La relazione Amati è qualche cosa di diverso

Lorenzo Amati, dirigente di ricerca all’Inaf Oas di Bologna

Numero di Avogadro, limite di Chandrasekhar, costante di Planck, legge di Hubble-Lemaître… gli esempi di leggi e fenomeni della fisica che portano il nome dei loro scopritori sono tanti, certo. Ma non è da tutti gli scienziati averne uno intitolato a sé stessi. Lorenzo Amati, astrofisico all’Inaf di Bologna, è uno di questi: una correlazione individuata nel 2002 fra l’energia irradiata e la lunghezza d’onda alla quale si osserva il picco di luminosità dei lampi di raggi gamma (Grb, dall’inglese gamma ray bursts), è infatti universalmente nota come “the Amati relation” – la relazione Amati.

È una relazione che potrebbe dare un contributo decisivo alla soluzione di due fra i dilemmi che più stanno tormentando i cosmologi: la natura (e la possibile evoluzione) della cosiddetta energia oscura e il valore della costante di Hubble. Valore, quest’ultimo,  la cui stima varia – con risultati incompatibili fra loro – a seconda che si misuri la velocità di espansione dell’universo usando “candele standard” come le supernove o modelli e parametri cosmologici come quelli ottenuti grazie satellite Planck. Ebbene, se la sua affidabilità fosse confermata, la relazione Amati permetterebbe di affiancare alle supernove un tipo completamente diverso – e dunque indipendente – di candele standard: i Grb, appunto. E in particolare i long Grb.

Data la sua “giovinezza” – non è ancora nemmeno maggiorenne – non stupisce che la relazione Amati sia ancora al vaglio della comunità scientifica, ma per ora sembra che stia reggendo bene alla prova dei fatti. L’ultima conferma arriva da uno studio guidato da Feraol Fana Dirirsa basato sull’osservazione di 26 gamma ray bursts – compiuto con il telescopio della Nasa Fermi e firmato, fra gli altri, da Francesco Longo dell’Infn e dell’Università di Trieste – pubblicato da poche ore su The Astrophysical Journal. Ne parliamo non con uno degli autori dell’articolo, questa volta, bensì con lo stesso Lorenzo Amati: proprio lui, quello della relazione.

Partiamo dalla relazione che porta il suo nome, la Amati relation: cosa dice?

«Si tratta di una forte correlazione tra l’energia irradiata da un lampo gamma assumendo emissione isotropa (Eiso) e la lunghezza d’onda (espressa in termini di energia fotonica, Ep) alla quale si ha il picco dello spettro. In qualche modo, Ep rappresenta il “colore” del Grb, così come per una stella questo è legato alla sua temperatura superficiale. La correlazione ci dice che Ep è proporzionale a circa la radice quadrata di Eiso, ed è la meno dispersa tra quelle che legano l’energia irradiata, o la luminosità, dei Grb alle loro proprietà spettrali o temporali. Per questo, essa costituisce uno strumento fondamentale per la comprensione dei meccanismi fisici alla base dell’emissione dei Grb e delle proprietà geometriche dei jet ultra-relativistici che li emettono».

Cosa ha a che fare tutto ciò con la stima della costante di Hubble?

«Legando una quantità misurabile direttamente, Ep, con una quantità il cui valore apparente dipende dalla geometria ed espansione dell’universo, questa correlazione è il metodo più investigato per la “trasformazione” dei Grb in “candele standard” – e dunque per il loro utilizzo per lo studio dei parametri cosmologici, in modo simile a quanto avviene per le supernove di tipo Ia. Infatti su questa linea di ricerca collaboriamo strettamente con Massimo Della Valle, esperto di supernove e già coinvolto nei lavori da premio Nobel che hanno portato alla scoperta dell’espansione accelerata dell’universo alla fine degli anni ‘90».

In questi anni, per la relazione Amati sono arrivate solo conferme o anche dati che la mettono in discussione?

«Dopo la scoperta da parte di un gruppo di lavoro guidato dal sottoscritto e con l’importante contributo di Filippo Frontera e Marco Tavani, avvenuta nel 2002 basandosi sui dati di del satellite BeppoSax, la correlazione è stata confermata – ed estesa anche ai Grb più deboli e spettralmente “soffici” – dalle misure dei satelliti Hete-2, prima, e poi Konus-Wind, Swift e Fermi/Gbm. Le pubblicazioni scientifiche che citano il lavoro del 2002 sono quasi 900, e diverse centinaia quelle che citano i nostri lavori successivi sulla caratterizzazione e utilizzo della correlazione. Questo dimostra la grande credibilità e rilevanza di questa evidenza osservativa presso la comunità scientifica. Tuttavia, esistono alcuni lavori che, giustamente, si focalizzano sui possibili effetti di selezione legati alle sensibilità limitate dagli strumenti e altri tipi di bias, che vanno sempre considerati nell’utilizzo di sorgenti astrofisiche per la cosmologia».

Per esempio?

«Una decina di anni fa si accese un piccolo, ma acceso, dibattito sulla rilevanza di questi effetti per la correlazione Ep-Eiso, visto in particolare visto il crescente interesse per un suo utilizzo per la cosmologia. Numerosi lavori, tra i quali quelli di Giancarlo Ghirlanda, Gabriele Ghisellini, Lara Nava e collaboratori (peraltro, proponenti l’utilizzo di questo tipo di correlazione per la cosmologia già nel 2004) dimostrano però la marginalità di questi effetti, e dunque la solidità della correlazione. Infine, vi sono alcuni Grb con proprietà molto peculiari che sembrano non seguire la correlazione (i cosiddetti “outliers”). Tuttavia, esistono diverse spiegazioni per questi comportamenti: per esempio, effetti di linea di vista, particolari evoluzioni spettrali legate a effetti strumentali che “remano contro” la correlazione, Grb di diversa natura. Anzi, da questo punto di vista, il piano Ep-Eiso può essere considerato come uno strumento per identificare e comprendere diverse sotto-classi di Grb – ad esempio, quelli sub-luminosi».

E adesso questi 26 Grb osservati da Fermi: tutti ubbidienti alla sua legge o c’è qualche ribelle?

«I Grb lunghi di questo campione di lampi gamma con redshift noto e rivelati anche dallo strumento di altissima energia di Fermi (il Lat, che opera fino a qualche centinaia di GeV ) sono tutti pienamente consistenti con la correlazione. Come già dimostrato da numerose misure precedenti, i Grb corti, invece, non la seguono. E quest’ultimo aspetto rinforza il concetto espresso poco sopra, ovvero l’utilità del piano Ep-Eiso per identificare e distinguere Grb di classi diverse. Addirittura, esiste un lavoro di qualche anno fa, pubblicato su Mnras da un gruppo di ricerca cinese, che va oltre la classificazione dei Grb in lunghi e corti: basandosi sulla consistenza o meno con la correlazione, propone di classificarli in Grb “Amati” e “non-Amati”. Il che, per noi italiani, suona ovviamente abbastanza buffo!».

Cosa aggiunge di nuovo, quest’ultima osservazione compiuta con Fermi, a quelle precedenti?

