Emissione laser dalla Nebulosa Formica

La Nebulosa Formica (o Clessidra) nell’immagine del telescopio spaziale Hubble. La forma è il risultato di una stella morente simile al Sole e di complesse interazioni nel suo nucleo. Crediti: Nasa, Esa the Hubble Heritage Team (Stsci/Aura)

Formica o Clessidra? Non importa il soprannome, la nebulosa Mz3, nella costellazione del Regolo, ha da sempre suscitato grande interesse nella comunità scientifica proprio per la sua bizzarra forma. Di recente un team internazionale di astronomi ha scoperto un’insolita emissione laser che suggerisce la presenza di un sistema binario nascosto nel cuore di questa nebulosa. Si tratta di un raro fenomeno connesso con la morte di stelle simili al nostro Sole: queste, quando sono molto vicine alla loro fine, espellono gli strati esterni fino ad arrivare al totale esaurimento del loro combustibile nucleare.

Il materiale espulso forma la nebulosa planetaria. Ma cos’è questa emissione? Utilizzando i dati raccolti dal telescopio Herschel dell’Esa, i ricercatori hanno osservato la drammatica scomparsa della stella centrale nel nucleo della Nebulosa a forma di formica (i due lobi ricordano la testa e il corpo dell’insetto, o anche una clessidra) in relazione a questa emissione laser proveniente dal centro. L’astronomo che classificò la nebulosa negli anni ’20 dandole il suo nome, Donald Menzel, fu anche uno dei primi a suggerire che in certe condizioni l’amplificazione della luce naturale mediante emissione stimolata di radiazioni (light amplification by stimulated emission of radiation, appunto “laser“) potrebbe verificarsi nelle nebulose nello spazio.

«Abbiamo rilevato un tipo molto raro di emissione, chiamata “emissione laser dovuta alla ricombinazione dell’idrogeno”, che viene prodotta solo in una ristretta gamma di condizioni fisiche. Tale emissione è stata identificata in una manciata di oggetti», spiega Isabel Aleman, a capo del gruppo di ricerca per l’Università di San Paolo, in Brasile. Si tratta di un tipo di emissione laser che richiede una grande quantità di gas molto denso vicino alla stella: il gas che emette il laser è circa 10mila volte più denso di quello osservato nelle tipiche nebulose planetarie e nei lobi della Nebulosa Formica.

«L’unico modo per tenere un gas così denso vicino alla stella», aggiunge Albert Zijlstra, del Jodrell Bank Center for Astrophysics presso l’Università di Manchester, «è la presenza di un disco». Presenza che suggerisce anche l’esistenza di una stella compagna, quindi di un sistema binario, «perché è difficile far entrare il gas espulso in orbita a meno che un’altra stella non lo faccia confluire nella giusta direzione: il laser ci offre un modo unico per sondare il disco attorno alla stella morente, nel profondo della nebulosa planetaria», anche se questa seconda stella risulta ancora nascosta agli “occhi” dei ricercatori.

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Prevenire l’Armageddon in laboratorio

Questo grafico mostra le orbite di tutti gli asteroidi potenzialmente pericolosi (conosciuti Pha): 1885 oggetti rilevati a gennaio 2018. Qui è mostrato un primo piano delle loro orbite, sovrapposte alle orbite della Terra e di altri pianeti interni. Crediti: Nasa

Gli asteroidi sono corpi celesti costituiti da carbonio, silicio, metallo e talvolta ghiaccio. Gli scienziati di solito classificano come asteroidi gli oggetti più grandi di un metro, sebbene qualcuno non sia completamente d’accordo, ritenendo che dovrebbero essere più grandi per essere considerati tali. Per quanto riguarda il limite superiore, in genere hanno un diametro inferiore al chilometro, anche se non mancano corpi di dimensioni più grandi: ci sono asteroidi che arrivano fino a 900 chilometri di diametro. Viaggiando a 20 chilometri al secondo, gli asteroidi più grandi potrebbero rappresentare una minaccia per la vita sulla Terra. Per proteggere il nostro pianeta da una collisione con questi oggetti abbiamo due possibilità: riuscire a deviarli oppure frantumarli in pezzi più piccoli, la maggior parte dei quali non colpirà la Terra o, nel caso in cui entrino in atmosfera, bruceranno nei nostri cieli come meteore. Gli autori di una ricerca pubblicata recentemente su Journal of Experimental and Theoretical Physics hanno esplorato la seconda opzione, modellando gli effetti di una potente onda d’urto rilasciata da un’esplosione nucleare sulla superficie dell’asteroide. Il team di ricerca ha dimostrato che un breve impulso laser, puntato su una riproduzione in miniatura di un asteroide, produce effetti distruttivi simili a quelli di un’esplosione nucleare su una vera roccia spaziale. In generale, le distribuzioni di calore e pressione previste per l’evento reale corrispondono a quelle misurate nell’esperimento in scala ridotta.

