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venerdì 18 settembre 2009

DARK FLOW

(Credit: WMAP Science Team / NASA)

Approssimativamente ad una distanza di circa 45 miliardi di anni luce risiede l’orizzonte cosmico, l’ultima barriera oltre la quale la luce non può più raggiungerci (la fine dell’universo visibile).


Sasha Kashlinsky, del Goddard Space Flight Center della NASA, che si trova a Greenbelt, nel Maryland, sta studiando il movimento di ammassi di galassie “ribelli” che a grandi velocità (circa 1.000 km/s) si stanno spostando verso i confini dell’universo visibile (verso una regione del cielo che si trova in mezzo tra le costellazioni del Centauro e della Vela), in contrasto con il movimento di espansione dell’universo. Al movimento di queste galassie è stato dato il nome di “dark flow” (flusso oscuro).

Un altro mistero, che si aggiunge a quelli della materia oscura (una materia invisibile che tiene insieme le galassie e che costituirebbe circa il 30% dell'energia dell'Universo e circa il 90% della massa) e dell’energia oscura (l'ipotetica forma di energia che si trova in tutto lo spazio ed ha una pressione negativa che causa l’accelerazione dell’espansione dell’universo).

Kashlinsky sta misurando la velocità a cui si muovono circa 800 ammassi galattici distanti 5 miliardi di anni luce analizzando le immagini di vari telescopi a raggi x e le immagini catturate dalla sonda NASA Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP), cercando segni del loro movimento nella Radiazione Cosmica di Fondo (Cosmic Microwave Background - CMB). I fotoni nella CMB generalmente fluiscono ininterrottamente per miliardi di anni luce nello spazio interstellare, ma quando passano attraverso un ammasso galattico incontrano gas caldo ionizzato negli spazi tra le galassie e mostrano una sottile distorsione della temperatura rilevabile con i raggi x.

Da cosa è provocato questo flusso oscuro? Non può essere la materia oscura la causa, dice Kashlinsky, perché non produce una forza di gravità sufficiente. Non può essere neanche l’energia oscura, perché si sviluppa in modo uniforme in tutto lo spazio. Secondo Kashlinsky c’è una sola possibile spiegazione: qualcosa di celato oltre l’orizzonte cosmico la cui forza di gravità attrae le galassie.

Nessuno può dire con esattezza cosa potrebbe nascondersi al di là dell’orizzonte e neanche quanto il cosmo è realmente grande. Ma Kashlinsky sospetta che possa esserci ciò che rimane dello stato caotico venutosi a creare una frazione di secondo dopo l’inizio del tempo (il Big Bang), prima dell’inizio del fenomeno noto come inflazione.

Secondo la teoria dell’universo inflazionario, da 10-37 a 10-34 secondi dopo il Big Bang ci sarebbe stata una espansione esponenziale ad una velocità crescente, fino a superare la barriera della luce, che ha proiettato nell'universo un insieme di fluttuazioni quantistiche di densità tra una regione dello spazio e l'altra che hanno definito il futuro schema delle galassie. Tali fluttuazioni sono state riscontrate nella Radiazione Cosmica di Fondo: all’inizio piccolissime, sono poi divenute distribuzioni di materia su larga scala.

Il periodo di inflazione ha stirato e allisciato l’universo osservabile, lasciando una distribuzione regolare, omogenea, di materia ed energia. Al di fuori di questa “bolla”, oltre l’orizzonte cosmico, le cose potrebbero apparire molto differenti. Lo spazio-tempo dell’universo non inflazionato potrebbe essere altamente irregolare, con strutture enormi e giganteschi buchi neri.

Secondo Kashlinsky, in questa parte sconosciuta dell’universo qualcosa sta attirando gli ammassi galattici causando il flusso oscuro.

C’è chi ha proposto spiegazioni più radicali: secondo il cosiddetto scenario dell’ “eterna inflazione”, il nostro universo potrebbe essere non il solo ad aver subito l’inflazione; potrebbero esserci state tante inflazioni e ad ognuna corrisponderebbe un distinto universo, quindi vivremmo in un multiverso.

Secondo Laura Mersini-Houghton, fisica teorica che insegna alla University of North Carolina di Chapel Hill, il flusso oscuro è causato da un altro universo che esercita una attrazione gravitazionale sugli ammassi galattici del nostro universo. Lei e il suo team hanno calcolato come altri universi, sparsi casualmente attorno al nostro, altererebbero la gravità.

Altri ritengono che il nostro universo-bolla inflazionato abbia generato altre bolle e che il flusso oscuro potrebbe essere generato dalla collisione di due universi.

Luciano Pietronero, dell’Università La Sapienza di Roma, e Francesco Sylos Labini, del Centro Enrico Fermi di Roma, sostengono che il modello cosmologico standard è sbagliato e che un diverso modello potrebbe spiegare il flusso oscuro. Secondo loro la distribuzione della materia su larga scala non è omogenea bensì di tipo frattale e il flusso oscuro è causato dall’irregolarità dei campi gravitazionali. Sono sicuri che l’analisi dei nuovi risultati forniti da Sloan Digital Sky Survey, che ha già mappato circa un milione di galassie, confermerà la loro teoria.

L’ipotesi di un universo frattale è tuttavia molto ardita, soprattutto perché una distribuzione frattale della materia è incompatibile con la teoria dell’inflazione.

Il fisico Douglas Scott della University of British Columbia di Vancouver, in Canada, non crede che il flusso oscuro sia causato da qualcosa al di fuori del nostro universo osservabile. Potrebbe trattarsi di qualche struttura molto grande all’interno dell’orizzonte, che però sfiderebbe il modello cosmologico standard.