«Le misure sensibili dello spettro dell’emissione “prompt” dei Grb, ovvero il lampo gamma vero e proprio, dalla quale si ricavano sia Eiso che Ep, vengono tipicamente effettuate da una decina di keV a 1-2 MeV al massimo. Per esempio, il Grb monitor a bordo di Swift è limitato a 15-150 keV, e il Grb monitor di Fermi (Gbm) – pur arrivando nominalmente fino a 30 MeV – per eventi medi è molto poco sensibile sopra 1 MeV. Questi limiti di banda energetica e sensibilità sono tra gli effetti principali che possono condizionare le caratteristiche, e la solidità stessa, della correlazione Ep – Eiso. Le misure dello strumento Lat di Fermi permettono di estendere fino ad oltre il GeV la caratterizzazione dello spettro dei Grb, fornendo quindi misure molto più accurate e solide sia di Ep che di Eiso, riducendo così in modo importante  gli effetti strumentali e di selezione. Dunque, siamo di fronte a un ulteriore passo in avanti nella validità della correlazione e del suo utilizzo per la fisica dei Grb ed il loro utilizzo cosmologico».

Diciott’anni sono pochi, ma nemmeno pochissimi. Perché i Grb ancora non sono utilizzati in modo sistematico per il calcolo della costante di Hubble, come consentirebbe di fare la correlazione che porta il suo nome?  

«Come detto sopra, nonostante la grande mole di lavori scientifici che utilizza la correlazione per la comprensione della fisica dei Grb, lo studio della geometria e struttura del jet che li emette, l’identificazione e comprensione di diverse classi di Grb, la cosmologia e i numerosi lavori che ne sostengono la solidità, per sdoganare del tutto l’utilizzo della correlazione per la misura di parametri cosmologici fondamentali occorre dissipare ogni ombra di dubbio sugli effetti strumentali e bias discussi in precedenza. E fare ulteriori passi in avanti nella calibrazione della correlazione stessa, resa difficile dal fatto che, a differenza delle supernove Ia, i Grb sono tutti a distanze “cosmologiche”. In quest’ottica, saranno molto importanti le misure della missione Svom (Cina e Francia), satellite dedicato ai Grb che dovrebbe essere lanciato nel 2022 e supererà parte dei limiti dell’attuale strumentazione, e, più in prospettiva, di Theseus, concetto di missione coordinato dall’Italia e attualmente in fase di studio da parte di Esa per un possibile lancio intorno al 2030,  che fornirà precisissime misure spettrali e stime del redshift per numerose centinaia di Grb».

Ma cosa si prova a sapere che c’è una potenziale legge di natura che porta il proprio nome?

«La correlazione Ep – Eiso fu chiamata per la prima volta “Amati relation” da Don Lamb – noto esperto mondiale di Grb, allora all’Università di Chicago – nel 2003, durante un congresso celebrativo di BeppoSax ad Amsterdam. Io partecipavo al congresso, ma durante l’intervento di Lamb, l’ultimo prima della fine della sessione, ero intento a discutere con un collega e non mi accorsi di nulla! All’uscita, i mei colleghi e amici cominciarono a complimentarsi, anche scherzosamente, per questa improvvisa popolarità, e da lì in poi è stata una specie di sorprendente, piacevole (e anche un po’ imbarazzante) valanga… Per diversi anni sono stato il più citato nei congressi sui Grb, e il mio cognome compare nel titolo di almeno 30 articoli scientifici e nell’abstract di oltre 200 articoli. Inoltre, mi ha sicuramente gratificato vedermi citato in contesti quali un articolo sul New York Times o un editoriale su Nature. Tra le perle un po’ buffe, oltre alla sopracitata classificazione dei Grb in “Amati” e “non-Amati” da parte di un gruppo cinese, menzionerei un mio ex-professore di dottorato di ricerca a Roma, nonché uno dei maggiori esperti di astronomia X. Che durante un pranzo con diversi colleghi raccontò la sua sorpresa nel leggere della “Amati relation” su Nature e concluse con: “Amati, lei è andato oltre ogni mia più rosea aspettativa!”. Per inciso,  si dice che qualcosa di simile sia successo anche ad Albert Einstein, quando un suo ex-professore commentò in modo analogo  la pubblicazione e il successo degli articoli sulla relatività. Ma non vorrei sembrare immodesto…».


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Quel che resta di Vikram

CreditI: NASA / Goddard / Arizona State University

Avrebbe dovuto toccare il suolo lunare il 7 settembre scorso, il lander Vikram della missione Chandrayaan-2. Ma a circa due chilometri dalla meta – un piatto altopiano nei dintorni del Polo sud – i contatti con il centro di controllo della Isro, la Indian Space Research Organization, si interruppero improvvisamente, ponendo per il momento fine all’ambizione dell’India di diventare il quarto paese in grado di recapitare con successo una sonda sulla Luna – dopo le missioni di Unione Sovietica, Stati Uniti e Cina.

Superato il primo momento di sconcerto, esperti e volontari si misero all’opera per cercare di individuare i resti della sonda, impresa utile anche a stabilire le esatte cause del fallimento della missione. Già il giorno successivo fece il giro del mondo la notizia che la stessa Isro, con l’orbiter di Chandrayaan-2, aveva localizzato il lander ed era intenzionata a tentare di ristabilire i contatti, ma nessuna immagine fece seguito all’annuncio.

Shanmuga Subramanian. Fonte: pagina Facebook personale

Risalgono invece al 17 settembre le prime immagini della zona del touchdown acquisite dal Lunar Reconnaissance Orbiter (Lro) della Nasa, rese pubbliche il 26 settembre e messe a disposizione di chiunque volesse cimentarsi nel ritrovamento. Ed è stato proprio un appassionato del settore, l’ingegnere informatico indiano Shanmuga Subramanian, a individuare in queste immagini quelli che potevano essere indizi dello schianto e a convincere il team di Lro a ritornare sul “luogo del delitto”.

Durante le acquisizioni successive, avvenute il 14 e 15 ottobre e l’11 novembre, le condizioni di luce erano molto più favorevoli – in particolare per le immagini di novembre, che hanno una risoluzione di 0.7 metri per pixel e un angolo di incidenza della luce di 72 gradi. E dal confronto fra queste immagini (vedi gif animata qui sopra) e quelle risalenti a prima dello schianto si è avuta la certezza che Shanmuga Subramanian ci ha visto giusto.

Ministeriale Esa, segno più per l’Italia e la scienza

Ecco come verrà suddiviso, attività per attività, il budget di 14.4 miliardi di euro. La prima cifra indica l’investimento programmato per il triennio 2020-22, mentre quella tra parentesi si riferisce al biennio 2023-24. Fonte: Esa

L’hanno chiamato Space19+, l’incontro che si è concluso ieri a Siviglia fra i rappresenti istituzionali e i capi agenzie dei paesi che compongono l’Agenzia spaziale europea (Esa). E quel segno ‘più’ non ha deluso le attese. Rispetto alla precedente ministeriale, quella del 2016, il budget complessivo allocato dai 22 stati membri per i prossimi 5 anni è salito da 10.3 a 14.4 miliardi di euro, addirittura un poco più di quanto proposto da Jan Wörner, direttore generale dell’Esa, che si è infatti dichiarato «really, really surprised» per il grande sostegno ricevuto.

