Pianeta in corsa sull’orlo della distruzione

Impressione artistica di un gioviano caldo in orbita vicino a una stella. Crediti: Università di Warwick / Mark Garlick

Gli astronomi dell’Università di Warwick hanno osservato un esopianeta che orbita attorno a una stella in poco più di 18 ore. Si tratta del periodo orbitale più breve mai osservato per un gioviano caldo, un gigante gassoso simile per dimensioni e composizione a Giove: un anno su questo pianeta trascorre in meno di un giorno terrestre!

La scoperta è descritta in un nuovo articolo pubblicato su Monthly Notices of the Royal Astronomical Society e gli scienziati ritengono che permetterà di capire se tali pianeti stiano andando incontro alla distruzione, cadendo verso i loro soli, oppure no.

Il pianeta in questione, chiamato Ngts-10b, si trova a circa 1000 anni luce di distanza dalla Terra ed è stato scoperto nell’ambito del Next-Generation Transit Survey (Ngts), una survey con l’obiettivo di rilevare esopianeti con dimensioni fino a quelle di Nettuno, usando il metodo dei transiti, che comporta l’osservazione delle stelle per rivelare un calo di luminosità, indice del passaggio del pianeta davanti alla stella.

In qualsiasi momento, la survey Ngts osserva 100 gradi quadrati di cielo, analizzando la luce di circa 100mila stelle. Di quelle 100mila stelle, questa in particolare ha attirato l’attenzione degli astronomi, a causa delle frequenti diminuzioni della sua luce causate dal pianeta che gli orbita intorno molto rapidamente.

«Siamo entusiasti di annunciare la scoperta di Ngts-10b, un pianeta delle dimensioni paragonabili a quelle di Giove, che orbita attorno a una stella non molto diversa dal Sole con un periodo estremamente breve», dice il primo autore dello studio, James McCormac, dell’Università di Warwick. «Siamo inoltre lieti che Ngts continui a spingere i confini della scienza che studia gli esopianeti, trovati con il metodo dei transiti, verso la scoperta di rare classi di pianeti extrasolari».

«Sebbene i gioviani caldi con brevi periodi orbitali (meno di 24 ore) siano i più facili da rilevare a causa delle loro grandi dimensioni e dei transiti frequenti», continua McCormac, «si sono dimostrati estremamente rari. Delle centinaia di gioviani caldi attualmente conosciuti, ce ne sono solo sette che hanno un periodo orbitale inferiore a un giorno».

Ngts-10b orbita così rapidamente perché è molto vicino al suo sole, a una distanza che è solo il doppio del diametro della stella. Prendendo come riferimento il nostro Sistema solare, è come se il pianeta fosse 27 volte più vicino al Sole di quanto lo sia Mercurio. Gli scienziati hanno notato che è pericolosamente vicino al punto nel quale le forze mareali della stella potrebbero distruggerlo.

Il pianeta probabilmente ha rotazione e rivoluzione sincrone, con un lato costantemente rivolto verso la stella e quindi molto caldo: gli astronomi stimano che la temperatura media sia superiore a 1000 gradi Celsius. La stella stessa è circa il 70 per cento del raggio del Sole e 1000 gradi più fredda, ossia circa 4000 gradi. Ngts-10b è anche un ottimo candidato per il James Webb Space Telescope, che potrà caratterizzarne l’atmosfera.

Usando la fotometria di transito, gli scienziati sanno che il pianeta è il 20 per cento più grande di Giove ed è solo due volte più massiccio, in accordo con le misure della velocità radiale, ed è osservato in un momento della sua vita che indubbiamente potrà aiutarci a rispondere alle domande sull’evoluzione (e la fine) di pianeti simili. I pianeti così grandi si formano in genere lontano dalla stella e poi migrano attraverso interazioni con il disco mentre si stanno ancora formando, o attraverso interazioni con ulteriori pianeti più evoluti. Gli astronomi si propongono di monitorare accuratamente Ngts-10b nel tempo, e continueranno a osservarlo nel prossimo decennio per determinare se rimarrà in questa orbita o spiraleggerà verso la stella, andando incontro alla sua morte.

«Si pensava che questi pianeti con orbite ultra-strette migrassero dai confini esterni dei loro sistemi solari e alla fine venissero consumati o distrutti dalla stella», aggiunge David Brown, coautore del lavoro. «O siamo stati veramente molto fortunati a catturarlo in questo breve periodo di tempo, oppure i processi attraverso i quali il pianeta migra verso la stella sono meno efficienti di quanto possiamo immaginare, nel qual caso è ragionevole pensare che possa vivere in questa configurazione per un periodo di tempo più lungo».

«Nei prossimi dieci anni, potrebbe essere possibile vedere questo pianeta spiraleggiare verso la stella», conclude Daniel Bayliss. «Saremo in grado di utilizzare Ngts per monitorare questo pianeta per oltre un decennio. Se vedessimo il periodo orbitale iniziare a diminuire e se il pianeta iniziasse a spiraleggiare, saremmo in grado di capire molti dettagli della sulla struttura che ancora non conosciamo».

«Tutto ciò che sappiamo sulla formazione dei pianeti ci dice che stelle e pianeti si formano nello stesso tempo. Il miglior modello che abbiamo suggerisce che la stella abbia circa dieci miliardi di anni e supponiamo che lo stesso valga per il pianeta. O lo stiamo vedendo nelle ultime fasi della sua vita, oppure in qualche modo è in grado di vivere in queste condizioni più a lungo di quanto dovrebbe».

Per saperne di più:

  • Leggi su Monthly Notices of the Royal Astronomical Society l’articolo “NGTS-10b: The shortest period hot Jupiter yet discovered” di James McCormac, Edward Gillen, James A G Jackman, David J A Brown, Daniel Bayliss, Peter J Wheatley, David R Anderson, David J Armstrong, François Bouchy, Joshua T Briegal, Matthew R Burleigh, Juan Cabrera, Sarah L Casewell, Alexander Chaushev, Bruno Chazelas, Paul Chote, Benjamin F Cooke, Jean C Costes, Szilárd Csizmadia, Philipp Eigmüller, Anders Erikson, Emma Foxell, Boris T Gänsicke, Michael R Goad, Maximilian N Günther, Simon T Hodgkin, Matthew J Hooton, James S Jenkins, Gregory Lambert, Monika Lendl, Emma Longstaff, Tom Louden, Maximiliano Moyano, Louise D Nielsen, Don Pollacco, Didier Queloz, Heike Rauer, Liam Raynard, Alexis M S Smith, Barry Smalley, Maritza Soto, Oliver Turner, Stéphane Udry, Jose I Vines, Simon R Walker, Christopher A Watson e Richard G West

L’intrigante atmosfera di Titano

Immagine ottica di Titano ripresa da Cassini. Crediti: Nasa/Jpl-Caltech/Space Science Institute

Titano, la luna più grande di Saturno, sta suscitando molto interesse per via della sua atmosfera unica contenente molecole organiche, che costituiscono di fatto un ambiente prebiotico. In particolare, un ricercatore dell’Università di Tokyo, Takahiro Iino, ha utilizzato l’Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (Alma) per rilevare i processi chimici che avvengono nell’atmosfera di Titano, trovando segnali deboli ma ben definiti di acetonitrile (CH3CN) e del suo raro isotopomero CH3C15N.

La luna di Saturno è uno degli oggetti più osservati da Alma. I dati ottenuti dall’osservatorio devono essere calibrati per rimuovere le fluttuazioni dovute a variazioni temporali del sito, così come eventuali problemi di natura meccanica. Come riferimento per la calibrazione, gli astronomi puntano il radiotelescopio su sorgenti molto luminose, come appunto Titano, ogni qualvolta devono compiere osservazioni scientifiche. Pertanto, nell’archivio scientifico di Alma è presente una grande quantità di dati relativi a Titano. Iino e il suo team hanno scavato nell’archivio e analizzato nuovamente i dati relativi a Titano, trovando le impronte digitali di CH3C15N, in quantità molto ridotte.