Dark flow: Proof of another universe?” 23 gennaio 2009

'Tilting' the Universe with the Landscape Multiverse: The 'Dark' Flow 30 ottobre 2008

Nello spazio scoperto il Dark Flow, una forza misteriosa che risucchia le galassie 01 dicembre 2008

Orizzonte cosmico - Wikipedia

Universo osservabile - Wikipedia

Inflazione (cosmologia) - Wikipedia

Flusso oscuro - Wikipedia

Materia oscura - Wikipedia

Energia oscura - Wikipedia

Cosmic microwave background radiation - Wikipedia

WMAP - Wikipedia

Sloan Digital Sky Survey - Wikipedia

Alcuni cosmologi, finanziati dall'UE e collocati nel Regno Unito, hanno prodotto immagini dettagliate dell' "alba cosmica", la formazione delle prime grandi galassie nell'universo (la ricerca è stata pubblicata sul Monthly Notices of the Royal Astronomical Society).

Il lavoro del team presso l'Institute for Computational Cosmology (ICC) dell'università di Durham, nel Regno Unito, è stato in parte sostenuto da “Alfa II” dell'UE, un programma di cooperazione tra istituti di istruzione superiore dell'Unione europea e dell'America latina.

L’ “Alba Cosmica” sarebbe iniziata dunque, 590 milioni di anni dopo il Big Bang, quando le galassie hanno cominciato a formarsi dai detriti delle prime stelle supermassicce formatesi dai gas che costituivano le protogalassie e poi esplose.
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I calcoli hanno predetto dove sarebbero apparse le prime galassie e anche la loro evoluzione fino ai giorni nostri, 13 miliardi di anni dopo. I ricercatori sperano che i risultati contribuiscano a fare luce sulla materia oscura che si ritiene costituisca l’80% della massa dell’Universo.

La gravità prodotto dalla materia oscura è ritenuto un ingrediente essenziale nella formazione delle galassie. Studiarne gli effetti può aiutare a capire di cosa è fatta la sostanza della materia oscura. Lo studio ha combinato una simulazione relativa alla crescita delle strutture nella materia oscura con un modello relativo al comportamento della materia ordinaria, come i gas, per stabilire come sono cresciute le galassie.

I gas, sotto l’effetto gravitazionale della materia oscura, si riscaldano prima di raffreddarsi rilasciando radiazioni e trasformarsi in stelle. Le immagini prodotte dalla simulazione mostrano che le galassie producono stelle in modo molto più vigoroso in certi momenti. Rispetto all’universo primigenio, il tasso con cui vengono formate nuove stelle è notevolmente aumentato.

"La presenza della materia oscura – dice Alvaro Orsi, ricercatore all’ICC che ha condotto lo studio – è la chiave della formazione delle galassie, senza materia oscura non saremmo qui oggi".

"La cosmologia computazionale gioca una parte importante nella nostra comprensione dell’Universo”, dice il Prof. Keith Mason, Chief Executive dello Science and Technology Facilities Council, “queste simulazioni non ci consentono solo di viaggiare indietro nel tempo fino all’Universo primigenio, complimentano il lavoro e le osservazioni dei nostri astronomi”.

L'alba cosmica mostra l'inizio dell'universo 11 febbraio 2009

“Cosmologists 'see' the cosmic dawn”, physorg, 11 febbraio 2009

L'Universo si espande ogni minuto 27 gennaio 2009

A sinistra l’ammasso galattico Abell 85 situato a circa 740 milioni di anni luce dalla Terra. A destra istantanee di una simulazione che rappresentano la crescita della struttura cosmica dell’Universo. Credits: X-ray (NASA/CXC/SAO/A.Vikhlinin et al.); Optical (SDSS); Illustration (MPE/V.Springel).

Un’ulteriore prova dell’esistenza dell’energia oscura è stata raccolta dal satellite a raggi-x Chandra della Nasa indagando un ammasso di galassie (“Abel 85”) distante 740 milioni di anni luce dalla Terra. La scoperta è frutto di un’indagine condotta dagli scienziati dell’Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics di Boston che ha scandagliato 86 ammassi galattici proprio allo scopo di cercare tracce dell’energia oscura.

La ricerca internazionale supervisionata da Alexey Vikhlinin dell’Institute of Space Research russo conferma che l’espansione dell’Universo è in accelerazione mostrando come si sviluppa nel tempo. La prova dell’azione dell’energia oscura sta nella constatazione che l’ammasso galattico Abell 85 negli ultimi sette miliardi di anni non è evoluto ma è rimasto sempre uguale, come se qualcosa gli avesse impedito di crescere. Il fenomeno che può essere spiegato solo assumendo l’effetto dell’energia oscura: se è vero che questa sta accelerando l’espansione dell’Universo è anche vero che sta allontanando gli astri gli uni dagli altri; gli ammassi vengono così obbligati a interrompere la loro evoluzione, dal momento che non sono più in grado di poter «mangiare» altri oggetti vicini.

I ricercatori hanno studiato 86 tra i più massicci ammassi galattici, localizzati a milioni o miliardi di anni luce dalla nostra galassia, mediante il telescopio ROSAT (raggi-x) - progetto in cui collaborano Germania, USA e Inghilterra - diversi telescopi ottici (Keck, Magellan, NTT), il telescopio RTT-150 (Russia e Turchia), anche se il principale strumento è stato l'osservatorio a raggi-x Chandra.