«Riunire insieme i nostri 22 stati membri, governi che cambiano regolarmente, e accordarsi su tali progetti ispiratori per condividere un futuro comune nello spazio potrebbe sembrare un compito impossibile sulla carta. Ma in due giorni, a Siviglia, abbiamo dimostrato che ciò è possibile», dice Wörner. «È possibile perché lavoriamo insieme per sviluppare dei buoni programmi, ed è possibile perché le persone sono dedicate, e investono tutti i loro sforzi in un lungo e attento processo decisionale che coinvolge la comunità scientifica, l’industria e le delegazioni nazionali».

Venendo ai contributi dei singoli paesi, mentre la Francia (18.5 per cento) cede lo scettro alla Germania (22.9 per cento), si registra un significativo incremento dell’impegno italiano. La nostra delegazione, guidata dal sottosegretario alla Presidenza del Consiglio Riccardo Fraccaro e composta dal presidente dell’Agenzia spaziale italiana Giorgio Saccoccia e dal segretario del Comitato interministeriale per lo spazio e aerospazio Carlo Massagli, ha infatti proposto una sottoscrizione globale pari a 2.28 miliardi di euro, pari al 15.9 per cento del contributo globale dei 22 stati membri dell’Esa.

I contributi di ciascuno dei 22 stati membri. Fonte: Esa

«L’Italia si conferma come terzo Paese contributore dell’Agenzia spaziale europea, con uno stanziamento di quasi 2.3 miliardi di euro per le attività previste», dice a Media Inaf Roberto Della Ceca, responsabile dell’Unità scientifica Gestione progetti spaziali dell’Istituto nazionale di astrofisica. «Per quanto riguarda, invece, il programma obbligatorio complessivo per le attività scientifiche, si consolida – con un lieve incremento – il budget precedente».

A proposito di attività scientifiche, l’auspicio dichiarato dell’Esa è di riuscire a mettere in orbita Lisa, il primo rilevatore spaziale di onde gravitazionali, quasi in contemporanea con la missione per l’astrofisica delle alte energie Athena – dunque nel biennio 2031-32. Sarebbe un’accoppiata senza precedenti, che consentirebbe progressi fondamentali nella nostra comprensione della fisica di base dell’universo.

«Questa ministeriale ha sancito la leadership dell’Italia nei settori centrali dello spazio», sottolinea il sottosegretario alla Presidenza del Consiglio Riccardo Fraccaro. «Dall’osservazione della Terra all’esplorazione robotica e umana, passando per i sistemi di lancio, il primato del Paese a livello industriale, scientifico e tecnologico si rafforza in maniera preponderante».

«La scelta dell’Italia di fare un così importante incremento negli investimenti», spiega il presidente dell’Agenzia spaziale italiana, Giorgio Saccoccia, «è legata alla decisione dell’Italia di supportare attività spaziali che spostino verso l’Italia reali vantaggi economici e industriali».

E un primo risultato già c’è: come annuncia l’Asi, grazie al ruolo raggiunto dall’Italia nella parte dedicata all’esplorazione spaziale, è stato assegnato all’Italia il ritorno in orbita per una nuova missione dell’astronauta Samantha Cristoforetti.

Per saperne di più:

Guarda la dichiarazione di Jan Wörner a margine dell’incontro:

 

Ecco la grande coda di 2I/Borisov

Una nuova immagine della cometa 2I/Borisov, con a fianco una foto della Terra inserita per mostrare la scala di grandezza. Crediti: Pieter van Dokkum, Cheng-Han Hsieh, Shany Danieli, Gregory Laughlin

Dopo quella ripresa dal telescopio spaziale Hubble lo scorso ottobre, ecco un’immagine ancora più ravvicinata e nitida della cometa interstellare 2I/Borisov, catturata da quattro astronomi dell’università statunitense di Yale con il telescopio Keck alle Hawaii.

2I/Borisov, avvistata per la prima volta la scorsa estate, continua ad avvicinarsi alla Terra e raggiungerà il punto di approccio più vicino – circa 300 milioni di chilometri – all’inizio di dicembre. I ricercatori ritengono che la cometa si sia formata in un altro sistema stellare, per poi essere espulsa nello spazio come conseguenza di una quasi-collisione con un pianeta del suo sistema originale.

Secondo gli autori della foto, la coda della cometa come appare nella nuova immagine è lunga quasi 160mila chilometri, una dimensione pari a 14 volte il diametro terrestre, tanto per avere un’idea. Mano a mano che si avvicina al Sole, il nucleo solido della cometa – largo solo un chilometro e mezzo circa – evapora, rilasciando gas e polveri fini, che vanno a comporre il lungo strascico.

La visita di questa cometa extrasolare è un momento particolarmente interessante per i ricercatori, in quanto hanno la possibilità di ottenere informazioni sugli elementi costitutivi dei pianeti in sistemi diversi dal nostro.

Guarda l’intervista ad Albino Carbognani realizzata lo scorso settembre:

Inattesa curva demografica per 69 galassie

Stefano Zibetti nella cupola dello storico telescopio “Amici”, all’Osservatorio astrofisico dell’Inaf di Arcetri. Crediti: S. Zibetti/Inaf

Quando parliamo di galassie antiche non scherziamo: le galassie ellittiche e lenticolari – le più anziane dell’universo – sono formate perlopiù da stelle nate quando l’universo aveva meno di un terzo della sua età attuale: oltre otto miliardi di anni fa. A differenza delle galassie a spirale, in cui continuano tutt’ora a formarsi stelle, nelle galassie ellittiche e lenticolari mancano quasi completamente le stelle giovani. Per questo motivo, analizzare le popolazioni stellari in queste galassie è un po’ come compiere uno scavo archeologico, per ricostruire come e quando si sono formate. Per riuscirci è necessario disporre di tecniche avanzate per caratterizzare e datare i “reperti archeologici”, ovvero gli spettri delle popolazioni stellari, cercando di collegare la posizione in cui si trovano nelle galassie con i vari indizi in un quadro evolutivo complessivo.

Nel contesto della survey Califa, dopo oltre dieci anni di studio sono stati raggiunti risultati particolarmente originali per quanto riguarda i profili di età stellare, appena pubblicati sulla rivista Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. Primo autore dello studio è Stefano Zibetti, astronomo originario di Gallarate (in provincia di Varese) che si occupa di fisica delle galassie e della loro evoluzione fin dalla tesi di laurea. Dopo quasi un decennio di ricerca in Germania, Zibetti è approdato all’Inaf di Arcetri, dove continua a studiare le popolazioni stellari, sia su oggetti vicini, sia in survey su distanze cosmologiche.

Partiamo da questa survey, Califa: che cos’è? 

«Califa sta per “Calar Alto Legacy Integral Field Areasurvey: un ambizioso programma osservativo internazionale, primo nel suo genere, in cui sono state osservate ben 667 galassie “vicine” con la tecnica della integral field spectroscopy, mediante lo strumento Pmas-Ppak al telescopio di 3.5m all’osservatorio ispano-tedesco di Calar Alto, in Spagna. Le osservazioni sono durate circa cinque anni. Benché la release definitiva dei dati sia del 2016 e oltre un centinaio di lavori siano già stati pubblicati utilizzando questi dati, Califa rimane ancora una ricchissima miniera per nuove scoperte».

Come si è svolto il vostro studio?

