Chiacchiere di fisica di Stefano Marcellini
Produrre antimateria per distruggere il mondo
Nel romanzo Angeli e Demoni di Dan Brown un complotto mira a distruggere il Vaticano utilizzando dell’antimateria prodotta al Cern di Ginevra. Romanzi a parte: veramente al Cern producono antimateria? E è pericoloso?
Al Cern, effettivamente, fra i vari esperimenti ce ne sono alcuni che producono antimateria. O meglio, producono singoli atomi di anti-idrogeno per studiarli, e per capire se hanno qualche proprietà che li distingua dai normali atomi di idrogeno, tipo – metti caso – che cadano in modo diverso sotto l’effetto del campo gravitazionale. Dal punto di vista scientifico sarebbe una scoperta fantastica!
Ma sarebbe possibile produrre grandi quantità di antimateria da costituire un pericolo? Per rispondere a questa domanda basti dire che in tutta la storia della fisica delle particelle al Cern, la quantità di antimateria prodotta finora è una decina di miliardesimi di grammo, appena sufficienti per alimentare una lampadina da 60 W per 4 ore. Un po’ poco per distruggere il mondo!
Visto che un buco nero è una regione di spazio in cui, a causa dell'elevata densità di materia-energia, l'intesità del campo gravitazionale è tale da non permettere neanche alla luce di sfuggire, mi chiedo come mai l'Universo primordiale (Big Bang) sia riuscito a sfuggire a questo fatto? Come può l'inflazione cosmica giustificare tutto ciò? Tra l'altro, sembra che il raggio di Schwartzchild dell'intero Universo sia pari a 23 miliardi di anni luce, ciò mi farebbe pensare che siamo all'interno di un enorme buco nero.
Caro lettore,
come dici correttamente, un buco nero si forma quando "in una regione di spazio" la densità di materia è sufficientemente alta da creare un campo gravitazionale così intenso da non permettere neanche alla luce di uscire fuori. Deve però essere una regione di spazio limitata, al di fuori della quale invece la densità di materia è nulla o molto bassa, in modo che la differenza di potenziale gravitazionale tra le due regioni sia elevatissima e neanche la luce riesca a tornare indietro.
L'universo invece non è una regione di spazio, ma, per definizione, tutto lo spazio! Non c'è nessuna regione esterna all'universo. Sicuramente nei primi istanti dopo il Big Bang la densità di materia era elevatissima, ma era la stessa ovunque. Il campo gravitazionale, che si crea solo se c'è una differenza di densità, era uniforme. Piccole differenze di densità in realtà esistevano, ed è a causa loro che alcune nubi di idrogeno si sono addensate e hanno acceso le prime stelle, ma erano comunque locali e tali da non poter far collassare tutto l'universo in un buco nero.
Detto in termini più specifici, un buco nero è una regione di spazio che segue la metrica di Schwarzschild, una soluzione delle equazioni di campo di Einstein che descrive lo spazio-tempo attorno a una massa sferica, non rotante e posta nel vuoto.
Il cosmo intero segue invece una metrica completamente diversa, quella di Friedmann–Lemaître–Robertson–Walker, che descrive un universo isotropo, omogeneo e in espansione. Infatti non dobbiamo dimenticare un dato sperimentale incontrovertibile: l'universo si sta espandendo. Applicare la formula del raggio di Schwartzchild all'universo non è formalmente corretto, sarebbe come mescolare le famose pere con le mele.
In conclusione: no, l'universo non è un enorme buco nero. Anzi, potremmo dire che per certi versi è esattamente l'opposto: un buco nero ha una singolarità nel proprio futuro verso la quale tutto sparisce, mentre l'universo ne ha una nel proprio passato dalla quale tutto emerge.
Per approfondire ti consigliamo questa lettura: https://scienzapertutti.infn.it/relativita-generale
Danilo Domenici, fisico
I numeri della fisica di Danilo Domenici
93 miliardi di anni luce
Il diametro dell’universo osservabile. Le ultime misure stimano che l’universo abbia un’età di 13,8 miliardi di anni. Se questo fosse statico l’oggetto osservabile più distante sarebbe posto a 13,8 miliardi di anni luce da noi. Ma l’universo si sta espandendo, quindi l’orizzonte osservabile è molto più grande. Noi riceviamo in questo momento la radiazione emessa da una sorgente 13,8 miliardi di anni fa, ma nel frattempo quella sorgente si è allontanata a causa dell’espansione dello spazio e si trova ora a 46,5 miliardi di anni luce. Quindi tutto l’universo osservabile dalla Terra è contenuto in una sfera di 93 miliardi di anni luce di diametro. Ciò che si trova fuori da questa sfera si sta allontanando da noi ad una velocità maggiore di quella della luce, e non potremo mai ricevere alcun segnale proveniente da questa regione.