«Abbiamo scoperto che l’abbondanza di 14N nell’acetonitrile è maggiore rispetto a quella nelle altre specie che contengono azoto, come HCN e CH3CN», afferma Iino. «Tale abbondanza corrisponde piuttosto bene a quella trovata con recenti simulazioni di processi chimici nei quali sono coinvolti raggi cosmici ad alta energia».

Gli attori più importanti nei processi chimici che avvengono nell’atmosfera sono due: la luce ultravioletta (Uv) proveniente dal Sole e i raggi cosmici provenienti dall’esterno del Sistema solare. Nella parte superiore dell’atmosfera, la luce Uv distrugge in modo selettivo le molecole di azoto contenenti 15N, poiché la luce Uv con la lunghezza d’onda specifica che interagisce con le molecole di 14N viene assorbita facilmente a quell’altitudine. Pertanto, le specie portatrici di azoto prodotte a quell’altitudine tendono ad esibire un’elevata abbondanza di 15N. D’altra parte, i raggi cosmici penetrano più in profondità e interagiscono con le molecole di azoto contenenti 14N. Di conseguenza, è evidente una differenza nell’abbondanza di molecole con 14N e 15N. Il team ha scoperto che nell’acetonitrile presente nella stratosfera è più abbondante l’isotopo 14N rispetto ad altre molecole contenenti azoto precedentemente misurate.

Spettri presi da Alma dell’atmosfera di Titano CH3CN e CH3C15N. Le linee verticali tratteggiate indicano la frequenza delle linee di emissione delle due molecole, previste da un modello teorico. Crediti: Iino et al. (The University of Tokyo)

«Partiamo dal presupposto che i raggi cosmici di origine galattica svolgano un ruolo importante nelle atmosfere di altri sistemi solari», dice Hideo Sagawa, professore associato all’Università Sangyo di Kyoto e membro del gruppo di ricerca. «Il processo potrebbe essere universale, quindi comprendere il ruolo dei raggi cosmici nell’atmosfera di Titano è cruciale per la planetologia, in generale».

Per saperne di più:

Eravamo Io, Venere e Tritone

Fra le proposte arrivate per nuove missioni d’esplorazione del Sistema solare nell’ambito del programma Discovery della Nasa, che prevede missioni economiche e dallo sviluppo rapido, l’agenzia spaziale statunitense ne ha selezionate quattro per lo studio di fattibilità. Ciascuno dei progetti riceverà 3 milioni di dollari per sviluppare in nove mesi uno studio di fattibilità da sottoporre a un’ulteriore fase di selezione, dalla quale usciranno al massimo due candidati.

Le missioni attualmente attive del programma Discovery sono Lunar Reconnaissance Orbiter, attorno alla Luna, e InSight, su Marte. Verso gli asteroidi verranno lanciate le sonde Lucy, nel 2021, e Psyche, nel 2023; lo spettrometro Megane volerà nel 2024 sulla sonda giapponese Mars Moons eXploration verso le lune di Marte.

Le destinazioni delle nuove proposte sono invece Venere, la luna di Giove Io, e la luna di Nettuno Tritone. Vediamo in dettaglio cosa riguardano i progetti.

Davinci+ (Deep Atmosphere Venus Investigation of Noble gases, Chemistry, and Imaging Plus)

L’ultima missione in situ portata dagli Stati Uniti su Venere fu nel 1978. Ora Davinci+ vorrebbe tuffarsi nell’atmosfera inospitale di Venere per misurarne con precisione la composizione fino alla superficie. L’analisi dettagliata dell’atmosfera del gemello bollente della Terra dovrebbe permettere capire come si è formata ed evoluta e determinare se Venere abbia mai avuto un oceano.

Gli strumenti sarebbero incapsulati all’interno di una sfera di discesa appositamente costruita per proteggerli dall’ambiente ostile del pianeta. Il “+” dopo Davinci si riferisce al componente di imaging della missione, che include telecamere sulla sfera di discesa e un orbiter pensato per mappare il tipo di roccia presente sulla superficie.

Veritas (Venus Emissivity, Radio Science, InSar, Topography, and Spectroscopy)

Veritas è pensato per mappare la superficie di Venere per determinare la storia geologica del pianeta e capire perché si sia sviluppato a in modo diverso dalla Terra. Orbitando Venere con un radar ad apertura sintetica, Veritas traccerebbe le elevazioni della superficie su quasi tutto il pianeta per creare ricostruzioni tridimensionali della topografia e verificare se i processi geologici, come la tettonica delle placche e il vulcanismo, siano ancora attivi su Venere. Inoltre, la sonda vorrebbe anche rilevare le emissioni infrarosse dalla superficie per mappare la geologia di Venere, che è in gran parte sconosciuta.

Ivo (Io Volcano Observer)

La missione Ivo vorrebbe indagare la luna di Giove Io per comprendere come le forze mareali modellino i corpi planetari. Io è riscaldato dalla costante attrazione gravitazionale di Giove ed è il corpo vulcanicamente più attivo nel Sistema solare. Poco si sa delle caratteristiche specifiche di Io, come ad esempio se un oceano magma esista o meno al suo interno. Utilizzando sorvoli ravvicinati, Ivo valuterebbe come il magma viene generato ed eruttato su Io.

Una ricostruzione di Tritone. Crediti: PlanetUser, texture map courtesy of Nasa

Trident

Trident vorrebbe esplorare Tritone, una luna ghiacciata unica e altamente attiva di Nettuno, per indagare la possibilità di esistenza mondi abitabili a distanze molto grandi dal Sole. La curiosità per questa luna nacque con la missione Voyager 2, che evidenziò un’attività di rigenerazione della superficie tale da rendere Tritone il secondo corpo con la superficie più giovane di tutto il Sistema solare.

La probabile presenza di pennacchi di vapore e di un’atmosfera, accoppiata a una ionosfera in grado di creare neve organica, oltre alla potenzialità della presenza di un oceano interno, fanno di Tritone un obbiettivo particolarmente interessante, anche se lontano. La sonda effettuerebbe, infatti, un singolo fly-by per mapparne la superficie, individuandone i processi attivi e determinando se l’oceano nel sottosuolo esista o meno.

Spediti nel cosmo

La storia della Royal Astronomical Society inizia il 12 gennaio 1820 quando 14 gentiluomini astronomi si sedettero a cena in una taverna di Londra e concepirono l’idea di formare una società astronomica. Adesso i membri sono 4mila e coprono tutti i campi dell’astronomia e delle scienze limitrofe.

Per festeggiare i sue secoli di vita della società, la Royal Mail presenta una serie di 8 francobolli astronomici i cui soggetti vogliono ricordare campi di studio dove gli astronomi britannici, membri a vario titolo della Royal Astronomical Society, si sono distinti in modo particolare. La serie, disponibile dall’11 febbraio, si intitola Visions of the Universe.

La prima coppia di francobolli è dedicata a William Herschel, che fu il primo presidente della Società, dal 1821 fino alla sua morte il 25 agosto 1822. Herschel scoprì la Nebulosa Occhio di Gatto, altrimenti nota come Ngc 6543. Nei decenni successivi, William Huggins la studiò spettroscopicamente e dimostrò che si tratta di una nube di gas. Anche Higgins presiedette la Società tra il 1876 ed il 1878.

Accanto al francobollo della Nebulosa c’è quello dei getti di Encelado, satellite di Saturno scoperto nel 1789 sempre da Herschel. I getti vennero scoperti nel 2005 dalla sonda Cassini Huygens, sforzo congiunto di Nasa, Esa ed Asi. Tuttavia anche i getti hanno una connessione con l’astronomia inglese perché vennero trovati a seguito degli strani dati che venivano ricevuti dal magnetometro costruito in Inghilterra a bordo della sonda Cassini. Sospettando che Encelado avesse una tenue atmosfera, fu deciso che Cassini avrebbe fatto un passaggio a bassa quota del satellite di Saturno: la manovra mostrò la presenza dei getti che rivelano la presenza di un oceano sotto lo spesso strato di ghiaccio.

