Archivi tag: collasso gravitazionale

Una fine ‘insolita’ per le stelle più antiche

Alcune stelle primordiali, ossia quelle che hanno masse 55-56 mila volte superiori a quella del Sole, potrebbero aver terminato il loro ciclo vitale in modo ‘insolito’. In altre parole, assieme alle stelle di prima generazione, questi oggetti sarebbero esplosi formando delle supernovae ‘vuote’, cioè senza lasciare dietro un buco nero come residuo finale dell’evoluzione stellare. E’ quanto emerge da uno studio condotto da un gruppo di astrofisici della University of California, Santa Cruz (UCSC) e della University of Minnesota dopo una serie di simulazioni numeriche realizzate mediante i supercomputer del Department of Energy’s (DOE’s) National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) e del Minnesota Supercomputing Institute dell’Università del Minnesota. I ricercatori hanno utilizzato un particolare codice astrofisico, denominato CASTRO e sviluppato dalla DOE’s Lawrence Berkeley National Laboratory’s (Berkeley Lab’s) Computational Research Division (CRD) e i risultati sono stati pubblicati su Astrophysical Journal (ApJ). Continua a leggere Una fine ‘insolita’ per le stelle più antiche

Un modello della gravità in uno spaziotempo a più dimensioni

Di recente, abbiamo pubblicato un articolo su un modello ‘alternativo’ che descrive l’origine dell’Universo da un buco nero multidimensionale (post). Al momento, nessuno sta abbandonando il modello del Big Bang dato che il lavoro proposto da tre teorici non è ancora stato soggetto a revisione e poi non presenta una vera e propria alternativa al modello cosmologico standard. In realtà, nel loro articolo gli scienziati propongono una teoria della gravità a più dimensioni. Continua a leggere Un modello della gravità in uno spaziotempo a più dimensioni

I buchi neri esistono…davvero!

In questi giorni, i titoli dei media online e di alcuni blog stanno riportando la notizia secondo cui “i buchi neri non esistono”. In realtà non è proprio così! I buchi neri esistono eccome.
Continua a leggere I buchi neri esistono…davvero!

Singolarità e orizzonte degli eventi potrebbero essere un ‘mito’

Si sono dette e sentite tante cose sui buchi neri, gli oggetti più densi che conosciamo nell’Universo, forse i più bizzarri in assoluto. Di recente abbiamo pubblicato un paio di post sulla polemica scatenata da Stephen Hawking in merito alla sua dichiarazione secondo la quale “i buchi neri non esisterebbero” (post1; post2), forse mal interpretata e che ha a che fare con il paradosso della (perdita di) informazione. Oggi, però, va all’attacco, si fa per dire, anche Laura Mersini-Houghton, una professoressa di fisica alla University of North Carolina a Chapel Hill, la quale ha dimostrato matematicamente che i buchi neri potrebbero di fatto non originarsi mai. Questo lavoro non solo forza gli scienziati ad introdurre nuovi concetti di spazio e tempo ma induce a ripensare anche a quei processi fisici che hanno dato origine all’Universo.

Continua a leggere Singolarità e orizzonte degli eventi potrebbero essere un ‘mito’

SDSS J0018, una stella che esplose all’alba dei tempi

Grazie ad una serie di osservazioni realizzate con il telescopio Subaru, un gruppo internazionale di astronomi hanno identificato una stella di piccola massa che esibisce rapporti di abbondanza chimica peculiari tipici del processo di nucleosintesi che ha caratterizzato la formazione di una stella molto massiccia di prima generazione. Finora, nessuna evidenza osservativa ha supportato le simulazioni numeriche che hanno lo scopo di dimostrare l’esistenza di stelle massicce primordiali che avrebbero composto la prima generazione di stelle formatesi subito dopo il Big Bang.

Continua a leggere SDSS J0018, una stella che esplose all’alba dei tempi

Esplosioni stellari in 3D

Grazie ad una serie di simulazioni numeriche realizzate con il supercomputer Stampede finanziato dalla National Science FoundationPhilipp Moesta e Christian D. Ott del California Institute of Technology hanno prodotto le prime immagini tridimensionali del collasso gravitazionale di una stella tenendo conto degli effetti della relatività generale e della magnetoidrodinamica. Questo processo causa l’esplosione stellare che dà luogo alla formazione di due strutture a forma di lobi che si dipartono dalle regioni polari. Continua a leggere Esplosioni stellari in 3D

Two distant, superluminous and puzzling supernovae

Gli astronomi che fanno parte del gruppo Supernova Legacy Survey (SNLS) hanno scoperto due supernovae estremamente distanti e brillanti. Esse si trovano a circa 10 miliardi di anni-luce e la loro luminosità è almeno 100 volte superiore a quella di una normale supernova. Tuttavia, gli scienziati si trovano davanti a un puzzle poichè il meccanismo fisico che descrive la loro formazione, e cioè il collasso gravitazionale di una stella gigante in una stella di neutroni o in un buco nero, non spiega la loro elevata luminosità. Questi due oggetti sono stati identificati nel 2006 e nel 2007 ed erano così peculiari al punto che gli astronomi non furono in grado inizialmente di capire che cosa fossero esattamente e quale fosse la loro distanza.