250000 km/s
250000 km/s è la velocità della luce nell’acqua, circa il 20% minore rispetto a quella nel vuoto, 299 792 458 km/s, che rappresenta un limite irraggiungibile per qualsiasi oggetto dotato di massa. Ciò non impedisce però ad una particella che si muove nell’acqua di viaggiare ad una velocità superiore a quella della luce in quel mezzo. Se la particella è carica in questo caso si ha l’effetto Cherenkov, cioè l’emissione di luce visibile lungo la traiettoria della particella. La luce Cherenkov è ad esempio visibile all’interno dei reattori nucleari, dove le particelle di alta energia emesse dalla fissione dell’uranio attraversano l’acqua di raffreddamento che circonda il combustibile. Nella fisica delle particelle l’effetto Cherenkov è invece usato in appositi rivelatori per identificare le particelle, discriminando per esempio un muone da un pione.
50000 ore
Le luci di Natale che abbelliscono le nostre città sono da qualche anno costituite da LED, o Light Emitting Diodes. Si tratta di dispositivi optoelettronici composti di materiali semiconduttori, come il silicio, che emettono fotoni quando sono attraversati da una corrente elettrica. Possono durare fino a 50000 ore ed emettono il 90% dell’energia come luce visibile, mentre una lampadina a incandescenza ha una durata di 1000 ore e converte solo il 10% dell’energia in luce, sprecando il resto in calore. Per questo i LED sono molto efficienti e brillanti: un LED da 10 Watt fornisce la stessa quantità di luce di una lampadina da 60 Watt.
Per decorare un albero di Natale con un filo luminoso da 500 LED bastano 5 Watt. Considerando di tenerlo acceso 10 ore al giorno per tutto il periodo delle feste, si spendono solo 0,3 €!
24 anni
La presenza continua dell'umanità nello spazio a bordo della Stazione Spaziale Internazionale.
La ISS è stata inaugurata il 2 novembre 2000. Da allora 72 missioni spaziali hanno portato esseri umani a bordo e da 2 a 7 persone hanno abitato contemporaneamente la stazione per periodi fino a 6 mesi, per un totale di 273 astronauti provenienti da 21 paesi del mondo.
La ISS viaggia ad una velocità di circa 28000 km/h su un’orbita di 400 km di raggio compiendo 15 giri e mezzo interno alla Terra in 24 ore.
100mila tonnellate
La massa del Sole che ogni secondo viene trasformata in energia.
La nostra stella ha una massa totale di 2 x 10³⁰ kg, pari al 99.86% della massa dell’intero Sistema Solare, ed è composta per ¾ da idrogeno e ¼ da elio. Operativi dal 1987, sono i laboratori di ricerca sotterranei più grandi e importanti del mondo. Le 3 sale lunghe 100 m che li compongono sono poste proprio sotto il massiccio del Gran Sasso e vi si accede attraverso il traforo dell’autostrada Roma-L'Aquila-Teramo. Questa caratteristica unica riduce moltissimo il flusso di raggi cosmici normalmente presente in superficie e permette di studiare fenomeni fisici molto rari, come la materia oscura o i neutrini. Inoltre, garantisce condizioni ambientali costanti tutto l’anno, con una temperatura di 7 °C e un’umidità relativa del 100%. I ricercatori dei laboratori organizzano periodicamente delle visite guidate agli esperimenti sotterranei prenotabili dal sito dei LNGS.
1400 metri
Lo spessore di roccia che immerge i Laboratori Nazionali del Gran Sasso nel silenzio cosmico.
Risale al 1971 l’Intel 4004, il primo microprocessore che integrava su un solo circuito integrato una CPU (Central Processing Unit) una RAM (Random Access Memory) e una ROM (Read-Only Memory). Questa architettura permise di abbattere i costi di produzione e diede inizio alla rivoluzione informatica.
Ideato dal fisico italiano Federico Faggin, all’epoca progettista della Intel, aveva una superficie di pochi cm2 e una potenza di calcolo superiore a quella dei computer degli anni ‘40 che occupavano intere stanze.