«Tra le numerose galassie osservate nell’ambito della survey Califa, ne sono state selezionate 69, e da queste abbiamo ottenuto spettri per ogni posizione all’interno della galassia con una risoluzione di circa mille anni luce. Attraverso una complessa modellizzazione degli spettri, che abbiamo sviluppato in anni di ricerca, abbiamo caratterizzato ogni posizione in termini di composizione chimica ed età media delle stelle, nonché della loro densità».

E cosa avete concluso?

«In accordo con lavori precedenti, abbiamo mostrato che la frazione di elementi “pesanti” – più pesanti dell’elio, i cosiddetti “metalli” – decresce in modo sostanziale dal centro verso le parti periferiche di queste galassie, per poi stabilizzarsi nelle regioni più esterne. Più nello specifico, abbiamo mostrato per la prima volta che le abbondanze di metalli sembrano rispondere in modo quasi esclusivo alla densità locale di stelle, con una bassa dipendenza alle caratteristiche “globali” della galassia. Ciò suggerisce che l’arricchimento chimico sia principalmente frutto di processi locali. Questo andamento è in buon accordo con i modelli che prevedono che la maggior parte delle stelle nelle regioni centrali di queste galassie si formino in epoche primordiali dal rapido collasso di nubi di gas sotto l’effetto della gravità propria e della materia oscura».

Qual è la principale novità emersa dal vostro studio?

«La vera sorpresa è stata la scoperta che l’età delle stelle non segue un andamento uniforme in funzione della distanza dal centro. L’età media più vecchia si riscontra nelle regioni più periferiche e diminuisce via via verso distanze intermedie, per poi ricominciare ad aumentare verso il centro nelle galassie con maggiore gravità».

Schema evolutivo di una tipica galassia ellittica. Crediti: Nasa, Esa, S. Toft (Niels Bohr Institute) e A. Feild (Stsci)

Come si può interpretare questo fenomeno?

«Riteniamo che le regioni interne di queste galassie siano costituite da stelle formate in situ, in un processo che si arresta progressivamente in tempi successivi andando verso il centro come previsto nel caso di collasso gravitazionale del gas. Nelle galassie a gravità maggiore è possibile che altri meccanismi (ad esempio la crescita di un buco nero supermassiccio) inibiscano simultaneamente la formazione di stelle anche nelle regioni centrali, dando così origine all’inversione di età che osserviamo. Alternativamente, è possibile che parte del gas venga accresciuto e convertito in stelle nelle regioni intermedie in epoche successive, dando luogo al minimo di età osservato. Le regioni più esterne di queste galassie sarebbero invece dominate da stelle strappate da piccole galassie satelliti in epoche remote, da cui conseguirebbe la loro età avanzata e il basso grado di arricchimento chimico».

Quali saranno le prossime ricerche in questo campo?

«Sebbene risposte definitive non siano ancora disponibili, il campo di ricerca è aperto per studi teorici e simulazioni che siano in grado di spiegare la fisica della fenomenologia che abbiamo presentato in questo lavoro».


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Europa a vapore: c’è acqua sulla luna di Giove

Quarant’anni fa, la sonda Voyager 1 scattò le prime immagini ravvicinate di Europa, una delle 79 lune di Giove. Immagini che hanno rivelato fessure brunastre screziare la superficie ghiacciata della luna, conferendole l’aspetto di un bulbo oculare velato. Le missioni nel Sistema solare esterno dei decenni successivi hanno accumulato abbastanza informazioni aggiuntive su Europa da renderla un obiettivo di studio prioritario della Nasa per la ricerca della vita extraterrestre.

Sulla sinistra è riportata una vista di Europa che risale al 2 marzo 1979, ripresa da 2.9 milioni di chilometri di distanza dal Voyager 1. Al centro, un’immagine a colori di Europa scattata dal Voyager 2 durante il suo incontro ravvicinato del 9 luglio 1979. A destra una vista di Europa tratta da immagini riprese dalla sonda Galileo alla fine degli anni ’90. Crediti: Nasa/Jpl

Ciò che rende questa luna così affascinante è l’eventualità, non remota, che possieda tutti gli ingredienti necessari per la vita. Gli scienziati hanno le prove che almeno uno di questi ingredienti, l’acqua liquida, è presente sotto la superficie ghiacciata della luna e che talvolta può esplodere nello spazio sotto forma di enormi geyser. Ma nessuno è mai stato in grado di confermare la presenza di acqua in questi pennacchi, misurando direttamente la presenza della molecola. Ora, un team di ricerca internazionale, guidato dal Goddard Space Flight Center della Nasa, ha rilevato per la prima volta il vapore acqueo osservando la superficie di Europa attraverso uno dei più grandi telescopi al mondo.

Le molecole d’acqua emettono frequenze specifiche di luce infrarossa mentre interagiscono con la radiazione solare. Crediti: Michael Lentz / Nasa Goddard

Confermare che il vapore acqueo è presente su Europa aiuta a comprendere meglio il funzionamento interno della luna. Ad esempio, aiuta a sostenere l’ipotesi di molti scienziati che sulla luna di Giove esista un oceano di acqua liquida, forse grande il doppio di quelli terrestri, che si agita sotto il suo spesso guscio ghiacciato. Un’altra possibile fonte di acqua per i pennacchi si sospetta essere costituita da bacini poco profondi di ghiaccio, forse sciolto non molto al di sotto della superficie della luna. È anche possibile che il forte campo di radiazione di Giove stia rimuovendo le particelle d’acqua dal guscio ghiacciato di Europa, anche se il recente studio non è favorevole a questo meccanismo quale sorgente dell’acqua osservata.

«Due dei tre requisiti per la vita, ossia elementi chimici essenziali (carbonio, idrogeno, ossigeno, azoto, fosforo e zolfo) e fonti di energia, si trovano in tutto il Sistema solare. Ma il terzo – l’acqua liquida – è il più difficile da trovare, oltre la Terra», osserva Lucas Paganini, ricercatore della Nasa che ha guidato le indagini sulla rilevazione dell’acqua. «Anche se gli scienziati non hanno ancora rilevato direttamente l’acqua liquida, abbiamo trovato ciò che di più simile potevamo trovare: l’acqua sotto forma di vapore».

Rappresentazione artistica di un pennacchio di vapore acqueo che si ritiene essere espulso dalla gelida superficie ghiacciata della luna gioviana Europa, situata a circa 800 milioni di chilometri dal Sole. Crediti: Nasa/Esa/K. Retherford/Swri

Paganini e il suo team hanno pubblicato sulla rivista Nature Astronomy i risultati del loro studio, in base ai quali dichiarano di aver rilevato una quantità di acqua rilasciata da Europa sufficiente a riempire una piscina olimpionica in pochi minuti (2360 chilogrammi al secondo). Tuttavia, gli scienziati hanno anche scoperto che l’acqua appare di rado, almeno in quantità abbastanza grande da poter essere rilevata dalla Terra. «Per me, la cosa interessante di questo lavoro non è solo la prima rilevazione diretta dell’acqua sopra Europa», sottolinea Paganini, «ma anche la sua mancanza entro i limiti del nostro metodo di rilevazione».

