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La fine di una stella in 3D

Simulazione 3D dell’esplosione di una stella a circa 0,5 secondi dopo il collasso del nucleo. La superficie di color bluastro è il fronte d’urto che ha un raggio medio di quasi 2000 Km.
Credit: MPA

Le stelle di grande massa terminano il loro ciclo attraverso gigantesche esplosioni, le cosiddette supernovae, e possono diventare, anche se per un breve periodo, più luminose dell’intera galassia che è formata da centinaia di miliardi di stelle. Anche se per decenni le supernovae sono state studiate per via teorica costruendo modelli al computer, i processi fisici che avvengono durante queste immani esplosioni sono così complessi che fino ad oggi gli astrofisici hanno potuto simulare solamente alcuni processi in una o due dimensioni. Alcuni ricercatori del Max Planck Institute for Astrophysics, a Garching, hanno realizzato le prime simulazioni tridmensionali del collasso gravitazionale di una stella su un tempo scala di alcune ore dopo la formazione della supernova. In questo modo è stato possibile capire come si producono le anomalie iniziali che emergono dalle profondità del nucleo stellare durante l’esplosione e il modo con cui le disomogeneità evolvono nel tempo.

ArXiv: THREE-DIMENSIONAL SIMULATIONS OF MIXING INSTABILITIES IN SUPERNOVA EXPLOSIONS

Lente gravitazionale, età e dimensioni dell’Universo

L’immagine della lente gravitazionale nel sistema B1608+656.
Courtesy Sherry Suyu Argelander Institut für Astronomie in Bonn, Germany.

Gli astronomi hanno utilizzato da sempre il metodo della lente gravitazionale per determinare la dimensione delle stelle, cercare esopianeti e studiare la distribuzione della materia scura nelle galassie distanti. Da un po’ di anni, la lente gravitazionale viene utilizzata per stimarel’età e la dimensione dell’Universo. I ricercatori affermano che il metodo fornisce delle misure accurate che ci permettono di conoscere quanto rapidamente si sta espandendo lo spazio. Le misure forniscono un valore per la costante di Hubble che conferma la sua età di 13,7 miliardi di anni, con un errore di 170 milioni di anni. Queste misure confermano inoltre l’esistenza di una componente misteriosa, l’energia scura, che sarebbe responsabile dell’espansione accelerata dell’Universo.

Immagine in falsi colori del sistema B1608+656. Si notano le due galassie interagenti G1 e G2 che determinano l’effetto della lente gravitazionale e le quattro immagini A,B,C,D che rappresentano una copia quadruplicata della stessa galassia di sfondo.

Il fenomeno della lente gravitazionale avviene quando due galassie si trovano allineate lungo la nostra linea di vista. Il campo gravitazionale della galassia più vicina distorce l’immagine della galassia più distante formando immagini multiple allungate a forma di arco. A volte, si forma una immagine distorta, un anello chiuso, che viene chiamato “anello di Einstein”. I ricercatori del Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology (KIPAC) hanno utilizzato il fenomeno della lente gravitazionale per misurare la distanza di una galassia attiva brillante analizzando le diverse traiettorie della luce. Calcolando le velocità di propagazione dei diversi raggi luminosi, essi hanno non solo stimato la distanza a cui si trova la galassia ma addirittura la scala delle dimensioni globali dell’Universo e alcuni parametri relativi all’espansione dello spazio. “Da tempo sappiamo che il fenomeno della lente ci permette di ottenere una stima della costante di Hubble” dice Phil Marshall dell’Università di Cambridge. Comunque sia, l’utilizzo di questo metodo non è mai stato utilizzato con una tale precisione rispetto a quanto fatto di recente. Queste misure forniscono una stima ugualmente accurata della costante di Hubble così come lo sono state nel passato quelle derivate dall’osservazione di supernovae e della radiazione cosmica di fondo.

Quando un corpo celeste di grandi dimensioni, come appunto una galassia, blocca la radiazione proveniente da un oggetto distante, ad esempio un’altra galassia, la luce viene deviata dal campo gravitazionale dell’oggetto interposto. Tuttavia, anziché seguire una singola traiettoria, la luce può essere deflessa attorno all’oggetto interposto formando una, due o quattro immagini multiple. Mentre la luminosità del nucleo della galassia di sfondo fluttua,  gli astronomi possono così misurare il flusso della radiazione associata alle quattro immagini distinte, come nel caso di  B1608+656, che è stato l’oggetto di studio. Sherry Suyu, dell’Università di Bonn, ha dichiarato “Nel nostro caso, si sono formate quattro copie della sorgente che appare come un anello di luce attorno alla lente gravitazionale“. Sebbene i ricercatori non sanno determinare quando la luce ha lasciato la sua sorgente, essi possono ancora confrontare i tempi di arrivo della radiazione. E’ un po’ come considerare delle macchine che per evitare il traffico e arrivare in tempo alla destinazione prendono quattro strade diverse. Allo stesso modo le traiettorie della luce possono subire dei ritardi durante la loro propagazione nello spazio prima di giungere aitelescopi. L’effetto della lente tiene conto di tutte le variabili coinvolte come la distanza, ladensità del mezzo, e ci dà una buona indicazione relativa al tempo impiegato dalla luce che ha lasciato la galassia di sfondo.

