Archivi tag: espansione universo

Esplorando l’energia scura con i supercomputer

Il prossimo decennio potrebbe vedere un rapido sviluppo nell’ambito della ricerca sull’energia scura, quella enigmatica componente che costituisce circa il 70 percento del contenuto materia-energia dell’Universo. Due nuovi strumenti, molto potenti, esploreranno il cielo a caccia di galassie distanti. DESI, che sta per Dark Energy Spectroscopic Instrument, misurerà la distanza di 35 milioni di oggetti cosmici mentre LSST, il Large Synoptic Survey Telescope, realizzerà una serie di immagini e video ad alta risoluzione di circa 40 miliardi di galassie. Entrambi gli strumenti permetteranno agli astronomi di comprendere ancora più in dettaglio come l’energia scura, quel fenomeno che sembra essere responsabile dell’espansione cosmica accelerata, abbia dato forma alla struttura dell’Universo nel corso del tempo. Continua a leggere Esplorando l’energia scura con i supercomputer

Vi ‘Illustris’ l’evoluzione cosmica delle galassie

A partire dagli ultimi dieci anni, la nostra comprensione sull’origine dell’Universo è decisamente migliorata in maniera estremamente significativa, grazie in particolare alle osservazioni realizzate da satellite ma anche a quelle condotte da terra con gli strumenti di ultima generazione. Nonostante esse abbiano permesso di studiare la radiazione cosmica di fondo con una precisione molto elevata, dell’ordine di qualche percento ma sfortunatamente, dai quei primi centinaia di migliaia di anni fino ad oggi si tratta di un lavoro che continua appassionatamente.

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La (non) costanza della velocità della luce

La velocità della luce, indicata col simbolo “c”, è una delle ben note costanti della natura. Tuttavia, in alcune teorie cosmologiche alternative, la velocità della luce non è in realtà costante bensì essa varia nel tempo e nello spazio. I dati osservativi a favore di questa ipotesi mancano, ma in un nuovo articolo apparso su Physical Review Letters, alcuni fisici hanno proposto un metodo per porre dei limiti alla variazione di c e mostrano come i futuri esperimenti potrebbero essere in grado di misurare eventuali cambiamenti, se certamente saranno abbastanza grandi da essere rivelati. Continua a leggere La (non) costanza della velocità della luce

La nuova ‘ricetta cosmica’ di Planck

I recenti dati di Planck e i relativi articoli sono stati sottomessi al giornale Astronomy & Astrophysics e sono disponibili sul sito online dell’ESA. Queste informazioni forniscono non solo una nuova ‘ricetta cosmica’, in termini del contenuto di materia ed energia dell’Universo, ma anche la sua età, la nascita delle prime stelle e il tasso di espansione dello spazio.  Continua a leggere La nuova ‘ricetta cosmica’ di Planck

Dai paradossi della cosmologia a nuove idee sull’Universo

Alcune semplici osservazioni del mondo che ci circonda sembrano contraddire le leggi della fisica. Risolvere questi paradossi potrebbe cambiare il modo con cui comprendiamo l’Universo.

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Hubble ‘scova’ la supernova più distante

Nota con la sigla SN UDS10Wil, o SN Wilson in onore del 28° Presidente degli Stati Uniti Woodrow Wilson, si tratta di un oggetto appartenente ad una classe particolare di esplosioni stellari, denominate supernovae di tipo Ia, che gli astronomi utilizzano come ‘candele standard’ per determinare le distanze cosmiche e l’espansione dell’Universo.