Da allora il numero di transistor dei microprocessori ha seguito la legge di Moore che ne prevede il raddoppio ogni 18 mesi. Oggi un processore conta fino a 60 miliardi di transistor.
2300 transistor
Il numero di transistor del primo microprocessore nella storia dell’informatica.
Risale al 1971 l’Intel 4004, il primo microprocessore che integrava su un solo circuito integrato una CPU (Central Processing Unit) una RAM (Random Access Memory) e una ROM (Read-Only Memory). Questa architettura permise di abbattere i costi di produzione e diede inizio alla rivoluzione informatica.
Ideato dal fisico italiano Federico Faggin, all’epoca progettista della Intel, aveva una superficie di pochi cm2 e una potenza di calcolo superiore a quella dei computer degli anni ‘40 che occupavano intere stanze.
Da allora il numero di transistor dei microprocessori ha seguito la legge di Moore che ne prevede il raddoppio ogni 18 mesi. Oggi un processore conta fino a 60 miliardi di transistor.
14 isotopo del carbonio
14 è la massa atomica dell’isotopo del carbonio usato per datare le opere d’arte e i reperti archeologici. Gli esseri viventi rappresentano una fotografia del carbonio presente nell’atmosfera, che fissano con la respirazione o la fotosintesi. Quando muoiono il C-14 contenuto nel loro organismo inizia a diminuire secondo la legge del decadimento radioattivo, che in questo caso prevede che il numero di nuclei si dimezzi ogni 5730 anni. Per datare un reperto di origine organica gli scienziati separano e contano gli atomi di C-14 attraverso tecniche di fisica nucleare. Confrontando questo numero con la concentrazione di carbonio nell’atmosfera si ricava il tempo necessario a raggiungerlo, cioè l’età in cui le cellule presenti hanno smesso di vivere.
0,0000000003 secondi
I fotoni sono le particelle di cui è composta la luce, e non hanno massa. Mentre le normali particelle aumentano o diminuiscono la loro velocità in base alle forze cui sono sottoposte, la velocità dei fotoni dipende solo dal mezzo in cui si muovono. In acqua, per esempio, la loro velocità è di 200,000 km/s. Nel vuoto è di 300,000 km/s e la teoria della relatività ci dice che è un limite che nulla dotato di massa può raggiungere né superare. In ogni caso la velocità della luce è sempre molto alta rispetto agli standard dell’essere umano. Per questo diciamo che questa linea bianca è lunga 10 cm e non 300 picosecondi-luce!
4,6 miliardi di anni
4,6 miliardi di anni fa si è formato il sistema solare.
L’universo esisteva già da 9 miliardi di anni. Probabilmente in questa regione di cosmo era presente un’enorme nube gassosa, contenente idrogeno, elio e altri elementi pesanti formatisi all’interno di una precedente stella e poi espulsi alla fine della sua vita. Un pezzo di questa nube ha iniziato a un certo punto a collassare per effetto della gravità, formando un disco proto-planetario. Al centro del disco la densità del gas era sufficientemente alta da innescare reazioni di fusione nucleare e accendere una stella di media grandezza, che avremmo chiamato Sole. Nella periferia gli atomi si ammassavano in migliaia di corpi più piccoli che scontrandosi andavano a formare pianeti, asteroidi, comete.
-273 °C
Secondo le leggi della fisica esiste una temperatura minima alla quale può trovarsi la materia: lo zero assoluto. Zero Kelvin (0 K), pari a –273,15 °C.
Nel caso di un gas la temperatura assoluta misura la velocità media degli atomi, e questa non può mai essere nulla poiché violerebbe il principio di indeterminazione di Heisenberg, secondo il quale non possiamo determinare con infinita precisione la velocità e la posizione di una particella: un atomo non può quindi essere fermo. Anche gli atomi legati nella materia non sono fermi, ma si agitano sempre intorno alla loro posizione.
Il gas intergalattico nei più lontani angoli dell’universo si trova ad una temperatura di 2,725 K, per effetto del calore residuo del Big Bang. La temperatura più bassa mai raggiunta in laboratorio invece è di 38 pK, cioè 0,000000000038 gradi sopra lo zero assoluto.
Pazienti trattati con adroterapia al mondo
L’adroterapia è una forma di terapia per la cura di tumori inoperabili o resistenti alla radioterapia tradizionale. A differenza di questa, che usa raggi X o elettroni, l’adroterapia usa protoni o ioni di carbonio, che rilasciano la loro energia con altissima precisione raggiungendo anche i tumori più profondi, minimizzando i danni ai tessuti sani.