La coppia di francobolli successiva è quella di pulsar e buchi neri. Anche qui il legame con l’astronomia inglese è evidente. I pulsar sono stati scoperti nel 1967 da Jocelyn Bell durante la sua tesi di dottorato con Anthony  Hewish all’Università di Cambridge. Peccato che solo Hewish ricevette il premio Nobel per la scoperta che non aveva fatto lui. Jocelyn è diventata una figura carismatica nella scienza inglese, fino a ricoprire la carica di presidente della Royal Astronomical Society tra il 2002 ed il 2004.

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Quando si parla di buchi neri, invece, non si può fare a meno di pensare a Stephen Hawking, uno scienziato straordinario, trasformato in una icona dalla sua terribile malattia. Qualcuno ha commentato che l’immagine della Regina è un po’ troppo vicina all’orizzonte degli eventi del buco nero, rappresentato nel francobollo.

Giove e le lenti gravitazionali formano una strana coppia dove il legame tra le aurore di Giove e l’Inghilterra passa dall’Università di Leicester, mentre gli studi sulla relatività generale hanno avuto un campione indiscusso in Sir Arthur Eddington che è riuscito ad ottenere la prima prova sperimentale della deviazione dei raggi luminosi da parte del Sole durante l’eclisse totale del maggio 1919 all’isola di Principe. L’immagine del primo doppietto di galassie (che in effetti erano la stessa galassia sdoppiata da una massa che si era frapposta nel loro cammino) è stata registrata nel 1979 da un team anglo americano che includeva Dennis Walsh e Bob Carswell.

Per la cometa 67P e la galassia Cygnus A il legame con la scienza inglese è nella tradizione astronomica del Regno Unito. Entrambe sono state studiate di gruppi internazionali che comprendono scienziati, strumenti e telescopi inglesi. Forse per Cygnus A si vuole stringere l’occhio alla grande tradizione radioastronomica del Regno Unito che ospita il quartier Generale dello Square Kilometre Array. Questa non è un’informazione ufficiale, ma il fatto che Phil Diamond, che è direttore generale di SKA, sia anche lo Executive Director della Royal Astronomical Society suggerisce un qualche tipo di legame.

Mostruosa galassia nell’universo primordiale

Rappresentazione artistica di una galassia imponente e polverosa, simile a come doveva apparire Xmm-2599 alla luce visibile quando ancora stava formando le sue stelle. Crediti: Nrao/Aui/Nsf, B. Saxton

Un team internazionale di scienziati ha trovato un’insolita ed enorme galassia che esisteva già circa 12 miliardi di anni fa, quando l’universo aveva solo 1.8 miliardi di anni – o, in altre parole, solo il 13 per cento della sua età attuale, pari a 13.8 miliardi di anni. Dalla sommità del vulcano Mauna Kea, alle isole Hawaii, grazie alle numerose osservazioni effettuate con l’Osservatorio W. M. Keck, il team ha scoperto che la galassia in questione, chiamata Xmm-2599, era veramente molto massiccia, e deve aver formato stelle a una velocità elevatissima. Poi, improvvisamente, per ragioni ancora sconosciute, ha smesso di farlo.

«L’universo non aveva ancora due miliardi di anni, e già la massa di Xmm-2599 superava quella di 300 miliardi di soli», dice Benjamin Forrest, ricercatore alla University of California Riverside (Ucr) e primo autore dello studio. «Con il nostro lavoro siamo riusciti a dimostrare che Xmm-2599 ha formato la maggior parte delle sue stelle molto velocemente, quando l’universo aveva meno di un miliardo di anni, per poi diventare inattiva quando ne aveva solo 1.8 miliardi».

Per arrivare a queste conclusioni, il team ha utilizzato le osservazioni spettroscopiche del potente Mosfire (Multi-Object Spectrograph for Infrared Exploration), che ha permesso di compiere misure dettagliate di Xmm-2599 e quantificarne con precisione la distanza. «Sono state necessarie molte osservazioni, alcune delle quali lunghe nove ore ciascuna, per determinare la distanza e la massa di Xmm-2599», ricorda il coautore Percy Gomez, astronomo all’Osservatorio del Keck.

«In quell’epoca, pochissime galassie avevano smesso di formare stelle e nessuna è così massiccia come Xmm-2599», osserva Gillian Wilson, anch’egli di Ucr. «L’esistenza di galassie ultramassive come Xmm-2599 rappresenta una vera sfida per i modelli numerici. Anche se galassie così enormi sono, per quell’epoca, incredibilmente rare, risultano comunque previste dai modelli. Tuttavia, dovrebbero essere galassie ancora in grado di formare stelle. Ciò che rende Xmm-2599 così interessante, insolita e sorprendente è che non sta più formando stelle, forse perché ha smesso di essere alimentata, o il suo buco nero ha iniziato ad accendersi. I nostri risultati richiedono cambiamenti nel modo in cui i modelli disattivano la formazione stellare nelle prime galassie».

Questo set di immagini mostra la possibile evoluzione di Xmm-2599, da una galassia massiccia, polverosa, nella quale è molto attiva la formazione stellare (a sinistra), a una galassia rossa inattiva (al centro), per poi entrare a far parte, forse, di un grappolo luminoso di galassie (a destra). Crediti: Nrao/Aui/Nsf, B. Saxton; Nasa/Esa/R. Foley; Nasa/Esa/Stsci, M. Postman/Clash

«Abbiamo catturato Xmm-2599 nella sua fase inattiva», spiega Wilson. «Non sappiamo in cosa si sia trasformata oggi. Sappiamo che non può perdere massa. Una domanda interessante è cosa sia successo intorno a essa. Col passare del tempo, potrebbe essere stata in grado di attrarre gravitazionalmente le galassie vicine e formare una luminosa metropoli di galassie?». Il coautore Michael Cooper, della Uc Irvine, ritiene che questa potrebbe essere una prospettiva molto probabile: «Forse durante i successivi 11.7 miliardi di anni di storia cosmica, Xmm-2599 diventerà il membro centrale di uno dei più brillanti e massicci ammassi di galassie nell’universo locale. In alternativa, potrebbe continuare ad esistere per i fatti suoi. Oppure potremmo avere uno scenario che sarà una via di mezzo tra questi due scenari estremi».

I risultati dello studio sono appena stati pubblicati su The Astrophysical Journal, in un articolo di cui sono co-autori anche Francesco La Barbera dell’Inaf di Napoli, Mario Nonino dell’Inaf di Trieste e Paolo Saracco dell’Inaf di Brera. «La formazione ed evoluzione delle galassie è un argomento di studio fondamentale nell’astrofisica», spiegano i tre astrofisici a Media Inaf, «sia dal punto di vista osservativo che da quello teorico, con i diversi modelli proposti (collasso monolitico vs modello gerarchico). La scoperta di Xmm-2599 rappresenta una sfida eccitante, date le straordinarie proprietà di questa galassia dedotte dalle osservazioni, quali la massa stellare (300 miliardi di masse solari, circa cinque volte la massa stellare della nostra galassia), la quasi totale assenza di formazione stellare e, soprattutto, la sua esistenza in un’epoca alla quale l’universo aveva solo una frazione dell’età attuale».

«Le osservazioni suggeriscono che l’intervallo di tempo di formazione di Xmm-2599, inteso come il tempo trascorso fra la formazione delle prime stelle dal gas preesistente, al momento in cui la formazione stellare è cessata quasi del tutto, sia ancor più breve (inferiore a 1 miliardo di anni)», continuano La Barbera, Nonino e Saaracco. «Ciò implica un tasso di formazione stellare davvero elevato, con picchi corrispondenti a più di mille soli per anno (per confronto, la nostra galassia ha un tasso stimato di 1.5-1.7 soli per anno). Resta quindi da capire quale sia il processo – o i processi – fisico che ha interrotto in maniera repentina la formazione stellare in un oggetto cosi massivo come Xmm-2599. Ciò è senz’altro di grande interesse per tutti coloro che studiano modelli di formazione delle galassie, in particolare quelle di più grande massa, simili a Xmm-2599. I modelli attuali riescono a riprodurre in parte questi oggetti, ma ci sono indicazioni che la densità di oggetti così peculiari sia maggiore di quella prevista».

