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Esplorando il ‘cuore’ di una supernova

L’immagine mostra le regioni interne di una stella massiccia che ruota rapidamente mentre sta per subire la fase del collasso gravitazionale. I colori indicano l’entropia che corrisponde all’incirca alla temperatura: le regioni di colore rosso sono più calde, quelle di colore blu più fredde. Le frecce indicano la direzione del flusso del materiale stellare. Le due curve di colore bianco, con i contorni in nero, indicano i segnali relativi alle oscillazioni dei neutrini (in alto) e delle onde gravitazionali (in basso). La figura si riferisce ad un istante circa 10,5 millisecondi dopo che il nucleo della stella è diventato una densa protostella di neutroni.

Ogni cento anni circa, nella nostra galassia avviene l’esplosione di una o due stelle massicce che danno luogo, alle supernovae. Questi eventi così energetici danno luogo all’espulsione di particelle fondamentali, i neutrini che viaggiano nello spazio con velocità relativistiche, e generano delle distorsioni nel tessuto dello spaziotempo chiamate onde gravitazionali. Gli scienziati stanno aspettando l’emissione di neutrini e la formazione di onde gravitazionali da circa un migliaio di supernovae che sono già esplose nella Via Lattea a varie distanze da noi e, quindi, ci dovrebbero raggiungere. Sulla Terra, dunque, siamo pronti per registrare questi segnali da cui ci aspettiamo di avere una informazione indiretta su ciò che accade nel nucleo di una stella massiccia prima che esploda durante la fase del suo collasso gravitazionale.

Certamente, per fare questo, gli scienziati avranno bisogno di conoscere in anticipo come interpretare i dati raccolti dai rivelatori. A tal scopo, alcuni ricercatori del California Institute of Technology (Caltech) hanno trovato un modo per elaborare delle simulazioni che essi ritengono possano fornirci una serie di segnali inconfondibili associati a questi eventi: in altre parole, se il nucleo di una stella che sta per collassare inizia a ruotare molto rapidamente prima che essa esploda, i segnali associati all’emissione dei neutrini e delle onde gravitazionali oscilleranno insieme con la stessa frequenza. “Il risultato importante è che abbiamo osservato con grande sorpresa che la correlazione tra i due segnali si ha quando il nucleo della stella compie 400 giri al secondo, anche se la correlazione esiste ancora se il nucleo della stella ruota con un ritmo più basso”, ha dichiarati Christian Ott del Caltech. Il passo successivo sarà ora quello di studiare ancora più in dettaglio le varie velocità di rotazione in cui si ha la correlazione dei due segnali legati alla frequenza di oscillazione dei neutrini e delle onde gravitazionali.

ArXiv: Correlated Gravitational Wave and Neutrino Signals from General-Relativistic Rapidly Rotating Iron Core Collapse

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.

Quando due buchi neri ‘collidono’

Un gruppo di ricercatori utilizzeranno i supercomputer più veloci, che sono attualmente disponibili in Europa, per verificare alcuni principi della teoria della relatività nel caso in cui due buchi neri collidono.

E’ ciò che faranno alcuni scienziati esperti di onde gravitazionali che si sono assicurati quasi 20 milioni di ore di tempo per simulare e studiare alcuni eventi tra i più violenti nell’Universo: la collisione di due buchi neri. I ricercatori utilizzeranno circa duemila processori nel corso del prossimo anno e tenteranno di risolvere alcune equazioni della relatività generale. Lo scopo finale delle simulazioni sarà l’osservazione diretta del processo di collisione di due buchi neri e la conseguente emissione di onde gravitazionali. Le onde gravitazionali, previste da Einstein circa un secolo fa, non sono state mai rivelate. Esse vengono generate da corpi celesti di grande massa quando vengono accelerati, ad esempio nel caso di due buchi neri che si trovano in orbita l’uno attorno all’altro, come nel caso del moto accelerato delle cariche elettriche che emettono onde elettromagnetiche che emettono luce o di onde radio, con la sola importante differenza che le onde gravitazionali sono estremamente deboli. La simulazione permetterà di capire la fisica che sta alla base di questi processi estremi, come ad esempio la formazione di eventuali oggetti esotici o le singolarità nude. Gli scienziati sperano di verificare se la teoria di Einstein sia corretta o se la teoria stessa predice ulteriori processi ancora sconosciuti che caratterizzano la natura stessa dello spazio e del tempo. Questi studi saranno realizzati mediante le macchine della PRACE Research Infrastructure che fornisce attualmente tre classi di supercomputer veloci ognuno dei quali è in grado di elaborare 1 Petaflop di dati, cioè un migliaio di miliardi di operazioni matematiche al secondo. La prima macchina chiamata Jugene, che si trova in Germania e che è già operativa dal 2010, è stata affiancata agli inizi del 2011 da Curie, la macchina francese, mentre il sistema Hermit ancora in Germania è operativo da questo mese. Altri computer che faranno parte del progetto sorgeranno in Germania, in Spagna e anche nel nostro paese.

