Raggio di Schwarzschild

Alla fine quanto avevo promesso non sono riuscito a mantenerlo, però ci tengo a recuperare in ogni caso le immagini dei mesi di settembre e ottobre. Quest'oggi si va con l'immagine astronomica relativa al raggio di Schwarzschild (leggete anche le puntate di aprile e giugno de Le grandi domande della vita), sempre tratta dalla mostra Da zero a infinito. Ovviamente è anche disponibile, pur se in ritardo, il calendario di settembre (pdf).

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Premi Nobel 2019: Fisica

Scusatemi per il ritardo, ma la materia astronomica dei Nobel per la Fisica di quest'anno mi ha tenuto concentrato nella scrittura dei testi per i post di @astrobrera. Andiamo, però, al premio assegnato quest'anno: è stato suddiviso in due parti uguali per una ricerca nel campo sperimentale/osservativo e per una ricerca nel campo teorico dell'astrofisica.
La prima metà del Nobel per la Fisica 2019 va a Michel Mayor e Didier Queloz. I due astronomi nel 1995 hanno annunciato la scoperta di un pianeta extrasolare intorno alla stella 51 Pegasi, nella costellazione di Pegaso, una stella simile al Sole distante da noi quasi 48 anni luce. Il pianeta, un gigante gassoso, denominato 51 Pegasi b, è noto anche con il nome di Bellerofonte, l'eroe greco che domò il cavallo alato Pegaso. Lo vediamo (il pianeta!) qui sotto nell'immagine artistica presa da Celestia via commons:

L'altra metà del premio va a Jim Peebles, cosmologo, che iniziò la sua attività di ricerca mentre Arno Penzias e Robert Wilson rilevavano per la prima volta la radiazione cosmica di fondo. Mentre, però, i due cercavano di capire l'origine del loro segnale, c'era un altro gruppo, nella relativamente vicina Princeton, che si stava preparando per rilevare un segnale dalle caratteristiche simili a quelle del segnale scoperto da Penzias e Wilson. Il gruppo era costituito da Robert Dicke, Jim Peebles e David Wilkinson. In particolare Dicke aveva previsto, indipendentemente da Ralph Alpher e Robert Herman, l'esistenza di una radiazione di fondo che avrebbe dovuto permeare l'universo, traccia dell'esplosione di energia che aveva dato origine all'universo.
Alla fine i risultati del gruppo di Dicke confermarono la scoperta di Penzias e Wilson, fornendo anche un senso fisico a quell'osservazione, oggi considerata una delle più solide conferme della teoria del Big Bang. Peebles, all'epoca giovane assistente di Dicke, contribuì non solo alla parte sperimentale, ma anche a quella teorica, e negli anni successivi continuò a occuparsi di radiazione cosmica di fondo e di cosmologia. Il Premio Nobel di quest'anno è, alla fine, il riconoscimento alla carriera piuttosto che a un unico singolo risultato, dove peraltro ebbe comunque un ruolo marginale, visto che nessuno dei teorici che predisse la radiazione cosmica di fondo ha mai vinto il Premio Nobel per tale risultato (né su qualche altro argomento, se è per questo).

Big Bang e buchi neri

Nikodem Poplawski

Non scrivendo da un bel po', ho deciso che forse un post sprint fatto soprattutto di link potrebbe anche andare bene in questo periodo. Parto da un'idea ispirata da uno scritto più che altro filosofico: il big bang è un buco nero?
A quanto pare esiste una teoria, sviluppata da Nikodem Poplawski, in particolare nell'articolo Radial motion into an Einstein–Rosen bridge (pdf), che ha destato interesse sia in science.com sia sul National Geographic.
Sull'argomento, comunque, direi che potete dare un'occhiata a una puntata del podcast di Fraser Cain su Universe Today, cui aggiungo The Big Bang, Black Holes, and the evolution of the Universe e Is the Big Bang a black hole?
Buona lettura!