Affinché il modello fosse accurato, i ricercatori hanno fatto in modo che la densità e la rigidità dell’asteroide in scala – e persino la sua forma – fossero del tutto simili a quelli di un asteroide reale, e hanno controllato la pressione delle onde d’urto generate. Grazie a questa precisa corrispondenza tra modello e realtà, i ricercatori sono riusciti a calcolare direttamente l’energia richiesta da un’esplosione nucleare su un vero asteroide, partendo dall’energia che deve avere un impulso laser per distruggere la sua riproduzione in miniatura. Così, per esempio, hanno trovato che per eliminare un asteroide di 200 metri di diametro, l’esplosione deve fornire l’equivalente di energia di tre megatoni. Questo valore è stato estrapolato dalla considerazione che un impulso laser da 500 joule è risultato sufficiente per distruggere un modello di 8-10 mm di diametro. Per fare un paragone, l’arma nucleare più potente di sempre, costruita dall’Unione Sovietica e fatta detonare in Russia il 30 ottobre 1961, ha comportato una produzione di energia di circa 58,6 megatoni, mentre le bombe atomiche che gli Stati Uniti sganciarono sulle città giapponesi di Hiroshima e Nagasaki durante la seconda guerra mondiale produssero circa 15 e 20 chilotoni di energia, rispettivamente.

Illustrazione artistica della distruzione di un pericoloso asteroide. Crediti: Elena Khavina, Mipt Press Office

Per condurre questo studio, i ricercatori hanno sviluppato una tecnologia per riuscire a produrre asteroidi artificialmente. La composizione riprodotta corrisponde a quella delle condriti (meteoriti rocciose dotate della stessa composizione chimica dei planetesimi, cioè quei piccoli corpi freddi che si formarono nel sistema solare primordiale), che rappresentano circa il 90 per cento degli asteroidi che raggiungono la superficie della Terra. Le proprietà dell’asteroide modello, inclusa la composizione chimica, la densità, la porosità e la rigidità, sono state corrette durante la produzione. Le riproduzioni degli asteroidi sono state realizzate utilizzando i dati sulla condrite recuperata dal fondo del lago Chebarkul, che costituisce il frammento più grande dell’asteroide entrato nell’atmosfera terrestre nel febbraio 2013, esplodendo sopra Chelyabinsk Oblast, in Russia. Il materiale degli asteroidi è stato prodotto usando una combinazione di sedimentazione, compressione e riscaldamento, imitando il loro naturale processo di formazione. Oltre a campioni di forma cilindrica, sono state realizzate imitazioni di asteroidi di varie forme, tra cui sferici, ellissoidali e cubici. Per confermare che il loro modello fosse realistico, i ricercatori hanno eseguito calcoli sulla compressione dei flussi coinvolti. Hanno mostrato che un asteroide da laboratorio di 14-15 ordini di grandezza meno massiccio del suo prototipo spaziale richiede quasi il doppio dell’energia per unità di massa per essere distrutto completamente.

