Archivi tag: polarizzazione

L’allineamento dei quasar lungo la rete cosmica

Una serie di osservazioni realizzate con il Very Large Telescope (VLT) dell’ESO hanno permesso di rivelare che gli assi di rotazione dei buchi neri supermassicci di un insieme di quasar sono paralleli gli uni agli altri su distanze che raggiungono i miliardi di anni luce. Inoltre, gli astronomi hanno trovato che l’asse di rotazione tende ad essere allineato con le vaste strutture della rete cosmica in cui essi risiedono.

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BICEP2, come ‘ripulire’ il segnale gravitazionale dalla polvere galattica

A Marzo di quest’anno, il gruppo di ricercatori che lavorano al programma scientifico BICEP2 riportarono possibili evidenze del passaggio delle onde gravitazionali primordiali, dopo aver analizzato i dati relativi alla polarizzazione della radiazione cosmica di fondo (post). Nonostante ciò, molti scienziati hanno sollevato tutta una serie di dubbi su una “scoperta” di tale portata poiché la polvere galattica che costituisce il mezzo interstellare può produrre un segnale molto simile. Infatti, una recente analisi dei dati mostra che la contaminazione dovuta alla polvere determinerebbe una direzione preferenziale, o un allineamento, del segnale associato alla polarizzazione (post1post2). Gli autori suggeriscono che tale anisotropia potrebbe essere distinta dalla isotropia globale che ci si aspetta dalle onde gravitazionali orientate casualmente. I risultati di questo studio sono pubblicati su Physical Review Letters. Continua a leggere BICEP2, come ‘ripulire’ il segnale gravitazionale dalla polvere galattica

POLARBEAR misura i modi-B del ‘lensing’ gravitazionale

Un gruppo internazionale di fisici hanno misurato un ‘segnale caratteristico’ nella polarizzazione della radiazione cosmica di fondo (Cosmic Microwave Background, CMB) che potrà permettere di mappare la struttura su grande scala dell’Universo, determinare la massa del neutrino e magari di svelare alcuni misteri legati alle enigmatiche materia scura ed energia scura. In un articolo pubblicato sulla rivista Astrophysical Journal, i ricercatori del programma scientifico POLARBEAR, guidato dal fisico Adrian Lee della UC Berkeley, descrivono i primi risultati relativi alla rivelazione dei “modi-B” nella polarizzazione della radiazione cosmica di fondo dovuti al fenomeno della lente gravitazionale.

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To B-mode or not to B-mode, that’s the question

Dopo un lungo processo di controllo, i ricercatori dell’esperimento BICEP2, che hanno annunciato qualche settimana fa di aver rivelato i modi B associati alla radiazione cosmica polarizzata (post), hanno ottenuto il via libera alla pubblicazione dei loro risultati sulla prestigiosa rivista Physical Review Letters. Continua a leggere To B-mode or not to B-mode, that’s the question

Le ‘tracce’ dell’inflazione impresse nella radiazione cosmica di fondo

La notizia annunciata dai ricercatori dell’Harvard CMB Group che lavorano all’esperimento BICEP2 in merito alla “prima evidenza diretta” del processo dovuto all’inflazione cosmica, ossia quel meccanismo fisico che avrebbe dato forma e volume al nostro Universo avvenuto in una piccolissima frazione di secondo subito dopo il Big Bang, ha fatto in queste ultime ore il giro del web e i vari media, sia quelli online che offline, si sono scatenati cercando di riportare il significato di una “scoperta” che, però, dovrà essere confermata. Qui di seguito proverò a fare il punto della situazione mettendo in evidenza l’importanza del risultato scientifico e quali potranno essere le sue implicazioni nell’ambito della cosmologia.