L’Universo ‘neonato’ aveva la forma di uno ‘spaghetto’

Può l’Universo essersi originato da una unica dimensione spaziale? A questa domanda stanno cercando di rispondere un gruppo di ricercatori dell’Università di Buffalo guidati dal fisico teorico Dejan Stojkovic che hanno proposto una teoria nel 2010, detta della “sparizione delle dimensioni”.

Gli scienziati hanno proposto un modello in cui l’Universo, emerso da una singolarità iniziale “puntiforme”, ebbe, nelle sue primissime fasi inziali, una singola dimensione spaziale, come una linea retta o uno spaghetto, prima di espandersi in una sorta di piano, a due dimensioni, per poi diventare tridimensionale così come lo osserviamo oggi. Questa teoria, detta della “sparizione delle dimensioni”, potrebbe risolvere alcune questioni fondamentali della fisica delle particelle. Secondo Stojkovic e Jonas Mureika le onde gravitazionali non possono esistere in uno spazio ad una o a due dimensioni. A causa di ciò, essi affermano che l’interferometro LISA potrebbe non rivelare alcuna traccia di onde gravitazionali che si ritiene, invece, possano propagarsi durante le primissime fasi della storia dell’Universo. La teoria delle “dimensioni che evolvono nel tempo” potrebbe così rappresentare una chiave di svolta alternativa verso la comprensione del cosmo. L’idea è che la dimensionalità dello spazio dipende proprio dalle dimensioni dello spazio che stiamo osservando, in altre parole a spazi più piccoli corrispondono un minimo numero di dimensioni spaziali. Ciò vuol dire che dovrebbe emergere una quarta dimensione, se non lo ho ha già fatto, man mano che l’Universo continua ad espandersi. La teoria suggerisce, inoltre, che lo spazio debba contenere poche dimensioni spaziali ad altissime energie, del tipo di quelle che sono associate, appunto, con le primissime fasi iniziali della storia cosmica, subito dopo il Big Bang.

Se tutto questo si dimostrerà vero, Stojkovic e colleghi potrebbero essere in grado di risolvere alcuni problemi con il modello standard delle particelle e i seguenti punti chiave:

1) L’incompatibilità tra la meccanica quantistica e la relatività generale, la prima che descrive l’Universo infinitamente piccolo e la seconda che descrive l’Universo infinitamente grande. Attualmente, le due teorie sono incompatibili ma se consideriamo le scale del microcosmo, quando le dimensioni spaziali diventano minime, le discrepanze matematiche potrebbero scomparire (vedasi Idee sull’Universo).

2) Il mistero dell’espansione accelerata dell’Universo di cui non è nota la sua causa e origine. La presenza di nuove dimensioni spaziali, man mano che l’Universo si espande, potrebbe spiegare questa enigmatica accelerazione. Secondo Stojkovic, una quarta dimensione potrebbe essere già emersa sulle più grandi scale cosmologiche.

3) La necessità di alterare la massa del bosone di Higgs. Per completare il quadro generale, il modello standard delle particelle elementari prevede l’esistenza del bosone di Higgs, nota anche come la “particella di dio”, che spiegherebbe il meccanismo mediante il quale le particelle acquisiscono la massa. Ma per spiegare in maniera accurata i fenomeni del mondo fisico, i fisici devono “artificialmente aggiustare” la massa del bosone di Higgs per quelle interazioni tra le particelle che avvengono a valori elevati di energia. Se lo spazio è caratterizzato da dimensioni spaziali minime ad alte energie, la necessità di eseguire tali modifiche alla massa del bosone di Higgs potrebbe non essere più necessaria.

Stiamo cambiando il punto di vista, stiamo spostando il problema, dato che l’estensione dell’estensione di idee già esistenti potrebbe non dare la giusta soluzione al problema. Dobbiamo considerare la possibilità che ci sia qualcosa di sbagliato nelle nostre idee sull’Universo. Dunque, da qui la necessità di introdurre qualcosa di nuovo e radicale” dice Stojkovic. Anche se passeranno molti anni prima che gli scienziati possano avere una prova a favore, o meno, delle loro idee c’è comunque qualche evidenza sperimentale che punta alla possibile esistenza di uno spazio con poche dimensioni spaziali. In particolare, gli scienziati hanno osservato che i raggi cosmici, che hanno energie superiori a 1 TeV (tera elettronvolt), cioè quei valori tipici dell’energia associati alle fasi iniziali della storia dell’Universo, sarebbero caratterizzati da un flusso che sembra essere “allineato su un piano”. Ma allora se valori di alta energia corrispondono ad uno spazio a dimensioni minime, così come propone la teoria di Stojkovic, i ricercatori di LHC dovrebbero osservare una diffusione (scattering) a due dimensioni. Insomma, una possibile evidenza sperimentale di questi eventi esotici potrebbe dare ragione alle idee di Stojkovic.

