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Lo spaziotempo non è ‘schiumoso’

E’ quanto emerge da una serie di studi condotti dal fisico Robert Nemiroff della Michigan Technological University dopo aver analizzato il tragitto di tre fotoni di diversa lunghezza d’onda rivelati dal telescopio spaziale per raggi-gamma Fermi nel 2009.

I fotoni sono stati prodotti in seguito ad uno dei tre ‘lampi’ associati ad un gamma-ray burst situato ad una distanza di circa 7 miliardi di anni-luce e sono arrivati al telescopio spaziale Fermi separati da un intervallo di tempo pari a circa 1 millisecondo. L’informazione che deriva da questo studio suggerisce che lo spaziotempo non “ribolle” così come è stato suggerito da alcuni scienziati. Alcune teorie della gravità quantistica indicano che l’Universo non è regolare, piano o liscio ma assume una forma a schiuma, cioè è composto da unità fondamentali o di Planck che hanno una dimensione inferiore a un trilionesimo di trilionesimo del diametro dell’atomo di idrogeno. Queste unità di Planck sono così piccole che non esiste alcun modo di osservarle, tranne per via dei fotoni che vengono prodotti dai gamma-ray burst. Vediamo di spiegare meglio. Le lunghezze d’onda dei fotoni sono tra le dimensioni più piccole che si conoscano, così piccole che permettono ai fotoni di interagire su scale ancora più piccole di quella di Planck. In questo caso, i fotoni possono disperdersi durante il loro tragitto nella scala di Planck dove lo spaziotempo assume la forma a pixel. Inoltre, se le loro lunghezze d’onda differiscono, i fotoni si possono disperdere in modi diversi, allo stesso modo di una palla da ping-pong quando cadendo lungo una cavità può percorrere diverse traiettorie. Questo percorso casuale non può essere rivelato su distanze molto brevi ma può essere osservato solo dopo aver percorso distanze dell’ordine di alcuni miliardi di anni-luce una volta che le unità di Planck hanno disperso la radiazione. Dunque, i tre fotoni provenienti dallo stesso gamma-ray burst non dovrebbero arrivare al rivelatore del telescopio spaziale Fermi nello stesso istante, invece lo hanno fatto. “Abbiamo dimostrato che lo spaziotempo è regolare, piatto al livello della massa di Planck” spiega Nemiroff. “Questo vuol dire che non ci sono irregolarità che possono essere rivelate. E’ una scoperta fantastica e siamo molto entusiasti”.

ArXiv: Bounds on Spectral Dispersion from Fermi-detected Gamma Ray Bursts

Nature News: Cosmic race ends in a tie

I neutrini ‘congelano’ la teoria dei raggi cosmici

Uno dei risultati più importanti che emerge dalle osservazioni condotte presso il telescopio del Polo Sud è che non sono trovate alcune tracce di neutrini associati a qualche evento di alta energia, come ad esempio le esplosioni stellari, e ciò fa vacillare una delle teorie più accreditate sull’origine dei raggi cosmici.

Il rivelatore IceCube, che si trova a circa 2,5Km di profondità nel ghiaccio dell’Antartide, è stato puntato verso 300 esplosioni di alta energia, note come gamma-ray burst, tra il mese di Maggio del 2008 e il mese di Aprile del 2010. I risultati pubblicati su Nature non riportano alcuna registrazione di un singolo neutrino e ciò fa vacillare l’idea in base alla quale i raggi cosmici si originano dai gamma-ray burst. “Nonostante si tratti di un risultato negativo, ciò indica che la rivelazione di neutrini cosmici è giunta ad un traguardo. IceCube è dotato della necessaria sensibilità non solo per rivelare queste particelle ma soprattutto per identificare le vere sorgenti” spiega il professor Subir Sarkar del Dipartimento di Fisica presso l’Università di Oxford. “Il fatto di non aver identificato le sorgenti dei raggi cosmici rappresenta un passo in avanti che ci permette intanto di escludere una delle teorie più accreditate sulla loro origine” conclude Francis Halzen, investigatore principare del programma IceCube.

[Abstract: An absence of neutrinos associated with cosmic-ray acceleration in γ-ray bursts]

Il ‘risveglio’ di un buco nero dormiente

Illustrazione dell’oggetto Swift J1644+57.
Credit: NASA/Swift

L’anno scorso, un gruppo di astronomi identificarono in una galassia distante un buco nero quiescente che mostrava una particolare attività in seguito all’interazione gravitazionale dovuta ad una stella che passava nelle sue immediate vicinanze. Oggi, i ricercatori hanno registrato un segnale caratteristico, nella banda dei raggi-X, che è stato monitorato nei giorni a seguire l’intensa emissione di radiazione causata dalla materia che sta cadendo verso il buco nero.