Il modello standard della cosmologia si basa su una serie di parametri che sono legati alla struttura e all’evoluzione dell’Universo. Questi parametri devono essere determinati dalle osservazioni, e non dalla/e teoria/e, e per fare questo occorre studiare ed analizzare la luce più antica che siamo in grado di osservare: la radiazione cosmica di fondo, una sorta di “eco primordiale” residuo della grande esplosione iniziale, il Big Bang. Essa contiene così tante informazioni al punto che rappresenta l’unica fonte da cui possiamo ricavare preziosi indizi sullo stato fisico in cui si trovava l’Universo delle origini circa 400 mila anni dopo il Big Bang. Negli ultimi vent’anni, una serie di esperimenti condotti dallo spazio mediante satelliti dedicati ci hanno fornito mappe del cielo della radiazione cosmica di fondo sempre più dettagliate. Esse vengono rappresentate in termini della distribuzione di minuscole variazioni di temperatura su varie scale angolari  e contengono così tante informazioni che gli scienziati sono stati in grado di misurare con una precisione senza precedenti il contenuto di materia e di energia di cui è composto l’Universo, di determinare la sua età e il tasso di espansione dello spazio. Ora, se da un lato la singolarità iniziale del Big Bang rappresenta il mistero più profondo della moderna cosmologia e rimane, al momento, inaccessibile, dall’altro gli scienziati vogliono capire come hanno avuto origine le strutture cosmiche da cui si sono formate nel corso del tempo le stelle, le galassie e gli ammassi di galassie. Oggi, i dati osservativi supportano uno scenario, noto come inflazione cosmica, in base al quale l’Universo subì una fase di improvvisa espansione esponenziale con una velocità superiore a quella della luce, in un piccolissimo intervallo di tempo che risulta difficile immaginare, cioè da 10-36 a 10-34 secondi subito dopo il Big Bang, durante il quale lo spazio aumentò il suo volume di almeno un fattore 1050 estendendo quelle minuscole fluttuazioni quantistiche primordiali su scale cosmiche di cui possiamo vedere oggi le ‘tracce’ impresse nella radiazione cosmica di fondo. Comprendere, quindi, l’inflazione cosmica e soprattutto verificare se essa sia effettivamente avvenuta, rappresenta una sfida di fondamentale importanza per capire come si è formato l’Universo e, possibilmente, preservare il modello cosmologico standard al fine di dare una spiegazione quasi naturale all’isotropia della radiazione cosmica di fondo, alla geometria euclidea dello spazio e alle fluttuazioni di densità primordiali da cui hanno avuto origine le strutture cosmiche.

modiE_modiBPer studiare queste “impronte digitali cosmiche”, e quindi verificare ‘indirettamente’ se il processo dell’inflazione sia avvenuto o meno, occorre studiare la luce più antica ed in particolare le sue proprietà di polarizzazione. A differenza delle minuscole variazioni della temperatura presenti nella radiazione cosmica di fondo, la radiazione polarizzata viene generata dalla diffusione dei fotoni a causa degli elettroni liberi. In generale, la polarizzazione ha due componenti geometriche (per convenzione diremo Nord-Sud e Est-Ovest) che dipendono dalla scelta arbitraria del sistema di coordinate. Esistono due direzioni che sono associate sia all’orientamento che all’ampiezza. Le ampiezze della polarizzazione sono modulate nello spazio dal piano dell’onda nel quale avviene l’oscillazione. Nella figura si vede che il piano nel quale oscilla l’onda è diretto lungo la direzione Nord-Sud. Se la polarizzazione è perpendicolare o parallela a questa direzione, essa viene chiamata modo-E, mentre invece se essa è ruotata di 45° viene chiamata modo-B. Le perturbazioni di densità generano polarizzazione parallela, e perciò modi-E, mentre le onde gravitazionali generano entrambe e perciò hanno una ulteriore componente B di polarizzazione. Dunque, i modi-B rappresentano un segnale dell’inflazione cosmica e sono determinati dalla densità delle onde gravitazionali primordiali. In particolare, la loro misura è estremamente complicata non solo dal fatto che il segnale associato al modo-E è relativamente più forte, ma anche da una serie di altri fattori che generano un grado di confusione.

Le figure illustrano due simulazioni relative ai modi-E (a sinistra) e ai modi-B (a destra) della polarizzazione. I modi-B hanno una proprietà speciale in quanto possiedono una direzione privilegiata.