La grande quantità di dati ha permesso agli astrofisici di creare un modello dello sviluppo dell'Universo durante gli ultimi 5.5 miliardi di anni, approssimativamente l'età del Sole. Durante questo periodo di tempo, la crescita delle strutture di larga scala è diminuita.

I risultati della ricerca potrebbero avere importanti ripercussioni cosmologiche: insieme ad altri risultati precedenti, potrebbero dare ragione ad Albert Einstein. Per far quadrare le sue teorie della relatività con quelle sulla gravità si vide costretto a introdurre la cosiddetta «costante cosmologica», un espediente matematico che, alla luce di quanto osservato dal team di Vikhlinin, aveva già introdotto l’energia oscura.

Dark Energy Found Stifling Growth in Universe 16 dicembre 2008

Fotografata l’azione dell’energia oscura 17 dicembre 2008

Primo "clic" sull'energia oscura 25 febbraio 2009

Su Nature, ricercatori dell'Università della Louisiana, in collaborazione con l'osservatorio cinese Purple Mountain e l'Istituto tedesco Max Planck, hanno annunciato di aver registrato un eccesso di elettroni a energie molto alte: secondo loro è la “firma” della materia oscura, individuata in un'area dello spazio sopra i cieli dell'Antartide.

La materia oscura è invisibile ma è misurabile in base agli effetti gravitazionali sulla materia ordinaria. ATIC (Advanced Thin Ionization Calorimeter), un pallone aerostatico posizionato sull'Antartide, ha rilevato elettroni ben 70 volte più energetici di quelli che di solito vengono espulsi nelle esplosioni di supernove, ossia di stelle di grande massa giunte al termine della propria esistenza. Siccome non è ancora stato individuato nessun oggetto vicino a noi capace di generare questi elettroni, si pensa che siano dovuti allo scontro tra particelle di materia oscura, che così si annichilerebbero.

Qualche mese fa, un altro gruppo di ricercatori aveva trovato tracce di materia oscura nei rilevamenti di antimateria di PAMELA (Payload for Antimatter Matter Exploration and Light-nuclei Astrophysics), una collaborazione tra Italia, Russia, Germania e Svezia. Diversi studiosi pensano che ATI e PAMELA presentino due facce della stessa medaglia.

La particella di Kaluza Klein, la cui esistenza è prevista dalla teoria delle stringhe, secondo le quali esistono più di quattro dimensioni nell'universo, potrebbe essere una strana componente della materia oscura e interagire molto debolmente con la materia ordinaria.

Aldo Morselli, della sede di Roma dell'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, è più propenso all'ipotesi che il colpevole sia una pulsar, cioè una stella di neutroni in rapidissima rotazione, e che comunque è necessario aspettare ancora per avere altri dati dal telescopio spaziale Fermi.

Mysterious electrons may be sign of dark matter 19 novembre 2008

La «firma» della materia oscura Corriere della Sera 01 aprile 2009


Un’equipe di astronomi della NASA ha intercettato uno strano rumore cosmico il cui suono è sei volte più forte di quanto ci si aspettasse.

Il rumore, rilevato il segnale con uno strumento a bordo della mongolfiera ARCADE (Absolute Radiometer for Cosmology, Astrophysics, and Diffuse Emission). proviene dalle zone remote del cosmo, nessuno sa cosa sia a causarlo.

Nell’universo deve muoversi qualcosa di nuovo e interessante”, ha dichiarato Alan Kogut del NASA's Goddard Space Flight Center di Greenbelt, Maryland.

Le onde sonore non possono viaggiare nel vuoto (di cui è composta la maggior parte dello spazio), o almeno non possono farlo in modo efficiente, ma le onde radio sì. Esse non sono onde sonore bensì elettromagnetiche, situate nella zona a bassa frequenza dello spettro luminoso.

Nell’universo molti oggetti, comprese le stelle e i quasar, emettono onde radio. Anche la nostra galassia, la Via Lattea, emette un sibilo statico (rilevato per la prima volta nel 1931 dal fisico Karl Jansky). Anche altre galassie inviano un sibilo di sottofondo. Ma il rumore rilevato dal team di Kogut è molto più forte di quanto ci si poteva aspettare.

A luglio 2006, l’ARCADE è stato lanciato dalla Columbia Scientific Balloon Facility della NASA a Palestine, in Texas, e ha raggiunto una quota di circa 120.000 piedi (36.500 metri), dove l’atmosfera si dirada verso il vuoto dello spazio. La missione dell’ARCADE era di esplorare il cielo alla ricerca dei deboli segni che attestassero la presenza di calore proveniente dalla prima generazione di stelle, e invece ha rilevato questo rumore misterioso proveniente dalle zone distanti dell’universo.

Analisi dettagliate hanno fatto escludere che esso possa derivare dalle stelle primordiali o da qualsiasi fonte radio conosciuta, compresi i gas presenti nell’alone più lontano della nostra galassia. Si esclude anche che possa provenire da altre radio-galassie.

Il rumore ha anche oscurato il segnale proveniente dalle prime stelle che si stava cercando. D’altro canto, questa stessa interferenza cosmica potrebbe fornire indicazioni importanti sullo sviluppo delle galassie nel periodo in cui l’universo era molto più giovane di adesso, ovvero quando aveva meno della metà della sua età attuale. Poiché le onde radio provengono da molto lontano, viaggiando alla velocità della luce, rappresentano infatti un’epoca precedente dell’universo.