At first, we had no idea what these things were, even whether they were supernovae or whether they were in our galaxy or a distant one”, said lead author D. Andrew Howell, a staff scientist at Las Cumbres Observatory Global Telescope Network (LCOGT) and adjunct faculty at UC Santa Barbara. “I showed the observations at a conference, and everyone was baffled. Nobody guessed they were distant supernovae because it would have made the energies mind-bogglingly large. We thought it was impossible”. One of the newly discovered supernovae, named SNLS-06D4eu, is the most distant and possibly the most luminous member of an emerging class of explosions called superluminous supernovae. These new discoveries belong to a special subclass of superluminous supernovae that have no hydrogen.

The new study finds that the supernovae are likely powered by the creation of a magnetar, an extraordinarily magnetized neutron star spinning hundreds of times per second.

Magnetars have the mass of the sun packed into a star the size of a city and have magnetic fields a hundred trillion times that of the Earth. While a handful of these superluminous supernovae have been seen since they were first announced in 2009, and the creation of a magnetar had been postulated as a possible energy source, the work of Howell and his colleagues is the first to match detailed observations to models of what such an explosion might look like. Co-author Daniel Kasen from UC Berkeley and Lawrence Berkeley National Lab created models of the supernova that explained the data as the explosion of a star only a few times the size of the sun and rich in carbon and oxygen. The star likely was initially much bigger but apparently shed its outer layers long before exploding, leaving only a smallish, naked core. “What may have made this star special was an extremely rapid rotation”, Kasen said. “When it ultimately died, the collapsing core could have spun up a magnetar like a giant top. That enormous spin energy would then be unleashed in a magnetic fury”. Discovered as part of the SNLS, a five-year program based on observations at the Canada-France-Hawaii Telescope, the Very Large Telescope (VLT) and the Gemini and Keck telescopes to study thousands of supernovae, the two supernovae could not initially be properly identified nor could their exact locations be determined. It took subsequent observations of the faint host galaxy with the VLT in Chile for astronomers to determine the distance and energy of the explosions. Years of subsequent theoretical work were required to figure out how such an astounding energy could be produced. The supernovae are so far away that the ultraviolet (UV) light emitted in the explosion was stretched out by the expansion of the Universe until it was redshifted (increased in wavelength) into the part of the spectrum our eyes and telescopes on Earth can see. This explains why the astronomers were initially baffled by the observations; they had never seen a supernova so far into the UV before. This gave them a rare glimpse into the inner workings of these supernovae. Superluminous supernovae are so hot that the peak of their light output is in the UV part of the spectrum. But because UV light is blocked by the Earth’s atmosphere, it had never been fully observed before.

The supernovae exploded when the Universe was only 4 billion years old.

This happened before the sun even existed”, Howell explained. “There was another star here that died and whose gas cloud formed the sun and Earth. Life evolved, the dinosaurs evolved and humans evolved and invented telescopes, which we were lucky to be pointing in the right place when the photons hit Earth after their 10-billion-year journey”. Such superluminous supernovae are rare, occurring perhaps once for every 10,000 normal supernovae. They seem to explode preferentially in more primitive galaxies, those with smaller quantities of elements heavier than hydrogen or helium, which were more common in the early Universe. “These are the dinosaurs of supernovae”, Howell said. “They are all but extinct today, but they were more common in the early Universe. Luckily we can use our telescopes to look back in time and study their fossil light. We hope to find many more of these kinds of supernovae with ongoing and future surveys”.

UC Santa Barbara: Powerful Ancient Explosions Explain New Class of Supernovae

arXiv: Two superluminous supernovae from the early universe discovered by the Supernova Legacy Survey

SN Iax, una nuova classe di supernovae

È stato da sempre ritenuto che le supernovae si originano in due modi diversi. Oggi, però, un gruppo di astronomi hanno scoperto un nuovo tipo di supernova a cui è stata attribuita la sigla SN Iax.

