L’astrofisica e il cambiamento climatico

La California è uno degli stati occidentali degli Stati Uniti e si affaccia sull’Oceano Pacifico. Nell’immaginario collettivo la California significa cinema, tecnologia, vita da spiaggia, le strade e le case di San Francisco; ma anche affitti troppo alti, un numero imprecisato di clochard per le strade, terremoti con magnitudo elevate nella perenne attesa che arrivi The Big One.

Ma non solo. Questo qui sotto è il Golden Gate Bridge di San Francisco, qualche settimana fa.

 

Gli incendi che hanno devastato e che devastano la California ogni anno hanno una matrice principale: il cambiamento climatico. L’aumento globale delle temperature comporta squilibri nelle temperature in quella zona di mondo, come dappertutto. Il risultato è una gran quantità di incendi che imperversano.

La capitale della California è Sacramento, ma probabilmente la prima città che a tutti viene in mente è Los Angeles. Nell’area metropolitana di Los Angeles, a nord-est di Pasadena, c’è Monte Wilson.

Qui, su Monte Wilson c’è uno degli osservatori più importanti della storia dell’astrofisica; anzi, possiamo tranquillamente dire che storicamente è stato un osservatorio fondamentale per tutte le scoperte del secolo scorso.

L’osservatorio di Monte Wilson è stato fondato nel 1904 da George Ellery Hale e il telescopio Hooker da 2,5 metri di diametro fu un telescopio formidabile in quegli anni: nel 1924 Edwin Hubble misurò per la prima volta nella storia la distanza della galassia di Andromeda e nel 1929 sempre Hubble scoprì che l’universo è in espansione. Tutto grazie all’osservatorio di Monte Wilson.

La storia dell’astrofisica americana della prima metà del Novecento è una storia incredibile. Se vi interessa, potete ascoltarla in questa puntata speciale del mio podcast, basta cliccare play qui sotto.

L’osservatorio di Monte Wilson è stato minacciato seriamente dagli incendi in California di quest’anno. Per fortuna le fiamme non sono arrivate fino ai 1740 metri delle San Gabriel Mountains e l’osservatorio si è salvato. Ma c’è mancato davvero poco.

Questa storia che mette insieme gli incendi e Monte Wilson non è altro che una metafora di come gli effetti disastrosi dei cambiamenti climatici sul nostro pianeta siano arrivati a minacciare anche coloro che studiano cose che non si trovano sulla Terra, come fanno le astrofisiche e gli astrofisici.

Non solo infatti la minaccia a luoghi fisici come gli osservatori in California, ma anche una difficoltà maggiore nell’osservare un cielo pulito e limpido e quindi danni e ritardi che ricadono sulla progettazione degli esperimenti scientifici che puntano il naso all’insù.

Ma non è finita. Se da un lato le fiamme che hanno circondato Monte Wilson sono state un problema serio e tangibile del cambiamento climatico sull’astrofisica, d’altra parte potremmo chiederci: viceversa, l’astrofisica influisce sul cambiamento climatico?

La risposta è sì.

 

Non sto scherzando: l’astrofisica ha un certo impatto sul cambiamento climatico. Anzi, per meglio dire, chi fa ricerca in astrofisica.

Ora, voi direte: ma quale potrà mai essere l’impatto di un gruppo di astrofisici sul cambiamento globale?
Per capirlo, devo raccontarvi qual è la tipica vita di un astrofisico o di un’astrofisica.

La maggior parte della ricerca astrofisica si svolge in un istituto di ricerca lavorando al computer, anzi ai supercomputer: quindi, a meno che non ci siano tavolate di pannelli fotovoltaici, l’elettricità derivata dal petrolio incombe sulle tonnellate di CO2 emesse da ciascun ricercatore/ricercatrice. Durante il lavoro, una parte essenziale della vita dei ricercatori è quella dei meeting: diverse volte l’anno masse di ricercatori si muovono su degli aerei per raggiungere posti (molto spesso carini!) per discutere delle ultime novità e soprattutto per discutere delle proprie idee.
Questi meeting coinvolgono ricercatori da tutto il mondo: quindi magari può capitare un meeting, che ne so, a Lisbona, dove arrivano con voli aerei ricercatori provenienti dal Brasile, dal Sudafrica e dall’Australia, oltre che da tutto il resto dell’Europa (chi si trova a Madrid non credo che prenda il treno…).
E poi, ovviamente, il viaggio di ritorno verso il proprio istituto di ricerca.

Quello degli astrofisici è un mondo difficile, vita intensa, felicità a momenti e futuro incerto.

 

Tutto ciò che vi ho appena raccontato si può descrivere in numeri ed è il risultato di uno studio pubblicato su Nature il 10 settembre scorso, con un articolo dall’eloquente titolo “An astronomical institute’s perspective on meeting the challenges of the climate crisis“.

