molecole, che passione! onde gravitazionali, buchi neri, materia oscura

16 Ott


Archivio | ottobre 2020

 


É  da lungo tempo che sono affascinato da alcuni argomenti della moderna fisica che, pur non essendo il campo di un chimico, quale io sono, mi fanno intravedere un passo avanti nella conoscenza dell’Universo.
Perché tre argomenti in un solo articolo? Perché, come vedremo, sono tra di loro collegati.

Le onde gravitazionali sono state scoperte da LIGO (Laser nterferometer Gravitational-Wave Observatory), (l’interferometro sito in Livingston, Louisiana, con le sue braccia lunghe 4 Km). È successo nel 2015 registrando le increspature dello spazio-tempo  nel corso della fusione tra due buchi neri.
Ho rappresentato il campo gravitazionale  con l’immagine LO SPAZIO TEMPO CURVO, etc. di figura 1 ( a suo tempo ricavata da LO SPAZIO TEMPO CURVO (corso divulgativo di relatività).    In detta immagine ho messo in evidenza  anche la relazione tra velocità e tempo, pure chiaramente visibile ell’esempio dell’astronave di Teoria della relatività spiegata in modo semplice – Andrea Minini.
Vedere anche LE ONDE GRAVIAZITAONALI.

Secondo la teoria di cui fu protagonista Einstein con la Relatività generale il movimento di un corpo massivo come è un buco nero provoca l’emissione di onde gravitazionali che si propagano in contrazione ritmica lungo la curvatura spazio temporale. The long road to proving Enstein’s biggest prediction _ Science _ AAAS.pdf.                                   Spaziotempo, relatività e forze fondamentali_ cosa sono le onde gravitazionali _ Motherboard.pdf              Watch Live @ 4pm ET: LIGO and the Dawn of Gravitational Wave NASA moves to rejoin sped-up gravitational wave mission _ Science _ AAAS.pdf.
LIGO ha lavorato in collaborazione con VIRGO italiano (l’interferometro, che come LIGO si rifà a quello costruito da Albert Abraham Michelson nel 1880). VIRGO è situato vicino alla città di Pisa ed ha preso il nome dalla costellazione della Vergine, vicina, per le distanze cosmiche, alla Via Lattea.
Vedere in figura 1 L’INTERFEROMETRO VIRGO e SCHEMA DELL’INTERFEROMETRO DI MICHELSON nella stessa figura 1.
Osservare anche VIRGO con i due specchi che fanno da masse test .
Interessante è anche la tesi  
di Ettore Pancini (Università di Napoli).
L’interferometro sfrutta il fenomeno della interferenza di due fasci laser sovrapposti che hanno percorso cammini ottici di lunghezza diversa, usando uno specchio fisso S1 ed uno specchio mobile S2.
Il funzionamento dell’interferferometro è basato sulla estensione della lunghezza ottica tra i due bracci provocato dall’onda gravitazionale, cioè da una piccola variazione dello spazio-tempo. In asseza dell’onda gravitazionale i massimi di ampiezza di un raggio laser e i minimi dell’altro si combinano e non si osserva luce, in preseza dell’onda massimi e minimi non corrispondono più e compare una luce.                    D
i LIGO avevamo dato notizia nell’articolo di questo blog dal titolo 13 maggio 2010 – storia di un chimico – nona puntata (un’occhiata alla grande Fisica) (alla NOTA 2) e cenni delle scoperte e funzionamento dei due interferometri avevamo fornito in il bosone di Higgs.
Perché solo ora è stato possibile individuare queste onde? Perché le deformazioni delle distanze dello spazio-tempo sono così deboli che l’apparato dev’essere estremamente sensibile, ed insensibile ai disturbi provocati da altri segnali, ad es. gli elettromagnetici notoriamente più intensi. La scoperta delle onde gravitazionali – Francesco Bussola.htm.
Inoltre (anno 2017), sempre da LIGO e da VIRGO, le onde sono state nuovamente rivelate, per effetto della fusione di due stelle a neutroni, due secondi dopo che getti di raggi gamma furono captati dal telescopio orbitante FERMI della NASA. Vedere LA COLLISIONE TRA DUE STELLE A NEUTRONI in figura 1. La fusione di due degli oggetti più densi del cosmo del 17 agosto 2017 è visibile con gli occhi di un artista in figura 2 nella spettacolare immagine FUSIONE DI DUE STELLE A NEUTRONI facente seguito alla collisione. Gli scienziati in questo caso poterono stabilire anche che le due stelle prima di diventare un buco nero avevano una massa complessiva massima 2,2 volte quella solare.  Gravitational waves help reveal the weight limit for neutron stars, the densest objects in the cosmos _ Science _ AAAS.htm.
Il premio Nobel per la fisica 2017 è anadato ai 3 fisici che per primi hanno fatto la scoperta delle onde gravitazionali. Sono Rainer Weiss, Kip Thorne e Barry Barish.
Nel 2019, sempre tramite LIGO E VIRGO, si è avuto un altro evento di ricezione che però ha in qualche modo sconcertato gli astronomi: si è parlato di enigma cosmico. È stata rilevata un’enorme onda gravitazionale causata dalla fusione di due buchi neri formanti un imprevisto buco nero avente 142 volte la massa del Sole. La sorpresa è venuta fuori dal fatto che finora si riteneva che un buco nero così massiccio, superiore a 65 masse solari, subisse un’esplosione termonucleare lasciando indietro solo energia. Generalmente tale buco nero si origina da una stella che ha esaurito il suo combustibile nucleare collassando ed innescando una colossale supernova. Onde gravitazionali rivelano la più grande fusione tra buchi neri mai vista – Photogallery – Rai News.htm    Most massive black hole merger yet puzzles astronomers _ Science _ AAAS.htm.