Questo nuovo record di distanza ci permette di esplorare l’Universo delle origini e ci fornisce nuovi indizi su come si formano queste supernovae”, spiega David O. Jones della Johns Hopkins University in Baltimora. “Inoltre, da queste esplosioni stellari molto antiche possiamo ricavare una serie di informazioni indirette per comprendere l’evoluzione dell’Universo”. Oggi, uno dei problemi non ancora risolti riguarda la formazione di questa classe di oggetti. La scoperta dà credito ad una delle due teorie che tentano di spiegare il meccanismo che causa l’esplosione della stella. Nonostante i risultati siano preliminari, i dati suggeriscono che la supernova si sia originata dalla fusione di due nane bianche, lo stadio finale dell’evoluzione di una stella come il Sole. Le osservazioni di questi oggetti estremamente remoti fanno parte di un progetto scientifico, noto come CANDELS+CLASH Supernova Project. Iniziato nel 2010, si tratta di un programma di osservazioni a medio termine che vedranno il telescopio spaziale Hubble impegnato per tre anni allo scopo di monitorare le supernovae di tipo Ia estremamente distanti con l’obiettivo di determinare una eventuale variazione delle loro proprietà fisiche nel corso del tempo cosmico. Finora, CANDELS+CLASH ha rivelato più di 100 supernovae di tutti i tipi che si sono formate tra 2,4 e 10 miliardi di anni fa. I ricercatori sono stati in grado di identificarne otto come SN Ia che sono esplose più di 9 miliardi di anni fa, inclusa la SN UDS10Wil che, sebbene sia leggermente più vecchia di quella che manteneva il record precedente e cioè 9 miliardi di anni, permette di arretrare ancora più indietro la sua datazione di circa 350 milioni di anni. La ricerca di supernovae ai confini dell’Universo apre un nuovo modo di misurare l’espansione dello spazio dovuta all’energia scura. I dati raccolti dai ricercatori indicano una diminuzione netta del tasso di formazione delle SN Ia tra 7,5 miliardi di anni e oltre 10 miliardi di anni. Ciò vuol dire che il meccanismo principale che dà luogo alla formazione di questi oggetti è proprio la fusione di due nane bianche. Infatti, nel caso di una singola nana bianca, cioè quando la stella collassata si trova in un sistema binario e cattura materia dalla stella compagna formando un disco di accrescimento che causa l’esplosione della stella nel momento in cui viene superato un certo limite di massa, il tasso delle supernovae può diventare relativamente alto poiché alcuni sistemi di questo tipo possono raggiungere il momento dell’esplosione più rapidamente. Tuttavia, l’analisi dei dati favorisce l’altro sistema binario, cioè le due nane bianche, poiché durante le epoche primordiali della storia cosmica la maggior parte delle stelle sono ancora troppo giovani per diventare SN Ia. Riuscire poi a comprendere che cosa determini la formazione delle supernovae Ia ci permetterà di avere ulteriori indizi su quei processi che arricchiscono rapidamente lo spazio di elementi pesanti, come ad esempio il ferro. Le SN Ia producono, di fatto, circa metà del ferro presente nell’Universo, un elemento base importante per la formazione dei pianeti e della stessa vita.

HST: Hubble breaks record for furthest supernova

arXiv: The Discovery of the Most Distant Known Type Ia Supernova at Redshift 1.914

Un eccesso di antineutrini nell’Universo primordiale

Uno dei misteri della cosmologia moderna è quello che riguarda l’asimmetria barionica e cioè il fatto che l’Universo in cui viviamo è fondamentalmente costituito di materia. La domanda è: dove è andata a finire l’antimateria? I barioni, ossia le particelle che sono composte da una combinazione di tre quark, includono i protoni e i neutroni e rappresentano la materia ordinaria di cui anche noi stessi siamo fatti. Tuttavia, si conosce ancora poco sulla possibile esistenza di una asimmetria leptonica in cui cioè esistono nell’Universo quantità diverse di leptoni e antileptoni. Esempi di leptoni sono gli elettroni e i neutrini. Quest’ultimi, in particolare, sono molto difficili da rivelare rispetto ai barioni poiché sono delle particelle elusive e molto leggere e, di conseguenza, meno energetiche.