L'”astronomical institute” a cui si riferisce l’articolo è il Max Planck Institute for Astronomy (MPIA) di Heidelberg, in Germania; lo studio analizza l’impatto delle ricercatrici e dei ricercatori dello MPIA non per dare giudizi perentori, ma per capire come ridurre l’impatto del mondo della ricerca.

Per esempio, nel 2018 il 47% di tutte le emissioni di CO2 dei ricercatori dello MPIA è dovuta a voli aerei (1308 voli per la precisione, per i circa 150 tra astrofisiche e astrofisici dello MPIA).

In totale, nel 2018, lo MPIA ha prodotto l’equivalente di circa 2720 tonnellate di CO2. Se lo MPIA fosse uno stato si troverebbe al terzultimo posto, prima delle Isole FaeOer (1953 tonnellate di CO2, circa 50 mila abitanti) e della Groenlandia (1530 tonnellate di CO2, circa 50 mila abitanti).

In media, secondo lo studio, ogni ricercatore/ricercatrice dello MPIA produce l’equivalente di 18 tonnellate di CO2 all’anno; ogni ricercatore/ricercatrice australiano, per confronto, produce l’equivalente di 42 tonnellate di CO2.

Ma fare meglio degli australiani non è un sollievo, il problema è l’obiettivo tedesco per il 2030: ogni tedesco dovrebbe produrre l’equivalente di circa 7 tonnellate di CO2 all’anno.

 

Ecco il senso di questo studio sull’impatto dell’astrofisica sul cambiamento climatico. Le astrofisiche e gli astrofisici in Germania, piaccia o meno, devono ridurre le loro emissioni equivalenti nel prossimo decennio. E naturalmente il discorso si estende a tutti i ricercatori del mondo, poi.

Per ridurre le emissioni bisogna agire proprio sui due problemi principali: le strutture di calcolo (i supercomputer) e i voli aerei per le conferenze.
Per risolvere il primo problema c’è bisogno di passare a fonti rinnovabili o comunque fare in modo di posizionare i centri di calcolo in luoghi in cui le fonti rinnovabili vanno per la maggiore (e poi collegarsi da remoto). Per i voli aerei c’è solo una soluzione: non volare, cioè fare le conferenze online, come fatto finora (purtroppo) a causa dell’epidemia di Covid-19.

Comunque, bisogna secondo me tenere conto di una questione principale: è lodevole che il mondo dell’astrofisica abbia fatto una prima analisi autocritica in questa direzione. È tuttavia abbastanza chiaro che il ragionamento autocritico dovrebbero farlo moltissimi settori della vita umana.

Anche perché, come dicevo all’inizio, se da un lato l’astrofisica deve capire come ridurre l’emissione equivalente pro capite di CO2, dall’altra la ricerca già subisce gli effetti nefasti dell’aumento delle temperature.

 

Il complesso del Very Large Telescope all’osservatorio Paranal nel deserto di Atacama in Cile.

Su Nature Astronomy, sempre il 10 settembre 2020, è uscito anche un articolo dall’altrettanto eloquente titolo “The impact of climate change on astronomical observations“. Questo studio anche riguarda l’aspetto generale della questione, ma prende come esempio l’osservatorio Paranal nel deserto di Atacama in Cile, dove si trova il Very Large Telescope (VLT). I problemi di un aumento delle temperature sono molteplici.

Per esempio, l’aumento dell’umidità dell’aria: il deserto di Atacama è stato scelto per costruirci il VLT proprio perché è uno dei posti più secchi del pianeta. Ma se aumenta l’umidità allora ogni discorso di progettazione iniziale va a farsi benedire e la qualità delle osservazioni astronomiche ne risente.

Altro problema, il fatto che l’atmosfera sia più turbolenta e quindi aumenti quello che si chiama seeing. Più è alto il seeing, minore è la risoluzione dei telescopi, cioè la capacità di un telescopio di distinguere due sorgenti vicine (anche solo apparentemente) in cielo. Il grafico qui sotto mostra come si peggiorato il seeing all’osservatorio Paranal negli ultimi anni.

Questi studi hanno l’intento di sensibilizzare la comunità astrofisica a considerare questi problemi come non più rinviabili, anche per la scienza stessa.
Sicuramente, le maxi-conferenze astronomiche vanno avanti da meno tempo dello sfruttamento senza ritegno dei combustibili fossili. Ma non è una gara di virtuosismi. È bello piuttosto vedere che gli scienziati non si limitano a indicare il problema e proporre soluzioni, ma siano consapevoli e pronti ad affrontare anche questioni che richiedono, potenzialmente, un cambio radicale nelle abitudini del mondo della ricerca.