«Dal punto di vista osservativo», concludono i tre, «si tratta di trovare quali potrebbero essere i progenitori di galassie come Xmm-2599: i candidati più verosimili sono le galassie con alto tasso di formazione stellare con una notevole quantità di polveri, alla cui caratterizzazione e scoperta sta contribuendo in maniera determinante Alma. Un contributo importante è inoltre atteso da Euclid, in cui Inaf è fortemente coinvolto, dato che per scoprire e studiare oggetti molto rari come Xmm-2599 è fondamentale osservare nelle bande infrarosse su ampie zone di cielo.  Gli eccellenti dati di Euclid dovrebbero fornire un campione significativo di oggetti simili a Xmm-2599, contribuendo a chiarire in maniera determinante i processi che hanno portato alla formazione di simili “mostri” quando l’universo era ancora estremamente giovane».

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Effetti della danza cosmica dello spaziotempo

Il sistema binario nana bianca-pulsar Psr J1141-6545 scoperto dal radiotelescopio Parkes. La pulsar orbita attorno alla sua compagna nana bianca ogni 4.8 ore. La rapida rotazione della nana bianca perturba lo spazio-tempo attorno ad essa, facendo cambiare orientamento all’orbita della pulsar. Crediti: Mark Myers/ARC Centre of Excellence for Gravitational Wave Discovery (OzGrav), Australia

Nel 1999 il radiotelescopio australiano Parkes scoprì un sistema binario veramente unico nel suo genere, nella costellazione Mosca, vicino alla famosa Croce del Sud. In questo sistema, la pulsar radio Psr J1141-6545 orbita attorno a una nana bianca in poco meno di 5 ore. «L’orbita di questa pulsar è molto speciale. La stella si muove lungo la sua orbita con una velocità massima di quasi un milione di chilometri orari, e la massima separazione tra le due stelle è appena più grande del nostro Sole». Vivek Venkataraman Krishnan, primo autore dell’articolo apparso su Science, è lo scienziato del Max Planck Institute for Radio Astronomy che ha eseguito l’analisi dei dati e le osservazioni di Psr J1141-6545, quando ancora era uno studente di dottorato alla Swinburne University of Technology in Australia.

A differenza di altri sistemi binari costituiti da una pulsar e una nana bianca, i modelli teorici indicano che, in questo caso, la nana bianca compagna di Psr J1141-6545 dev’essersi formata prima della pulsar. In base a tali modelli, prima dell’esplosione della supernova che ha portato alla formazione della pulsar, dev’esserci stato un significativo trasferimento di massa dal progenitore della pulsar alla nana bianca. Questo ha comportato un’enorme accelerazione della rotazione della nana bianca. «Misurare questa rotazione è un test importante dei nostri modelli di evoluzione dei sistemi binari», dice Thomas Tauris, coautore dello studio ed esperto di stelle di neutroni e nane bianche all’Università di Aarhus in Danimarca.

Per misurare la rotazione di una stella quello che si fa normalmente è studiare le sue righe spettrali. Tuttavia, la nana bianca compagna della pulsar Psr J1141-6545 è troppo debole per poter usare questo metodo. Allora come si può fare a misurare la sua rotazione? La risposta è giunta da una direzione inaspettata e riporta indietro nel tempo di oltre 100 anni, all’epoca in cui si è sviluppata la fisica teorica.

Ancor prima del completamento della relatività generale nel novembre del 1915, Albert Einstein aveva già capito che in una teoria in cui la gravitazione è il risultato dello spazio-tempo curvo, la rotazione di una massa, a differenza della teoria della gravità di Newton, avrebbe contribuito direttamente al campo gravitazionale. Più semplicemente, la rotazione di una massa perturba vorticosamente lo spazio circostante, un effetto comunemente noto come frame-dragging, o “trascinamento dei sistemi di riferimento inerziali”. Più tardi, nel 1918, Josef Lense e Hans Thirring – con il sostanziale supporto di Albert Einstein – calcolarono questo effetto per il Sistema solare usando la relatività generale. In particolare, calcolarono come il trascinamento dello spazio-tempo causato dalla rotazione del Sole influenzi il movimento dei pianeti, concludendo che questi effetti erano troppo piccoli per poter essere misurati, a quell’epoca.

Il satellite Lageos. Crediti: Nasa

Nel frattempo, la tecnologia è progredita e l’effetto frame-dragging causato dalla rotazione terrestre è stato rilevato da esperimenti satellitari come Gravity Probe B e dalla combinazione dei satelliti Lageos 1 e 2 e Lares. Mentre Gravity Probe B ha utilizzato un set di quattro giroscopi di precisione per misurare questo effetto, gli ultimi esperimenti citati hanno misurato una lenta precessione del piano orbitale dei satelliti nella direzione della rotazione terrestre, la cosiddetta “precessione Lense-Thirring“.

A oggi questa precessione è stata confermata con un’accuratezza di circa il 2 per cento, in accordo con la previsione della relatività generale. L’effetto è estremamente ridotto: Lageos-1, ad esempio, si trova in un’orbita circolare con un raggio di circa 12300 chilometri. Il suo piano orbitale precede di soli 0.0000086 gradi all’anno, che corrisponde a una rotazione completa di circa 40 milioni di anni.

La situazione della compagna nana bianca di Psr J1141-6545, secondo i modelli di evoluzione stellare, dovrebbe essere piuttosto diversa: sebbene sia leggermente più piccola della Terra, la sua massa è 340mila volte più grande, simile alla massa del Sole, e si prevede che ruoti attorno al suo asse in pochi minuti. «Se Lageos-1 stesse ipoteticamente orbitando attorno a questa nana bianca, la sua orbita precesserebbe di diversi gradi al giorno, poiché il dragging spazio-temporale sarebbe circa 100 milioni di volte più intenso», osserva Norbert Wex, coautore e specialista di relatività generale presso Mpifr.

È impossibile inviare satelliti in prossimità di questa nana bianca poiché si trova a diverse migliaia di anni luce, ma fortunatamente c’è una pulsar che le orbita attorno. I segnali radio di questa pulsar forniscono una misurazione precisa del suo movimento, simile alle misurazioni laser dei satelliti Lares e Lageos 1 e 2. «Con l’aiuto degli orologi atomici, siamo stati in grado di eseguire misurazioni estremamente accurate dei tempi di arrivo dei segnali della pulsar nei radiotelescopi di Parkes e Utmost. Potremmo tracciare la pulsar nella sua orbita con una precisione media di 30 km su un periodo di quasi venti anni. Questo ha portato a una determinazione precisa delle dimensioni e dell’orientamento dell’orbita», spiega Vivek Venkatraman Krishnan.

Alla distanza della pulsar dalla nana bianca, il dragging spazio-temporale è circa un milione di volte più debole di quello che si verifica alla distanza di un’orbita simile a quella di Lageos-1. Tuttavia, la precessione Lense-Thirring dovrebbe comunque causare, in questi 20 anni, una precessione del cammino della pulsar di circa 150 km. «Le osservazioni della pulsar J1141-6545 mostrano infatti una tale deviazione che, dopo calcoli dettagliati ed escludendo una serie di potenziali errori sperimentali, è stata confermata come dovuta a un cambiamento nel suo orientamento orbitale», spiega Willem van Straten, coautore e scienziato presso la Auckland University of Technology in Nuova Zelanda.

Un’attenta analisi di questa misurazione, che ha tenuto conto dell’effetto Lense-Thirring, ha permesso di stimare il periodo di rotazione della nana bianca, scoprendo che è di circa 100 secondi. Questa è una bellissima conferma dell’ipotesi che, prima dell’esplosione della supernova che ha portato alla formazione della pulsar 1.5 milioni di anni fa, dev’esserci stato un significativo trasferimento di massa dal progenitore della pulsar alla nana bianca. «In questo caso Albert Einstein ci ha fornito uno strumento che ora possiamo usare per scoprire di più sulle pulsar e sui loro compagni», ha affermato Matthew Bailes, coautore della Swinburne University, in Australia.