Infatti, il team di Paganini ha rilevato il debole ma distinto segnale del vapore acqueo solo una volta durante 17 notti di osservazioni, tra il 2016 e il 2017. Guardando la luna dall’osservatorio WM Keck, sulla sommità del vulcano di Mauna Kea, alle Hawaii, gli scienziati hanno visto molecole d’acqua nell’emisfero principale di Europa, il lato della luna che è sempre rivolto nella direzione dell’orbita lunare attorno a Giove – Europa infatti, come la nostra Luna, ha una rotazione sincrona con il suo pianeta e ha un emisfero sempre rivolto verso la direzione dell’orbita, mentre l’altro emisfero è sempre rivolto nella direzione opposta.

Per compiere le osservazioni, i ricercatori hanno usato uno spettrografo in grado di misurare la composizione chimica delle atmosfere planetarie attraverso la luce infrarossa che emettono o assorbono. Molecole come l’acqua emettono frequenze specifiche di luce infrarossa mentre interagiscono con la radiazione solare.

Questa immagine è stata scattata dalla sonda spaziale Galileo (in particolare, dallo strumento Ssi) con una risoluzione di 224 metri per pixel. Il nord è in alto e l’immagine è centrata approssimativamente a 30 gradi di latitudine nord e 220 gradi di longitudine. L’immagine è stata scattata il 26 settembre 1998. Crediti: Nasa/JPL-Caltech/University of Arizona

Prima di questo rilevamento di vapore acqueo, ci sono stati molti altri risultati allettanti che hanno riguardato Europa. Anzitutto quello della sonda spaziale Galileo della Nasa, tra il 1995 e il 2003, che ha misurato perturbazioni nel campo magnetico di Giove quando Europa gli orbitava vicino. Le misurazioni hanno suggerito agli scienziati che il fluido elettricamente conduttivo, probabilmente un oceano salato sotto lo strato di ghiaccio di Europa, stava causando disturbi magnetici. Quando i ricercatori hanno analizzato più da vicino i disturbi magnetici, nel 2018, hanno trovato prove di possibili pennacchi.

Nel 2013, gli scienziati hanno annunciato di aver utilizzato il telescopio spaziale Hubble della Nasa per rilevare gli elementi chimici idrogeno e ossigeno – componenti dell’acqua – in configurazioni simili a pennacchi nell’atmosfera di Europa. Alcuni anni dopo, hanno usato Hubble per raccogliere ulteriori prove di possibili eruzioni a pennacchio, scattando immagini di proiezioni simili a dita, nella silhouette della luna, mentre passava davanti a Giove.

«Questa prima identificazione diretta del vapore acqueo su Europa è una conferma dei nostri primi rilevamenti originali di specie atomiche ed evidenzia l’apparente scarsità di grandi pennacchi su questo mondo ghiacciato», spiega Lorenz Roth, astronomo e fisico del Kth Royal Institute of Technology a Stoccolma, che ha guidato lo studio sui dati di Hubble del 2013 ed è coautore del recente articolo.

La ricerca di Roth, insieme ad altri precedenti risultati di Europa, ha evidenziato solo i componenti dell’acqua sulla superficie. Il problema è che rilevare il vapore acqueo in altri mondi è una vera sfida: i veicoli spaziali attualmente esistenti hanno capacità limitate di rilevarlo e gli scienziati che utilizzano telescopi terrestri per cercare l’acqua nello spazio profondo devono tenere conto dell’acqua presente nell’atmosfera terrestre. Per minimizzare quest’ultimo effetto, il team di Paganini ha usato complessi modelli matematici computerizzati per simulare le condizioni dell’atmosfera terrestre in modo da poter differenziare l’acqua dell’atmosfera terrestre da quella presente su Europa, nei dati provenienti dallo spettrografo Keck.

Rendering artistico della sonda spaziale Europa Clipper della Nasa, il cui lancio è previsto nei prossimi anni. La missione si propone di porre una sonda in orbita attorno a Giove, per fare un’indagine dettagliata di Europa attraverso ripetuti voli ravvicinati. La missione nominale dovrebbe eseguire almeno 45 sorvoli di Europa ad altitudini variabili da 2700 chilometri a 25 chilometri, sopra la superficie. Crediti: Nasa/Jpl-Caltech

«Abbiamo eseguito scrupolosi controlli di sicurezza per rimuovere possibili contaminanti nelle osservazioni terrestri», dice Avi Mandell, scienziato planetario del Goddard nel team di Paganini. «Ma, alla fine, dovremo avvicinarci ad Europa per vedere cosa sta realmente succedendo».

Gli scienziati saranno presto in grado di avvicinarsi abbastanza a Europa per rispondere alle loro domande sul funzionamento interno ed esterno di questo mondo forse abitabile. L’imminente missione della Nasa – Europa Clipper – che dovrebbe essere lanciata a metà degli anni ’20, completerà mezzo secolo di scoperte scientifiche, iniziate con la modesta foto del Voyager 1 di un qualcosa di molto simile a un misterioso e velato bulbo oculare.

Quando arriverà in prossimità di Europa, l’orbiter Clipper condurrà una survey dettagliata della sua superficie, delle sue profondità, dell’atmosfera sottile, dell’oceano sotterraneo e delle aperture attive potenzialmente anche più piccole. Clipper proverà a catturare immagini di qualsiasi pennacchio e a campionare le molecole che trova nell’atmosfera, con i suoi spettrometri di massa. Cercherà anche un sito nel quale un futuro lander potrebbe atterrare e raccogliere un campione. Questi sforzi saranno decisivi per svelare i segreti di Europa e le sue potenzialità in termini di vita extraterrestre.

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Magic apre una nuova era nell’astronomia gamma

Rappresentazione artistica di un’esplosione cosmica che origina un lampo di raggi gamma sovrapposta allo scorcio di uno dei due telescopi gemelli Magic. Crediti: Gabriel Pérez Díaz, Iac

Grazie a un lavoro di squadra perfetto, che ha coinvolto telescopi spaziali e sulla Terra nonché centinaia di ricercatori in tutto il mondo, è stato possibile registrare, per la prima volta in assoluto, fotoni di altissima energia emessi da un lampo di raggi gamma (Grb) – il risultato di una potentissima esplosione cosmica –registrato il 14 gennaio 2019. A captare questi fotoni, che hanno raggiunto energie dell’ordine del teraelettronvolt, ovvero migliaia di miliardi di volte più elevate di quelli della luce visibile, sono stati i telescopi gemelli Magic sulle isole Canarie. Fondamentale per la scoperta – della quale avevamo dato un’anticipazione a caldo proprio qui su Media Inaf – è stato il contributo scientifico italiano, con l’Istituto nazionale di astrofisica (Inaf), l’Istituto nazionale di fisica nucleare (Infn), l’Agenzia spaziale italiana (Asi) e varie università. I risultati vengono pubblicati oggi in due articoli sulla rivista Nature.

Storia breve di Grb 190114C

Il 14 gennaio scorso, come dicevamo, un Grb è stato scoperto in modo indipendente dai telescopi a bordo di due satelliti: il Neil Gehrels Swift Observatory e il Fermi Gamma-ray Space Telescope. «L’evento mostrava una forte emissione sia nei raggi X che in ottico, e questo ci suggeriva si trattasse di un Grb esploso abbastanza vicino e sicuramente interessante», dice Valerio D’Elia dello Space science data center dell’Asi. «L’evento osservato», ricorda Francesco Longo, dell’Università e dell’Infn di Trieste, «è stato chiamato Grb 190114C e le sue coordinate, che ne identificavano la posizione in cielo tra le costellazioni dell’Eridano e della Fornace, sono state distribuite via internet agli astronomi di tutto il mondo in 22 secondi dal rilevamento dell’esplosione».