Ora, nonostante gli eccellenti risultati ottenuti recentemente dal satellite Planck, esistono tutta una serie di programmi scientifici condotti da terra, come ad esempio il South Pole Telescope in Antartide, l’Atacama Cosmology Telescope e lo strumento Q/U Imaging Experiment Telescope in Cile, che hanno lo scopo, tra l’altro, di fornire ulteriori dati che non sono stati ottenuti dai satelliti, in particolare per quanto riguarda le misure della polarizzazione dei modi-B. Dunque, nel caso dello strumento BICEP2, il cui obiettivo è quello di misurare i modi-B della polarizzazione della radiazione cosmica di fondo con la migliore sensibilità mai raggiunta prima, il gruppo di ricercatori che lavorano all’esperimento hanno annunciato, nei giorni scorsi, di aver rivelato la “prima evidenza ‘diretta’ dell’inflazione cosmica”, misurando cioè un segnale decisamente più forte di quello previsto dai modelli e che certamente segnerà una svolta verso la quale i teorici dovranno dirigersi per affinare la ricerca nell’ambito della cosmologia inflazionistica e della gravità quantistica. Inoltre, il risultato implicherebbe che la scala del processo dell’inflazione cosmica sia circa un fattore 100 al di sotto della scala di Planck, che definisce il limite di validita’ delle leggi fisiche a noi note, cioè meccanica quantistica e relatività.

Naturalmente, prima di dichiarare che si tratti di un grande annuncio o di una grande scoperta, anche da parte dei ricercatori più attenti, bisogna ricordare che i dati dovranno essere confermati e analizzati prima che si possano considerare una prova definitiva ed inconfutabile. Di seguito, le reazioni degli ottimisti e di coloro più cauti che si sono pronunciati sui risultati del gruppo di Harvard.

  • Gli ottimisti:

“This is huge, as big as it gets” —Marc Kamionkowski in The New York Times

“I think that if this stays true, it will go down as one of the greatest discoveries in the history of science.” —Max Tegmark in The New York Times

“The implications for this detection stagger the mind. We are measuring a signal that comes from the dawn of time.” —Jamie Bock in Quanta magazine

“If confirmed, it would be one of the absolute greatest discoveries in cosmology.” —Frank Wilczek in Quanta

“When I got the call, I had to ask if it was real. To me, this is bigger than the Higgs boson.” —Marc Kamionkowski in Time

“If this holds, it’s huge, comparable in magnitude to the discovery of the Higgs boson. Probably even more exciting because of the surprise element.” —Adam Falkowski in his blog “Résonaances”

“If it’s confirmed by other groups, it’s worth a Nobel.” —Avi Loeb in Time

“It’s just amazing. You can see back to the beginning of time.” —Lawrence Krauss to the AP

“In some [models of inflation], the waves are so weak they could never be detected. To see them turn up is beautiful.” —Alan Guth, one of the pioneers of inflation, in Time

“Although I’m trying to be sober, it’s extremely exciting to think that we may be seeing a new relic from 10-37seconds after the Big Bang, and even more so to think that I may have had some sort of role in the advance.” —Kamionkowski in Quanta

“It teaches us something crucial about how our universe began. It’s an amazing achievement that we humans, doing science systematically for just a few hundred years, can extend our understanding that far.” —Sean Carroll to CNN

“We have for the first time a detection for the mythical gravity wave signal that people have been searching for so hard, for so long.” —Clem Pryke, co-author of the new study, to CNN

  •  I più cauti:

My role in this process has been to remain calm at all times. The time to celebrate, I think, will be once we have published our results and presented them to the scientific community. —John Kovac, leader researcher of the BICEP2 group, in Nature

The BICEP result, if correct, is a spectacular and historic discovery… In fact, it all seems far too good to be true. And perhaps it is: check back after another experimental team is able to check the BICEP findings, and then we can really break out the champagne. —Liam McAllister at The Reference Frame

If this is true, this is a moment of understanding of nature of such a magnitude that it just overwhelms and let’s just hope that it’s not a trick. —Andrei Linde, another pioneer of inflation, to CNN

“If this holds” is the central question now. This sort of experiments is difficult and subject to pesky instrumental effects and systematic effects due to foreground emission. It’s not impossible that BICEP screwed up; in fact, experts point out some worrying aspects of the data…So I would say at this point it’s fifty-fifty. —Adam Falkowski in his blog “Résonaances”