I nuovi radiotelescopi come MeerKat e Square Kilometer Array (Ska) avranno un ruolo centrale nel permettere di capire come entra in gioco la teoria di Einstein in tali laboratori naturali. «Con Ska ci aspettiamo di rivelare più sistemi binari esotici come questo, e saremo in grado di studiare molti più effetti previsti dalla relatività generale», conclude Evan Keane, coautore del lavoro e membro della collaborazione Ska.

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Mai visto un Sole così

Con questa torta il National Solar Observatory di Boulder, Colorado (Usa), ha festeggiato il rilascio delle prime immagini dell’Inouye Solar Telescope. Crediti: G. Cauzzi

Sono state da poco pubblicate le prime immagini della superficie del Sole riprese dal nuovo telescopio Daniel Ken Inouye Solar Telescope (Dkist) alle Hawaii, che, grazie allo specchio primario da quattro metri di diametro, risulta di gran lunga il più grande e potente telescopio solare esistente al mondo.

Questo nuovo gigante è stato costruito dal National Solar Observatory (Nso), un ente di ricerca statunitense con una sede alle Hawaii ma il quartier generale a Boulder, in Colorado (Usa). Per saperne di più, proprio a Boulder Media Inaf ha raggiunto per un’intervista Gianna Cauzzi, ricercatrice Inaf di fisica solare che fa parte da molti anni del comitato scientifico del Dkist e che lavora attualmente a Nso per la preparazione della comunità scientifica Usa, specialmente studenti, all’utilizzo futuro del telescopio.

Cominciamo dal nome: a chi è intitolato il telescopio?

«Daniel Ken Inouye è stato un senatore delle Hawaii al Senato federale per quasi 50 anni, dal 1963 fino alla sua morte, nel 2012, ed è stato uno dei principali fautori della crescita della ricerca astronomica nelle isole Hawaii. Dopo la sua scomparsa, gli sono state dedicate numerose infrastrutture nelle isole. Mi piace anche ricordare che il senatore Inouye ha combattuto in Italia durate la seconda guerra mondiale, al seguito del famoso 442° battaglione dell’esercito americano, composto principalmente di cittadini Usa di origine giapponese, arruolatisi volontari per dimostrare la loro fedeltà alla nazione. Come conseguenza delle ferite riportate durante un assalto alla linea Gotica in Liguria, nel 1945, il senatore perse il braccio destro».

È vero che le prime immagini ottenute dal telescopio rappresentano qualcosa di mai visto?

Video ottenuto in 10 minuti di osservazione della superficie del Sole dall’Inouye Solar Telescope alla lunghezza d’onda di 705 nm. Crediti: Nso/Aura/Nsf

«Queste prime immagini prodotte dal Dkist sono davvero fantastiche. Rappresentano una scena di granulazione, una suddivisione in celle prodotte dal movimento convettivo del plasma. La scena di granulazione non è una sorpresa, ma i dettagli rivelati lo sono, eccome! Ad esempio, all’interno degli intergranuli – quei filamenti più freddi e più scuri che contornano le celle convettive – a volte appaiono dei “nastri” più brillanti: rappresentano aggregati di campi magnetici molto intensi, dove la pressione del plasma è ridotta. Finora queste concentrazioni magnetiche sono state osservate come strutture vagamente circolari, i cosiddetti “tubi” di flusso magnetico. Queste nuove immagini e video sembrano rivelare che in realtà il campo magnetico si comporta più come un fluido, con tanto di vortici, che si adatta alle condizioni degli spazi intergranulari.

Va anche ricordato un punto importante: queste prime immagini raggiungono la risoluzione spaziale attesa per un telescopio di 4 metri. Già da solo questo è un risultato enorme, in quanto significa che le prestazioni di tutto il sistema ottico sono conformi al progetto, una cosa mai scontata quando si parla di strumenti così complessi».

L’Inouye Solar Telescope alle Hawaii. Crediti: Nso/Aura/Nsf

Ecco, parliamo un po’ dello strumento: quanto costa un gioiello di questo tipo?

«Il costo totale è di circa 340 milioni di dollari. Il finanziamento è stato erogato dalla National Science Foundation americana e ha coperto tutta la fase di costruzione, cominciata ufficialmente nel 2010. Lo scavo è materialmente iniziato nel dicembre 2012, quindi in poco più di 7 anni si è passati dal badile al telescopio».

Quali sono le caratteristiche uniche del telescopio?

«Il Dkist è davvero rivoluzionario, come telescopio solare. Lo specchio primario di oltre 4 m di diametro permetterà di distinguere dettagli alla superficie del Sole con dimensione di 15-20 km da una distanza di 150 milioni di km: come se uno potesse leggere lo schermo del telefono da un km di distanza. Questa è una scala spaziale a cui pensiamo si verifichino interazioni fondamentali tra il plasma e il campo magnetico alla superficie del Sole.

Inoltre, l’Inouye Solar Telescope è stato progettato fin dall’inizio per fare polarimetria di precisione. Le misure polarimetriche, per vari motivi, sono di solito piuttosto difficili, ma per il Dkist è stata dedicata grande attenzione alla caratterizzazione di tutte le ottiche in maniera da poter ottenere una misura molto precisa della polarizzazione solare.

La corona solare visibile durante l’eclisse totale di Sole del 2016. Crediti: Don Sabers, Ron Royer, Miloslav Druckmüller

Ma una caratteristica davvero unica è la capacità del Dkist di fare osservazioni molto avanzate della corona solare, quella parte dell’atmosfera che si vede durante un’eclissi ma altrimenti sovrastata dalla luminosità del Sole, decine di migliaia di volte superiore. Il Dkist ha adottato diverse soluzioni, ingegneristiche e non, per poter affrontare il problema: la luce diffusa strumentale è ridotta al minimo con una lucidatura estrema dello specchio, sistemi di lavaggio in loco per eliminare la polvere che si deposita sul primario, e, soprattutto, un disegno ottico fuori asse, che evita qualsiasi ostruzione dello specchio primario. Inoltre, il sito di Haleakala è stato scelto principalmente per la qualità del cielo in questo senso, con una bassissima percentuale di particolati in sospensione, e quindi un livello molto basso di luce diffusa – pochi altri siti astronomici al mondo possono competere in questo senso.

Infine, va ricordato il sistema di raffreddamento, estremamente complesso, che deve dissipare il calore che uno specchio di 4 metri concentra nel fuoco primario, per la precisione 13 kW in un’area di circa 40 cm², ovvero circa 3000 volte l’irraggiamento normale a Terra».

Il Sole, vista la sua vicinanza e luminosità, è certamente l’oggetto astronomico studiato da più tempo. Ci sono ancora cose da scoprire?

«La risposta è, ovviamente, sì. In particolare, ci si è resi conto negli ultimi decenni che fenomeni fisici fondamentali si verificano a scale spaziali e temporali molto piccole, che necessitano di telescopi di grande diametro come il Dkist, e strumenti altamente performanti. Un ottimo esempio sono le interazioni tra il campo magnetico e il plasma alla superficie solare, interazioni che stanno all’origine di tutta un’altra serie di fenomeni, tra cui il riscaldamento della corona solare.

Oltre all’interesse intrinseco per la fisica dei plasmi, verificare i modelli con osservazioni ad alta risoluzione del Sole è fondamentale per comprendere appieno il funzionamento di una stella, e quindi a interpretare misure effettuate in altre stelle simili, ma di cui possiamo osservare solo la luce integrata. In effetti, molti fenomeni osservati sul Sole vengono usati come base per spiegare osservazioni stellari di tutti i tipi».

