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La curiosità del mese

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L’universo accelera

La curiosità del mese di dicembre 2020 a cura di Gabriele Ghisellini


Fig. 1 - Se guardiamo una fila di lampioni scopriamo immediatamente che la luce di quelli piu' lontani
e' piu' debole, e quella di lampioni piu' vicini e' piu' brillante. La stessa cosa succede con le supernovae
di tipo Ia, che si comportano come delle lampioni standard.
Fig. 1 - Se guardiamo una fila di lampioni scopriamo immediatamente che la luce di quelli più lontani è più debole, e quella di lampioni più vicini è più brillante. La stessa cosa succede con le supernovae di tipo Ia, che si comportano come delle lampioni standard.

Avete una lampadina da 100 Watt?
Bene, provate a guardarla, di notte, a distanze diverse.
Ovviamente, man mano che vi allontanate, la luce che vi arriva sarà via via più fioca.
Se avete un buon occhio, dopo un po’ di prove sarete capaci di stimare a che distanza siete dalla lampadina solamente guardandola.
Se poi avete uno strumento che misura la luce in arrivo potreste essere più precisi.
Ma certo non vi immaginate che in questo modo si possa misurare l’universo.
Addirittura. E invece è proprio quello che gli astronomi hanno cercato di fare per decenni.
La cosa difficile non è tanto misurare la luce che ci arriva, la cosa che ha tenuto impegnati gli astronomi è stata trovare la lampadina da 100 Watt ...
O meglio, una sorgente di cui si sapeva la luminosità assoluta.

Fig. 2 - Formazione di una supernova Ia. Una nana bianca, una stella molto compatta, accresce
massa da una stella compagna, molto piu' grande (la nana bianca, pur avendo una massa paragonabile
a quella del Sole, e' grande come la Terra). Tramite questo accrescimento, la massa della nana bianca
aumenta, e quando diventa una volta e mezzo la massa del Sole, la materia accresciuta sulla superficie
riesce ad innescare le reazioni termonucleari, facendo esplodere completamente la nana bianca.
Fig. 2 - Formazione di una supernova Ia. Una nana bianca, una stella molto compatta, accresce massa da una stella compagna, molto più grande (la nana bianca, pur avendo una massa paragonabile a quella del Sole, è grande come la Terra). Tramite questo accrescimento, la massa della nana bianca aumenta, e quando diventa una volta e mezzo la massa del Sole, la materia accresciuta sulla superficie riesce ad innescare le reazioni termonucleari, facendo esplodere completamente la nana bianca.

Infatti, se non sapete la potenza della vostra lampadina come fate a misurarne la distanza?
Non potete.
Finalmente, negli anni ’90 del secolo scorso, si trovò che un certo tipo di supernova, quelle che vengono chiamate Ia, potevano essere considerate come delle lampadine standard, perchè avevano tutte la stessa luminosità.
Si è anche capito il perchè: queste stelle, prima di esplodere, sono delle nane bianche che accrescono materia da una stella compagna e quando raggiungono una massa di circa 1 massa solare e mezza esplodono.
Il fatto che il valore della massa a cui esplodono sia sempre lo stesso spiega perchè la loro luminosità sia sempre la stessa.
Quando misuriamo la luce che ci arriva da queste supernovae, facciamo come con la lampadina da 100 Watt, e sappiamo risalire alla loro distanza.
Ma questo non basta per misurare l’espansione dell’universo.

Fig. 3 - Un esempio di supernova di tipo Ia: SN 1994D nella galassia NGC 4526. La supernova e' la
sorgente luminosa in basso a sinistra. Pensate che la luce della galassia e' prodotta da piu' di 100
mliiardi di stelle, mentre la supernova e' da sola ...
Fig. 3 - Un esempio di supernova di tipo Ia: SN 1994D nella galassia NGC 4526. La supernova è la sorgente luminosa in basso a sinistra. Pensate che la luce della galassia è prodotta da più di 100 mliiardi di stelle, mentre la supernova è da sola ...