Questa tecnica impiega le conoscenze proprie della fisica degli acceleratori per generare i fasci di particelle, accelerarli all’energia necessaria e infine dirigerli verso il tumore. In Italia ci sono tre centri di adroterapia: a Trento, a Pavia e a Catania.
In tutto il mondo ci sono circa 150 centri, in cui sono stati trattati 300,000 pazienti. Le cellule tumorali uccise grazie all’adroterapia sono più di 1015.
L'anno in cui Albert Einstein teorizzò le onde gravitazionali
Nel 1916 Albert Einstein previde l’esistenza delle Onde Gravitazionali. L’anno prima aveva completato la teoria della relatività generale, secondo la quale lo spazio ha delle proprie caratteristiche fisiche, determinate dalla presenza di materia, che a loro volta determinano come la materia si muove. Lo spazio si può immaginare come una sostanza elastica, che viene stirata o compressa, e che può essere messa in oscillazione. Le onde risultanti sono le Onde Gravitazionali.
Lo stesso Albert concluse però che sarebbe stato impossibile rivelarle sperimentalmente: troppo deboli. Nonostante questo autorevole parere, i fisici hanno studiato per decenni strumenti per rivelarle, riuscendoci infine nel 2016, proprio 100 anni dopo la previsione di Einstein.
Gli attuali rivelatori di Onde Gravitazionali sono così sensibili da aver misurato un’oscillazione dello spazio pari a un millesimo del diametro del protone, causata dalla fusione di due buchi neri a 1,5 miliardi di anni-luce dalla Terra!
Percentuale dell'universo di materia conosciuta
Solo il 5% dell’Universo è fatto della materia che conosciamo: per lo più idrogeno ed elio, con una piccola parte di elementi pesanti e neutrini.
Tutto ciò costituisce l’Universo che osserviamo, ma abbiamo ottimi motivi per pensare che non sia sufficiente a generare l’attrazione gravitazionale che tiene insieme le stelle nelle galassie e le galassie negli ammassi. Occorre una quantità di materia 5 volte maggiore, che ovviamente non emette né assorbe radiazione e che chiamiamo per questo Materia Oscura. Probabilmente particelle non ancora note, che risentono della forza gravitazionale e forse di altre interazioni ancora sconosciute. Nella “lista degli ingredienti” dell’Universo occupa il 25% del totale.
Del restante 70% invece non sappiamo praticamente nulla: si tratta dell’energia responsabile del fatto che l’Universo si espande ad una velocità sempre crescente. Non abbiamo ancora capito la sua natura, e l’abbiamo chiamata Energia Oscura.
7600 km di cavi superconduttori
LHC è l’acceleratore più grande del mondo. Per curvare i protoni lungo i 27 km di circonferenza servono magneti superconduttori, fatti di cavi al niobio-titanio raffreddati alla temperatura di 2 K (cioè -275 °C) mediante elio superfluido.
Ci sono 1232 magneti curvanti, lunghi 14.3 m. Al loro interno i 2 condotti dove corrono le particelle sono ricoperti da 160 cavi ciascuno. Facendo il calcolo (1232x14.3x2x160) si trovano 5640 km di cavi. Aggiungendo anche il contributo dei magneti multipolari si arriva alla lunghezza totale di 7600 km di cavi superconduttori.
Ognuno di questi cavi poi, è costituito da 36 trefoli intrecciati, di diametro 0.8 mm, e ogni trefolo ospita 6500 filamenti dello spessore di soli 0.006 mm, cioè 10 volte più sottili di un capello.
Facendo un nuovo calcolo si trova che la lunghezza totale dei filamenti di niobio-titanio in LHC è di quasi 2 miliardi di km, cioè più di 10 volte la distanza tra la Terra e il Sole!
400.000 miliardi di neutrini
I neutrini sono tra le particelle elementari più misteriose presenti in natura, famosi per la loro abilità nell’attraversare la materia interagendo pochissimo. Sono così elusivi che un muro di piombo dello spessore di 1 anno-luce fermerebbe solamente la metà dei neutrini che lo attraversano.
Nell’Universo viaggiano moltissimi neutrini, prodotti ad esempio nelle reazioni di fusione nucleare che avvengono nei nuclei delle stelle. Il nostro Sole emette 1038 neutrini al secondo, in tutto lo spazio circostante. Pochissimi di questi, dopo aver percorso 150 milioni di km quasi alla velocità della luce, colpiscono la Terra. Eppure, il nostro corpo in media è attraversato da 400 mila miliardi di neutrini ogni secondo!