Il telescopio vero e proprio all’interno della cupola, con lo specchio da 4 metri coperto da una cortina a chiusura rapida per evitare che si trasformi incidentalmente in uno “specchio ustorio”. Crediti: Nso/Aura/Nsf

Questo nuovo telescopio permetterà anche di fare previsioni di space weather?

«Certamente aiuterà molto a perfezionare i nostri modelli. Nella corona solare si assiste spesso a repentine riconfigurazioni dei campi magnetici, con associata emissione di radiazione molto energetica, e a volte anche espulsioni di materia. Queste esplosioni si propagano nello spazio interplanetario e, se raggiungono la Terra, possono creare problemi alla nostra tecnologia. Il Dkist sarà in grado, per la prima volta, di misurare la direzione e l’intensità del campo magnetico nella corona in modo sistematico, e monitorarne l’evoluzione in regioni potenzialmente esplosive».

Da poco sono arrivati i primi risultati scientifici del Parker Solar Probe della Nasa e a giorni verrà lanciato il Solar Orbiter dell’Esa, due missioni spaziali per studiare il Sole da vicino: sono concorrenti o alleati del Dkist?

«Come in tutti i campi, non esiste il telescopio perfetto, che possa fare tutto, e bene. Parker Solar Probe e Solar Orbiter hanno caratteristiche e scopi molto diversi da Dkist, per cui non c’è sovrapposizione; anzi, è molto interessante pensare di poterli usare in maniera complementare e coordinata, per studiare il rapporto causa-effetto di molti fenomeni solari.

Parker Solar Probe misurerà in situ sia i campi elettro-magnetici che la velocità e densità del plasma, fornendo informazioni di prima mano sulla struttura del vento solare, prima che il viaggio nello spazio interplanetario sino alla Terra lo modifichi sostanzialmente. D’altra parte, data la sua vicinanza, Parker Solar Probe non può “guardare” direttamente il Sole. Dkist, in particolare con la sua capacità di misurare i campi magnetici coronali, ha già previsto di ottenere osservazioni sistematiche coordinate che possano identificare la regione sorgente del vento solare misurato da Parker Solar Probe, caratterizzandone il campo magnetico e la sua evoluzione.

Il Solar Orbiter in Florida in preparazione al lancio previsto per l’8 febbraio. Crediti: NASA/Ben Smegelsky

Solar Orbiter porta a bordo sia strumenti in situ, come il Parker, che telescopi classici, in grado di osservare il Sole direttamente, sia nel visibile che nell’ultravioletto, tra cui il coronografo italiano Metis. Sono molte le misure interessanti che si potranno ottenere in collaborazione tra Dkist e Solar Orbiter, ad esempio lo studio della dinamica e campo magnetico coronale in regioni ben precise col Dkist, da seguire su scale più grandi con Metis quando entrambi i telescopi puntano nella stessa direzione.

Infine, una piccola curiosità: nonostante sia previsto che Solar Orbiter arrivi fino a 0.3 AU, non riuscirà a vedere la superficie del Sole ad una risoluzione spaziale migliore del Dkist, anzi…. D’altra parte, mandare un telescopio solare di 4 m in orbita è un’impresa ancora molto lontana dalla realtà!»

A lei, in particolare, cosa piacerebbe scoprire?

«Uno dei miei interessi scientifici degli ultimi anni riguarda la struttura e dinamica della cromosfera, una parte dell’atmosfera solare che è ancora poco capita. È una regione di interfaccia tra due regimi fisici molto diversi, la fotosfera e la corona, che si pensa giochi un ruolo fondamentale per incanalare verso l’alto l’energia sufficiente a mantenere la corona alle altissime temperature osservate. Con il Dkist mi piacerebbe poter investigare la dinamica e il campo magnetico di strutture cromosferiche molto sottili, chiamate spicole (già osservate al bordo solare da Padre Angelo Secchi a fine Ottocento!), che potrebbero assolvere a questo compito di trasportatori di energia. Finora le osservazioni sono state abbastanza inconclusive, in quanto le scale spaziali e temporali con cui si manifestano sono al limite delle capacità degli attuali telescopi, ma con le prestazioni attese dal Dkist pensiamo di fare davvero il salto di qualità necessario per poter far luce, letteralmente, su questo problema».

Gianna Cauzzi nella cupola tel telescopio Dkist alle Hawaii. Crediti: G. Cauzzi/Nso

Fare l’astronoma di giorno, in piena luce, piuttosto che nel classico buio notturno, è meglio o peggio?

«Mah, io sono una a cui piace alzarsi molto presto la mattina e va a dormire la sera di conseguenza, quindi la cosa mi si confà perfettamente! Non da dire che disprezzi il cielo stellato ovviamente, anzi, l’emozione che si prova quando si mette l’occhio a un telescopio e si osserva un oggetto lontano è davvero qualcosa di fantastico. Purtroppo, ormai i telescopi di punta raramente ammettono l’astronomo “medio” a fare osservazioni di persona: il grosso dei dati viene raccolto o in maniera automatica, da remoto, o tramite un astronomo residente che compie le osservazioni su indicazioni dell’investigatore a cui è stato assegnato il tempo. È una maniera più efficiente di usare il tempo al telescopio, che è molto costoso, sia perché gli addetti conoscono molto meglio come usare gli strumenti, che perché le osservazioni possono essere adattate alle condizioni del cielo in maniera dinamica invece di bloccare un periodo per una sola configurazione o persona. Anche il Dkist opererà in questo modo per la maggior parte delle osservazioni, una grossa differenza rispetto ai telescopi solari attuali».

Blazar estremi, l’artiglieria pesante del cosmo

Un blazar è un quasar il cui getto è orientato direttamente verso noi che lo osserviamo (cliccare per ingrandire). Crediti: Gsfc/Nasa

A diversi miliardi di anni luce dalla nostra galassia, i blazar estremi accelerano senza sosta particelle a energie elevatissime. Cosa sappiamo di queste fonti estreme di radiazione? Un team di dieci ricercatori (fra i quali chi scrive) provenienti da Francia, Germania e Italia – guidati da Jonathan Biteau dell’Université Paris-Saclay ed Elisa Prandini dell’Inaf e dell’Università di Padova – si è posto questa domanda e ha pubblicato i risultati della disamina sul numero odierno di Nature Astronomy.

I blazar sono, sotto diversi punti di vista, tra gli oggetti più affascinanti dell’universo. Il motore della loro attività è costituito da un buco nero di enorme massa, miliardi di volte quella del Sole, che risiede al centro di antiche e distanti galassie e accresce la materia circostante. Mentre nella maggioranza dei nuclei galattici attivi la materia incautamente vicina al buco nero viene inghiottita completamente, in alcune sorgenti peculiari parte del materiale viene incanalato dall’azione dell’intenso campo magnetico, sfugge all’enorme attrazione gravitazionale e viene espulso a velocità prossime a quella della luce. Agli astrofisici, il plasma che fuoriesce dal nucleo della galassia ospite appare come un flusso molto ben collimato, denominato getto, chiaramente identificabile quando viene visto di taglio (in questo caso parliamo di radiogalassie). I blazar rappresentano i nuclei galattici attivi con getto nei quali quest’ultimo punta quasi esattamente verso la Terra (vedi immagine in apertura). In queste condizioni la luminosità della radiazione prodotta dal plasma in moto relativistico appare fortemente amplificata e domina l’intera emissione osservata da questi oggetti. Una piccola ma interessantissima frazione – meno dell’uno per cento – di blazar presenta un’emissione peculiarmente intensa alle energie più alte dello spettro elettromagnetico, con un massimo nei raggi X e nei raggi gamma di energia elevatissima (fino ai TeV): sono i cosiddetti blazar estremi, oggetto dello studio in questione.

