Ammesso che esista, ovviamente.
Ultima osservazione. Ma perché è così importante misurare le distanze in cosmologia? Ovviamente non lo si fa per perdere tempo, nè per puro divertimento. In realtà i modelli teorici prevedono particolari modelli per le distanze e per le grandezze ad essa collegate; quindi misurando tali distanze si può capire quale modello cosmologico si adatta meglio all’universo che osserviamo.
Per chi volesse approfondire:
Una presentazione molto carina con delle immagini,
e un sito un poco più tecnico

e per finire qualche grafico sulle Supernovae di tipo Ia
http://www.astro.ucla.edu/~wright/sne_cosmology.html

Come interagiscono le particelle fisiche

L’interazione elettromagnetica avviene soltanto tra particelle dotate di carica elettrica. A volerla pensare come la presentano a scuola, ognuno di noi penserebbe a una carica elettrica positiva, un’altra negativa e una o due frecce (dipende dal libro) che indicano l’intensità della forza elettrica.
Magari fosse così semplice! Beh, a dire il vero è molto più semplice di come viene spiegata a scuola. Infatti, a scuola, si potrebbero chiedere al professore varie cose: per esempio che cosa accade se le cariche si muovono, cioè come cambiano le amate/odiate frecce in quel caso (tanto per metterlo in crisi, ma siate buoni).
Perché, se ci pensate, le cose non possono essere così semplici. Ovvero, quello che voglio dire è che la matematica è bella, sicuramente; inoltre, noi tutti adoriamo alla follia la formula della forza di Coulomb, la quale è direttamente proporzionale al prodotto delle cariche e inversamente proporzionale al quadrato della distanza.Però, esattamente come accade per la forza di gravità, il concetto di forza ha i suoi limiti. Infatti presuppone che qualunque cambiamento avvenga da parte di una delle due cariche allora istantaneamente otteniamo che l’altra carica si rende conto del cambiamento avvenuto. Per capire che ci sia un problema non c’è bisogno di essere fisici teorici. Tuttavia possiamo risolvere il problema con un metodo alquanto brutale: diciamo che le informazioni fisiche si propagano con velocità infinita. Bellissimo dunque.

Però non è proprio così.
L’idea di base è che le particelle devono scambiarsi qualche sorta di informazione per dirsi dove si trovano e come sono grandi le loro cariche. Si tratta come di una guerra tra due eserciti antichi. Nessuno dei due sa dove si trova l’altro esercito esattamente; per questo vengono mandati dei messaggeri/spie. Ma ovviamente le spie devono fare avanti e indietro e nel frattempo magari i due eserciti si sono spostati dalle loro posizioni originarie. Magari si sono spostati non solo perché si stavano già muovendo, ma anche in funzione delle informazioni provenienti dalle proprie spie.
Allo stesso modo se abbiamo due particelle cariche, esse si scambiano informazioni e magari si muovono proprio in base all’informazione ricevuta. Ora, se supponiamo che questa informazione si muova con velocità infinita allora non dobbiamo preoccuparci più di tanto perché, tornando al nostro esempio, gli eserciti saprebbero all’istante i movimenti dell’esercito avversario. Ma non è così in realtà, perché le spie devono percorrere la distanza che separa gli eserciti e lo fanno con una certa velocità finita (non infinita).Nel caso della teoria elettromagnetica il messaggero è chiamato fotone (sarebbero le particelle di cui è composta la luce). E l’informazione che trasporta è chiamata frequenza (che è equivalente all’energia del fotone diviso per una costante).

Ora voi direte: va bene, abbiamo capito che le particelle non comunicano istantaneamente. Ma i messaggeri/spie in linea di principio possono andare a qualunque velocità anche se poi sono limitati dal fatto di essere degli uomini. Ebbene anche il fotone è limitato. Esso ha una velocità pari a trecento mila chilometri al secondo. Una velocità pazzesca. Questo numero è un dato di fatto, un qualcosa di misurato dai fisici. In linea di principio non vi è nessuna giustificazione teorica per tale valore. Siccome é una velocità molto alta, i primi studiosi delle interazioni tra corpi credevano che l’informazione si propagasse a velocità infinita. Ma in realtà era solo un limite delle capacità di osservazione che con il tempo sono migliorate fino a darci il valore della velocità del fotone che conosciamo oggi.