“So we will need to wait and see before we jump up and down.” —Lawrence Krauss in The New York Times

“We should be skeptical. Alone this finding is tantalizing, but not definitive.” —Lawrence Krauss in Wired

Insomma, mai come oggi, siamo interessati a rispondere ad alcune delle domande più fondamentali sulla natura dell’Universo: Come appariva l’Universo all’inizio dei tempi? Come ha fatto l’Universo ad evolvere verso lo stato fisico attuale? Lo studio della polarizzazione ci permette di ricavare molte più informazioni di quelle che possiamo ottenere dalla mappa relativa alle fluttuazioni di temperatura. La futura ricerca dei modi-B associati alla propagazione delle onde gravitazionali impresse nella radiazione cosmica di fondo rappresenta uno strumento di vitale importanza perchè ci permette di discriminare o affinare i vari modelli che tentano di descrivere l’origine dell’Universo. Nel frattempo, rimaniamo in attesa dei nuovi dati di Planck proprio sulla polarizzazione. Le sorprese non mancheranno.

CfA: First Direct Evidence of Cosmic Inflation (News Conference Video)
arXiv: BICEP2 I: DETECTION OF B-mode POLARIZATION AT DEGREE ANGULAR SCALES

Alcuni articoli sul web:

Per maggiori approfondimenti su questo e altri argomenti: L’Universo Infante

Focus sulle onde gravitazionali

einstein_boardI risultati di Planck hanno aperto una nuova finestra verso lo studio delle primissime fasi iniziali della storia cosmica (post). Oggi, uno dei punti chiave per i cosmologi è quello di verificare sperimentalmente se l’inflazione cosmica sia avvenuta o meno. I prossimi dati di Planck, che saranno pubblicati l’anno prossimo, riguarderanno la polarizzazione della radiazione cosmica di fondo e dovrebbero fornirci maggiori indizi per capire ancora più in dettaglio come l’Universo sia passato da una situazione di estrema densità e temperatura fino a raggiungere in una frazione di secondo le dimensioni cosmiche. Nel frattempo, si stanno già programmando tutta una serie di progetti scientifici che hanno lo scopo di rivelare le onde gravitazionali che, finora, sono state previste in via teorica dalla relatività generale.

Si tratta di distorsioni del tessuto spaziotemporale e si ritiene che esse siano prodotte quando oggetti super massicci, come ad esempio le stelle di neutroni, collidono. Le onde gravitazionali devono ancora essere rivelate ma il consenso nell’ambito della comunità dei fisici vuole che si tratti di un fenomeno reale. Naturalmente, non possiamo affermare con certezza che esse esistono fino a che non siano state misurate sperimentalmente. Dunque, l’idea è quella di costruire una serie di apparati ultra sensibili, denominati interferometri, che siano distribuiti sul globo. Il loro design a forma di “L” permette di misurare il tempo che impiega un fotone emesso da un laser a propagarsi da una estremità all’altra dell’interferometro quando passa un’onda gravitazionale. Infatti, se un’onda gravitazionale colpisce lo strumento, essa dovrebbe modificarne la lunghezza determinando un aumento o una diminuzione del tempo che il fotone impiega per percorrere la distanza da un estremo all’altro. Lo scopo sarà quello di raccogliere una serie di dati da varie località in modo da studiare la direzione di propagazione delle onde che attraversano gli interferometri e, quindi, capire da dove si sono originate. Al momento, gli attuali rivelatori non sono così sensibili per cui diventa di fondamentale importanza costruire interferometri di nuova generazione. Insomma, si tratterà di una collaborazione internazionale che vedrà impegnati i ricercatori di vari paesi per uno scopo comune. Si prevede, comunque, che i primi apparati entrino in funzione non prima del 2017.