La prima fotografia dell'universo
Nel 1964 due fisici americani, Arno Penzias e Robert Wilson, costruirono un’enorme antenna per microonde, con la quale captarono la radiazione residua del Big Bang che permea tutto l’universo. Oggi, grazie ai satelliti, riusciamo ad avere un’immagine molto dettagliata di quella radiazione: è la fotografia più antica dell’universo e risale a solo 380 mila anni dopo il Big Bang. Se l’universo fosse una persona di 70 anni, avremmo la sua foto quando era nato da meno di un giorno.
Le onde elettromagnetiche non riescono a dare un’immagine ancora precedente, perché prima di quell’epoca erano continuamente assorbite dalle particelle cariche. Per andare oltre dovremo usare i neutrini o le onde gravitazionali: con i primi potremmo arrivare a 1 s dopo il Big Bang, mentre con le seconde arriveremmo addirittura all’epoca dell’inflazione cosmica, appena 10−33 secondi dall’inizio dell’Universo!
Universi Possibili
La teoria delle stringhe cerca di conciliare la meccanica quantistica e la relatività generale in un unico modello matematico, secondo il quale i costituenti fondamentali dell’universo sarebbero delle piccolissime corde, che vibrando produrrebbero tutte le particelle note: elettrone, protone, neutrino o bosone di Higgs. Un po’ come una corda che vibra produce le diverse note musicali. Inoltre, lo spazio avrebbe 25 dimensioni invece di 3, con le extra-dimensioni arrotolate in uno spazio piccolissimo. Poiché esistono 10500 modi diversi di arrotolare le stringhe, la teoria predice 10500 possibili universi, ognuno con le proprie particelle, le proprie costanti e le proprie leggi fisiche.
Animal Physics
Alla scoperta della fisica nel regno animale
La redazione di “ScienzaPerTutti”, progetto dell’INFN Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, bandisce la XX edizione del concorso per le scuole indirizzato a studentesse e studenti che frequentano:
- il triennio delle scuole secondarie di II grado (1° categoria di concorso).
- il biennio delle scuole secondarie di II grado (2° categoria di concorso);
- la classe terza delle scuole secondarie di I grado (3° categoria di concorso);
Come volano gli uccelli? Come si orientano nello spazio i pipistrelli? E i capodogli? La fisica si nasconde anche dove non ce l’aspettiamo. Nel regno animale sono numerosi gli esempi dei casi in cui fenomeni fisici sono la chiave per alcuni comportamenti, capacità o caratteristiche degli animali. Anche per questo a volte gli animali sono presi dalla Scienza come esempio per sviluppare nuove tecnologie che si basano proprio su questi fenomeni
Scegliete un animale e raccontate come la fisica gli è d’aiuto in un video di massimo 4 minuti, spiegando uno o più fenomeni fisici che entrano in gioco nella sua struttura, capacità o comportamento (nella relazione sociale, nel corteggiamento o nella caccia per esempio). Potete scegliere l’animale e i fenomeni fisici che vi sembrano più interessanti!
**PROROGA** iscrizione gratuita entro il 10 marzo 2025
Invio materiale entro il 11 aprile 2025
locandina
regolamento concorso
link iscrizione
informativa studenti
Alessandro De Angelis, Prefazione di Fancis Halzen.
Editore Castelvecchi.
L’universo nascosto.
La nuova astronomia dei raggi cosmici e delle onde gravitazionali
Sono passati quasi quattro secoli da quando Galilei puntò per la prima volta il suo cannocchiale verso il cielo, scoprendo un mondo del tutto inaspettato, e scoperchiando un universo di nuove domande e interrogativi sulla natura dei corpi celesti che nessuno avrebbe potuto immaginare. La nostra comprensione dell’Universo, oggi, non si basa soltanto sulle osservazioni astronomiche, ma utilizza tutti i possibili mezzi che la Natura ci mette a disposizione. Tra questi i raggi cosmici, particelle prodotte da stelle, nuclei di galassie, buchi neri e corpi celesti spesso incredibilmente distanti, che nel loro viaggio attraverso il cosmo intercettano casualmente il nostro pianeta e gli strumenti della ricerca moderna. Ai raggi cosmici, scoperti già agli inizi del secolo scorso, si sono recentemente aggiunte le onde gravitazionali, increspature dello spazio-tempo prodotte da eventi catastrofici come la fusione di buchi neri o lo stesso Big Bang.