Radiogalassia - Wikipedia

(Credit: Max Planck Institute for Gravitational Physics/Leibniz Universität Hannover)

Ricercatori della Cardiff University, parte di un team britannico-tedesco che studia il fenomeno astrofisico delle onde gravitazionali al Fermilab Center, nell’Illinois, con “GEO600”, uno dei rilevatori più sentitivi tra quelli attualmente esistenti, si sono imbattuti in un rumore non identificato. Secondo il fisico Craig Hogan è la prova che il nostro Universo è in realtà un ologramma.

Secondo Hogan, il rumore rilevato da GEO600 è riconducibile alle fluttuazioni quantistiche dello spazio-tempo. Tali fluttuazioni, dice Hogan, si devono al “principio olografico”. Hogan aveva previsto già nel 2008 che GEO600 avrebbe rilevato un “rumore olografico”. È anche vero però che spesso i rilevatori di onde gravitazionali rilevano anche dei rumori in eccesso.

Situato ad Hannover, in Germania, GEO600 è una specie di precissimo “righello” che si estende per oltre 600 metri e cerca di identificare le onde gravitazionali che attraversano la Terra e lo Spazio, alterandone la forma. Ogni oggetto che ha una massa, infatti, causa una piega nel “tessuto” dell’Universo. Quando due oggetti super-massicci, come possono essere due buchi neri o due stelle di neutroni, gravitano rapidamente l’uno intorno all’altro in un sistema binario, il loro effetto gravitazionale sullo spazio-tempo può dar vita a un’onda gravitazionale che attraversa l’Universo spandendosi come i cerchi concentrici che si formano quando si lancia un sasso in uno stagno. GEO600 cerca di rilevare queste fluttuazioni attraverso un sistema di specchi.

Per molti mesi gli esperimenti di GEO600 sono stati però afflitti da un inspiegabile rumore ed è qui che entra in gioco il “principio olografico”. Nel corso degli anni Novanta, i fisici Leonard Susskind e Gerard 't Hooft suggerirono che il mondo tridimensionale di cui abbiamo quotidianamente esperienza potrebbe essere una proiezione olografica di processi fisici che hanno luogo su una lontana superficie bidimensionale.

L’idea in realtà si deve al lavoro di Jacob Bekenstein dell’Università di Gerusalemme e di Stephen Hawking della University of Cambridge. Secondo Hawking, I buchi neri emettono una radiazione (chiamata radiazine Hawking): dopo che sono evaporati, tutte le informazioni sulla stella collassata che ha dato origine al buco nero scompaiono, i ché contraddice il principio secondo cui l’informazione non può essere distrutta (questo è conosciuto come il paradosso dell’informazione del buco nero).

Si suppone che microscopiche fluttuazioni quantistiche all’orizzonte degli eventi possano codificare l’informazione contenuta nel buco nero, così non si avrebbe alcuna perdita al momento dell’evaporazione: l’informazione tridimensionale sulla stella che c’era prima verrebbe completamente codificata nell’orizzonte bidimensionale del buco nero.

Secondo molti moderni astrofisici, la composizione dello spazio-tempo non è continua ma, a dimensioni microscopiche, nella scala di Planck, è composta di microgranuli (un po’ come i pixel che formano l’immagine digitale) la cui grandezza è pari alla lunghezza di Planck (10—35 m), cento miliardi di miliardi di volte più piccoli di un protone, impossibili da rilevare con gli strumenti attuali.

Pensare lo spazio-tempo come un ologramma significa pensare l’Universo come una sfera bidimensionale ricoperta da queste minuscole unità Planck ognuna contenente un bit di informazione (secondo il principio olografico il numero di unità Planck deve corrispondere al numero dei bits dell’Universo). Secondo la teoria di Hogan, tutto ciò che esiste non è altro che la proiezione tridimensionale dei microgranuli che esistono sulla superficie bidimensionale della sfera. Ma il volume della sfera è molto maggiore della sua superficie esterna. Secondo Hogan, il mondo interno deve essere dunque fatto di unità che superano la lunghezza di Planck e la cui proiezione olografica potrebbe arrivare a circa 10—16 m, potenzialmente rilevabili dagli esperimenti in corso. Se Hogan ha ragione, il rumore rilevato da GEO600 indicherebbe la sfasatura tra i microgranuli originali e la loro proiezione olografica.

Hogan è convinto che GEO600 si sia imbattuto nel limite fondamentale dello spazio-tempo, il punto in cui esso cessa di manifestarsi come il continuum descritto da Einstein e si dissolve in granuli: “È come se GEO600 stesse rilevando le microscopiche convulsioni quantistiche dello spazio-tempo”.

GEO 600 - Wikipedia

Una ricerca italiana, pubblicata su Montly Notices, utilizzando i dati del satellite INTEGRAL, dell’Agenzia Spaziale Europea (ESA), ha scoperto che i buchi neri supermassicci, quelli oscurati da nubi di polvere cosmica, sono più frequenti di quanto non si pensasse, circa 1 su 4.

Gli astronomi le chiamano le galassie attive (Active Galactic Nuclei - AGN): si tratta di galassie in cui una frazione significativa dell'energia viene emessa da oggetti diversi dai normali componenti di una galassia: (stelle, polveri e gas interstellare) e, a seconda del tipo di galassia attiva, può essere emessa lungo quasi tutto lo spettro elettromagnetico, come infrarossi, onde radio, UV, raggi X o raggi gamma.