Gli esperimenti hanno fatto uso di tre dispositivi laser: Iskra-5, Luch e Saturno. Il raggio laser è stato prima amplificato a una potenza predeterminata e poi diretto sulla riproduzione dell’asteroide, fissata in una camera a vuoto. La distruzione del modello è stata monitorata da varie posizioni e sono state registrate le dinamiche della sua frammentazione. Il laser ha colpito gli asteroidi per 0,5-30 nanosecondi. Per valutare i criteri di distruzione degli asteroidi, i ricercatori hanno analizzato i dati disponibili del meteorite di Chelyabinsk, che entrò nell’atmosfera terrestre come un asteroide di circa 20 metri e si è poi frantumato in piccoli frammenti che non hanno causato alcun danno catastrofico. Risulta pertanto ragionevole assumere che un asteroide di 200 metri possa essere considerato non pericoloso se viene frantumato in pezzi con un diametro 10 volte più piccolo e una massa 1.000 volte più bassa. Per ovvie ragioni, questa conclusione vale solo per un asteroide di 200 metri che penetra nell’atmosfera con un angolo simile a quello del meteorite di Chelyabinsk, i cui frammenti viaggiano lungo traiettorie simili a quelle riscontrate in quel particolare evento.

L’illustrazione di un artista dell’asteroide Apophis vicino alla Terra. L’asteroide passerà molto vicino alla Terra nel 2029, e poi di nuovo nel 2036, ma non rappresenta alcuna minaccia per il nostro pianeta. Crediti: Dan Durda – Fiaaa

Un’altra cosa che i ricercatori hanno voluto stabilire è se l’effetto dell’esplosione sia cumulativo, ovvero se una potente esplosione potrebbe essere sostituita da una successione di esplosioni più piccole. In base alle prove effettuate, hanno scoperto che impulsi laser più deboli, simultanei e consecutivi, non forniscono alcun vantaggio significativo rispetto a un singolo impulso più forte. In alcuni degli esperimenti, il laser è stato indirizzato in cavità verosimilmente ricreate sugli asteroidi in miniatura, per vedere se questo avrebbe potuto comportare una richiesta energetica minore. I ricercatori hanno verificato che, sfruttando le cavità, è possibile utilizzare meno energia per ottenere lo stesso risultato: 500 joule per grammo invece di 650. Per lo stesso motivo, l’effetto di una bomba nucleare fatta esplodere all’interno dell’asteroide (come nel film Armageddon, per intenderci) dovrebbe essere molto più pronunciato. I calcoli che tengono conto degli effetti di scala indicano che servirebbe una bomba da tre megatoni per eliminare un asteroide di 200 metri di diametro, non metallico, che minaccia la Terra. Il gruppo di ricerca ora sta progettando di ampliare lo studio sperimentando repliche di asteroidi di diversa composizione, inclusi quelli contenenti ferro, nichel e ghiaccio. Intendono inoltre identificare con maggiore precisione come la forma dell’asteroide e la presenza di cavità sulla sua superficie influenzino la sua distruzione.

«Accumulando coefficienti e dipendenze per asteroidi di diverso tipo, è possibile arrivare a una rapida modelizzazione dell’esplosione in modo tale che i criteri di distruzione possono essere calcolati velocemente. Al momento non ci sono minacce di asteroidi, quindi il nostro team ha il tempo di perfezionare questa tecnica per utilizzarla in seguito, per prevenire un disastro planetario», dice il coautore dello studio Vladimir Yufa, del Mipt. «Stiamo anche esaminando la possibilità di deviare un asteroide senza distruggerlo e speriamo in un impegno internazionale».

L’articolo che riporta i risultati dello studio è stato pubblicato nell’edizione inglese del Journal of Experimental and Theoretical Physics da un gruppo di ricercatori della Rosatom, una società statale russa per l’energia atomica, nonché dal Mipt e dallo Space Research Institute of the Russian Academy of Sciences. I due istituti Rosatom coinvolti nello studio sono All-Russian Scientific Research Institute of Experimental Physics e il Troitsk Institute for Innovation and Fusion Research.

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Il segreto magnetico dell’universo

Simulazione magnetoidrodinamica dell’esperimento. I risultati mostrano come la dinamo turbolenta amplifichi notevolemnte i semi dei campi magnetici. Crediti: Petros Tzeferacos / University of Chicago

Più sono turbolenti, più sono magnetici. E no, non parliamo di irresistibili bad boys, ma dei moti del plasma di stelle, pianeti e altri corpi celesti. Moti che, se caotici, possono amplificare enormemente gli altrimenti deboli campi magnetici che avvolgono questi oggetti. Gli scienziati lo sospettavano da tempo: decenni di simulazioni numeriche e osservazioni astrofisiche puntano concordi il dito verso le cosiddette “dinamo turbolente” per spiegare l’intensità dei campi magnetici presenti ovunque nell’universo. E ora per la prima volta, pubblicata sulle pagine di Nature Communications, arriva anche la conferma sperimentale.