Alessandro De Angelis è un fisico delle particelle che da anni si occupa di astrofisica multi-messaggera, ovvero l’insieme dei fenomeni che, pur originando da corpi celesti estremamente distanti, fanno pervenire ai nostri strumenti i loro effetti sotto forma di particelle elementari, radiazioni elettromagnetiche o onde gravitazionali. Nel suo libro Alessandro ripercorre la storia della scoperta dei raggi cosmici, avvenuta ormai un secolo fa, e gli studi che ne sono seguiti, storicamente determinanti nello svelarci l'esistenza e le caratteristiche dello zoo di particelle elementari che oggi studiamo con i più potenti acceleratori.
Ma soprattutto De Angelis ci racconta di come oggi l’astrofisica multi-messaggera ci apra una nuova finestra su fenomeni estremi, a volte incredibilmente energetici e impossibili da riprodurre in laboratorio. Lo studio delle emissioni di impulsi di raggi gamma ad alta energia, delle onde gravitazionali e di particelle provenienti dalle profondità del cosmo, potranno infatti svelarci e aiutarci a comprendere nuovi inaspettati fenomeni, e stupirci come solo la Natura riesce a fare.
(giugno 2024 SxT-letture consigliate)// Stefano Marcellini
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"LA FISICA È SERVITA!”: VIA AL CONCORSO DI SCIENZAPERTUTTI PER LE SCUOLE
La fisica può aiutarci anche in cucina! Ricette, strumenti, tecniche di cottura e procedure corrette, ma anche convinzioni infondate ed errori incredibili. ScienzaPerTutti apre il concorso 2024 per le scuole medie e superiori con il tema “La fisica è servita! Segreti di fisica in cucina”. In questa edizione, gli studenti e le studentesse dovranno scegliere una ricetta e raccontarla in un video di 4 minuti spiegando uno o più processi fisici che entrano in gioco nella procedura, nella tecnica o negli strumenti utilizzati per la preparazione.
-> Scopri il regolamento
Chiacchiere di fisica di Stefano Marcellini
Cosa hanno in comune un bagnino e un raggio di luce?
Questo esempio purtroppo non l’ho inventato io, ma Richard Feynman, uno che di fisica ne sapeva a pacchi, e la sapeva anche raccontare.
Siete un bagnino: state lì sulla torretta, e all’improvviso vedete qualcuno in mezzo al mare, in diagonale rispetto alla vostra posizione, che sta annegando. Dovete intervenire nel minor tempo possibile: che percorso seguireste?
Molti risponderanno: “la linea retta, è il percorso più breve!
Però attenzione! Deve essere il percorso temporalmente più breve! E quindi sceglierete di percorrere un tragitto più lungo sulla sabbia, dove siete veloci, e più corto in mare, dove siete molto più lenti. Il risultato sarà una linea spezzata che rappresenta il compromesso migliore fra sabbia e mare, in modo da minimizzare il tempo impiegato.
La luce fa esattamente la stessa cosa quando deve andare da A a B attraversando due mezzi in cui la sua velocità di propagazione è diversa. La luce sceglie sempre il percorso più veloce possibile, come il bagnino. Il fenomeno che ne scaturisce si chiama “rifrazione”.
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In seguito al successo riscosso dall'edizione del calendario del 2021, ScienzaPerTutti torna con un calendario scientifico per il 2025.
Il calendario 2025 di ScienzaPerTutti entra nelle scuole raccontando la vita e le straordinarie scoperte di 12 scienziati e scienziate che hanno fatto della fisica il loro mestiere per passione. Dall'atomo ai buchi neri, dall'induzione elettromagnetica ai sistemi complessi, un viaggio attraverso scoperte più e meno note che hanno rivoluzionato la fisica o cambiato il modo in cui vediamo il mondo.
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Illustrazioni © Francesco Fidani per INFN
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 LUGLIO | Katherine JOHNSON |
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Progetto Calendario “12 mesi di scoperte, 2025”
a cura di ScienzaPerTutti INFN
Testi biografie a cura di Marco Battaglieri, Susanna Bertelli, Marco Cinausero, Danilo Domenici, Stefano Marcellini, Chiara Oppedisano
Grafica a cura di Francesca Cuicchio, INFN Ufficio Comunicazione
Illustrazioni originali di Francesco Fidani
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Buonasera. Vorrei chiedere all'esperto se è vero il fatto che una supernova emette (in termini di rilascio energetico) lo 0,1% di luce e il 99,9% di neutrini? Innanzitutto, se i neutrini sono così impercettibili e schivi, come si fa ad affermare ciò con tanta sicurezza? In secondo luogo, quale processo interviene affinché vi sia una produzione così eclatante di tali particelle?