A ricevere l’allerta c’erano i telescopi a terra – come il telescopio robotico dell’Inaf Rem, situato in Cile, che ha colto l’emissione ottica – e gli scienziati della collaborazione internazionale Magic, che gestisce due telescopi a luce Cherenkov, ognuno con specchio del diametro di 17 m, situati sull’isola di La Palma, alle Canarie (Spagna). I telescopi Magic sono stati concepiti per rispondere rapidamente alle allerte Grb, e inoltre hanno una strategia di follow-up dedicata. «Un sistema automatico elabora in tempo reale le allerte Grb dai satelliti e fa in modo che i telescopi Magic puntino rapidamente la posizione del Grb in cielo», spiega Antonio Stamerra dell’Inaf di Roma, co-portavoce della collaborazione Magic. «I telescopi sono stati progettati per puntare rapidamente, nonostante il peso di 64 tonnellate ciascuno, qualsiasi regione di cielo e possono farlo in poche decine di secondi. Nel caso del Grb 190114C, Magic è stato in grado di iniziare l’osservazione circa 30 secondi dopo l’arrivo dell’allerta Grb da parte dei satelliti, cioè circa 50 secondi dopo la rivelazione del fenomeno».

Dopo il puntamento in direzione del Grb 190114C, i telescopi Magic hanno captato per la prima volta i fotoni di più alta energia mai misurati per questo tipo di eventi celesti. Un risultato senza precedenti, che fornisce nuove informazioni fondamentali per la comprensione dei processi fisici in atto nei Grb. I fotoni rivelati da MAGIC devono infatti avere origine da un processo finora non legato alla radiazione prodotta negli afterglow dei Grb (un’emissione di luce osservabile a tutte le lunghezze d’onda che si affievolisce nel tempo) e che è distinto dal processo fisico responsabile della emissione dei Grb stessi alle energie più basse.

«L’analisi dei dati risultanti per le prime decine di secondi di osservazione rivela l’emissione di fotoni che raggiungono le energie del teraelettronvolt (TeV), cioè un trilione di volte più energetici della luce visibile», dice Alessio Berti dell’Infn di Torino. «Durante questo lasso di tempo, l’emissione di fotoni TeV dal Grb 190114C è stata cento volte più intensa della sorgente celeste più brillante conosciuta a queste energie: la Nebulosa del Granchio. Tra i vari record registrati dal Grb 190114C c’è dunque anche quello di essere la sorgente più brillante di fotoni conosciuta a queste energie». Sebbene l’emissione fino alle energie del TeV nei Grb fosse stata prevista in alcuni studi teorici, essa era rimasta finora inosservata nonostante le numerose ricerche svolte negli ultimi decenni con vari strumenti che lavorano a queste energie, tra cui Magic.

Le tante facce di una potentissima esplosione

I fotoni di altissima energia sono stati osservati da Magic fino a mezz’ora dopo l’esplosione del Grb per cui, grazie sia all’intensità del segnale ricevuto che alla procedura di analisi dei dati in tempo reale disponibile all’osservatorio, è stato possibile comunicare entro poche ore dall’osservazione alla comunità astronomica internazionale la scoperta del primo inequivocabile rilevamento di fotoni di altissima energia da un Grb. Questa comunicazione ha messo in evidenza l’importanza di questo evento astronomico e ha dato luogo a una vasta campagna di osservazioni di follow-up a tutte le lunghezze d’onda del Grb 190114C da parte di oltre due dozzine di osservatori o strumenti dalla banda radio alle energie TeV. In particolare, le osservazioni ottiche hanno consentito una misurazione della distanza dal Grb 190114C di circa 7 miliardi di anni luce.

Grb 190114C visto da terra e dallo spazio. Gabriel Pérez Díaz, Iac

«L’osservazione alle varie lunghezze d’onda, che coprono tutto lo spettro elettromagnetico dal radio ai raggi gamma, è di fondamentale importanza perché i fotoni che arrivano a noi con energie diverse spesso sono emessi da regioni diverse e trasportano informazioni differenti», spiega Marco Tavani dell’Inaf di Roma, responsabile della missione per astronomia gamma Agile, che ha osservato l’evento nell’istante dello scoppio e in quelli immediatamente successivi. «In particolare, poter osservare il fenomeno alle energie più alte è da sempre stato un obiettivo della ricerca in questo settore in quanto i fotoni di più alta energia ci portano informazioni dalle regioni più vicine all’origine del fenomeno».

Tutte le osservazioni effettuate – tra cui quelle degli astronomi dell’Inaf, che con vari telescopi ottici sparsi in giro per il mondo hanno seguito per giorni il fenomeno – offrono una panoramica multifrequenza molto completa per questo evento e forniscono le prove inequivocabili che l’emissione di alta energia osservata da Magic è originata da un ulteriore, distinto processo di emissione nell’afterglow finora mai osservato. «Dalla nostra analisi, il candidato favorito per spiegare l’emissione di altissima energia è il cosiddetto processo di Compton inverso, in cui i fotoni ricevono l’energia osservata da una popolazione di elettroni di energia ancora più alta che sono stati accelerati dall’esplosione», dice Lara Nava dell’Inaf Milano. «Viceversa i fotoni di più bassa energia che si osservano negli afterglow sono originati dal cosiddetto processo di sincrotrone in cui i fotoni osservati sono invece generati dall’interazione tra elettroni e campi magnetici».

Dopo oltre 50 anni dalla prima scoperta dei Grb, molti aspetti di questo fenomeno rimangono ancora misteriosi. Tuttavia, uno studio comparativo di tutte le precedenti osservazioni Grb di Magic suggerisce che Grb 190114C non è stato un evento particolarmente singolare, se non per la sua relativa vicinanza, e che il successo dell’osservazione si deve alle eccellenti prestazioni dello strumento. «Magic ha aperto una nuova finestra per studiare i Grb», osserva Lucio Angelo Antonelli dell’Inaf di Roma, responsabile Inaf presso la collaborazione Magic. «I nostri risultati indicano che siamo sicuramente in grado di rilevare molti più Grb alle energie TeV sia con Magic che con gli strumenti Cherenkov di nuova generazione».


Per saperne di più:

Guarda su MediaInaf Tv la versione italiana del video del MAGIC outreach team:

 

Ologrammi hi-tech per studiare le stelle, e non solo

Elemento ottico basato su Bayfol® HX

I telescopi ad alte prestazioni dell’astronomia contemporanea servono non solo per produrre immagini dettagliate di stelle e galassie, ma anche per studiare i processi fisici e chimici coinvolti nell’attività stellare, dalla formazione di una stella alla sua eventuale esplosione come supernova. Man mano che gli strumenti diventano sempre più grandi, con l’obiettivo di raggiungere risoluzioni sempre più elevata e indagare lo spazio sempre più in profondità, i progressi sul fronte dello sviluppo di nuovi materiali stanno consentendo notevoli passi avanti nell’analisi spettroscopica della luce stellare, permettendo al tempo stesso di ridurre la complessità degli strumenti coinvolti.