Questo ‘segnale di coda’, chiamato oscillazione quasi-periodica (QPO), è una caratteristica dei dischi di accrescimento che di solito circondano gli oggetti più densi e più compatti dell’Universo: nane bianche, stelle di neutroni e buchi neri. I segnali QPO sono stati osservati in molti buchi neri di massa stellare e ci sono chiare evidenze che essi sono associati anche a buchi neri che hanno masse comprese tra 100 e 100 mila volte la massa del Sole. Fino a questa scoperta, i QPO sono stati rivelati solo da un buco nero supermassiccio, cioè il caso più estremo che può contenere alcune milioni di volte la massa solare, che sono situato tipicamente nel nucleo delle galassie. Questo oggetto è noto con la sigla REJ 1034+396 e si tratta di una galassia di Seyfert che si trova alla distanza, relativamente vicina, di 576 milioni di anni-luce. “Questa scoperta ci permette di avere maggiori indizi sulle regioni più vicine al buco nero distante alcuni miliardi di anni-luce, un fatto decisamente entusiasmante. Inoltre, i dati ci aiutano a verificare la relatività generale ad una epoca in cui l’Universo appariva in maniera diversa rispetto a oggi” spiega Rubens Reis dell’University of Michigan in Ann Arbor. La sorgente di raggi-X, denominata Swift J1644+57 e che si trova nella costellazione del Dragone, è stata identificata nel mese di Marzo del 2011 dal satellite Swift in una galassia distante quasi 4 miliardi di anni-luce. Inizialmente si era pensato si trattasse di un comune gamma-ray burst (GRB) ma poi il suo graduale indebolimento non assomigliava a nessun evento visto prima. Gli astronomi furono subito consapevoli che ciò che stavano osservando non era altro che la parte finale di un evento straordinario, il ‘risveglio’ di un buco nero dormiente.


[Press release: ‘Cry’ of a Shredded Star Heralds a New Era for Testing Relativity]

Quando due stelle di neutroni ‘collidono’

Simulazione della collisione di due stelle di neutroni che danno luogo a un gamma-ray burst.

Una nuova simulazione realizzata con i supercomputer mostra che la collisione di due stelle di neutroni produce una struttura complessa di campi magnetici che accelerano le particelle ad altissime velocità dando luogo ai burst di alta energia, noti come gamma-ray burst. Questo studio fornisce nuovi e dettagliati indizi sulle forze che guidano le esplosioni più energetiche che conosciamo attualmente nell’Universo.

Credit: NASA/AEI/ZIB/M. Koppitz and L. Rezzolla

Le immagini mostrano il processo di fusione di due stelle di neutroni realizzato con i supercomputer. I colori più rossi indicano regioni di densità più bassa. Le strutture a filamenti rappresentano, con i colori verde e bianco, i campi magnetici. Le stelle di neutroni mentre orbitano l’una attorno all’altra perdono energia emettendo onde gravitazionali e arrivano alla fusione dopo circa tre orbite, in meno di 8 millisecondi secondo questo modello. Alla fine del processo si forma un buco nero e la struttura del campo magnetico appare più amplificata e più ordinata e può essere accompagnata da strutture a forma di getti che sono responsabili dei gamma-ray burst di breve durata.

Stelle massicce come ‘trottole’ primordiali

L’immagine mostra una simulazione al computer relativa alla formazione delle prime stelle in rapida rotazione.
Credits: A. Stacy, University of Texas

Secondo uno studio sull’evoluzione stellare delle stelle di grande massa, le ‘prime’ stelle che popolarono l’Universo non furono solamente immense ma, probabilmente, esse ruotarono molto velocemente. Queste stelle primordiali si sono esaurite molto tempo fa ma gli astronomi sono in grado di capire come si presentavano andando a studiare le generazioni stellari successive.