Science (abstract): Seeing Gravitational Waves

‘Geyser’ galattici

Grazie ad una serie di osservazioni condotte con il radiotelescopio di 64m presso Parkes in Australia, gli astronomi hanno rivelato ‘mostruosi’ flussi di particelle cariche che vengono emesse dalle regioni centrali della Via Lattea, distribuendosi nello spazio fino a coprire oltre la metà del cielo sopra l’orizzonte. Queste gigantesche strutture corrispondono alle cosiddette “Fermi bubbles” già rivelate dal telescopio spaziale Fermi nel 2010.

Si tratta di enormi flussi di energia, circa un milione di volte superiore a quella emessa da una supernova, che non costituiscono comunque un serio pericolo per il nostro Sistema Solare. La velocità con la quale si propagano è supersonica, pari a circa 1000 Km/sec, e la direzione di propagazione è perpendicolare al piano galattico. Se osserviamo queste strutture nella loro interezza, esse si estendono per circa 50.000 anni-luce verso le regioni più esterne della Galassia, una lunghezza equivalente a circa la metà del diametro della Via Lattea. Questi flussi di energia si manifestano nella banda delle microonde sottoforma di emissione diffusa che era stata già rivelata sia dai satelliti WMAP e Planck ma soprattutto dal telescopio spaziale Fermi nel 2010. Questi tre satelliti non permettono, però, di determinare con certezza la sorgente di energia mentre le recenti osservazioni nella banda radio hanno fornito quegli indizi che stavano cercando da tempo i ricercatori. Tra le varie opzioni che sono state considerate dagli astronomi ne riportiamo due: una riguarda l’ipotesi di una violenta emissione di alta energia di tipo quasar proveniente dal buco nero centrale della Via Lattea; l’altra si basa sull’ipotesi di venti stellari ad altissima temperatura associati a stelle che stanno esplodendo. Le osservazioni suggeriscono che si tratta della seconda ipotesi. Di fatto, i flussi di particelle pare siano dovuti a varie generazioni di stelle presenti nelle regioni più interne della Galassia che si stanno formando e stanno esplodendo, un processo che dura da almeno cento milioni di anni. Per ottenere questi indizi, i ricercatori hanno analizzato i campi magnetici, misurando un parametro caratteristico delle onde radio e cioè la polarizzazione. Questi risultati permettono inoltre di rispondere ad una delle grandi domandi che riguarda la Via Lattea: come fa la nostra galassia a generare e a mantenere il suo campo magnetico?

CSIRO press release: Our Galaxy's "geysers" are towers of power

Nature Letter: Giant magnetized outflows from the centre of the Milky Way

Misurata ‘debolmente’ una violazione del principio di indeterminazione

Uno dei pilastri fondamentali della meccanica quantistica è il principio di indeterminazione, introdotto da Werner Heisenberg nel 1927. Secondo questo principio, non è possibile misurare contemporaneamente la velocità e la posizione di una particella senza arrecare un certo ‘disturbo’ al sistema fisico che si vuole studiare.

Questo principio fondamentale della fisica ha fatto un po’ ‘tremare’ i teorici della meccanica quantistica finchè di recente alcuni ricercatori del Dipartimento di Fisica dell’Università di Toronto hanno dimostrato che è possibile misurare direttamente questo effetto di disturbo suggerendo che lo stesso Heisenberg è stato inizialmente un po’ troppo pessimista. Infatti, i ricercatori guidati dal professor Aephraim Steinberg hanno misurato una proprietà del fotone, e cioè la sua polarizzazione, ottenendo anche una misura di quanto può incidere l’effetto di disturbo sull’esperimento dovuto all’apparato strumentale. Ma per fare questo, è stato necessario misurare la polarizzazione del fotone prima che interagisse con lo strumento anche se questo tentativo di misura influenza il fotone stesso. Dunque, per superare il problema, i ricercatori hanno utilizzato una tecnica, detta di misurazione debole, dove l’azione di uno strumento di misura incide in un modo tale che ha un effetto quasi trascurabile sul sistema che si vuole analizzare (in questo caso il fotone, ndb). Dunque, prima che ogni fotone venisse inviato verso l’apparato strumentale, i ricercatori lo hanno, per così dire, ‘misurato debolmente’ e poi hanno ripetuto la misura in modo da confrontare alla fine i risultati. E’ stato trovato che il disturbo indotto dalla misura è inferiore a quello previsto dal principio d’indeterminazione. Questi risultati ci permettono di ‘aggiustare’ quei limiti entro i quali gli effetti della meccanica quantistica si fanno sentire quando si realizzano gli esperimenti. Insomma, quel bizzarro mondo dei quanti pieno di stranezze è ancora caratterizzato da tante incertezze che, però, pare non siano come quelle previste dal principio di indeterminazione.