Elisa Prandini (Inaf e Università di Padova) e Fabrizio Tavecchio (Inaf Brera), coautori della review pubblicata su Nature Astronomy

Riconosciuti come una sottoclasse specifica solo recentemente, il numero dei blazar estremi noti è ancora piuttosto limitato. Oltre a presentare il primo censimento dei blazar estremi osservati nella banda dei raggi gamma (la radiazione elettromagnetica più energetica), il nostro team ha analizzato le loro principali proprietà osservative, deducendo un quadro piuttosto complesso. Alcuni oggetti sembrano infatti rientrare nel modello teorico prevalente per tutti i blazar, secondo il quale gli elettroni ultrarelativistici, ovvero accelerati a velocità prossime a quella della luce, sono i principali responsabili della radiazione osservata nelle diverse bande – dalle onde radio ai raggi gamma. Per i blazar estremi più energetici, d’altra parte, anche i protoni potrebbero giocare un ruolo fondamentale nel produrre un’emissione così eccezionale. In tal caso, i blazar estremi potrebbero essere i responsabili di parte dei protoni più energetici osservati dallo spazio (componente maggioritaria dei raggi cosmici), la cui origine costituisce uno degli enigmi insoluti della fisica astro-particellare moderna. In ogni caso, quali siano i meccanismi capaci di fornire agli elettroni e ai protoni l’energia richiesta per produrre raggi gamma così energetici rimane un problema irrisolto e una sfida per i modelli teorici di accelerazione ed emissione di cui attualmente disponiamo. La soluzione di questi problemi probabilmente darà un contributo significativo alla comprensione dei complessi fenomeni fisici che avvengono nei getti e che coinvolgono particelle energetiche, campi magnetici e plasma.

Un aspetto molto eccitante dei blazar estremi riguarda la possibilità di utilizzare il loro intenso fascio di raggi gamma di alta energia per studiare aspetti di cosmologia ed esplorare fenomeni fisici previsti da estensioni del modello standard delle interazioni fondamentali. Raggi gamma di energia elevata che propagano nello spazio hanno una certa probabilità di interagire con radiazione di più bassa frequenza (ottico-infrarosso) e scomparire, formando una coppia elettrone-positrone. Questo effetto fa sì che, osservando l’universo con raggi gamma di altissima energia, ci sia un “orizzonte” naturale oltre il quale l’assorbimento limita l’osservazione, un po’ come la visuale è limitata durante una giornata di intensa nebbia. L’orizzonte potrebbe venir modificato da effetti non inclusi nel quadro teorico attuale ma previsti da alcune teorie che cercano di estenderlo. In particolare, l’esistenza di particelle come le axion-like particles o la violazione delle trasformazioni della teoria della relatività potrebbero portare ad una riduzione della probabilità di interazione tra raggi gamma e radiazione di bassa energia, e quindi a un orizzonte più ampio di quello previsto. Lo studio delle proprietà dell’emissione gamma dei blazar estremi permette di esaminare in dettaglio le interazioni a cui sono sottoposti i raggi gamma nel loro cammino verso la Terra e di testare in modo stringente queste idee.

Molte delle domande e dei problemi sottolineati nell’articolo evidenziano, oltre ad uno sforzo teorico più intenso, la necessità di osservazioni più dettagliate e precise. Un avanzamento enorme delle nostre conoscenze a riguardo sarà fornito da telescopi di prossima generazione, in particolare dal Cherenkov Telescope Array, con i suoi due siti attualmente in costruzione a La Palma (nelle Isole Canarie) e nel Paranal (in Cile).

Per saperne di più:

Ultima tappa, le stelle di neutroni

La copertina del volume

Trentesimo e ultimo volume della collana “Viaggio nell’universo – Scoperte e segreti dell’astrofisica” di Rcs MediaGroup (curata da Andrea Ferrara della Scuola Normale Superiore di Pisa e presentata da Piero Angela), è in edicola in questi giorni con il Corriere della Sera il libro Stelle di neutroni: un’opera firmata dall’astrofisico, scrittore e artista Angelo Adamo. Lo abbiamo intervistato.

Dici stella di neutroni e subito tutti pensano al cucchiaino di materia che pesa quanto l’intera umanità. Ecco, partiamo da questa materia densa, dagli ingredienti di queste stelle: sono proprio palle fatte interamente di neutroni, come dice il nome?

«No di certo! Diciamo che di sicuro i neutroni sono i loro componenti più diffusi: tra la superficie solida e il nucleo, costituito probabilmente da una miscela alquanto esotica di strane particelle (pioni? kaoni? quark?), le stelle di neutroni potrebbero celare un vero e proprio mare superfluido e superconduttore di elettroni liberi e, soprattutto, neutroni. Questi ultimi vengono generati dall’avvicinamento estremo di elettroni e protoni – come è noto, i primi sono particelle con carica negativa mentre i secondi hanno carica positiva – che, prima contenuti nel nucleo della stella poi esplosa, ora sono costretti a unirsi tra loro dall’ulteriore, intensissima “strizzatura” che ha compresso quel nucleo stellare fino a farlo diventare una densissima stella di neutroni. Insomma, costretti a compenetrarsi per mancanza di spazio, elettroni e protoni neutralizzano – anzi, per usare un termine più specifico, neutronizzano – le loro rispettive cariche generando qualcosa che non è né positivo, né negativo. È neutro, appunto».

Misteriose, affascinanti, ma pur sempre eterne seconde, le Buzz Aldrin dell’astrofisica, condannate a restare all’ombra dei buchi neri. Come mai se le è prese in carico? Le sono toccate in sorte o è stata una scelta?

«Parliamoci chiaro: tutto sono tranne che un esperto di stelle di neutroni. In passato avevo già collaborato con Studio Dispari, l’agenzia milanese che si presa su di sé il compito di realizzare l’opera per il Corriere della Sera, per la realizzazione di un’altra opera di astronomia che, meno fortunata di “Viaggio nell’Universo”, non andò mai oltre il quarto volume (il mio libro doveva essere il quinto…). Questo precedente rapporto ha fatto sì che loro abbiano parlato di me ad Andrea Ferrara, curatore dell’intera opera giunta oggi a conclusione con il mio volume, presentandomi come “loro autore”. Nel frattempo è probabile che nessuno degli altri astronomi da lui contattati si sia detto disponibile per realizzare il volume sulle stelle di neutroni e così mi sono ritrovato, mio malgrado, coinvolto nel progetto».

Come l’ha presa?

«Ovvio che la cosa mi ha inizialmente preoccupato. Una preoccupazione che ho manifestato al curatore, al quale ho confessato con molta sincerità di non essere uno specialista del tema assegnatomi. Con la grande apertura mentale che lo contraddistingue, Andrea mi ha detto che non riteneva affatto si trattasse di un problema e che, anzi, il mio non essere un esperto poteva essere considerata proprio la carta vincente. Da astronomo e divulgatore, ho così deciso di accettare l’incarico: da astronomo, studiando in modo adeguato l’argomento, avrei non solo potuto, ma anche dovuto essere assolutamente in grado di parlare di un qualsiasi tema di astrofisica, almeno a un livello divulgativo! Ho allora deciso di considerare questo lavoro come una splendida opportunità di approfondire un tema che altrimenti avrei affrontato chissà quando, ampliando così il numero di temi che conosco e dei quali so parlare».

Ne è uscito un volume che lei non ha solo scritto, ma anche illustrato. Che soggetti sono, le stelle di neutroni, per chi le deve disegnare? Uno pensa a tutte queste sfere perfette, uniformi, identiche l’una all’altra, e immagina che ci sia poco spazio per l’immaginazione…

«Le stelle di neutroni, lisce all’esterno – la gravità sulla loro superficie esterna è così intensa da non ammettere deviazioni benché minime dalla figura sferica – potrebbero sembrare quanto di più distante esista da un oggetto capace di ispirare qualcosa di artistico. In realtà, la loro intensissima interazione con l’ambiente nel quale vivono incide così tanto sul “paesaggio cosmico” da rendere esse stesse delle “artiste involontarie”: grazie a loro, la Natura crea e disfa forme incredibili, usando come inchiostro il gas rimasto dall’esplosione di supernova che le ha generate e come matita il loro intensissimo campo magnetico. Questo rende non solo difficile, ma di sicuro interessante la sfida di riprodurre simili oggetti astrofisici con matita, china e pennelli. C’è poi da dire che non le vediamo certo con la definizione che servirebbe per ritrarle con esattezza: le enormi distanze che ci separano anche da quelle più vicine a noi, nonché la loro dimensione minima – il loro diametro è confrontabile con le dimensioni di una grande città – fanno sì che la loro rappresentazione visuale passi ancora da una interpretazione visiva dei dati numerici rilevati con i nostri telescopi».