Ciò che abbiamo detto finora vale, per quel che ne sappiamo, per tutti i tipi di comunicazione tra particelle (gravità, elettromagnetismo, interazione nucleare debole e forte). Ovvero l’informazione non si propaga con velocità infinita bensì con un valore finito. Per esempio i fotoni del Sole impiegano otto minuti per arrivare sino a noi sulla Terra. Questo vuol dire che se il Sole sparisse ora, noi lo potremmo capire solo tra otto minuti (in questo caso dobbiamo aggiungere anche l’interazione gravitazionale e la teoria dice che anche l’informazione gravitazionale si muove con la stessa velocità del fotone).
Dunque la comunicazione tra particelle è un caso particolare della fisica in cui si è partiti con l’ipotesi matematicamente più semplice da descrivere (il concetto di forza) ma altamente contro-intuitiva (a causa della propagazione istantanea) e si è arrivati a qualcosa di matematicamente più complicato ma completamente comprensibile anche a livello umano (informazione si propaga a velocità finita come le spie degli eserciti).
Questo non ha niente a che vedere con il fatto che la velocità della luce è il valore massimo che possiamo misurare per una velocità (almeno per evitare strani rapporti causa-effetto). Infatti Maxwell unificando fenomeni elettrici e magnetici con il suo famosissimo insieme di quattro equazioni aveva già trovato che l’informazione elettromagnetica deve propagarsi con una velocità finita. Anzi, proprio questo fatto ha permesso ad Einstein, Heisenberg e altri di arrivare alla relatività e alla meccanica quantistica.
Per finire, ecco per voi l’ultima immagine mentale per afferrare a pieno il concetto. La comunicazione tra particelle è come due giocatori di tennis-tavolo. Immaginate che le racchette siano le particelle e la pallina sia l’informazione e i due giocatori si scambino l’informazione e si muovano a seconda dell’informazione che arriva.
A volte, quando la fisica sembra la cosa più distante possibile dalla realtà invece è la cosa più sensata di questo mondo.

Prove di divulgazione

Questo blog vuole essere un tentativo di spiegare la fisica, soprattutto l’astrofisica, senza formule.
In parole povere, appunto.
Il nome Quantizzando è una sintesi estrema, in una sola parola, di quello che accade nel mondo della fisica.
I fisici stanno cercando di trovare una teoria che inglobi la gravità nel modello standard della fisica delle particelle, il quale descrive tutte le forze esistenti conosciute eccetto la gravità.
E per fare ciò i fisici stanno tentando di quantizzare la gravità, anche per capire meglio come funziona l’universo.
Perciò ecco il nome di questo blog. Quantizzando è un blog di divulgazione scientifica che vorrebbe camminare al passo con gli sviluppi della fisica e dell’astrofisica. Ma non solo tramite le nuove notizie che potrebbero venire fuori giorno dopo giorno, ma anche richiamando alla mente alcune curiosità riguardanti  la fisica che magari spesso vengono dimenticate.
Questo perché nella nostra società ormai è indispensabile avere una conoscenza base scientifica, anche nel senso di comprendere come fa la scienza a capire le cose.
Quindi questo blog vuole essere un posto dove potrete trovare informazioni sulla fisica e l’astrofisica, in particolare, che spero possano essere interessanti e stimolanti.
Dunque: perché leggere questo blog?
Per avvicinarsi alla fisica e al mondo della scienza, per provare a capire come funziona l’universo ragionando con il metodo scientifico.
L’obiettivo di questo blog, come già detto, è di provare a spiegare la fisica in parole povere, senza utilizzare formule. Forse si tratta di un compito abbastanza arduo.
L’idea è quella di provarci.

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