Oggi, grazie ad uno studio recente, i fisici Dominik J. Schwarz e Maik Stuke della Bielefeld University in Germania hanno pubblicato un articolo sul New Journal of Physics dove spiegano come i recenti dati relativi alla radiazione cosmica di fondo suggeriscano che l’Universo contenga un eccesso di antineutrini rispetto ai normali neutrini (video abstract). Inoltre, questa asimmetria leptonica potrebbe, in linea di principio, superare l’asimmetria barionica, che è dell’ordine di 10-10, anche di diversi ordini di grandezza. Il numero totale di leptoni potrebbe così superare il numero totale di barioni presenti nell’Universo. Tuttavia, trovare tracce di questa asimmetria leptonica non è un lavoro molto semplice. I leptoni hanno una energia così bassa che la maggior parte di queste particelle possono facilmente ‘celarsi’, per così dire, nel segnale di fondo dovuto ai neutrini e perciò diventa complicato rivelarli. Nonostante ciò, Schwarz e Stuke sono convinti che i leptoni possano essere osservati esplorando le epoche primordiali della storia cosmica poiché essi avrebbero giocato un ruolo importante da un lato nel processo della nucleosintesi, cioè la produzione dei nuclei degli elementi più leggeri che si formarono immediatamente dopo il Big Bang, e dall’altro nella radiazione cosmica di fondo, la radiazione fossile prodotta circa 400 mila anni dopo la nascita dell’Universo. In particolare, i leptoni avrebbero svolto la loro azione durante la formazione dell’elio primordiale. I due ricercatori hanno misurato l’abbondanza di questo elemento utilizzando i nuovi dati della radiazione cosmica di fondo ottenuti con l’Atacama Cosmology Telescope, con il South Pole Telescope e con il satellite WMAP. Confrontando questi risultati con i dati relativi all’abbondanza dell’elio derivata dalle osservazioni locali che si riferiscono alle regioni di cielo extragalattiche, gli scienziati sono stati in grado di porre alcuni limiti all’asimmetria leptonica. I dati suggeriscono che esiste una possibilità che l’Universo sia governato dagli antineutrini, anziché da quelli normali, il che avrebbe delle implicazioni importanti sulla nostra attuale comprensione di ciò che accadde durante le fasi iniziali della storia cosmica. In più, l’eccesso di antineutrini porterebbe, in linea teorica, ad un aumento del tasso di espansione dell’Universo. Comunque, finora i dati non danno una indicazione che lo scenario standard della nucleosintesi primordiale possa essere, in qualche modo, sbagliato. Ora i fisici sperano che nel futuro nuovi dati sulla radiazione cosmica di fondo e misure più accurate delle abbondanze degli elementi primordiali potranno fornirci degli indizi per verificare sperimentalmente l’asimmetria leptonica e confrontarla con quella barionica, anche se al momento non abbiamo alcuna idea da dove quest’ultima provenga (vedasi Enigmi Astrofisici).

Questo post è stato citato da Maik Stuke: Anti-Neutrinos famous all around the World

New Journal of Physics: Does the CMB prefer a leptonic Universe?

arXiv: Does the CMB prefer a leptonic Universe?

La temperatura dell’Universo di ‘mezza età’

Grazie ad una serie di osservazioni condotte con il complesso CSIRO Australia Telescope Compact Array nei pressi di Narrabri, un gruppo internazionale di astronomi sono stati in grado di determinare la temperatura dell’Universo risalente all’epoca in cui si era espanso di circa il 50% rispetto allo stato attuale.

“Si tratta della misura più precisa mai realizzata” spiega Robert Braun a capo della struttura CSIRO Astronomy and Space Science. Dato che la luce impiega un tempo finito per propagarsi nello spazio, sappiamo che quando osserviamo l’Universo guardiamo gli oggetti come erano nel passato. Dunque, come facciamo a misurare la temperatura dello spazio quando l’Universo aveva una età di circa 7 miliardi di anni? Per fare questo, gli astronomi hanno analizzato una nube di gas presente in una galassia che si trova a circa 7,2 miliardi di anni fa. L’unica sorgente che ha mantenuto ‘caldo’ il gas è stata la radiazione cosmica di fondo, cioè quella radiazione fossile emersa in seguito alla grande esplosione iniziale che ha dato origine all’Universo. Per fortuna, dietro questa galassia dove si trova il gas esiste un potente quasar denominato PKS 1830-211. Le onde radio provenienti dal quasar attraversano la nube facendo sì che le molecole del gas assorbono parte dell’energia e questo processo lascia una sorta di ‘impronta digitale’ delle onde radio. L’analisi di queste ‘impronte’ ha permesso agli scienziati di calcolare la temperatura del gas che è pari a -267,92 Celsius (5,08 Kelvin), un valore estremamente basso ma ancora ‘tiepido’ rispetto all’attuale temperatura media dell’Universo che è di -270,27 Celsius (2,73 Kelvin). Secondo il modello cosmologico standard, sappiamo che la temperatura della radiazione cosmica di fondo diminuisce in maniera regolare man mano che lo spazio si espande. “Ciò è quello che vediamo nelle nostre misure. L’Universo di qualche miliardo di anni fa era più caldo di quello di oggi, esattamente come previsto dal modello del Big Bang” conclude Sebastien Muller dell’Onsala Space Observatory presso la Chalmers University of Technology in Svezia.