ArXiv: Violation of Heisenberg’s Measurement-Disturbance Relationship by Weak Measurements

Il telescopio Subaru rivela la struttura 3D delle supernovae

Grazie ad una serie di osservazioni condotte con la Faint Object Camera and Spectrograph (FOCAS) installati presso il telescopio Subaru, un gruppo di ricercatori guidati da Masaomi Tanaka (National Astronomical Observatory of Japan), Koji Kawabata (Hiroshima University), Takashi Hattori (National Astronomical Observatory of Japan) e Keiichi Maeda (University of Tokyo, Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe) sono stati in grado di rivelare la struttura tridimensionale delle supernovae. La scoperta va a supporto del modello 3D per le esplosioni stellari rispetto a quello più comunemente accettato relativo al modello di esplosione bipolare. Questi nuovi dati ci permettono così di avere maggiori informazioni su come ha origine una supernova, un processo che ha rappresentato per lungo tempo un enigma astrofisico.

Le stelle che hanno masse superiori a 8 masse solari concluderanno la fase di evoluzione stellare con una esplosione molto brillante, denominata supernova. Questo processo esplosivo di alta energia libera nello spazio interstellare gli elementi che sono stati sintetizzati nella stella e che sono più pesanti dell’idrogeno e dell’elio determinando così un arricchimento della composizione chimica dell’Universo. Nonostante il ruolo che le supernovae hanno per l’evoluzione dell’Universo, il processo che causa la fase esplosiva è rimasto poco chiaro. Secondo alcune recenti simulazioni numeriche, si ritiene che le supernovae non acquistano la forma di sfere uni-dimensionali e perciò si pensa che abbiano luogo altri effetti multi-dimensionali. Gli astrofisici hanno proposto due scenari principali: (1) una esplosione bipolare che viene facilitata dalla rotazione e (2) un’esplosione 3D guidata dalla convenzione. Comunque sia, gli scienziati non sanno quale dei due modelli è più vicino alla realtà. Anche se a prima vista può sembrare molto semplice osservare una supernova, in realtà si tratta di un processo molto complicato. Dato che la maggior parte delle supernovae vengono rivelate in galassie che distano milioni o centinaia di milioni di anni-luce, esse appaiono come un punto luminoso nonostante si espandano con velocità dell’ordine di 10.000 Km/sec. I ricercatori hanno utilizzato un metodo particolare per studiare la forma geometrica delle supernovae. In altre parole, essi hanno misurato la polarizzazione che fornisce informazioni sulla direzione di oscillazione delle onde elettromagnetiche. Dopo una serie di calcoli numerici, sono state trovate chiare evidenze di diversi angoli di polarizzazione presenti sia nelle esplosioni bipolari che in quelle tridimensionali. Le osservazioni polarimetriche sono state condotte con successo in due casi in cui l’inviluppo di idrogeno è scomparso, e cioè in SN 2009mi e SN 2009jf, e dove è risultato facile studiare la geometria delle esplosioni stellari. I dati polarimetrici indicano che le supernovae presentano diversi angoli di polarizzazione in accordo a quanto previsto dal modello 3D. Aggiungendo questi due esempi ai precedenti quattro già analizzati, i ricercatori hanno trovato che 5 casi su 6 sono descritti dal modello 3D. Per concludere, pare proprio che le supernovae esplodano secondo una geometria tridimensionale ma occorreranno ulteriori osservazioni per confermare, o meno, se questo scenario è effettivamente consistente con quanto avviene nelle esplosioni stellari.

ArXiv: THREE-DIMENSIONAL EXPLOSION GEOMETRY OF STRIPPED-ENVELOPE CORE-COLLAPSE SUPERNOVAE. I. SPECTROPOLARIMETRIC OBSERVATIONS