Nell’aprile 2019 i media hanno mostrato la foto di un buco nero, un mostro a 56 milioni di anni-luce dalla Terra, avente una massa 6,6 miliardi di volte quella del Sole, che trovasi nella galassia M87 dell’ammasso della Vergine. È la prima foto di un buco nero. È stata ottenuta dalla rete di otto telescopi. L’alone brillante è prodotto dai gas sovrariscaldati che precipitano nel buco nero. Vedere LA FOTO DEL BUCO NERO, etc. in falsi colori in figura 2.  La prima foto di un buco nero – Focus.it     M87 (buco nero) – Wikipedia. È stato così possibile vedere il cosiddetto orizzonte degli eventi.
Tramite la rete di radiotelescopi finanziata dall’ERC (Consiglio europeo delle ricerche) sarà possibile vedere nei prossimi anni anche per la prima volta il buco nero al centro della nostra galassia. Vedere per la prima volta il buco nero al centro della nostra galassia – Corriere.pdf. (NOTA 1)
La radiazione di Hawking, una radiazione originatasi al di fuori di un buco nero di piccole dimensioni, alla giusta distanza da esso, ma che non entra integralmente in detto buco, proviene da una coppia particella-antiparticella, ma è originata da uno solo dei due costituenti (elettrone/positrone), per es. da soli positroni. La presenza abbondante di tale radiazione giustificherebbe la teoria che l’’immensa quantità di materia mancante nell’Universo sia quella dei piccoli buchi neri. Ma anche se provenisse tutta dai minuscoli buchi neri tale radiazione non sarebbe sufficiente perché giustificherebbe solo l’1% della presunta materia oscura della Via Lattea. Aging Voyager 1 spacecraft undermines idea that dark matter is tiny black holes _ Science _ AAAS-him.     BUCHI NERI non EVAPORANO.htm                             Neri ma non troppo – SCIENZA & DINTORNI.
— Ma perché andiamo alla ricerca della materia oscura? Perché, ritenuta un quarto del cosmo, sembra esistere per un motivo molto semplice. Come si ricava dalla legge di Newton valida per tutto ciò che esiste nell’Universo, l’ammontare della forza gravitazionale che agisce su un oggetto è proporzionale alla massa dell’oggetto stesso. Ma, come fecero osservare alcuni scienziati tra cui il famoso Fritz Zwicky, la massa del migliaio di galassie emettenti luce che costituiscono il Coma Clluster non genera una forza tale da spiegare la velocità di rotazione di tale ammasso stellare che nel suo insieme dev’essere assimilato ad una galassia spiraliforme come la Via Lattea. Vedere in figura 2 di le immagini IL COMA CLUSTER e LA NOSTRA GALASSIA È UNA SPIRALE; etc.  ll problema risulta molto evidente alla periferia, perché la periferia dovrebbe ruotare molto più lentamente che la zona centrale. Invece ciò non si verifica (la velocità orbitale misurata delle stelle è quasi indipendente dal raggio), ed allora bisogna pensare ad una massa nascosta ed oscura non rilevabile perché non emette onde radio o radiazione elettromagnetica agente all’esterno delle stelle visibili. Vedere LE STELLE PERIFERICHE DELL’AMMASSO DI GALASSIE RUOTANO A VELOCITÀ PARAGONABILI A QUELLE VICINE AL CENTRO, etc. in figura 2.     Materia Oscura – LINGS.pdf.
Una teoria semplice per la materia oscura che ha i suoi sostenitori è quella dei buchi neri massicci primordiali formanti una vasta sfera attorno alle galassie. L’ipotesi è stata avanzata da Alexander Kashlinsky, un astronomo del NASA Goddard Space Flight Center in Maryland), dopo che LIGO ha scoperto le onde gravitazionali provocate da buchi neri aventi masse fino a 29 volte quella del Sole che sembrano frequenti.           Is dark matter made of black holes _ Science _ AAAS.htm. WATCH NOW ‘LIGO, A Passion for Understanding’ Documentary Premiere.htm Dark Matter May Be Made of Primordial Black Holes.htm.      Astronomers spy galaxies caught in the web of a voracious black hole _ Science _ AAAS.htm.
Tra i candidati della materia oscura, i cosiddetti WIMP (Weakly Interacting Massive Particle), vi è il neutralino, un ipotetico oggetto complesso formato da un fotino [particella supersimmetrica del fotone], uno zino [particella supersimmetrica del bosone Z] e da due higgsini [higgsino: particella supersimmetrica del bosone di Higgs]; per qust’ultimo vedere l’omonimo mio articolo].
Il neutralino fu previsto dai fisici teorici essere un fermione elettricamente neutro, massivo, con spin = 1/2. Il tipo leggero dei quattro possibili neutralini (lo LSP χ 0 1) sarebbe stabile. Si sarebbe accumulato nell’Universo durante il Big-bang.
Collisioni tra neutralini dovrebbero produrre un gran numero di positroni. Le proprietà del neutralino potrebbero essere scoperte con un collisore da mille miliardi di elettronvolt, l’ILC (International Linear Collider), forse disponibile tra 15 anni. E allora la fabbrichiamo.pdf.

