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La curiosità del mese

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Oceani di luce

La curiosità del mese di giugno 2015 a cura di Gabriele Ghisellini


Fig. 1 - L'importanza relativa dei vari tipi di luce che permeano l'universo, in funzione dell'energia dei fotoni. Si va dal radio ai raggi gamma.
Fig. 1 - L’importanza relativa dei vari tipi di luce che permeano l’universo, in funzione dell’energia dei fotoni. Si va dal radio ai raggi gamma.

Lontano dal nostro sistema solare, lontano dalla nostra Galassia, lontano dal gruppo locale delle galassie vicine a noi, non saremmo soli. E soprattutto non saremmo al buio.
Saremmo immersi in un oceano di onde elettromagnetiche di tutte le frequenze possibili.

Fig. 2 - L'importanza relativa dei vari tipi di luce che permeano l'universo, in funzione dell'energia dei fotoni. Si va dal radio ai raggi gamma.
Fig. 2 - La radiazione cosmica di microonde, residuo del Big Bang. Le macchie scure e chiare indicano piccolissime differenze di temperatura: appena una parte su centomila, rispetto alla media, che è di 2.7 gradi Kelvin.

Per esempio, in ogni centimetro cubo, qualsiasi centimetro cubo del nostro Universo, potreste contare 400 fotoni radio, ognuno con una lunghezza d’onda di circa 3 millimetri, che corrisponde ad una frequenza di 100 GigaHerz. E trovereste anche parecchi fotoni infrossi, ottici, e poi raggi X e raggi gamma.
Questi ultimi sono più rari, ma ognuno di loro è molto più energetico dei fotoni radio o ottici.
È come se vi trovaste in un oceano fatto di luce di tutti i tipi, ed ogni tanto trovaste qualche piccola isola, cioè una galassia, oppure un arcipelago, cioè un gruppo di galassie.
Forse questo è un buon modo per immaginare l’Universo stesso: una immensità dove la materia è raggruppata in piccole isole, in mezzo ad oceani di luce. Ma da dove viene la luce che riempie tutto l’Universo? Dipende dalla sua lunghezza d’onda.
Abbiamo già detto che le onde radio di alta frequenza sono il residuo del Big Bang (vedi curiosità del mese di maggio 2013).
La stragrande maggioranza di questa radiazione è stata prodotta dall’annichilazione di materia e di antimateria (addirittura!), nei primi istanti del nostro Universo.
Prima di questa grande annichilazione protoni e antiprotoni (e anche elettroni e positroni) abbondavano ... Per ogni protone che esiste adesso, ce n’erano un miliardo allora, e un miliardo di antiprotoni. O meglio, c’era un miliardo e un protone, e un miliardo di antiprotoni. Non c’era un equilibrio perfetto, i protoni (cioè la materia) erano un pizzico di più degli antiprotoni.

Fig. 3 - Esplosione di una bomba termonucleare. Le reazioni nucleari sono il modo che le stelle hanno per produrre energia. Questo meccanismo contribuisce alla produzione del fondo cosmico in infrarosso e ottico.
Fig. 3 - Esplosione di una bomba termonucleare. Le reazioni nucleari sono il modo che le stelle hanno per produrre energia. Questo meccanismo contribuisce alla produzione del fondo cosmico in infrarosso e ottico.
Fig. 4 - L'accrescimento di materia sui buchi neri supermassicci, responsabile di circa meta' della radiazione cosmica in infrarosso, e ottico, e della quasi totalita' della radiazione nei raggi X.
Fig. 4 - L’accrescimento di materia sui buchi neri supermassicci, responsabile di circa metà della radiazione cosmica in infrarosso, e ottico, e della quasi totalità della radiazione nei raggi X.

È per questo motivo che dopo la grande annichilazione tutta l’antimateria è scomparsa ed è sopravvissuto un protone ogni miliardo. Tutta la materia che c’è nell’Universo di oggi è la materia sopravvissuta da allora, appena un miliardesimo di quella che c’era.
In compenso, per ogni protone, ci sono un miliardo di fotoni, che costituiscono la radiazione cosmica di fondo.
Per via dell’espansione dell’Universo quelli che all’inizio erano raggi gamma sono diventati fotoni radio, e continueranno a perdere energia anche in futuro, quando l’Universo sarà ancora più grande.
Ma il loro numero rimarrà pressochè uguale, perchè la maggior parte di loro continuerà a vagare nello spazio senza interagire con niente ... A più grandi frequenze (e minori lunghezze d’onda) incontriamo il fondo cosmico infrarosso e quello ottico (cioè della luce visibile all’occhio umano).
L’origine di questo oceano è dovuta a tutte le stelle e a tutti i buchi neri giganti dell’Universo, quasi in parti uguali.
Infatti, c’è un buco nero gigante (da un milione ad un miliardo di masse solari) per ogni galassia, e per diventare così grosso ha dovuto ingoiare la materia che aveva intorno.
Mentre questa materia cade dentro il buco nero, si scalda ed emette luce, soprattutto nell’ottico e nell’ultravioletto.

Circa la metà di questa luce esce indisturbata dalla galassia, mentre l’altra metÀ viene assorbita dalla materia che circonda il buco nero e riemessa sottoforma di radiazione infrarossa.

Fig. 5 - Dal buco nero centrale di una galassia partono coppie di getti il cui materiale, che  si muove a velocita' prossime a quelle della luce, produce raggi gamma che formano il fondo cosmico a queste energie.
Fig. 5 - Dal buco nero centrale di una galassia partono coppie di getti il cui materiale, che si muove a velocità prossime a quelle della luce, produce raggi gamma che formano il fondo cosmico a queste energie.
Fig. 6 - La figura mostra il fondo cosmico a microonde come ci appare. Dato che la Via Lattea si muove rispetto al fondo, vediamo le frequenze dei fotoni piu' rosse o piu' blu a seconda della direzione in cui guardiamo. La freccia indica la direzione della Via Lattea, che si sta muovendo a circa 600 km/s verso il Grande Attrattore.
Fig. 6 - La figura mostra il fondo cosmico a microonde come ci appare. Dato che la Via Lattea si muove rispetto al fondo, vediamo le frequenze dei fotoni più rosse o più blu a seconda della direzione in cui guardiamo. La freccia indica la direzione della Via Lattea, che si sta muovendo a circa 600 km/s verso il Grande Attrattore.

La gran parte del fondo cosmico nei raggi X, invece, è fatta unicamente dalla materia che cade nei buchi neri giganti, dato che le stelle emettono molto poco a queste frequenze.
Aumentando ancora la frequenza, arriviamo al fondo cosmico gamma, il più energetico. Questo fondo è fatto dalla radiazione di enormi getti che sono prodotti dai buchi neri giganti.
Guardando l’oceano di luce che permea tutto l’Universo vediamo il risultato di tutti i meccanismi principali per produrre luce: l’annichilazione tra materia e antimateria, le reazioni termonuclari che fanno funzionare le stelle, l’accrescimento di materia sui buchi neri e la produzione di raggi gamma dai getti.
La nostra galassia, la Via Lattea, sta navigando in questo oceano a gran velocità: ci muoviamo infatti a ben 600 km al secondo in questo mare ... per andare dove?
Verso un Grande Attrattore ...

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