Storicamente, le supernovae sono state suddivise in due grandi categorie: quelle che si originano in seguito al collasso gravitazionale e quelle di tipo Ia. Le esplosioni stellari causate dal collasso gravitazionale del nucleo riguardano oggetti che hanno masse comprese tra 10 e 100 masse solari. Le supernovae di tipo Ia sono invece la conseguenza della distruzione completa di una nana bianca. Questo nuovo tipo di supernovae, denominate con la sigla SN Iax, sono molto più deboli e meno energetiche delle SN Ia. Anche se entrambe si originano in seguito alle esplosioni delle nane bianche, le SN Iax possono non distruggere completamente la stella. In altre parole, si tratta di una sorta di “mini supernovae” che hanno luogo nei sistemi stellari più giovani. Analizzando tutta una serie di dati, i ricercatori hanno concluso che le SN Iax derivano da un sistema stellare binario che contiene una nana bianca e una stella compagna che ha perso il suo strato più esterno di idrogeno ed è rimasta con un nucleo dominato da elio. In questo modo, la nana bianca si rifornisce di elio dalla vicina stella compagna. Dobbiamo dire che gli scienziati non sono al momento sicuri su ciò che determina la formazione di una SN Iax. Ci sono due teorie. La prima si basa sulla possibilità che lo strato più esterno di elio bruci inizialmente causando la formazione di un’onda d’urto che si dirige verso la nana bianca. La seconda ipotesi vuole, invece, che la nana bianca bruci prima a causa dell’influenza della sfera di elio. In ogni caso, pare che la nana bianca sopravviva all’esplosione nella maggior parte dei casi, cosa che invece non accade per le SN Ia dove la nana bianca viene completamente distrutta. Gli astronomi calcolano che le SN Iax siano circa un terzo rispetto alle SN Ia. La ragione di questo è dovuta al fatto che di quelle poche che sono state rivelate le più deboli sono circa un centesimo meno brillanti delle SN Ia. Nel futuro si spera che la missione spaziale del Large Synoptic Survey Telescope possa rivelare migliaia di SN Iax in modo da ottenere maggiori indizi su questa nuova classe di esplosioni stellari.

Carnegie Institution for Science: Astronomers Discover New Kind of Supernova

arXiv: Type Iax Supernovae: A New Class of Stellar Explosion

L’origine dell’Universo secondo la gravità quantistica a loop

Image credit: Thomas Fuchs

Secondo il modello cosmologico standard, l’Universo ebbe origine da una grande esplosione iniziale, il Big Bang, circa 13-14 miliardi di anni fa. Alcuni istanti dopo, l’Universo subì una rapida espansione, nota come inflazione, che diede forma, per così dire, allo spazio cosmico. Durante questo periodo, emersero minuscole fluttuazioni di energia che, successivamente, diedero luogo a tutte quelle strutture cosmiche che oggi possiamo ammirare sottoforma di galassie e ammassi di galassie. Nonostante questo modello sia in grado di descrivere in prima approssimazione l’evoluzione dell’Universo primordiale, nessuno è in grado di spiegare come hanno avuto origine queste fluttuazioni primordiali. Ma di recente, tre fisici avrebbero scoperto la chiave per risolvere questo enigma attraverso la formulazione di una teoria in cui la gravità dovrebbe mostrare lo stesso comportamento bizzarro basato sull’incertezza che regna nel mondo delle particelle subatomiche.