In Italia, l’Istituto nazionale di astrofisica (Inaf) sta lavorando su elementi ottici olografici basati su ologrammi di volume (Vphg, dall’inglese volume phase holographic gratings): reticoli in grado di decomporre con grande efficienza la luce delle stelle nei suoi colori, così da poterne eseguire l’analisi spettroscopica. Nel corso di una collaborazione pluriennale con Covestro, multinazionale tedesca specializzata nella produzione di polimeri hi-tech, un particolare tipo di pellicole fotopolimeriche su misura prodotte da quest’ultima – i film di Bayfol® HX – si è dimostrato il materiale ideale per la produzione riproducibile di ologrammi di volume ad alta efficienza su telescopi ad alte prestazioni per spettrometri di nuova concezione e di diverse tipologie.

I film Bayfol® HX sono costituiti da una pellicola di supporto sulla quale sono posizionati uno strato sensibile alla luce e un’ulteriore pellicola protettiva esterna, e sono prodotti su scala industriale. Gli ologrammi di volume possono essere stampati sulle pellicole in Bayfol® HX attraverso un processo molto semplice, puramente ottico e riproducibile, senza la necessità di alcun pre o post trattamento chimico. In particolare, è possibile registrare il profilo periodico di indice di rifrazione nello spessore del film di Bayfol® HX in modo flessibile attraverso l’uso di un sistema di esposizione laser. Ed è grazie a questi profili periodici di indice di rifrazione che si riesce a separare con grande efficacia la luce delle stelle nelle sue componenti spettrali – un po’ come fa un prisma, ma in modo assai più efficiente.

Un nuovo accesso alle stelle

«Grazie a questi film fotopolimerici per il trasporto della luce, siamo stati letteralmente in grado di ampliare i confini dell’astronomia», dice Alessio Zanutta, project manager holography all’Istituto nazionale di astrofisica. «A differenza dei materiali impiegati in passato per la produzione di reticoli di diffrazione, con tutti i loro limiti di lavorazione, gli ologrammi di volume basati su Bayfol® HX consentono un’ampia varietà di geometrie di reticolo di diffrazione e un’altissima possibilità di combinazioni o integrazioni con altri elementi ottici. Questo apre le porte alla realizzazione di spettrometri di nuova concezione, e di conseguenza un “accesso alle stelle” senza precedenti. Ad esempio, l’Inaf è già riuscito a impiegare Bayfol® HX su diversi strumenti installati in cinque telescopi ad alte prestazioni sparsi ovunque nel mondo. E fra gli elementi ottico olografici prodotti in questo modo il più vecchio sta funzionando in modo affidabile da oltre otto anni».

Da sinistra: Alessio Zanutta e Andrea Bianco

Fra i telescopi che già oggi si avvalgono di spettrografi con reticoli realizzati in Bayfol® HX ce ne sono anche tre dell’Inaf: in Italia, il “Copernico” di Asiago e il “Cassini” di Loiano, e alle Canarie il Telescopio nazionale Galileo, che con il suo specchio primario da 3.5 metri è il più grande telescopio ottico interamente italiano al mondo. Già sono arrivati anche i primi risultati scientifici ottenuti grazie a questi nuovi materiali, e presto ne giungeranno altri.

«I Vphg (volume phase holographic gratings) di “plastica”», ricorda infatti a Media Inaf Andrea Bianco dell’Inaf-Osservatorio astronomico di Brera, «sono stati una sfida che abbiamo accettato diversi anni fa, e ne abbiamo fatto uno degli obiettivi strategici nell’ambito del progetto europeo Opticon. Già nel 2014, i primi prototipi montati sul telescopio di Asiago erano stati usati per la classificazione di una supernova, ed essi sono ancora usati oggi a distanza di anni. Forti di questi risultati e dell’estrema flessibilità fornita da questi materiali, stiamo sviluppando reticoli innovativi già in parte provati in cielo e che speriamo saranno parte della strumentazione spettroscopica in futuro».

Non solo astronomia

«Le nostre pellicole fotopolimeriche possono essere impiegate con successo in applicazioni impegnative come gli spettrometri nei telescopi ad alte prestazioni per l’astronomia. Ma sono particolarmente adatte anche per molte altre applicazioni d’uso più comune», spiega Friedrich-Karl Bruder, responsabile del dipartimento Application Development Holography di Covestro. Applicazioni come gli schermi trasparenti per i parabrezza, luci olografiche innovative per le auto, documenti a prova di contraffazione, occhiali per i dati, occhiali per la realtà aumentata e abitacoli in grado di proteggere i piloti dall’accecamento dovuto a fasci di luce laser provenienti da terra.

«È veramente affascinante vedere come le tecnologie che si sviluppano nel circuito dell’astronomia possano trovare interessanti applicazioni come quelle appena descritte», osserva Nichi D’Amico, presidente dell’Istituto nazionale di astrofisica. «Questo dimostra ancora una volta il carattere innovativo dell’astronomia moderna, ed è con soddisfazione che vedo il nostro Inaf sempre più coinvolto nel settore dell’innovazione e dei brevetti, con innegabili ritorni per il Paese e per la società».

Quando un singolo Sole non basta

Rappresentazione artistica dei tre soli che illuminano il cielo dell’esopianeta a noi più vicino: Proxima Centauri b. Crediti: Eso/M. Kornmesser

Esistono esopianeti che girano intorno a sistemi doppi di stelle? E come si comportano? Uno studio tedesco analizza per la prima volta i dati del satellite Gaia alla ricerca di stelle compagne di quelle in cui già sono stati osservati esopianeti. Una sorta di studio comportamentale sulla “famiglia allargata” di tipo cosmico, dunque, che ha portato a risultati molto interessanti. Ad esempio, un pianeta può sopravvivere alla fine di una stella come il Sole.

Le scoperte sui pianeti extrasolari continuano a stupire e, in fondo, a renderci consapevoli che il sistema in cui ci troviamo – il Sistema solare – è tra i più semplici, tranquilli e, se vogliamo, noiosi che la natura potesse concepire: quello monoparentale. Lo ha dimostrato Markus Mugrauer dell’Università Friedrich Schiller di Jena, in Germania, pubblicando su Monthly Notices of the Royal Astronomical Society i risultati di uno studio che ha cercato, e trovato, stelle compagne in quei sistemi dove già si conoscevano esopianeti.

Gaia, strumento fondamentale per sondare la Via Lattea

Uno studio tanto preciso e dettagliato è stato possibile utilizzando i preziosissimi dati rilasciati dal telescopio spaziale Gaia, lanciato dall’Agenzia spaziale europea (Esa) nel 2013 per studiare i movimenti di circa un miliardo di stelle della Via Lattea e creare, di conseguenza, un’ambiziosa mappa 3D della Galassia. Nel 2018 Gaia ha reso disponibile al mondo scientifico la sua seconda data release, consentendo di fatto la realizzazione dello studio tedesco.