È successo alla Omega Laser Facility di Rochester (New York), dove – grazie a simulazioni messe a punto dai fisici del Flash Center for Computational Science dell’università di Chicago, e alla potenza di un fascio laser sparato su due target grandi come monetine da un centesimo – un team di ricercatori (molti gli italiani, tutti all’estero) è riuscito a ricreare in laboratorio una cosiddetta “dinamo turbolenta”. Giungendo così a confermare, osservando il plasma ad alta temperatura generato dall’esperimento, l’emergere di una turbolenza sufficiente a piegare, allungare e amplificare il campo magnetico prodotto dal plasma stesso (in astrofisica, al contrario di quanto avviene in una normale dinamo meccanica per la produzione di energia elettrica, è il moto di un fluido di particelle cariche elettricamente, qual è appunto il plasma, a produrre un campo magnetico).

Fausto Cattaneo, professore di astrofisica all’Università di Chicago, fra i coautori dello studio

Della squadra di fisici che hanno firmato lo studio, guidata da Petros Tzeferacos del Flash Center, fa parte anche il ricercatore romano Fausto Cattaneo, oggi professore di astrofisica all’Università di Chicago, dove Media Inaf l’ha raggiunto per chiarire alcuni aspetti della ricerca.

Cos’è una dinamo “turbolenta”?

«È una dinamo in cui la velocità del fluido è turbolenta. Un termine che si usa per distinguerla da una dinamo in cui la velocità è laminare. Tutte le dinamo che esistono in natura sono turbolente».

E dove le incontriamo, queste “dinamo naturali”?

«Dovunque ci siano dei fluidi con buona conduttività elettrica – plasmi e metalli liquidi. Quindi, all’interno dei pianeti, nel cuore delle stelle, nel mezzo interstellare, nelle galassie, nei dischi di accrescimento caldi… ovunque».

Anche quella all’origine del campo magnetico terrestre è una dinamo turbolenta?

«Decisamente sì: la dinamo terrestre opera nella parte liquida del nucleo terrestre».

E adesso voi ne avete creata una in laboratorio, la prima “dinamo turbolenta artificiale” mai prodotta. Perché?

«Per dare una verifica sperimentale a concetti che alla base della nostra conoscenza teorica delle dinamo. È stato un po’ come cercare una particella elementare la cui esistenza fosse stata predetta solamente a livello teorico».


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Quant’è strano un mojito su Urano

Rappresentazione grafica di simulazioni di dinamica molecolare che mostrano la rapida diffusione di ioni idrogeno (traiettorie in rosa) all’interno del reticolo solido di ossigeno nel ghiaccio superionico. Crediti: S. Hamel / M. Millot / J. Wickboldt / Llnl / Nif

Cosa accade a una bacinella piena d’acqua quando la infiliamo in un freezer? Ovvio, direte voi, l’acqua liquida si trasforma in ghiaccio. Ma cosa succederebbe se invece decidessimo di scaldare quest’acqua fino a qualche migliaio di gradi, schiacciandola sotto il peso di una pressione milioni di volte quella esercitata dalla nostra atmosfera? Beh, in tal caso potremmo assistere ad alcuni fenomeni piuttosto divertenti. L’acqua si trasformerebbe in una sorta di forma ibrida, simultaneamente liquida e solida: un reticolo di ioni di ossigeno disposti secondo una struttura cubica all’interno della quale scorre un fluido costituito da ioni idrogeno.

Si tratta del così detto ghiaccio superionico, una sostanza affascinante che immaginiamo possa giocare un ruolo chiave nella struttura di pianeti come Urano e Nettuno. Una forma già teorizza alla fine degli anni Ottanta, ma mai osservata in laboratorio. Fino ad oggi.

Un team di ricercatori guidato da Marius Millot (già noto ai lettori di Media Inaf) del Lawrence Livermore National Laboratory (Llnl), in collaborazione con le università della California, a Berkeley, e quella di Rochester, è infatti riuscito a produrre per la prima volta il leggendario ghiaccio superionico con una combinazione di impulsi laser applicati a un campione di acqua ghiacciata ad altissima pressione. I dati raccolti dall’esperimento hanno dimostrato le due caratteristiche fondamentali predette per il ghiaccio superionico: un’incredibile conducibilità elettrica e una temperatura necessaria a farlo “sciogliere” paragonabile a quella della superficie del Sole!