Caro lettore,
le supernovae hanno da sempre suscitato interesse nell’uomo, per la loro intensa ed improvvisa luminosità, che le fa apparire come “nuove” stelle nel cielo. In poche settimane una supernova può emettere l’energia che il Sole emette in tutta la sua esistenza.
Avvistamenti di supernovae risalgono ai primi secoli dopo Cristo. Il loro studio scientifico sistematico inizia invece negli anni ‘30 del 900, soprattutto per merito dell’astronomo svizzero Fritz Zwicky, che conia inoltre il termine “supernova”.
L’ultima supernova scoppiata nella nostra Galassia si chiama SN1604, ed è stata visibile a occhio nudo per più di un anno, tra il 1604 e il 1605, nella costellazione di Ofiuco, con una luminosità pari a quella di Venere.
Oggi sappiamo che la supernova è uno dei possibili stati terminali dell’evoluzione di una stella, uno stato altamente instabile che prevede l’emissione di una grande quantità di materia ed energia nello spazio. Ciò è generalmente dovuto alla perdita di equilibro tra l’energia potenziale gravitazionale e l’energia cinetica del plasma di cui è costituita la stella.
La quantità e il tipo di neutrini emessi da una supernova dipendono fortemente dai processi che la originano. Ne esistono fondamentalmente due: l’accrescimento di nana bianca e il collasso del nucleo.
Nel primo caso abbiamo le supernovae di tipo Ia. Una nana bianca è una stella di massa inferiore a 1,44 masse solari. Al termine della sua evoluzione, quando il combustibile nucleare è esaurito, questa si mantiene in equilibrio grazie alla pressione degli elettroni degeneri causata dal Principio di Esclusione di Pauli, che non permette a queste particelle di avere esattamente la stessa energia. Le nane bianche sono costituite generalmente da ossigeno e carbonio, elementi pesanti che producono attraverso la fusione di nuclei di idrogeno ed elio. Può accadere che una nana bianca orbiti vicino a una compagna di grande massa alla quale sottrae materia per attrazione gravitazionale. Quando la massa della nana bianca accresce oltre il valore critico di 1,44 masse solari la degenerazione degli elettroni non è più sufficiente a mantenerne l’equilibrio. L’aumento di densità e temperatura del nucleo causano una violenta fusione del carbonio e dell’ossigeno che culmina con la catastrofica esplosione della stella e l’espulsione dell’intera massa nello spazio. L’80% dell’energia viene usata nella nucleosintesi di elementi pesanti, soprattutto nichel e silicio, e nell’accelerazione della materia espulsa. Solo il 5% viene emesso sotto forma di neutrini, generati dal decadimento beta del nichel-56 in cobalto-56.
Un aspetto molto interessante di queste supernovae è che esse possono essere utilizzate in astronomia come “candele standard”. Poiché le condizioni iniziali da cui si originano sono sempre simili, tutte le supernovae di tipo Ia hanno la stessa luminosità assoluta, pari a 5 miliardi di volte la luminosità del Sole. Quando osserviamo con i telescopi le supernovae in cielo ovviamente la loro luminosità è apparente, poiché dipende dalla distanza a cui si trovano. Conoscere la luminosità assoluta ci permette di stimare la loro distanza. È proprio studiando le supernovae di tipo Ia che nel 1998 abbiamo scoperto che quelle più lontane hanno una velocità di regressione non proporzionale alla loro distanza, portando a ipotizzare l’espansione accelerata dell’universo e l’esistenza dell’energia oscura.