– – La scienza non si ferma. Se non siete ancora annoiati, leggete il recentissimo articolo Milky Way’s shredded companion provides clues about dark matter _ Science _ AAAS.htm ed osservate la sua foto artistica, ricavata da una mappatura della Galassia Nana Ellittica del Sagittario. Ho posto allo scopo in figura 2 LA COMPANION DELLA VIA LATTEA. Il testo riassuntivo sotto l’immagine è: “L’illustrazione di un artista mostra flussi di stelle estratte da una galassia compagna che circonda la Via Lattea. Flussi simili a quelli provenienti dalla galassia nana del Sagittario possono aiutare a rivelare la forma della materia oscura nelle nostre vicinanze cosmiche. NASA / JPL-CALTECH / R. HURT (SSC / CALTECH “. Si tratta però pur sempre di illazioni sulla presenza di materia oscura. Physics Nobel honors discoveries about black holes _ Science _ AAAS.htm.
In conclusione, almeno oggi, trovare la materia oscura per poi vedere di cosa è costituita è come cercare a tentoni un oggetto in una camera buia “sperando di non imbattersi nel famigerato vaso cinese”: Astrocultura UAI – Unione Astrofili Italiani- Sezione Cosmologia La natura dello spazio e del tempo A 100 anni dalla teoria della Relatività Speciale Corrado Ruscica.htm (Davide Valentinis – 7 gen 2007).
Abbiamo fede nella Scienza, sebbene qualcuno dice che questa frase è un ossimòro.

NOTA 1 -maggio 2022 – Il mostro  Sagittarius A* al centro della nostra Galassia con massa quattro milioni di volte quella del Sole  a circa 26.000 anni luce dalla Terra è stato di recente fotografato  da un team internazionale chiamato collaborazione Event Horizon Telescope (EHT)Black hole_ First picture of Milky Way monster – BBC News.htm.

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