Tutte le galassie attive sembrano essere alimentate da una regione compatta posta al loro centro. Alcune di queste regioni emettono getti di materia che possono essere molto lunghi, trasportando energia verso strutture estese (come nelle radiogalassie). Ma in tutti i casi è il nucleo, il cosiddetto motore centrale, ad essere la fonte di energia. Secondo il modello standard, l'energia è generata da materia che cade in un buco nero supermassiccio (che ha una massa compresa tra 1 milione e 1 miliardo di volte quella del Sole). Questo modello è supportato da osservazioni che suggeriscono la presenza di un buco nero supermassiccio nel centro della Via Lattea e di molte altre galassie.

Le galassie di Seyfert, i quasar e i blazar sono i tipi principali di AGN che emettono radiazione energetica (raggi X e gamma). I quasar, in particolare, sembrano essere gli oggetti più luminosi dell'universo conosciuto.

Le galassie attive in cui l’attività del buco nero è oscurata da una densità di polvere e gas tale da assorbire le pur potentissime emissioni ad alta energia sono chiamate «AGN fortemente oscurati» (“Compton thick AGN”) e non sono rilevabili con i raggi x. Secondo lo studio guidato da astrofisici dell’Istituto Nazionale di Astrofisica Spaziale e Fisica Cosmica (INAF-IASF) di Bologna, tali galassie, osservate con i raggi gamma, sono una frazione rilevante della popolazione totale di AGN.

Per calcolarne correttamente la distribuzione, occorre valutare non solo quanta polvere li avvolge, ma anche a che distanza si trovano. È ciò che ha fatto il gruppo di astrofisici guidato da Angela Malizia, dell’INAF-IASF Bologna, basandosi sui dati raccolti dal telescopio spaziale INTEGRAL, finanziato per l’Italia dall’ASI (Agenzia Spaziale Italiana). «Abbiamo preso in esame il campione completo delle 88 AGN con l’emissione più intensa», spiega Malizia, «le abbiamo analizzate una ad una, con infinita pazienza, ricostruendone il flusso, l’oscuramento e la distanza. Ci siamo accorti che quelli fortemente oscurati diminuivano mano a mano che la distanza aumentava. Così, per calcolare in modo affidabile la distribuzione, abbiamo pensato di selezionare un sotto-campione che comprendesse solo le sorgenti più vicine».

Il risultato? Gli AGN fortemente oscurati sono superiori al 24% del totale, dunque circa 1 su 4.

Da tempo si cercavano questi AGN oscurati. Adesso li abbiamo intercettati e visti anche grazie agli osservatori spaziali che dimostrano così di funzionare benissimo. Ora sappiamo che questi buchi neri giganti sono molti di più di quanto riuscissimo a vedere e che si nascondono all'interno di un nucleo galattico attivo, coperti dalle polveri galattiche", conclude Angela Malizia.

Quanti sono i buchi neri che si nascondono? 10 settembre 2009

INTEGRAL chases obscured active galaxies in the deepest extragalactic hard X-ray survey to date 01 agosto 2008

One in four AGN is Compton thick in the local Universe 18 agosto 2009

Vanishing matter points to black hole in Milky Way 29 aprile 2009

La materia sparisce verso il buco nero nella Via Lattea Altro Giornale 03 maggio 2009

Black Holes Are The Rhythm At The Heart Of Galaxies 19 novembre 2008

Compton Thick AGN: The dark side of the X-ray background

Active galactic nucleus - Wikipedia

Louis Crane, professore di matematica alla Kansas State University, sta elaborando nuovi approcci alla teoria della gravità quantistica. Secondo Crane, il problema del modello standard, quello attualmente in voga in fisica, è che prevede molte costanti fondamentali, ad esempio quelle relative alle forze fondamentali e alle masse delle particelle elementari, senza spiegarne il valore. “Basterebbero sottili differenze nei valori”, dice Crane, “e ci ritroveremo in un altro universo”.

La sua idea si basa sul lavoro del fisico teorico Lee Smolin. Ma, mentre Smolin propone un Universo perfettamente “sintonizzato” per produrre stelle e pianeti, Crane crede che la sintonizzazione serva a produrre delle civiltà industriali, inclusa la nostra. “La vita non potrebbe esistere se le stelle non brillassero da miliardi di anni”, dice ancora Crane, “solo la sintonizzazione delle costanti permette ciò come ad esempio l’abbondanza di carbonio che rappresenta il fondamento della vita”.

Crane sostiene che se veramente è possibile creare dei buchi neri artificiali, allora civiltà industriali come la nostra potranno produrli ed utilizzarli per viaggi interstellari.

Si ritiene che i buchi neri producano un nuovo universo alla fine della singolarità ma che sia irraggiungibile. Secondo Crane potrebbero essere universi sintonizzati per produrre vita, civilizzazioni e, eventualmente, altri buchi neri. “Credo che le forme di vita siano parte di un grande ciclo evoluzionario che include universi e buchi neri”.

Lo scorso anno, un gruppo di scienziati dell'Università di St. Andrews in Scozia mediante una simulazione al computer ha creato in una fibra ottica un orizzonte degli eventi artificiale che dovrebbe servire a studiare il fenomeno della radiazione di Hawking.

I buchi neri astrofisici nascono quando la materia diviene così densa da collassare in un punto detto singolarità: la forza di gravità del buco nero è così grande che nulla, neanche la luce, può sfuggire dal confine attorno ad esso chiamato orizzonte degli eventi. La radiazione di Hawking, teorizzata dal noto fisico da cui ha preso il nome, è una radiazione termica che si ritiene sia emessa dai buchi neri a causa degli effetti quantistici.

Più recentemente, il team di Jeff Steinhauer, al Technion-Israel Institute of Technology di Haifa, ha creato un buco nero artificiale che intrappola il suono invece della luce, sempre nel tentativo di rilevare la radiazione di Hawking.