ArXiv: Detecting Vanishing Dimensions Via Primordial Gravitational Wave Astronomy

Esplorando l’Universo delle origini

Cosa è accaduto durante il Big Bang? Come ha avuto l’origine del tempo? Queste sono solo alcune delle domande a cui potrebbe fornire una risposta la prossima missione spaziale che avrà il compito di analizzare la radiazione fossile generata dalla grande esplosione iniziale spingendosi indietro nel tempo fino al primo trilionesimo di secondo dopo il Big-Bang.

Mentre gli scienziati stanno dibattendo sulle questioni teoriche, uno nuovo e sofisticato strumento di indagine scientifica potrebbe fornire la “prima evidenza diretta” sulla nascita dell’Universo. Una volta entrato nella fase operativa, il Cosmology Large Angular Scale Surveyor (CLASS), costato circa 7 miliardi di dollari, comincerà ad esplorare la radiazione fossile del fondo al fine di studiare la presenza di tracce di radiazione polarizzata che gli scienziati credono sia un segnale del passaggio di onde gravitazionali che a causa dell’espansione dell’Universo hanno prodotto delle distorsioni nella struttura dello spaziotempo. “Ciò rappresenta un grande passo nella capacità di effettuare misure sperimentali” dichiara l’astrofisico Charles Bennett della John Hopkins University. “Avremo la possibilità, si spera, di ottenre una immagine ‘diretta’ di come doveva apparire l’Universo durante quelle epoche primordiali. In altre parole, stiamo cercando qualcosa come 30 miliardesimi di grado sopra lo zero assoluto in presenza di altri segnali che creano un forte disturbo” spiega Alan Kogut della NASA, responsabile del progetto noto come PIPER, uno strumento di tipo CLASS a bordo di un pallone aerostatico. “E’ peggio che la ricerca dell’ago nel pagliaio e con la debolissima radiazione che riusciremo a catturare saremo in grado di avere nuove informazioni su come è nato Universo” aggiunge Bennett. CLASS e PIPER sono gli strumenti di nuova generazione che saranno dedicati all’analisi dellaradiazione cosmica di fondo generata dal Big-Bang così come hanno già fatto in precedenza il Cosmic Background Explorer (COBE) e il Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP). “In termini della teoria inflazionistica“, conclude Bennett, “potrei definire questa missione come la più importante e la più significativa di tutte, quella che dovrebbe fornirci la prova provante“.

Le pulsar come orologi cosmici per la ricerca di onde gravitazionali

Come facciamo a rivelare le increspature nello spaziotempo? Avremmo bisogno di centinaia di orologi ad alta precisione distribuiti nella Galassia e per fare questo il telescopio per raggi-gamma Fermi ha permesso agli astronomi di trovarle con un metodo tutto nuovo. Gli orologi in questione sono in realtà le pulsar, stelle di neutroni ultradense, compatte e super veloci che hanno un periodo di rotazione dell’ordine dei millisecondi.

Grazie ai loro potenti campi magnetici, le pulsar emettono la radiazione lungo dei beamaltamente focalizzati che ricordano la luce emessa dai fari. Ad ogni rotazione della pulsar corrisponde un impulso di radiazione che risulta abbastanza stabile e viene utilizzano come “orologio standard”. Gli astronomi misurano le più piccole variazioni nel periodo delle pulsar che possono essere collegate ad una distorsione dello spaziotempo in prossimità della stella durante il passaggio di un’onda gravitazionale. Ma c’è un problema perché per ottenere una misura attendibile occorrono centinaia di millisecond pulsar e finora la loro ricerca è risultata alquanto complicata. “Attualmente si conoscono meno dell’un percento di millisecond pulsar nella Via Lattea” dice Scott Ransom del National Radio Astronomy Observatory (NRAO). Ma le osservazioni realizzate con il telescopio spaziale Fermi hanno decisamente cambiato il metodo di ricerca di questa particolare classe di stelle. Il telescopio Fermi ha di fatto identificato centinaia di sorgenti di raggi-gamma nella Via Lattea che sono principalmente associate aoggetti esotici e tra questi appunto le millisecond pulsar. Questo ha permesso ai radioastronomi di identificare 17 millisecond pulsar in tre mesi quando invece altri metodi richiedevano almeno 10-15 anni di osservazioni.

Dunque ad oggi gli astronomi hanno in mano un insieme sufficiente di “orologi cosmici” per mezzo dei quali la ricerca di onde gravitazionali comincia ad essere più convincente e, grazie al telescopio Fermi, la probabilità di rivelare eventuali ondulazioni del campo gravitazionale diventa sempre più importante.