Federica Coppari, ricercatrice al Lawrence Livermore National Laboratory, in California

La ricerca è stata pubblicata lo scorso 6 febbraio su Nature Physics. Nel gruppo artefice di questo studio troviamo anche Federica Coppari. Ricercatrice italiana originaria di Appignano, in provincia di Macerata, dopo aver conseguito la laurea in fisica all’università di Camerino  il dottorato di ricerca, sempre in fisica, a Parigi, Coppari si è spostata al Lawrence Livermore National Laboratory, in California, dove lavora tutt’oggi come staff research scientist occupandosi principalmente dello studio della materia in condizioni estreme di pressioni e temperature. Media Inaf l’ha intervistata.

In cosa consiste questa configurazione particolare dell’acqua che avete analizzato?

«La condizione di superionicità  è un particolare stato della materia in cui gli ioni pesanti si presentano sotto forma solida, mentre quelli leggeri sono in stato liquido. Nel caso dell’acqua, l’ossigeno occupa delle posizioni ben definite dalla struttura cristallina, mentre gli idrogeni non occupano delle posizioni fisse, ma si muovono liberamente».

A cosa è dovuta? E quanto è rara da realizzare? 

«Questa condizione della materia, per l’acqua, non esiste ovviamente a condizioni ambiente. Per formarla bisogna comprimere e allo stesso tempo scaldare l’acqua. È quindi piuttosto difficile realizzarla sperimentalmente, perché le condizioni di pressione e temperatura sono molto specifiche: per esempio, se prendiamo l’acqua che conosciamo e la scaldiamo otteniamo un gas. Se invece prendiamo l’acqua e la comprimiamo senza scaldarla formiamo un solido, un ghiaccio, che ha delle proprietà diverse dal ghiaccio che troviamo comunemente sulla Terra. Nel lavoro che abbiamo pubblicato abbiamo visto che il ghiaccio superionico è stabile tra circa 100 e 200 miliardi di Pascal [ndr: milioni di volte la pressione presente qui sulla Terra] e tra 2000 e 4000 gradi Kelvin».

Voi come siete riusciti ad ottenerla?

«Per ottenere questa fase abbiamo preso un campione di acqua (l’acqua che conosciamo, per intenderci), l’abbiamo compressa usando una cella a incudini di diamante fino a formare il ghiaccio chiamato Ice VII: una struttura più densa del 60 per cento rispetto al ghiaccio che abbiamo in frigorifero. Siamo poi andati a fare i nostri esperimenti di compressione shock all’Omega Laser facility, nel Laboratory for Laser Energetics (Lle) di Rochester, New York. In pratica, abbiamo messo la cella a incudini di diamante in una camera apposita, poi abbiamo focalizzato 2000 Joule di energia laser su uno dei diamanti per formare un’onda d’urto che si propaga attraverso la cella, comprimendo e scaldando l’acqua ulteriormente».

Immagine dall’esperimento di compressione shock, ottenuta con il laser per ricreare le condizioni all’interno dei pianeti e studiare le proprietà dell’acqua superionica. Crediti: M. Millot / E. Kowaluk / J. Wickboldt / Llnl / Lle / Nif

Che differenze ci sono tra l’acqua tipo questa, che possiamo trovare nel mantello di un pianeta come Urano o Nettuno, rispetto a quella del ghiaccio che conosciamo qui sulla Terra, quello che usiamo per fare il mojito, per intenderci?