CSIRO press release: CSIRO telescope takes temperature of Universe

arXiv: A precise and accurate determination of the cosmic microwave background temperature at z=0.89

Spitzer misura l’espansione dell’Universo

Grazie ad una serie di osservazioni realizzate con il telescopio spaziale Spitzer, un gruppo di astronomi hanno pubblicato i risultati relativi alla misura più accurata della costante di Hubble che indica il tasso di espansione dell’Universo.

Verso la fine degli anni ’20, Edwin Hubble sorprese il mondo una volta che annunciò i risultati delle osservazioni sulla velocità di recessione delle galassie. Circa 70 anni dopo, gli astronomi hanno scoperto che lo spazio si espande in maniera accelerata perciò determinare il tasso di espansione è di fondamentale importanza essendo legato all’età e alle dimensioni dell’Universo. A differenza del telescopio spaziale Hubble, che esplora il cosmo nella banda visibile dello spettro elettromagnetico, il telescopio spaziale Spitzer osserva l’Universo nell’infrarosso e ciò permette di ridurre di circa il 3% il livello di incertezza quando si effettuano misure di distanze cosmologiche, un vero e proprio salto di qualità enorme. Il nuovo valore della costante di Hubble è pari a 74,3 Km/sec/Mpc più o meno 2,1 Km/sec/Mpc, dove 1 Megaparsec equivale a 3,26 milioni di anni-luce. Questi dati sono stati sono stati confrontati con quelli ottenuti dal satellite WMAP per ottenere una misura indipendente dell’energia scura, uno dei misteri più profondi della cosmologia moderna e per cui tre scienziati, Adam Riess, Brian Schmidt e Saul Perlmutter che ne hanno rivelato gli effetti studiando le supernovae più distanti, sono stati insigniti lo scorso anno del Premio Nobel per la Fisica. “E’ molto eccitante il fatto di utilizzare Spitzer per studiare alcuni problemi fondamentali della cosmologia” spiega Wendy Freedman degli Observatories of the Carnegie Institution for Science in Pasadena. “Si tratta di misure molto precise che riguardano il tasso di espansione dell’Universo e gli effetti dovuti all’energia scura”. Circa dieci anni fa, utilizzare le parole ‘precisione’ e ‘cosmologia’ nella stessa frase non era possibile e l’età e le dimensioni dell’Universo erano note al meglio di un fattore due. Oggi stiamo parlando di misure con un livello di precisione dell’ordine di qualche percento. “Tutto ciò è decisamente straordinario” conclude Freedman.

[Press release: NASA’s Infrared Observatory Measures Expansion Of Universe]

ArXiv: Carnegie Hubble Program: A Mid-Infrared Calibration of the Hubble Constant