Inoltre, un gruppo di fisici dell'università olandese di Dartmouth ha annunciato che riprodurrà artificialmente in laboratorio dei minuscoli buchi neri mediante dispositivi superconduttori a interferenza quantistica (Squid).

BUCO NERO: CREATO UN "ORIZZONTE DEGLI EVENTI" ARTIFICIALE 17 marzo 2008

Black hole event horizon created in the lab 16 febbraio 2008

Artificial black hole created in lab 06 marzo 2008

Physicists create 'black hole for sound' 17 giugno 2009

Una "ricetta" per creare buchi neri in laboratorio 23 agosto 2009

Radiazione di Hawking - Wikipedia

A proposito di buchi neri artificiali, che cosa è successo alla “macchina della fine del mondo”, il generatore di buchi neri che per qualche giorno, un anno fa, ha fatto temere l'Apocalisse?

Il gigante degli acceleratori, il Large Hadron Collider (LHC) del Cern di Ginevra, che promette di aprire la finestra su una nuova fisica, dodici mesi fa ha lavorato per 60 ore sotto i riflettori di tutto il mondo e poi, il 20 settembre, un guasto lo ha fermato.

Per i fisici che vi lavorano non è stato facile, ma non è stato tempo perduto: «È stato un anno molto operoso e siamo contenti, la macchina ripartirà a metà novembre», dice il direttore della ricerca del Cern, Sergio Bertolucci.

L'LHC ripartirà con l'energia di 7 Tev (7.000 miliardi di elettronvolt), metà di quella massima. Probabilmente ci sarà una breve pausa a Natale, a febbraio-marzo 2010 raggiungerà i 10 Tev e poi lavorerà ininterrottamente fino a fine anno.

Una corsa per scongiurare il sorpasso con l'acceleratore americano Tevatron? «Più che una sfida tra Europa e Usa, è una sfida tra due sponsor, ma non della comunità scientifica», dice Roberto Petronzio, presidente dell'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), uno dei principali partner di LHC e CERN. «Tantissimi fisici italiani ed europei lavorano negli Usa, è una comunità molto ibrida», aggiunge.

Intanto al CERN, ogni componente dell'anello dell'LHC, lungo 27 chilometri, è in fase di raffreddamento: «Alcune parti hanno già raggiunto la temperatura di meno 271 gradi e ha cominciato a raffreddarsi anche il settore 3-4, quello colpito dal guasto», dice Bertolucci.

A fermare l'LHC era stata la rottura di una delle giunzioni che alimentano elettricamente i magneti e la scarica generata aveva provocato la rottura di una delle condutture in cui scorre l'elio liquido, necessario a mantenere bassa la temperatura per il funzionamento dei magneti superconduttori. Da allora si è lavorato moltissimo, e non solo per riparare i danni. Per Bertolucci «è stata una pausa utile. Oltre a riparare i danni, abbiamo avuto modo di migliorare in modo sostanziale l'operatività della macchina», aggiunge.

È stato sostituito il sistema che segnala situazioni critiche nei magneti: ci sono volute 7.000 nuove schede elettroniche e 250 chilometri di cavi, ma ora l'LHC è 3.000 volte più sicuro. «In caso di incidente - prosegue - i danni non si estenderebbero più all'intera macchina, ma a uno o due magneti. Complessivamente la sicurezza è aumentata almeno di un fattore dieci». È stato poi messo a punto un sistema per analizzare le giunzioni in tempo reale: «A intervalli di pochi minuti conosciamo la situazione di ogni singola giunzione».

Nemmeno la ricerca è stata ferma: «Nelle 60 ore in cui ha funzionato, l'LHC ha acquisito moltissimi dati e c'è stato tutto il tempo di studiarli con cura», dice ancora. È stata poi messa alla prova l'intera rete di calcolo (Grid) destinata ad analizzare la valanga di dati attesa nei prossimi anni.

Non ci sono state le collisioni fra protoni, ma le centinaia di migliaia di raggi cosmici che hanno attraversato gli apparati dei quattro esperimenti dell'LHC sono state preziose: «Hanno permesso di allineare tutti i tracciatori con la precisione di 10 millesimi di millimetro», un'operazione che avrebbe comunque richiesto mesi a macchina accesa.

Riparte la macchina della fine del mondo 11 settembre 2009

Large Hadron Collider - Wikipedia

Cosa succederà quando i fisici raggiungeranno il limite della tecnologia utilizzata per gli acceleratori di particelle?

I fisici Stephen West, della University of London, Max Bañados, della Pontifical Catholic University di Santiago del Cile, e Joseph Silk, della University of Oxford ritengono che saranno proprio i buchi neri rivelare la “nuova fisica”.

Se due particelle accelerano verso un buco nero ruotante con una certa velocità potrebbero collidere con altissime energie, molto superiori a quelle che potremmo mai raggiungere sulla Terra.

Per il loro acceleratore a modello naturale, i tre scienziati hanno scelto particelle di materia oscura: particelle che interagiscono debolmente ma che attratte da un buco nero potrebbero formare materia ordinaria. I calcoli del team mostrano che se il buco nero ruota ad alta velocità e le particelle lo approcciano ad una determinata angolazione, allora potrebbero collidere l’una con l’altra a energie estreme.

Dopo la collisione, una significativa porzione di ciò che viene prodotto sarebbe risucchiato nel buco nero. Ma, secondo i ricercatori, potrebbe anche generarsi una energia sufficiente per consentire ad altre porzioni di sfuggire all’attrazione. Per rilevare esattamente quanta energia è necessaria, si conta nei prossimi esperimenti come ICECUBE in Antartico e naturalmente il Large Hadron Collider.