Nonostante il metodo che si basa sull’effetto della lente gravitazionale ci permetta di avere una stima migliore della costante di Hubble e dell’espansione dell’Universo, rimangono ancora diversi fattori da tenere in considerazione per determinare, in definitiva, le distanze cosmiche con una accuratezza sempre migliore.

ArXiv 1: DISSECTING THE GRAVITATIONAL LENS B1608+656. I. LENS POTENTIAL RECONSTRUCTION

ArXiv 2: DISSECTING THE GRAVITATIONAL LENS B1608+656. II. PRECISION MEASUREMENTS OF THE HUBBLE CONSTANT, SPATIAL CURVATURE, AND THE DARK ENERGY EQUATION OF STATE

Note musicali dalle supernovae

Tutti sappiamo come appaiono i resti di supernovae, esplosioni stellari violente che si manifestano come tra gli oggetti più brillanti nell’Universo e la cui luminosità dura per almeno alcune settimane. Mentre le supernovae possono essere osservate, non possono essere “ascoltate” dato che le onde sonore non possono propagarsi nello spazio. Ma cosa succede se le onde luminose emesse in seguito all’esplosione della stella o dovute ad altri fenomeni astrofisici sono convertite, per così dire, in suoni?

E’ l’idea che ha avuto il percussionista Mickey Hart, vincitore di un Grammy award, che ha catturato l’attenzione dell’astrofisico, e Premio Nobel per la Fisica nel 2006, George Smoot del Lawrence Berkeley National Laboratory. Quando una stella esplode generando una supernova gli astronomi registrano onde elettromagnetiche che arrivano ai telescopi. Keith Jacksonun informatico del Berkeley Laboratory, appassionato di musica, ha raccolto una serie di dati relativi a supernovae di breve durata, convertendo la radiazione elettromagnetica in dati audio, preservando comunque l’informazione scientifica. Riproducendo l’audio al computer si sentono dei suoni caratteristici di un tamburo cupo vibrante, con toni bassi e alti, come se fossero associati ai quelli prodotti da un terremoto. Un’idea interessante e divertente che è stata accolta con entusiasmo anche nell’ambito di progetti di educazione e di divulgazione scientifica perché ha permesso di tradurre, per così dire, fenomeni astrofisici di alta energia in suoni e musica.

Verso le origini del tempo cosmico

Un ultimo e ambizioso progetto vede ancora come protagonista il telescopio spaziale Hubble che permetterà ai cosmologi di esplorare i confini dell’Universo in cinque direzioni allo scopo di studiare la formazione delle prime stelle e l’evoluzione delle galassie. Utilizzando una quantità di tempo dedicato alle osservazioni, il programma Hubble Multi-Cycle Treasury Program realizzerà le fotografie di più di 250.000 galassie distanti fornendo agli astronomi una visione molto più dettagliata delle struttura delle galassie e del modo con cui si sono assemblate, per così dire, nel corso del primo terzo di tempo cosmico. “Si tratta di uno sforzo tale che permetterà di utilizzare il telescopio al massimo delle sue capacità fornendoci un insieme di dati senza precedenti per parecchio tempo“, spiega Sandra Faber investigatore principale presso l’Università della California a Santa Cruz.

Altri fini del progetto riguarderanno la ricerca di dati cruciali per capire le fasi iniziali della formazione dei buchi neri supermassicci e l’identificazione di supernovae distanti che sono fondamentali per studiare l’energia scura e l’espansione accelerata dell’Universo. Tutto ciò sarà possibile grazie alla potente camera a raggi infrarossi, cioè la Wide Field Camera 3 (WFC3), così come quella dedicata alle survey del cielo, l’Advanced Camera for Surveys (ACS). Al programma, che coinvolge un elevato numero di ricercatori a livello internazionale, è stato assegnato un tempo di osservazione pari a oltre 900 orbite, e rappresenta uno dei tre principali progetti che sono stati selezionati per l’Hubble Multi-Cycle Treasury Program. Il tempo dedicato alle osservazioni, equivalente a circa 3 mesi e mezzo, sarà distribuito nei prossimi due o tre anni. Hubble permette di andare indietro nel tempo dato che raccoglie la luce che ha viaggiato nello spazio per miliardi di anni. La prossima survey è stata progettata per osservare le galassie fino a distanze che corrispondono ad un intervallo di tempo cosmico da circa 600.000 fino a 4 miliardi di anni dopo il Big-Bang. “Vogliamo spingerci sempre più indietro nel tempo e vedere cosa stavano facendo, per così dire, le galassie e i buchi neri a quelle epoche” dice Faber. “E’ importante osservare regioni di spazio differenti dato che l’Universo appare caratterizzato da tante zone di addensamento della materia in modo da avere una visione più globale“.

Faber e i suoi collaboratori si aspettano i primi dati entro la fine del 2010 e, senza alcun dubbio, essi terranno occupati gli astronomi almeno per diversi anni. “Siamo molto eccitati non solo per le 900 orbite ma anche per ciò che la nuova camera ad infrarossi può fare. Sarà proprio impressionante ciò che riuscirà a vedere” conclude Faber.