L’altra famiglia di supernovae sono quelle prodotte dal collasso stellare. Queste si originano a partire da una stella di almeno 9 volte la massa solare. Stelle così grandi riescono a sintetizzare nei loro strati interni tutti gli elementi pesanti fino al ferro. Il nucleo di ferro-56 è il punto di arrivo di tutti i processi di nucleosintesi, poiché ha la minima massa per nucleone. Ciò significa che sintetizzare nuclei più pesanti del ferro non libera alcuna energia. Quindi una stella che arriva a produrre ferro nel suo nucleo non può più sostenere il suo peso con l’energia della fusione nucleare e i suoi strati più esterni collassano sotto la forza di gravità. Se il nucleo di ferro ha una massa minore del limite critico di 1,44 masse solari, la materia rimbalza e all’implosione segue una violenta esplosione della stella: abbiamo una supernova. Se invece il nucleo di ferro è molto massiccio, la forza di gravità impedisce l’esplosione, e tutta la materia stellare cade verso il centro: abbiamo una stella di neutroni o un buco nero.
L’energia rilasciata da una supernova derivante dal collasso del nucleo è circa 100 volte superiore a quella di una supernova di tipo Ia, ma la sua luminosità è generalmente inferiore, poiché quasi il 100% dell’energia viene prodotto sotto forma di neutrini.
Conosciamo due processi principali che generano neutrini durante il collasso del nucleo. Nelle prime fasi la densità della stella aumenta sotto il suo peso e gli elettroni vengono catturati dai protoni, creando neutroni e neutrini elettronici, secondo la reazione:
La densità del nucleo in questa fase è così alta che i neutrini rimangono intrappolati all’interno della stella a causa delle loro continue collisioni con la materia. Quando tutto il nucleo si è trasformato in neutroni le reazioni nucleari rallentano bruscamente causando l’onda d’urto di rimbalzo che crea la supernova e tutti i neutrini vengono espulsi in pochi decimi di millisecondo. È il cosiddetto “neutrino burst” osservato dai rivelatori di neutrini sulla Terra in seguito a esplosioni di supernovae.
Durante la fase di esplosione la temperatura del plasma stellare aumenta fino a 100 miliardi di gradi Kelvin. Tale temperatura corrisponde a un’energia termica così alta da rendere possibile la creazione di coppie elettrone-positrone, dalla cui annichilazione vengono generare coppie di neutrini:
A differenza dei neutrini prodotti dalla cattura elettronica, qui abbiamo sia neutrini che antineutrini, di tutti e 3 i sapori: elettronici, muonici e tauonici.
I neutrini sono sicuramente le particelle più sfuggenti che conosciamo, essendo sensibili alla sola interazione debole. Per fermare un singolo neutrino occorrerebbe uno strato di piombo dello spessore di qualche anno-luce. Ciononostante, nel 1956 siamo riusciti a rivelarli sperimentalmente e da allora abbiamo realizzato molti apparati che hanno studiato in dettaglio queste particelle e le loro reazioni, compresi i neutrini provenienti dalle supernovae.
La maggior parte dei rivelatori di neutrini sfrutta il processo del decadimento beta inverso, in cui un neutrino (o un antineutrino) viene catturato da un protone e produce un neutrone e un cosiddetto leptone carico: elettrone, muone o tau. Il neutrone rimane legato all’interno del nucleo al quale apparteneva il protone, mentre il leptone carico viene espulso dal nucleo con un’energia cinetica pari a quella del neutrino, lasciando un segnale all’interno del rivelatore che permette di risalire alla presenza del neutrino. C’è una correlazione strettissima tra la carica elettrica del leptone carico, il suo sapore e il tipo di neutrino all’origine della reazione:
Misurando la carica e il tipo di leptone sappiamo se abbiamo rivelato un neutrino o un antineutrino, e se era di tipo elettronico, muonico o tauonico.
Oggi esistono decine di rivelatori di neutrini, con i quali abbiamo studiato neutrini provenienti dal Sole, dal nucleo terrestre, dalla Via Lattea e anche da altre galassie. Abbiamo studiato neutrini emessi dalle supernovae e siamo pronti in futuro a rivelarne sempre di più, con apparati ancora più sofisticati.
Essendo generati all’interno delle stelle, i neutrini sono messaggeri importanti di informazioni riguardanti processi che ancora non conosciamo come vorremmo. Queste informazioni sono diverse e complementari a quelle fornite dalla radiazione elettromagnetica, dai raggi cosmici e dalle onde gravitazionali. L'osservazione coordinata di tutti questi segnali, chiamata “astronomia multi-messaggero", aumenterà la nostra comprensione della fisica alla base di molti eventi cosmologici ancora ignoti e sperabilmente del cosmo stesso.
Percorso "A caccia di neutrini"
SxT 321 Se una stella è esplosa perché ne vediamo ancora la luce?
Infografica La vita di una stella
Danilo Domenici, fisico
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