Le energie che verranno sviluppate dall’LHC dovrebbero raggiungere il picco di 14 teraelettronvolts”, dice West, “mentre le energie intorno ad un buco nero sono teoricamente senza limiti”. Anche se non occorre andare oltre la cosiddetta “energia Planck”, il punto in cui la nostra comprensione matematica delle interazioni tra particelle, in particolare della gravità, si infrange a livello quantistico (si tratta di un’energia nell’ordine di 1018 gigaelettronvolts, 100 trilioni di volte maggiore di quella dell’LHC).

"Con la collisione di buchi neri si potrebbe veramente ricreare l’inizio dell’Universo”, dice ancora West. Il modello di “acceleratore Planck” realizzato dal team potrà forse sondare la potenzialità delle particelle coinvolte nelle GUTs (Grand Unified Theories – Teorie della Grande Unificazione), la scala di energia dove le quattro forze fondamentali si ritiene possano fondersi.

David Ballantyne, del Georgia Institute of Technology di Atlanta, che in passato ha indagato le collisioni di particelle intorno al buco nero al centro della Via Lattea, dice: "È un esperimento interessante che potrà rivelarci nuove informazioni sulla natura della materia oscura e sulla struttura dello spazio-tempo intorno ad un buco nero".

Planck energy - Wikipedia

Grand Unification Theory - Wikipedia

Il Tevatron, l’acceleratore di particelle del Fermilab, il più grande centro di ricerca americano sulla fisica nucleare, nel cuore dell’Illino­is, vuole scoprire la fantomatica «particella di Dio», il bosone di Higgs, prima dell’LHC.

Lo scorso marzo, un comuni­cato del Fermilab annunciava di aver raccolto indizi che indirettamente confermavano la presenza della agognata particella. «Con i ritardi accumulati a Gine­vra, il Tevatron ha conquistato una se­ria chance di arrivare per primo», ha dichiarato al New Scientist Greg Land­sberg della Brown University di Pro­vidence, uno dei tanti ame­ricani arrivati al Cern per collaborare alla ricerche con il nuovo accelerato­re. «Per il 2011 — hanno sostenuto alla fine d’agosto molti ricercatori statunitensi riuniti in una conferen­za ad Amburgo — avremo registrato abbastanza dati per permetterci di ca­pire il ruolo del bosone di Higgs nel­la teoria del modello standard».

A Chicago avevano persino detto che LHC era «troppo potente» per riusci­re a individuare il bosone perché l’energia alla quale si esprime sareb­be più bassa di quella eccezionale a cui si arriva a Ginevra. «Questa mi sembra proprio una stupidaggine», risponde sorridendo Sergio Bertoluc­ci, direttore scientifico del Cern, «a tutti piace arrivare primi — aggiun­ge diplomaticamente — però la gara deve essere vinta con la fisica. Anche perché l’avvista­mento del bosone è solo l’inizio di una nuova storia che riserverà sor­prese ancora più eclatanti».

La sfida è tremendamente compli­cata perché teoricamente sono previ­sti cinque tipi diversi di «particella di Dio» e poi è determinante, per de­cifrare il tutto, capire come si accop­pia.

Quanto la sfida Chicago-Ginevra si stia arroventando lo dimostra l’ini­ziativa del celebre astrofisico britan­nico Stephen Hawking il quale ha scommesso che la particella di Hig­gs non esiste. E il fisico di Edimbur­go Peter Higgs, che l’ha ideata e bat­tezzata risponde polemico: «Hawking non ci crede perché lui, per arrivare al Nobel, propone un’al­tra spiegazione».

Never mind the Higgs boson 10 settembre 2008

Fermilab

Bosone di Higgs - Wikipedia

Brian Greene, fisico teorico della Columbia University di New York, ha passato gran parte dell’ultima decade a decantare le virtù della teoria delle stringhe nella convinzione che un giorno fornirà ai fisici una “teoria del tutto” capace di descrivere completamente il nostro universo. Il suo bestseller “L’Universo Elegante” tratta eloquentemente la ricerca di questa teoria ultima.

La teoria delle stringhe prevede molti universi, anche molto diversi dal nostro. La speranza è che riesca ad individuare uno di questi universi come l'unico possibile: il nostro. Finora ciò non è stato possibile e per questo motivo i teorici delle stringhe stanno iniziando a tentennare: forse, davvero, il nostro universo potrebbe non essere il solo esistente.

Greene stesso ammette: "Personalmente ho subito una sorta di trasformazione e sono molto incuriosito da questa possibilità, cioè che ci siano molti universi e che noi ci troviamo in quello in cui siamo in grado di sopravvivere".

Fino a poco tempo fa molti erano riluttanti ad accettare l'idea del "multiverso" (molti universi), la consideravano come una vera e propria "falla" nella teoria. Adesso invece non solo accettano questa possibilità ma cercano di provarla.

Uno dei primi studiosi che si sono avventurati in questo campo è stato il fisico russo Andrei Linde che ora lavora presso la Stanford University. Nel 1980 Linde sviluppò la teoria dell’ "inflazione", secondo cui nelle prime frazioni di secondo successive al Big Bang l'universo avrebbe conosciuto una crescita esponenziale. La teoria dell'inflazione spiegherebbe come mai l'Universo appare omogeneo su grande scala e perché lo spazio-tempo è "piatto", sebbene la teoria di Einstein abbia ampiamente dimostrato come esso possa essere facilmente curvato.