Infatti sapere la distanza tra noi e la supernova non implica che la distanza che ci separa stia crescendo.
C’è un’altra informazione cruciale che possiamo ricavare dalle osservazioni di queste supernove, ed è lo spostamento verso il rosso della loro luce, il cosiddetto redshift cosmologico.
Questo effetto esiste solo se l’universo si espande.
La luce è partita dalla supernova un po’ di tempo fa, anche miliardi di anni fa, e in quel momento, alla partenza, l’Universo era più piccolo di quanto sia adesso.
Il redshift cosmologico misura proprio il rapporto della dimensione dell’universo di adesso e di quando la luce è partita.
Se misuriamo che la luce che riceviamo si è arrossata del doppio, vuol dire che adesso l’universo ha una dimensione che è doppia rispetto a quando la luce è partita.
Per semplificare un po’, possiamo pensare che il redshift ci dica quanto tempo fa la luce è partita.
Facciamo due esempi:
Caso 1: supponiamo che la velocità di espansione dell’Universo sia sempre la stessa. In questo caso, sappiamo calcolare quanta strada ha fatto la radiazione per arrivare fino a noi, e quindi calcoliamo quanto deve essere brillante la lampadina-supernova.
Caso 2: se invece l’espansione ha frenato, allora la radiazione avrà fatto meno strada, perche l’universo si è espanso di meno. La luce della supernova ha fatto meno strada, quindi ci aspettiamo di vedere la supernova più brillante di prima, semplicemente perchè è più vicina.
Adesso immaginiamo tutte le galassie che partecipano all’espansione dell’universo, ma che sentono anche l’attrazione gravitazionale che esse stesse esercitano tra di loro.
Questa attrazione si oppone all’espansione, e tende a frenarla.
Infatti il grande dilemma dei cosmologi era: Caso 1: l’universo non contiene abbastanza massa (galassie) per frenare completamente l’espansione, che sta rallentando, ma non abbastanza. L’universo si espanderà per sempre.
Caso 2: la massa totale dell’universo produce una gravità sufficiente a frenare completamente l’espansione. L’universo ad un certo punto non si espanderà più, si fermerà e poi tornerà indietro, come in un film al contrario. Tutte le galassie si avvicineranno sempre di più e il nostro universo finirà in un big crunch, il contrario del Big Bang.

Fig. 4 - Saul Perlmutter, a sinistra, e Adam Riess, i leader dei due gruppi che nel 1998 hanno scoperto
l'accelerazione dell'universo. Per questo nel 2011, insieme a Brian Schmidt, hanno ricevuto il premio
Nobel per la fisica.
Fig. 4 - Saul Perlmutter, a sinistra, e Adam Riess, i leader dei due gruppi che nel 1998 hanno scoperto l’accelerazione dell’universo. Per questo nel 2011, insieme a Brian Schmidt, hanno ricevuto il premio Nobel per la fisica.

Nel Caso 1, la luce di una supernova scoppiata un miliardo di anni fa ha viaggiato in un universo che si espandeva più velocemente che nel Caso 2. Quindi nel Caso 1 la luce ha fatto più strada, e la supernova dovrebbe apparire più debole che nel Caso 2. Quindi guardando le supernove Ia si può scoprire il destino dell’universo!
Quindi due gruppi americani, diversi e indipendenti, cominciano un progetto corposo per misurare la luce e il redshift delle supernove di tipo Ia.
E qual è stato il risultato?
Come spesso succede, la natura ha più fantasia di noi umani: non siamo nè nel primo caso nè nel secondo ... La luce che riceviamo dalle supernove è più debole di quello che ci aspettiamo anche nel caso in qui la velocità di espansione sia rimasta fissa, senza diminuire.
La luce ha fatto tanta strada. Perchè? Perchè la strada si è allungata di più di quello che ci aspettavamo.
Ora, se neanche una velocità costante è sufficiente, bisogna che la velocità aumenti ... L’universo accelera!
Ci deve essere per forza qualcosa che spinge, e che adesso è più importante della mutua attrazione delle galassie.
L’abbiamo chiamata energia oscura, perchè non emette luce, non si vede, e poi perchè è oscura alla nostra comprensione.
Nella possima puntata vedremo quali incredibili proprietà deve avere.

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