Alcune delle stelle prese in esame dallo studio, qui mostrate assieme alle loro compagne (indicate dalle lettere B e C). Crediti: Mugrauer, PanStarss

I dati forniti da Gaia sono stati analizzati da Mugrauer per scovare una categoria ancora poco conosciuta: i sistemi multipli di stelle contenenti esopianeti. La maggior parte dei circa 4mila esopianeti finora scoperti orbita attorno a stelle singole, come il nostro Sole. Mugrauer è invece andato alla ricerca di sistemi doppi, ma anche tripli e persino quadrupli, dimostrando in tal modo che l’esistenza e la conseguente gravità esercitata da più stelle influenza il processo attraverso il quale i pianeti nascono ed evolvono, un po’ come fanno i bambini di una famiglia, che assorbono le influenze e i comportamenti di uno o più adulti che ne guidano la crescita.

«I sistemi a più stelle sono molto comuni nella Via Lattea», dice Mugrauer. «Se tali sistemi includono pianeti, sono di particolare interesse per l’astrofisica, perché i sistemi planetari in essi possono differire dal Sistema solare anche in modi fondamentali». Per scoprire fin dove si potessero spingere queste differenze, Mugrauer ha quindi analizzato – ponendosi come limite la distanza di 500 parsec, equivalente a 1600 anni luce – oltre 1.300 stelle già sicuramente ospitanti uno o più esopianeti ,per vedere se avessero o meno stelle compagne.

Nane gialle, rosse e bianche

Lo studio è riuscito quindi a dimostrare l’esistenza di almeno una stella compagna per circa 200 delle stelle – perlopiù nane gialle – prese in esame. Nella stragrande maggioranza dei casi si tratta di sistemi doppi, ma in 27 casi le stelle erano tre, e in un caso addirittura quattro. Analizzando i dati, Mugrauer è stato anche in grado di caratterizzare le stelle associate e i loro sistemi in modo più dettagliato. Ha infatti scoperto che esistono sia sistemi ravvicinati con distanze tra le stelle di sole 20 unità astronomiche (Ua) – dunque, con le due stelle che orbitano in uno spazio come quello che separa il Sole da Urano – sia sistemi molto più ampi, con stelle distanti fino a 10mila Ua l’una dall’altra: distanza che, nel Sistema solare, si collocherebbe tra la fine della Fascia di Kuiper, a 50 Ua, e l’inizio della Nube di Oort, che inizia molto più in là, a 50mila Ua.

La stella Hip116454, al centro di un sistema planetario a circa 200 anni luce dalla Terra, ha per compagna una debole nana bianca (lettera B). Crediti: Mugrauer, Sdss

Le stelle compagne individuate variano anche in termini di massa, temperatura e stadio di evoluzione. La più “pesante” ha una massa di 1,4 volte il Sole, mentre la più “leggera” ha solo l’8 per cento della massa solare. La maggior parte delle stelle compagne sono comunque stelle nane fredde e di bassa massa caratterizzate da una debole luminosità tendente al rosso, conosciute per questo come nane rosse. Tuttavia, in questo stuolo di gracili damigelle delle stelle madri, sono state individuate anche otto nane bianche, che sono grandi come la Terra ma pesano la metà del Sole, essendo il risultato finale dei collassi gravitazionali che portano alla morte di una nana gialla come il Sole stesso. Questo dato è di grande importanza perché la compresenza di nane bianche ed esopianeti dimostra che questi ultimi possono sopravvivere alla fase finale di rilascio degli strati esterni tipica dell’evoluzione finale di queste piccole stelle.

È dunque plausibile pensare che tra cinque miliardi di anni, quando il Sole finirà il carburante (l’idrogeno), il suo previsto rigonfiamento e il rilascio tutto intorno di quanto ne resta investirà sicuramente i pianeti che, però, potrebbero sopravvivere e non variare di molto le proprie orbite, anche se è prematuro fare ipotesi su quali potrebbero essere i coraggiosi survivors.

Troppe stelle inibiscono la formazione dei pianeti

Ma c’è di più, perché la scoperta 200 sistemi stellari multipli con esopianeti, su 1300 stelle simili al Sole analizzate, rappresenta solo il 15 per cento del totale: ovvero la metà di quanto ci si aspetterebbe per questa tipologia di stelle. In pratica, ci si attendeva che questi sistemi stellari multipli con esopianeti sarebbero stati il doppio di quelli trovati. Inoltre, sottolinea l’autore, nei casi individuati le distanze tra le stelle sopra menzionate sono ben cinque volte superiori a quelle attese.  Come mai?

«Questi due fattori messi insieme potrebbero indicare che l’influenza di diverse stelle in un sistema stellare interrompe il processo di formazione del pianeta e l’ulteriore sviluppo delle loro orbite», spiega Mugrauer. In pratica, il “genitore 2”, e, peggio ancora, il 3 e il 4, avrebbero effetti nefasti in primis sulla formazione dei pianetini – perché andrebbero ad attirare a sé buona parte della materia del disco di accrescimento di cui questi ultimi si sarebbero normalmente nutriti – e, in secondo luogo, anche una volta formati, i pianeti subirebbero dalle stelle in eccesso influssi gravitazionali estremamente violenti e negativi per le loro orbite.

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AstroLuca sei ore nel vuoto per l’antimateria

Luca Parmitano durante l’Eva del 9 luglio 2013. Crediti: Nasa

La prossima attività extra-veicolare di Luca Parmitano, in programma venerdì 15 novembre a partire dalle 13.05 ora italiana, sarà una fra le più difficili operazioni nel vuoto cosmico dai tempi delle riparazioni sul telescopio spaziale Hubble.

Questa sarà solo l’inizio di una serie di complesse “passeggiate spaziali” per la manutenzione dello strumento Alpha Magnetic Spectrometer (Ams-02), un rilevatore di particelle di antimateria e di materia oscura situato in cima alla struttura a traliccio S3 della Stazione spaziale internazionale, tra una coppia di pannelli solari e radiatori. La Nasa considera queste uscite, chiamate tecnicamente Eva (da Extra-Vehicular Activity), particolarmente impegnative, in quanto Ams-02 non era stato inizialmente progettato per operazioni straordinarie di mantenimento. Sarà per Parmitano, attualmente comandante della Stazione spaziale, la terza Eva dopo quelle effettuate nel 2013 nel corso della missione “Volare” dell’Agenzia spaziale italiana. La sua seconda uscita fu caratterizzata da un pericoloso incidente che concluse l’uscita poco dopo il suo avvio.

L’Alpha Magnetic Spectrometer (AMS-02) è un rilevatore di particelle operante come modulo esterno della Stazione spaziale. Si tratta di un laboratorio orbitante per la fisica delle particelle, sviluppato dall’Asi e dall’Infn, il cui scopo è quello di studiare con precisione la composizione e l’abbondanza dei raggi cosmici nello spazio in cerca di tracce di antimateria primordiale e materia oscura ad energie estreme fino a qualche TeV (“tera-elettronvolt”). La maggior parte dei raggi cosmici, circa il 99 per cento, è formato da materia “ordinaria” quali protoni e nuclei elio. Lo strumento AMms-02 è stato progettato per misurare con precisione la rarissima componente di antimateria nei raggi cosmici, come positroni ed anti-protoni, e scovare particelle di antimateria pesante, come nuclei di anti-elio. L’Asi contribuisce alle attività di operazione dello strumento e di analisi dati con la partecipazione di ricercatori presso l’Unità di ricerca scientifica (Asi-Urs) e lo Space Science Data Center (Asi-Ssdc).