«Il ghiaccio che troviamo sulla Terra, stabile a basse temperature, è il cosiddetto ghiaccio esagonale, in cui la disposizione degli atomi è caratterizzata da una struttura cristallina aperta e a bassa densità (più bassa dell’acqua liquida). Cambiando le condizioni di pressione e temperature il ghiaccio può diventare acqua (scaldando) o assumere una struttura cristallina diversa (comprimendo). Ecco perché all’interno di pianeti tipo Urano e Nettuno, nei quali ci aspettiamo pressioni di centinaia di miliardi di Pascal e migliaia di gradi Kelvin, l’acqua avrà una struttura e delle proprietà sicuramente diverse da quelle del ghiaccio che usiamo per fare il mojito! Probabilmente l’interno dei pianeti non sarà formato da acqua pura, ma da composti e misture di carbonio, idrogeno, ossigeno e azoto. Lo studio delle proprietà dell’acqua pura alle condizioni che ci aspettiamo all’interno di questi pianeti è comunque un primo passo verso una comprensione più approfondita dei meccanismi che hanno portato alla formazione di questi pianeti».

Quali sono le implicazioni e gli sviluppi futuri di questo lavoro? 

«Le implicazioni si possono identificare su diversi fronti: per quanto riguarda la fisica fondamentale, è la prima osservazione sperimentale che questo stato della materia, predetto sulla base di calcoli teorici più di 30 anni fa, esiste nell’acqua. Un’altra implicazione per le scienze riguarda il campo magnetico di questi pianeti, che è intimamente legato a come si sono formati ed evoluti. La visione di molti planetologi è che Urano e Nettuno siano caratterizzati da una struttura interna formata da fluidi convettivi. Altri hanno invece postulato una struttura a strati, con un sottile strato fluido e un mantello di ghiaccio superionico per spiegare le anomalie del campo magnetico di questi pianeti. La scoperta che il ghiaccio è in effetti superionico alle condizioni interne di Urano e Nettuno dà credito a questa teoria. Anche gli sviluppi futuri sono molteplici. Una domanda ovvia è: qual è l’effettiva struttura dell’ossigeno nell’acqua superionica? Con esperimenti di diffrazione X si potrà rispondere a tale quesito. Ulteriori sviluppi riguardano l’esplorazione del diagramma di fase dell’acqua a più alte pressioni per vedere fino a dove si estende il dominio di stabilità del ghiaccio superionico. Non tralasciamo, ovviamente, lo studio delle misture di C-H-O-N per avere un’idea più precisa di cosa succede all’interno di questi pianeti».

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Quando le stelle crescono in laboratorio

Un fotogramma del filmato realizzato dai ricercatori di Palermo che mostra l’evoluzione di densità e temperatura di una delle simulazioni usate per il confronto con l’esperimento di laboratorio

Un team internazionale guidato da ricercatori del Luli (Laboratoire pour l’Utilisation des Lasers Intenses, Ecole Polytechnique Upmc/Cnrs, Francia), e di cui fanno parte astrofisici dell’Istituto nazionale di astrofisica e dell’Università di Palermo, è riuscito a riprodurre per la prima volta in laboratorio il processo di accrescimento di massa in stelle giovani: un processo mediante il quale le stelle appena nate continuano a catturare enormi quantità di materiale dalla nube che le ha generate. Nel caso delle stelle, questo materiale viene accelerato fino a velocità di quasi due milioni di chilometri all’ora, impattando violentemente sulla loro superficie. L’esperimento in laboratorio ha riprodotto la regione di impatto sulla stella, permettendo di osservarla per la prima volta con risoluzioni spaziale e temporale inaccessibili nelle osservazioni astronomiche.

«Grazie a questo lavoro siamo così riusciti a vedere che al centro della regione di impatto il materiale si riscalda fino a temperature di milioni di gradi, mentre all’esterno della regione di impatto può formarsi una coltre di gas denso e freddo, che nasconde parzialmente la regione calda di impatto al suo interno», spiega Rosaria Bonito, dell’Inaf di Palermo, coautrice dell’articolo che descrive la ricerca, pubblicato sull’ultimo numero della rivista Science Advances.

I tre astrofisici di Palermo coautori dello studio uscito su Science Advances. Da sinistra: Rosaria Bonito, Salvatore Orlando e Costanza Argiroffi

Il processo di accrescimento nelle stelle in formazione è un argomento assai studiato da vari gruppi di ricerca in tutto il mondo. I nuovi astri, quando iniziano ad accendersi, sono infatti ancora circondati da enormi quantità di materiale in orbita in una struttura a disco, nella quale si stanno formando pianeti. Il processo di accrescimento aumenta la massa della stella, e contemporaneamente toglie materiale utile alla formazione dei pianeti.