Il problema dei tre corpi

(codice di incorporazione)

Bella l'animazione, vero? Ha condiviso il link scipsy su tumblr, poi rebloggato da Maurizio Epifani. E' una simulazione del sistema solare, come potete vedere anche seguendo i link, e a un occhio attento non sarà sfuggito come la macro struttura del sistema solare (un corpo centrale massiccio con altri, più piccoli, che ruotano intorno ad esso) si ripeta al suo interno per i corpi pianeti (ogni pianeta ha uno o più satelliti che vi ruotano attorno). Tutto questo viene sorretto, in prima approssimazione, dalla legge di gravitazione universale, che è già di per sé sufficiente per spiegare i moti planetari, almeno portando avanti i calcoli con metodi numerici. E' infatti abbastanza noto nell'ambiente scientifico che già il così detto problema dei tre corpi è estremamente difficile da risolvere in maniera analitica e non lo si può, in ogni caso, portare a conclusione in maniera esatta.
Nel mondo anglosassone questo problema viene associato a Leonard Euler, uno dei matematici che si occuparono della questione, e che propose il seguente potenziale in cui sono presenti due centri di gravità paragonabili, rappresentati dalle costanti $\mu_{1,2}$ che misurano la forza di ciascun corpo: \[V(x,y) = -\frac{\mu_1}{\sqrt{(x-a)^2 + y^2}} -\frac{\mu_2}{\sqrt{(x+a)^2 + y^2}}\] Questo potenziale, ovviamente, va applicato a un terzo corpo di massa $m$.
Sostituendo $x$ e $y$ con un sistema di coordinate ellittiche è possibile trovare una soluzione parametrica al problema, espressa attraverso degli integrali ellittici.

L'evoluzione nell'universo: galassie ellittiche

Dettaglio da Red Shift di Franz Skringer

Il redshift, o spostamento verso il rosso, è dovuto all'effetto Doppler applicato alle onde elettromagnetiche.
L'effetto Doppler lo sperimentiamo abbastanza quotidianamente, ad esempio quando la sirena dei pompieri o dell'ambulanza del pronto soccorso si avvicina: nella fase di avvicinamento il suono si fa più intenso per poi diminuire allontanandosi. Questo perché le onde sonore generate dalla sirena hanno uno spazio sempre minore (o maggiore) per giungere fino al nostro orecchio, quindi il numero di picchi che ci raggiunge nell'unità di tempo è sempre maggiore (o minore), senza che però ci sia alcun reale cambiamento nell'onda emessa. Allo stesso modo, quando un'onda elettromagnetica viene emessa da una fonte lontana, questa subisce uno spostamento verso il blu se l'origine è in avvicinamento, verso il rosso se è in allontanamento rispetto al punto di ricezione.
In particolare, essendo il nostro universo in espansione, si osserverà principalmente uno spostamento verso il rosso, un redshift. Per valutare l'effetto di tale spostamento, ci viene in aiuto la relatività speciale o ristretta⁽¹⁾. In particolare la frequenza $\nu$ osservata sarà legata alla frequenza emessa $\nu_0$ dalla seguente relazione:

Black holes and revelations

In effetti si potrebbe sintetizzare così il testo teatrale Dio e Stephen Hawking, scritto nel 2000 da Robin Hawdon: da una parte i buchi neri, oggetto dello studio delle ricerche di Hawking, dall'altra le rivelazioni annunciate all'inizio da Dio stesso agli spettatori. Infatti Dio è uno dei protagonisti della scena: il suo intento è quello di sfidare Hawking a dimostrargli di non esistere, di non essere il creatore dell'universo dello scienziato, di essere una sorta di gatto di Schroedinger cosmico. Per farlo si intrufolerà nella vita di Hawking, per confrontarsi con lui sempre in maniera diretta, prima tramite Jane Wilde, fidanzata e poi moglie di Hawking, con la quale parla direttamente, quindi impersonando vari personaggi: il professore di Hawking che interpreta Newton (pretesto, quindi per parlare dello scopritore della gravità universale), quindi Einstein in sogno e l'amico Penrose in un confronto matematico sulle future sfide da affrontare insieme.
Il testo, che, per ammissione dello stesso autore sul suo sito, prende ispirazione da A brief history of time (il famoso Dal Big Bang ai buchi neri), prende spunto dalla vita di Hawking per proporre il tema di Dio e della creazione nel XX secolo e la sfida tra questi e in particolare tra la religione e la scienza. In un certo senso questo mescolamento di situazioni e posizioni, questo tentativo di far ammettere a Hawking non solo l'esistenza di Dio, ma anche la sua necessità, può essere condensato in questo ricordo infantile dello scienziato, tratto dalla sua biografia sulla wiki:

Eureka. Un poema in prosa

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Titolo: Eureka
Autore: Edgar Allan Poe
Edizione: Bompiani

Il 3 febbraio del 1848, Edgar Allan Poe tenne, presso la Society Library di New York, una conferenza dal titolo Universo. Da questa trasse un testo dal titolo Eureka. Un poema in prosa, dedicato ad Alexander von Humboldt.
Dopo un inizio tra il fantascientifico e il filosofico, Poe inizia con un lungo discorso di carattere logico dove, a partire dalla legge di gravitazione di Newton, che non mette in discussione, inizia a proporre una sua idea sulle origini dell'universo, passando poi alla discussione e descrizione della cosmogonia nebulare di Simon Laplace, ovvero la teoria sulla formazione del nostro Sistema Solare a partire da una nebulosa in rotazione formulata per la prima volta dal fisico e matematico francese. Quest'ultimo, ovviamente, realizzò una teoria scientifica rigorosa, con risultati matematicamente e sperimentalmente (attraverso le osservazioni) verificabili nel trattato Exposition du systeme du monde. Poe, invece, dopo la descrizione della teoria, prova ad utilizzare il semplice ragionamento logico per trarre le sue conclusioni.
La sensazione è che alla fine produca un testo più filosofico, che di carattere divulgativo-scientifico, in cui cerca di elevare il pensiero e le congetture logiche davanti sia all'esperimento sia ai modelli matematici, che pure tiene in gran conto. Al di là di queste considerazioni, comunque, lo scritto di Poe, che nell'edizione Bompiani curata e tradotta (non sempre efficacemente, devo personalmente dire) da Paolo Guglielmoni, è interessante perché presenta idee e spunti del suo tempo, che poi ritorneranno nelle scoperte della fisica del secolo successivo, con l'indubbio vantaggio, in questa occasione, di avere una solida base matematica.
Una delle idee più interessanti è, però, di Blaise Pascal, che riferendosi all'universo, disse (la citazione, però, è tratta dall'edizione Bompiani di Eureka):

E' una sfera il cui centro è ovunque, la circonferenza in nessun luogo

Il ritorno degli assioni

Non è il seguito di un film di fanta-horror di anta anni fa, ma il ritorno improvviso di una particella teorica molto particolare. Partiamo dall'inizio:
L'interazione forte, come mostrato da Gerardus 't Hooft, possiede una struttura che, in principio, consente la violazione delle simmetrie CP: coniugazione di carica (scambio tra particella e corrispondente antiparticella) e parità (inversione delle coordinate spaziali). Tale violazione dovrebbe indurre un momento di dipolo elettrico nel neutrone, che però non è stato ancora osservato: ciò vuol dire che l'effetto è estremamente debole o assente. All'interno delle equazioni del Modello Standard, comunque, compare un termine che è responsabile di tale violazione.
Nel 1977 Roberto Peccei e Helen Quinn hanno proposto una soluzione matematicamente più elegante al problema, e che richiama ancora una volta il concetto di rottura di simmetria: l'idea, molto semplice in sé, è quella di trattare il termine di cui sopra come una vera e propria particella, chiamata assione da Frank Wilczek.
L'assione, come la particella predetta da Higgs con un meccanismo che non dovrebbe essere molto differente, è un bosone, ovvero una di quelle particelle messaggero che trasportano le interazioni e le informazioni nell'universo del Modello Standard.
Come per ogni particella teorica prevista, è partita la caccia anche per gli assioni: uno dei primi esperimenti ad interessarsi alla sua ricerca è PVLAS, esperimento ideato nel 1986 da Luciano Maiani, Roberto Petronzio, Emilio Zavattini. Nel 2007, però, Carlo Rizzo e colleghi del CNRS in un articolo caricato su arXiv, No light shining through a wall, asseriscono che le conclusioni dell'esperimento italiano (la massa dell'assione doveva essere intorno a 1-1.5 MeV) erano errate (vedi anche Experimental observation of optical rotation generated in vacuum by a magnetic field). Eppure gli assioni sembrano tornare alla ribalta con alcune recenti evidenze sperimentali.