Nella vicenda del cambiamento climatico in atto c’è da ripensare un mondo intero e non c’è molto tempo a disposizione. La colpa principale resterà sempre sulle spalle di un modello di sviluppo che non ha avuto alcun freno negli ultimi 150 anni e che ha plasmato una società, quella di cui facciamo parte, che fa davvero fatica ad affrontare il problema in tackle scivolato.

L’astrofisica ha fatto grandi scoperte che hanno rivoluzionato la nostra concenzione dell’universo in cui viviamo. Tutto questo però è stato possibile solo grazie alle condizioni di evoluzione ambientale del nostro pianeta e che hanno permesso all’homo sapiens di arrivare dov’è oggi, a gettare lo sguardo verso i confini dell’universo per cercare di capirne i segreti.

Non sciupiamo tutto ciò ora: è in gioco il destino della nostra curiosità. Ci sono ancora molte pagine di storia della scienza che possiamo scrivere: se ci daremo il tempo per farlo, le riempiremo.

C’è (di nuovo) qualcosa che non torna con la materia oscura

Sono circa cento anni che abbiamo a che fare con la materia oscura e credo che ci sia solo una cosa che possiamo dire con certezza: non ci abbiamo capito proprio niente.

Se siete lettori abituali di questo blog conoscete già bene la storia. Tutto iniziò nel 1937 con l’astronomo Fritz Zwicky e la velocità di alcune galassie nell’ammasso di galassie della Chioma.

Poi si proseguì nel 1970 con l’astrofisica Vera Rubin che trova velocità che non tornano per quanto riguarda le stelle nelle galassie a spirale.

Infine i dati della radiazione cosmica di fondo forniscono tuttora una straordinaria evidenza per un modello teorico basato sul fatto che l’85% della materia presente nell’universo è proprio materia oscura.

Inoltre, tante cose al momento non tornano: per esempio la stima della costante di Hubble e della curvatura dell’universo. Ma anche problemi strettamente legati alla sola materia oscura: ci sono dati che sembrano addirittura suggerire che potremmo farne a meno, bah.

E invece, colpo di scena, la ricerca di cui vi parlo oggi dice che forse la materia oscura nell’universo è più di quella stimata. Oppure, forse più semplicemente senza scomodare e sconquassare le altre evidenze scientifiche a disposizione, non abbiamo capito come funziona la materia oscura.

Che cosa sappiamo sulla materia oscura?

Della materia oscura sappiamo solo una cosa: deve essere un tipo di materia, cioè fatta di particelle, che interagisce solo tramite la gravità.

La materia oscura non emette o assorbe onde elettromagnetiche (cioè luce) e non interagisce con tutte le particelle conosciute se non tramite la propria massa, cioè gravitazionalmente secondo la teoria della relatività generale. Sappiamo pochino, eh già.

Ma il fatto che la materia oscura segua le regole della gravità è comunque utile.

Per esempio, Zwicky e Rubin videro rispettivamente galassie e stelle che andavano più veloci del previsto; questo perché se negli ammassi di galassie e nelle singole galassie c’è pure la materia oscura, allora la massa del singolo ammasso o della singola galassia deve essere maggiore di quella che possiamo stimare solo contando le galassie dentro l’ammasso o le stelle dentro la galassia.

Quindi, una massa maggiore vuol dire una gravità maggiore, cioè robe che cadono più velocemente. In questo modo possiamo stimare indirettamente, a partire dalla velocità di stelle e galassie, quanta materia oscura c’è nell’universo.

Le lenti gravitazionali per osservare la materia oscura

Non solo: la teoria della relatività ci dice che qualsiasi massa curva lo spaziotempo. Questo fatto ha numerose implicazioni, ma la conseguenza di cui vi voglio parlare oggi è la formazione delle lenti gravitazionali. Il primo che ebbe l’idea di studiare la materia oscura con le lenti gravitazionali fu proprio Fritz Zwicky.

Ma vediamo per bene che succede e come si formano le lenti gravitazionali. Dunque, se voi avete una candela lontana e la guardate attraverso un calice di vino accade che vedrete l’immagine della candela distorta.

Il motivo è che la luce della candela passa dall’aria attraverso il vetro prima di arrivare ai vostri occhi. Il vetro ha una densità diversa rispetto all’aria e la luce quindi incontra molti più atomi ed è costretta a modificare la propria traiettoria e la propria velocità.

Inoltre, più pieghiamo il bicchiere, maggiore sarà la distorsione: questo perché maggiore è la quantità di vetro da attraversare, maggiore sarà l’effetto di lente.

Una cosa simile accade anche con la massa nell’universo. Se abbiamo una galassia lontana e la guardiamo attraverso un ammasso di galassie che sta in mezzo come il calice di vino dell’esempio precedente, si ha un effetto di lente. Ciò che accade è che l’ammasso che sta in mezzo distorce lo spazio tempo e la luce della galassia lontana non viaggia più in linea retta ma è costretta a curvare.