La cosmologia standard, che si basa sulla relatività generale, non è in grado di spiegare l’origine delle fluttuazioni dato che viene meno quando consideriamo scale molto piccole, tipiche del mondo degli atomi. Durante il brevissimo ed infinitesimale intervallo di tempo prima che avesse luogo l’inflazione, noto come era di Planck, l’intero Universo era compresso in una regione di spazio molti ordini di grandezza più piccola di quella che occupa un atomo. Se tentiamo di applicare la relatività a questa situazione, le sue previsioni non hanno più senso fisico dato che portano a valori infiniti della densità di energia. Dunque, per estendere i concetti di Einstein a queste situazioni estreme i ricercatori hanno sviluppato una teoria denominata loop quantum gravity. Sin dagli anni ’80, Abhay Ashtekar, attualmente alla Pennsylvania State University, trasformò in qualche modo le equazioni di Einstein per renderle compatibili nell’ambito della fisica quantistica. Ma ci fu un prezzo da pagare. Infatti, come conseguenza di questa manipolazione matematica si trovò che lo spazio non era più liscio, continuo e regolare, come nel caso del mondo infinitamente grande, ma consisteva di tante unità discrete, denominate loop o anelli, e che la sua struttura microscopica poteva fluttuare contemporaneamente tra tutta una serie di stati multipli. Nel corso degli ultimi anni, i fisici hanno dichiarato che se, e con un grande “se” dato che non abbiamo ancora evidenze sperimentali, la teoria della gravità quantistica a loop si dimostrerà corretta allora il Big Bang dovrebbe essere stato originato da un vero e proprio Big Bounce associato ad un precedente universo che si trovava nella fase di collasso gravitazionale. Oggi, però, Ashtekar e i suoi collaboratori sono convinti che questa tecnica, attraverso la quale è possibile estendere i concetti della relatività generale verso gli istanti primordiali della storia dell’Universo, possa riempire il divario tra il Big Bounce, cioè l’era di Planck, e il momento in cui ha origine l’inflazione non solo ma grazie ad essa è possibile spiegare anche la formazione di tutte quelle fluttuazioni senza le quali non si sarebbero formate nel corso del tempo le strutture cosmiche fino ad arrivare persino a noi stessi. Queste fluttuazioni primordiali sarebbero perciò la naturale conseguenza delle fluttuazioni quantistiche che esistevano già all’epoca del Big Bounce. “I nostri risultati forniscono una estensione autoconsistente dell’inflazione fino alla scala di Planck” dichiara Ashtekar. “Il fatto che la gravità quantistica abbia lasciato oggi una sorta di ‘impronta digitale’ sulle strutture cosmiche è alquanto sorprendente ed elegante” dichiara Jorge Pullin della Louisiana State University, un esperto di gravità quantistica a loop e buchi neri. Neil Turok, direttore del Perimeter Institute for Theoretical Physics in Ontario, afferma invece che i ricercatori hanno bisogno di introdurre tutta una serie di “assunzioni artificiose” per poter procedere indietro nel tempo dal momento in cui avviene l’inflazione fino a epoche più remote. “La gravità quantistica a loop è interessante”, dice Turok, “ma non si tratta ancora di una vera e propria teoria e perciò bisogna stare attenti a non prendere sul serio certe sue predizioni”. 

Full story: The missing epoch

21 Dicembre 2012, oggi non ci sarà la fine del mondo

L'immagine mostra il momento in cui l'atmosfera solare ingloba la Terra.Courtesy: Discovery Channel
L’immagine mostra il momento in cui l’atmosfera solare ingloba la Terra.
Courtesy: Discovery Channel

Ormai, tutti sanno che la “profezia della fine del mondo” nasce da una interpretazione del calendario Maya in base alla quale in corrispondenza del solstizio d’inverno il 21 Dicembre 2012 inizierebbe il cosiddetto quinto ciclo, cioè un passaggio da un’era ad un’altra, una sorta di rinascita esistenziale. Tuttavia, non ci sarà nessuna fine del mondo anche perchè il calendario Maya non ha mai annunciato il verificarsi di eventi catastrofici. Nonostante ciò, alcuni studiosi ritengono che non esiste, di fatto, nessuna prova reale di un calendario appartenente ai Maya e quando si fa riferimento alla “Pietra del Sole” si commette un errore poichè essa appartiene al popolo azteco. Dunque, durante il 21 Dicembre 2012 non ci sarà alcun allineamento di pianeti, o particolari tempeste solari o ancora impatti dovuti ad asteroidi, eventi che sono stati ampiamente smentiti e scientificamente esclusi. Per un maggiore approfondimento, Vi rimando alla pagina web della NASA Beyond 2012: Why the World Won’t End.