Lo stesso Linde ha ipotizzato che il fenomeno dell'inflazione possa essere ancora in atto, addirittura eterno (“eternal inflation”), nel senso che potrebbe verificarsi di continuo e ogni volta generare un distinto universo. Lo spazio del multiverso sarebbe allora formato da un mosaico di differenti universi, ciascuno caratterizzato dalla presenza di determinati tipi di particelle fondamentali e in determinati rapporti che generano diverse leggi. Estremizzando ancora di più la teoria si arriva a supporre che le costanti universali, come ad esempio la massa dell'elettrone o la costante cosmologica, siano determinate in modo del tutto casuale, e che, sempre casualmente, le costanti e le leggi che governano il nostro universo si siano rivelate adatte alla vita.

Secondo la teoria delle stringhe, tutte le particelle fondamentali alla base della materia e delle forze naturali sono generate dalla vibrazione di sottili stringhe in 10 dimensioni. Le sei dimensioni extra dello spazio, rispetto alle quattro di cui abbiamo esperienza (spazio - larghezza, altezza, lunghezza - e tempo), sono nascoste ai nostri sensi, confinate in scale ultramicroscopiche, vicine o addirittura inferiori a quella della lunghezza di Planck (approssimativamente pari a 1,6 × 10-35 metri).

Da decadi i matematici si arrovellano per cercare di immaginare quali differenti forme potrebbero corrispondere alle dimensioni extra, trovando una miriade di modi per “accartocciare” lo spazio-tempo.

La geometria spaziale prodotta dalle dimensioni extra è più complessa in quanto gli ipervolumi che si creano in questi spazi hanno molte più geodetiche, cioè percorsi che identificano punti lontani in detto spazio. Questo aumento di complessità determina un allontanamento dalla geometria euclidea.

Ogni forma dà origine ad un differente vuoto di spazio-tempo e ad un differente universo, con la sua propria energia del vuoto, le sue proprie particelle fondamentali, le sue proprie leggi fisiche. Greene e molti altri sperano di trovare un principio di unicità che spieghi la forma particolare dello spazio-tempo che produce il nostro universo.

Nel 2004, Michael Douglas, dellae State University of New York, e Leonard Susskind, della Stanford University, dopo aver indagato gli sviluppi della teoria delle stringhe dissero che tutte le teoriche varietà di spazio-tempo dovevano essere considerate seriamente come realtà fisiche, quindi anche il multiverso. Susskind coniò il termine "the landscape of string theory" per descrivere i 10500 o più possibili universi. Niente nella teoria delle stringhe suggerisce che qualcuno di questi universi è preferito rispetto agli altri, tutti sono ugualmente probabili.

Susskind dice che i fisici dovrebbero cominciare a porsi le questioni cosmologiche rispetto ad un contesto multiversale, non più rispetto ad un unico universo. Questioni come: possiamo identificare il punto esatto del panorama cosmico che corrisponde al nostro universo, o almeno le parti che più gli assomigliano? È possibile stabilire quali proprietà del nostro universo possono essere derivate dai principi primi e quali sono casuali? Possiamo trovare parti del panorama con condizioni tali da rendere plausibile la teoria dell’inflazione eterna?

Monodromy in the CMB: Gravity waves and string inflation 05 luglio 2008

A universe like no other 01 novembre 2003

Across the Megaverse 15 gennaio 2006

Chaotic Inflation theory - Wikipedia

Le dimensioni extra dell'universo 21 febbraio 2001

Dimensione extra - Wikipedia

Lee Smolin, autore del bestsellerThe Trouble With Physics: The Rise of String Theory, the Fall of a Science, and What Comes Next” (Trad. it. di S. Freudiani, "L'universo senza stringhe Fortuna di una teoria e turbamenti della scienza", Einaudi 2007), fondatore e ricercatore del Perimeter Institute for Theoretical Physics di Waterloo, in Canada, ha scritto un articolo su Physics World cercando di spiegare perché le teorie cosmologiche secondo cui il nostro universo è solo uno di tanti – il cosiddetto “Multiverso” – che sostengono che il tempo non esiste, sono sbagliate.

Insieme al filosofo brasiliano Roberto Mangabeira Unger, Smolin ritiene che se veramente esistesse un multiverso infinito le nostre leggi fische non sarebbero determinabili sperimentalmente: le connessioni tra le leggi fondamentali, uniche e applicabili universalmente, e le leggi effettive, basate sulle osservazioni, diventerebbero confuse.

Propone quindi una nuova serie di principi a cominciare dall’asserzione che c’è un solo universo: tutto ciò che è reale lo è in un dato momento, che segue ad una successione di momenti precedenti; tutto ciò che in un dato momento è frutto di un processo di cambiamento che porta al momento successivo. “Se c’è un solo universo, allora non c’è ragione di separare leggi e condizioni iniziali”, dice Smolin, “ciò di cui abbiamo bisogno è una legge che spieghi l’unica storia dell’unico universo”.

Se si abbraccia l’idea che esiste un solo universo e che il tempo è una proprietà fondamentale della natura, si può pensare a delle leggi fisiche che evolvono col tempo. “La nozione secondo cui la verità può essere scoperta solo trascendendo le nostre esperienze vincolate al tempo è una fantasia irrealizzabile”, dice ancora Smolin, "quello che fanno i fisici non è altro che scoprire le leggi che regolano l’universo che esperiamo insieme al tempo. Tutto ciò che vuole andare oltre è un bisogno religioso di trascendenza non è scienza".

Lee Smolin - Wikipedia

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