Non dev’essere facile, occorrono competenze molto interdisciplinari…

«A tal proposito, ho avuto modo di scrivere un piccolo saggio – poi pubblicato come appendice nel libro La pazza scienza (di Luca Perri e, in misura minore, anche mio) –  dal titolo “Quando divulgare vuol dire fare una bella figura”. Lì parlo proprio dei rapporti tra scienza e rappresentazione grafica, mostrando come in molti casi creare una illustrazione possa assumere il significato di “creare una simulazione”. Nel caso del libro oggetto di questa recensione, poi, tutti noi autori ci siamo trovati da subito di fronte al problema di capire come fare per trovare immagini da usare gratuitamente, delle quali quindi potevamo disporre grazie ad accordi pregressi tra la casa editrice e i fornitori di quei contenuti grafici. In questo clima non certo di terrore, ma di sicuro non così rilassante, a un certo punto mi sono accorto che avrei anche potuto disegnare da me alcune parti».

La soluzione perfetta.

«Purtroppo l’idea mi è venuta un po’ in ritardo rispetto alla consegna del testo, complice il fatto di aver nel frattempo finito altri lavori, ritrovandomi così più libero di complicarmi la vita. Questo ritardo mi ha fatto ridimensionare il mio entusiasmo: avrei sì pouto realizzare le illustrazioni, ma mi sarei dovuto limitare quasi del tutto a fare, in bianco e nero, i ritratti dei tantissimi personaggi, scienziati, scrittori, giornalisti, sociologi, letterati, musicisti… le vicende personali dei quali – alcuni fanno parte dell’Inaf: non dirò di chi si tratta, nella speranza di stimolare la curiosità dei nostri colleghi – hanno intersecato la grande storia della scoperta delle stelle di neutroni. Così facendo, ho rinunciato quasi del tutto al progetto di dedicarmi anche alla resa dei bellissimi paesaggi cosmici in cui le stelle di neutroni nascono, prosperano, rubano materia ad altre stelle o collidono».

Come le due che abbiamo visto fondersi nell’agosto del 2017?

»Sì, e quando lo fanno abbiamo motivo di credere che generino gli elementi chimici più pesanti, emettendo al contempo le onde gravitazionali che, una volta rilevate, hanno di fatto dato vita a un nuovo modo – che definirei “multimediale” – di fare astrofisica. Un modo che ci consente di studiare un fenomeno celeste particolarmente intenso tramite non solo la ricezione della classica emissione di radiazione elettromagnetica, ma anche grazie alla cattura di raggi cosmici e onde gravitazionali prodotte durante l’evento. Così stando le cose, mi sono dovuto rassegnare all’idea di affidare la presenza nel libro di questa tipologia di immagini ad altri illustratori, i cui lavori sono a disposizione e prelevabili liberamente dalle gallerie online segnalateci da Studio Dispari. Spero però di avere presto l’opportunità e il tempo di confezionare un’altra pubblicazione per la quale realizzare anche questo genere di illustrazioni, che trovo molto stimolanti da realizzare».

Non solo scienza e illustrazioni, però. Un capitolo del libro è dedicato alle stelle di neutroni nella cultura – letteratura, cinema, musica… Senza anticipare troppo il piacere della lettura, può darcene un assaggio, un esempio?

«Certo! Un ottimo esempio di un incontro felice tra diverse sfere culturali credo proprio possa essere la storia della nascita e dell’affermarsi del nome ‘pulsar’. Nato all’esterno del mondo scientifico, ha vinto la gara imponendosi, non solo fra gli esperti, ma anche nel cosiddetto “villaggio globale”. Divenendo così un suono da connettere a un’idea a tratti precisa, a volte – anzi, spesso – nebulosa, ma che di sicuro suggerisce a chi lo pronuncia e chi lo ascolta la sua appartenenza agli aspetti più estremi, strani, peculiari della materia astrofisica. Così tanto estremi, strani e peculiari da essere stato poi tradotto in un brano musicale suonato con strumenti del tutto nuovi per l’epoca in cui veniva composto, nel titolo di film e romanzi di fantascienza e in chissà quante altre opere che al momento mi sfuggono. Insomma, si tratta di un termine specifico, tecnico, preciso, partorito da un giornalista e divenuto poi termine vago, ma non troppo, che per vari scopi tanti usano: amanti della musica, amanti del cinema, della letteratura, delle metafore – non solo amanti della scienza».

Acqua di Marte: quasi neutra e oligominerale

Il rover Curiosity della Nasa. Grazie ai dati mineralogici e chimici che ha raccolto dagli antichi depositi lacustri presenti nel Cratere Gale, su Marte, è stata ricostruita  la chimica dell’acqua. Crediti: Nasa

Come suggeriscono le più recenti misurazioni effettuate sulla superficie di Marte, miliardi di anni fa l’acqua sul Pianeta rosso scorreva abbondante. Acqua la cui composizione chimica è ora illustrata in un articolo pubblicato su Nature Communications. In particolare, il team di ricerca che ha condotto lo studio, guidato dal Tokyo Institute of Tecnology, riporta i valori di alcuni parametri che l’acqua marziana doveva avere miliardi di anni fa. Il team ha ottenuto questi risultati analizzando i dati mineralogici e chimici che il rover Curiosity della Nasa ha inviato sulla Terra dopo aver passato al setaccio alcuni sedimenti di smectite, un minerale argilloso che lo stesso rover ha “fiutato” all’interno del cratere Gale nel 2013, nei cui interstizi si celerebbe la composizione chimica di quest’acqua: una sorta di “impronta” lasciata grazie a un processo di scambio ionico avvenuto durante il contatto tra il liquido e il minerale argilloso.

Le caratteristiche passate in rassegna sono la salinità (la concentrazione di sali disciolti in una soluzione), il pH (la misura della sua acidità o alcalinità) e quello che viene chiamato stato ossidoriduttivo – o stato redox, dalla contrazione dei termini inglesi  reduction (riduzione) e oxidation (ossidazione): ossia la misura della tendenza della soluzione a perdere o acquisire elettroni. Detto in altri termini, una misura dell’abbondanza di gas come l’idrogeno, propri di ambienti riducenti, o di ossigeno, tipico di ambienti ossidanti: proprietà importanti per qualsiasi tipo di acqua. Sostanza la cui presenza è essenziale per la vita.

Illustrazione del meccanismo di scambio ionico tramite il quale gli interstizi della smectite possono aver intrappolato gli ioni presenti nell’acqua una volta esistente sulla superficie di Marte. Crediti: Nature Communications

Cercare di capire quale fosse la chimica dell’antica acqua marziana è importante non solo per comprendere che tipo di vita potesse eventualmente esserci in passato sul pianeta, ma anche per far luce su quale tipologia di acqua potrebbe aver dato origine, miliardi di anni fa, a minerali presenti oggi su Marte.

I risultati ottenuti nello studio suggeriscono che i sedimenti argillosi sul cratere Gale si siano formati in presenza di acqua liquida lievemente salina, con una concentrazione di sali – principalmente cloruro di sodio – compresa tra 0.1 e 0.5 moli per chilogrammo. Acqua con un disequilibrio redox dovuto a episodi di ossidazione avvenuti a basse temperature e per brevi periodi di tempo. E approssimativamente neutra, cioè con un pH vicino a quello degli attuali oceani della Terra. Ora, poiché gli oceani sul nostro pianeta ospitano una miriade di forme di vita, sembra convincente l’idea che l’ambiente superficiale primordiale di Marte fosse un luogo in cui la vita sarebbe potuta esistere. Non resta che trovarne le prove.

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