Così noi vediamo la galassia lontana in una posizione apparente rispetto a quella vera. Inoltre la sua immagine sarà distorta come quella della candela vista attraverso il bicchiere. Maggiore sarà la massa dell’ammasso, maggiore sarà la distorsione.

Dunque per stimare la quantità di materia oscura presente nell’ammasso che funge da lente cosmica, studiamo gli effetti di distorsione presenti sulle galassie lontane: questo è ciò di cui si parla quando leggete di lenti gravitazionali (o, in inglese, gravitational lensing).

Ci sono anche effetti più subdoli, effetti che devono essere tenuti in conto e di cui mi sono anche occupato personalmente quando facevo ricerca – ma non ne discuto qui, chi volesse approfondire può leggere qua  oppure dare uno sguardo qua.

I dati recenti del lensing non tornano con le simulazioni teoriche

Bene, dopo tutta questa premessa doverosa, veniamo al nòcciolo di questo post di oggi.

Un articolo con primo autore l’astrofisico Massimo Meneghetti dell’INAF di Bologna ha mostrato un singolare comportamento dovuto al lensing gravitazionale osservato con i dati raccolti dallo Hubble Space Telescope e dal Very Large Telescope in Cile.

Sono stati trovati tre ammassi di galassie, nella fattispecie quelli chiamati MACS J1206.2-0847, MACS J0416.1-2403 e Abell S1063, che formano lensing gravitazionale e fin qui tutto bene. Però gli effetti di lensing gravitazionale prodotti da questi tre ammassi sono circa 10 volte maggiori di quelli previsti teoricamente attraverso le simulazioni numeriche con i supercomputer. Come mai?

I tre ammassi di galassie che non fanno tornare i conti (Crediti: HST, VLT)

La prima cosa che gli astrofisici coinvolti e le astrofisiche coinvolte nello studio hanno fatto è stato controllare che non ci fossero errori nelle simulazioni. Fatto questo check, ora bisogna capire che sta succedendo.

Ci sono diverse ipotesi. Può darsi che ci stiamo perdendo dei pezzi teorici su come sono fatte le galassie, può darsi che materia ordinaria e materia oscura interagiscano in un modo a noi al momento sconosciuto. Oppure può darsi che il fatto di essere totalmente ignoranti su che cosa sia la materia oscura è un fattore determinante per la nostra comprensione di ciò che succede.

E ora?

Tutte le ipotesi che ho appena elencato sono plausibili. Ma questo lo sapevamo già, anche prima di quest’ultimo studio. Il lavoro di Meneghetti et al. però potrebbe indicare una via ulteriore. Bisogna capire come teoricamente le simulazioni possano essere in grado di riprodurre i dati di HST e VLT.

Fino a quel momento è tutto plausibile, certo, ma teniamo sempre bene a mente che solo da poco tempo siamo in grado di studiare così in dettaglio le caratteristiche di questa sconosciuta materia oscura.

Ogni volta ne capiamo un pezzettino in più, prima o poi saremo in grado di mettere tutto insieme e magari avere un quadro globale più chiaro e meno oscuro.

Quando ci sono cose che non tornano è sempre una cosa positiva. Perché così possiamo porci nuove domande a cui non avevamo pensato prima sulla materia oscura, quindi possiamo magari esplorare nuove strade per capirci davvero qualcosa.

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Fonte

— Articolo An excess of small-scale gravitational lenses observedin galaxy clusters di Massimo Meneghetti, Guido Davoli, Pietro Bergamini, Piero Rosati, Priyamvada Natarajan, Carlo Giocoli, Gabriel B. Caminha, R. Benton Metcalf, Elena Rasia, Stefano Borgani, Francesco Calura, Claudio Grillo, Amata Mercurio, Eros Vanzella.

No, Betelgeuse non esploderà tra oggi e domani: ecco perché

Da due mesi molti aspettano che Betelgeuse esploda come una supernova e illumini a giorno il cielo notturno. Ecco, beh, l’avevamo già detto due mesi fa ma oggi lo possiamo dire meglio: non accadrà così presto.

Qualche giorno prima dello scorso Natale ci eravamo chiesti: la stella Betelgeuse sta per esplodere?

Sebbene il titolo del post fosse interrogativo, in realtà leggendo l’articolo già allora avevo cercato di mostrarvi che c’era abbastanza scetticismo nell’aria. Insomma, si era un po’ alzato l’hype su una questione che dopotutto non aveva bisogno di quell’hype. Tutto era nato dall’osservazione di un calo di luminosità di Betelgeuse, ma Betelgeuse si trova in una fase di stella supergigante rossa, soggetta anche normalmente (e lo registriamo già da anni) a diversi cali e aumenti di luminosità.

Comunque, veniamo a noi.

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