Un gruppo di ricercatori, guidati da Cristina Chiappini dell’Astrophysical Institute di Potsdam in Germania e INAF, hanno riesaminato i dati del Very Large Telescope di un ammasso stellare vecchio di circa 12 miliardi di anni. Essi hanno trovato livelli elevati di metalli, un segnale che indica che si tratta di popolazioni molto antiche di stelle, addirittura, forse, tra le ‘prime’ ad apparire nell’Universo, e i dati suggeriscono che si trattava di stelle massicce che ruotavano molto rapidamente. Questi risultati sono importanti perchè una stella che ruota velocemente vive più a lungo e può avere un destino diverso rispetto alle stelle che ruotano, invece, più lentamente. Ora, secondo il modello cosmologico standard, circa 200 milioni di anni dopo il Big Bang si formavano le ‘prime’ stelle, che erano costituite principalmente di idrogeno ed elio e che vissero una vita molto breve, esaurendosi in giovane età. Raggiunte le fasi finali della loro evoluzione, esse esplosero dando luogo a supernovae rendendo così lo spazio ricco di elementi base da cui si crearono, successivamente, le future stelle. Ma se le prime stelle furono delle vere e proprie “centrifughe stellari” alcune di loro si esaurirono producendo un gamma-ray burst e la cui radiazione potrebbe essere rivelata oggi dai satelliti come Swift.

[Abstract: Imprints of fast-rotating massive stars in the Galactic Bulge]

L’origine dei gamma-ray burst ‘scuri’

I cosiddetti “lampi” di raggi gamma o gamma-ray burst sono tra gli eventi più enigmatici ed energetici dell’Universo, ma alcuni sembrano stranamente deboli se osservati nella banda del visibile. Il più grande studio effettuato fino ad oggi su questi lampi di raggi gamma cosiddetti “scuri” ha permesso di scoprire che la scarsa visibilità di queste gigantesche esplosioni non ha niente di esotico. La loro debolezza è dovuta a una combinazione di cause, la più importante delle quali è la presenza di polvere cosmica tra la Terra e il luogo in cui avviene l’esplosione.

I lampi di raggi gamma (in breve GRB), che durano da meno di un secondo a diversi minuti,  vengono generalmente rivelati dai satelliti in orbita. Tredici anni fa, gli astronomi scoprirono un’emissione di radiazione ad energie più basse e di più lunga durata associata a queste violente esplosioni. Tale emissione può durare per settimane o anche anni dopo rispetto all’esplosione iniziale: viene chiamata afterglow. Mentre tutti i lampi di raggi gamma hanno afterglow che emettono raggi X, solo la metà di essi è stata osservata irradiare luce visibile e la frazione di radiazione residua non è stata ancora completamente spiegata. Alcuni astronomi sospettano che questi dark afterglow sono esempi di una nuova classe di lampi di raggi gamma, altri invece ritengono si trovino a distanze molto grandi. Studi precedenti avevano, però, suggerito anche che la polvere cosmica interposta tra la sorgente e noi oscurasse l’esplosione spiegando così il motivo secondo cui questi eventi appaiono deboli.

Oggi, combinando i dati del satellite Swift con quelli di GROND (Gamma-Ray Burst Optical/Near-Infrared Detector), uno strumento dedicato all’osservazione degli afterglow dei gamma-ray burst, installato al telescopio MPG di 2,2 metri dell’ESO a La Silla in Cile, gli astronomi hanno definitivamente risolto l’enigma dell’afterglow ottico mancante. In altre parole, i lampi di raggi gamma “scuri” sarebbero quelli per cui la piccola quantità di luce visibile emessa viene completamente assorbita dalla polvere cosmica prima che essa raggiunga i rivelatori a terra.

ArXiv: The nature of “dark” gamma-ray bursts

SN2009bb, una supernova con le caratteristiche di un gamma-ray burst

Per la prima volta, i radioastronomi hanno scoperto una supernova che ha le proprietà simili a quelle di un gamma-ray burst anche se non sono state rivelati raggi-gamma. Le osservazioni, realizzate con il Very Large Array (VLA), mostrano che la materia espulsa dalla supernovaSN2009bb si muove con velocità relativistiche a causa della presenza di un cosiddetto “motore centrale” tipicamente associato alla presenza di un buco nero supermassiccio.

Finora non erano mai state osservate esplosioni di supernovae guidate, per così dire, da un motore centrale“, dice Alicia Soderberg. “La scoperta di questa supernova nella banda radiocostituisce un punto di svolta. Forse la mancanza di raggi gamma è stata dovuta al fatto che l’emissione di alta energia, essendo concentrata all’interno di “coni di radiazione” (beam), non ha puntato verso la nostra direzione e perciò non è stata osservata. Grazie alla configurazione espansa e alla potenzialità del VLA si spera in futuro di rivelare altre supernovae rispetto a quanto potranno fare i satelliti che operano nello spettro delle alte energie” conclude Soderberg.