Ma allora, quando sarà, se ci sarà, la fine del mondo? In realtà, dobbiamo dire che la ‘vera’ fine del mondo, ossia il destino della Terra e dei suoi abitanti, è certamente legato al ciclo vitale del Sole. La nostra stella ha dimensioni medio-piccole ed è costituita dal 74% circa da idrogeno, dal 25% circa da elio, più altri elementi pesanti presenti in tracce. La classificazione spettrale del Sole è G2 V, cioè si tratta di una nana gialla: G2 indica che la stella ha una temperatura superficiale di quasi 6000 gradi Centigradi, la V indica che la stella si trova nella sequenza principale, cioè in una lunga fase di equilibrio stabile in cui avvengono nel suo nucleo le reazioni di fusione nucleare per cui l’idrogeno fonde per formare elio. Tale processo genera ogni secondo una grande quantità di energia che viene emessa nello spazio sotto forma di radiazioni elettromagnetiche, flusso di particelle sottoforma di vento solare, e neutrini. La radiazione solare, emessa fondamentalmente come luce visibile ed infrarossi, permette la vita sul nostro pianeta e fornisce l’energia necessaria ad attivare i principali meccanismi che ne stanno alla base. I processi di fusione nucleare fanno sì che la stella rimanga in uno stato di equilibrio, sia idrostatico, ossia non si espande a causa della pressione di radiazione dovuta alle reazioni termonucleari, né si contrae, per via della gravità cui sarebbe naturalmente soggetta, sia termico. Una stella di massa paragonabile a quella del Sole impiega circa 10 miliardi di anni per esaurire completamente l’idrogeno nel suo nucleo. Dunque, quale sarà il destino del Sole? Il Sole si trova a circa metà strada nella propria sequenza principale. Proviamo allora ad immaginare di essere tra cinque miliardi di anni nel futuro. Il Sole entrerà in una fase di forte instabilità, detta gigante rossa: nel momento in cui l’idrogeno del nucleo sarà totalmente convertito in elio, gli strati immediatamente superiori subiranno un collasso gravitazionale dovuto alla mancanza della pressione di radiazione prodotta dalle reazioni termonucleari. Il collasso gravitazionale causerà un incremento della temperatura fino a raggiungere valori tali da innescare la fusione dell’idrogeno negli strati superiori determinando l’espansione della stella fino a superare l’orbita di Mercurio. L’espansione causerà un raffreddamento del gas per cui la stella apparirà di un colore giallo intenso. Quando anche l’idrogeno dello strato superiore al nucleo sarà totalmente convertito in elio, dopo poche decine di milioni di anni, si avrà un nuovo collasso gravitazionale che causerà un aumento della temperatura del nucleo di elio innescando improvvisamente la fusione dell’elio in carbonio e ossigeno. La stella subirà una riduzione delle proprie dimensioni, passando dal ramo delle giganti rosse al cosiddetto ramo orizzontale del diagramma di Hertzsprung-Russell. Ma a causa delle elevatissime temperature del nucleo, la fusione dell’elio si esaurirà in tempi brevi, cioè qualche decina di milioni di anni, e i prodotti di fusione, non impiegabili in nuovi cicli termonucleari a causa della piccola massa della stella, si accumuleranno inerti nel nucleo. Intanto, dato che non sarà di nuovo presente la pressione di radiazione che spingeva verso l’esterno, avverrà un successivo collasso gravitazionale che causerà la fusione dell’elio, nel guscio che avvolge il nucleo, e dell’idrogeno, nello strato immediatamente superiore ad esso. Queste nuove reazioni di fusione nucleare produrranno una quantità di energia talmente elevata da provocare una nuova espansione della stella che raggiungerà così dimensioni prossime a circa 1 UA, ossia circa 100 volte quelle attuali, tanto che la sua atmosfera arriverà ad inglobare molto probabilmente Venere. Rimane ancora incerto il destino della Terra: alcuni studiosi ritengono che anche il nostro pianeta verrà risucchiato dalla stella, altri, invece, ipotizzano che il pianeta potrà salvarsi poiché la perdita di massa da parte della nostra stella potrebbe allargare l’orbita terrestre che si sposterebbe di conseguenza fino a quasi 2 UA. Nonostante ciò, il nostro pianeta sarà ormai morto dato che gli oceani saranno evaporati a causa del forte calore e gran parte dell’atmosfera verrà dispersa nello spazio dall’intensa energia termica che incrementerà l’energia cinetica delle molecole che compongono l’atmosfera consentendo loro di vincere l’attrazione gravitazionale della Terra. Si calcola che tutto ciò avverrà entro i prossimi 3,5 miliardi di anni, ossia ancor prima che il Sole entri nella fase di gigante rossa. Entro 7,8 miliardi di anni, esaurito ogni processo termonucleare, il Sole espanderà i suoi strati più esterni che verranno spazzati via sottoforma di “super vento solare” creando una nebulosa planetaria mentre le parti più interne saranno collassate e daranno origine ad una nana bianca che avrà circa le dimensioni della Terra. Percorrendo le regioni più esterne del Sistema Solare, la nebulosa planetaria spazzerà le atmosfere gassose dei pianeti giganti, quali Giove e Saturno, rendendo visibile solo la parte metallica e rocciosa dei loro nuclei. Ciò che resterà dei pianeti più esterni vagherà nello spazio interstellare dato che la gravità della nana bianca sarà insufficiente per trattenerli in orbita. Intanto, dopo alcuni miliardi di anni, la nana bianca avrà irradiato tutto il suo calore residuo nello spazio al punto da diventare una nana bruna e raggiungere così la stessa temperatura del mezzo interstellare.

Il seguente video mostra, accompagnato dal commento di alcuni astronomi, quale sarà il destino del Sole.

(Courtesy: Discovery TV)