«I risultati ottenuti in laboratorio hanno svelato qual è la struttura della zona di impatto, mostrando che coesistono zone calde e zone fredde», sottolinea Salvatore Orlando, anch’egli dell’Inaf di Palermo, che ha partecipato allo studio. «Tutti questi risultati sono stati supportati e validati da modelli magneto-idrodinamici. Quanto trovato permetterà nuove e più precise interpretazioni delle osservazioni stellari, e quindi misure più accurate del tasso di accrescimento di massa nelle stelle giovani».

«Questo lavoro costituisce un primo passo, un primo esperimento, che apre la porta a nuove indagini», aggiunge Costanza Argiroffi, dell’Università di Palermo e associata Inaf, «che permetteranno di studiare in modo nuovo gli impatti di materiale in accrescimento su stelle giovani mediante esperimenti di laboratorio».

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  • Leggi su Science Advances l’articolo “Laboratory unraveling of matter accretion in young stars“, di Guilhem Revet, Sophia N. Chen, Rosaria Bonito, Benjamin Khiar, Evgeny Filippov, Costanza Argiroffi, Drew P. Higginson, Salvatore Orlando, Jérôme Béard, Marius Blecher, Marco Borghesi, Konstantin Burdonov, Dimitri Khaghani, Kealan Naughton, Henri Pépin, Oliver Portugall, Raphael Riquier, Rafael Rodriguez, Sergei N. Ryazantsev, Igor Yu. Skobelev, Alexander Soloviev, Oswald Willi, Sergey Pikuz, Andrea Ciardi e Julien Fuchs

Guarda il servizio video su MediaInaf Tv:

Fotoni gamma top con le trappole anomale

Quando la luce laser è sufficientemente intensa e tutti i parametri sono corretti, le particelle intrappolate (verde) potrebbero convertire in modo efficiente l’energia laser (superfici rosse, arancioni e gialle) in una cascata di fotoni a energia ultra-elevata (in rosa). Crediti: Arkady Gonoskov

Per ora è solo sulla carta, ma promette di produrre a comando raggi gamma ad altissima energia: non soltanto più alta di quella mai raggiunta fino a oggi, ma anche di quella ritenuta possibile con le tecnologie attuali. Parliamo di fotoni un miliardo di volte più energetici di quelli della luce visibile. A generarli, se la teoria verrà confermata, sarà il nuovo processo sull’ultimo numero di Physical Review X e messo a punto con modelli numerici e simulazioni al computer dai ricercatori della Chalmers University of Technology svedese, della Lobachevsky University russa e dell’Università di Plymouth nel Regno Unito.

La produzione in laboratorio di fotoni gamma avviene bombardando atomi con impulsi laser ad alta energia. Una particella carica può infatti assorbire i fotoni dell’impulso laser e, cedendo una parte della propria energia, riemettere fotoni a un’energia molto più elevata. Ma esistono limiti fisici apparentemente insormontabili, in questo processo, al livello di energia che si può riuscire a ottenere: la produzione di fotoni ad alta energia innesca infatti una “valanga” – una produzione a cascata – di coppie di materia-antimateria (nella fattispecie, elettroni-positroni) che, generando più fotoni, sottrae rapidamente energia dal sistema.

Ma i ricercatori hanno dimostrato – per ora solo teoricamente – che, utilizzando impulsi laser molto potenti e particolari “trappoleradiative (le anomalous radiative trapping) in grado di confinare la materia colpita dagli impulsi laser, si può ottenere una sorgente di fotoni di energie fino al GeV. «La nube di particelle confinate nella trappola riesce a convertire in modo efficiente l’energia laser in una cascata di fotoni ad alta energia. È stupefacente come i fotoni prodotti in questo modo possano raggiungere energie così elevate», dice uno dei coautori della ricerca, Mattias Marklund, della Chalmers University.

Per passare dalle simulazioni alla realtà e innescare il nuovo processo, occorrono laser da almeno 7-10 petawatt. Potenze mostruose, ma che presto dovrebbero diventare disponibili, per esempio in facilities come quelle del Lawrence Livermore National Laboratory statunitense oppure – dice il primo autore dello studio, Arkady Gonoskov della Chalmers University  – l’Exawatt Center for Extreme Light Studies russo.

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