Un Universo emerso dal nulla

Agli inizi del 1916, Albert Einstein aveva appena completato il lavoro più importante della sua vita, durato circa dieci anni, una intensa battaglia intellettuale che terminò nella formulazione di una nuova teoria della gravità e che egli denominò in seguito teoria generale della relatività. Non si trattò solamente di una teoria della gravità perché allo stesso tempo essa includeva nuovi concetti di spazio e di tempo. Inoltre, il lavoro di Einstein fu senza dubbio la prima teoria scientifica che fu in grado di spiegare non solo come si muovono gli oggetti nello spazio ma come evolve l’intero Universo. Comunque sia, la teoria conteneva un problema. Applicando le equazioni della relatività all’intero Universo, Einstein si rese conto che la sua descrizione matematica non era in grado di descrivere la realtà fisica. Nel 1917, la comunità scientifica discuteva sul fatto che l’Universo fosse statico ed eterno, costituito da una singola galassia, la Via Lattea, circondata da uno spazio vuoto, scuro ed infinito e a quel tempo non c’era alcun motivo di ritenere il contrario. Nella teoria di Einstein, così come nella teoria di Newton formulata circa tre secoli prima, la gravità è una forza puramente attrattiva che si esercita tra due corpi dotati di grande massa. Ciò vuol dire che è impossibile trovare un insieme di corpi celesti in quiete nello spazio per sempre poiché la loro reciproca attrazione gravitazionale determinerà alla fine un collasso gravitazionale verso il centro, cosa che era in contrasto con l’idea di un Universo apparentemente statico. Ora, l’idea che la teoria di Einstein fosse inconsistente con questa descrizione dell’Universo fu una sorta di colpo basso. Nonostante si dice che Einstein lavorasse in isolamento, rinchiuso nella propria casa per anni, utilizzando solo il suo pensiero e la sua ragione, in realtà egli fu sempre guidato profondamente da esperimenti e da osservazioni. Mentre eseguiva i suoi “esperimenti mentali”, Einstein studiava intensamente la matematica al punto da produrre una teoria alquanto elegante. L’apparente disaccordo tra la sua teoria e le osservazioni in relazione alla staticità dell’Universo durò poco al punto che Einstein dovette introdurre una modifica all’equazioni che successivamente definirà l’errore più grande della sua vita. La scoperta che l’Universo non è statico piuttosto in espansione ebbe delle implicazioni importanti, sia di natura filosofica ma anche religiosa, perché suggeriva che l’Universo doveva aver avuto una origine, una nascita, insomma una creazione. Quasi come ironia della sorte, la prima persona che propose l’idea della creazione dell’Universo fu proprio un prete e fisico belga di nome Georges Lemaitre. Nel 1927, Lemaitre trovò alcune soluzioni delle equazioni della relatività generale dimostrando che la teoria prevede non solo un Universo non statico ma che lo spazio stesso si espande. I risultati ottenuti sembrarono così fuori luogo che lo stesso Einstein rispose al prete belga in maniera ironica affermando: “la Vostra matematica è corretta ma la Vostra fisica è abominevole”. Ma Lemaitre andò oltre e nel 1930 egli propose che l’Universo si fosse originato da un punto infinitesimale, che egli chiamò l’atomo primordiale, e che questo inizio rappresentasse, forse in analogia alla Genesi biblica, una sorta di “giorno senza ieri”. Insomma il Big Bang, sostenuto anche da Papa Pio XII, fu proposto inizialmente da un prete il quale se fosse o meno accaduto realmente si trattava comunque di una argomentazione scientifica e non teologica. Tuttavia, né Lemaitre né Pio XII convinsero la comunità scientifica che l’Universo fosse in espansione. Piuttosto, l’evidenza arrivò dalle attente osservazioni che furono realizzate da Edwin Hubble verso la fine degli anni ’20 grazie alle notti trascorse presso il telescopio di Monte Palomar, il più grande dell’epoca. Ciò che ne seguirà fa parte della storia della cosmologia (vedasi Idee sull’Universo).

Nel libro che mi piace segnalare oggi, A Universe from Nothing: Why There Is Something Rather Than Nothing edito da Free Press, il fisico teorico Lawrence Krauss offre una serie di risposte provocatorie su dove e come ha avuto origine l’Universo, su cosa c’era prima, su quale sarà il suo destino finale e come mai dal nulla si è originato tutto ciò che vediamo attorno a noi. Krauss descrive gli approcci scientifici più moderni che tentano di spiegare come mai esiste l’Universo anzichè il nulla e i risultati che vengono presentati sono sorprendenti ed affascinanti: il risultato è che non solo può originarsi qualcosa dal nulla ma qualcosa avrà sempre origine dal nulla.