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A cura di Jo e Max

A cura di Joe Max

Le fusioni tra buchi neri mostrano uno strano legame matematico. Un nuovo studio sui buchi neri evidenzia e spiega delle onde gravitazionali: ecco come si applicano teorie matematiche complesse a tutto questo Era il 2015 quando i ricercatori del Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) hanno rilevato per la prima volta onde gravitazionali generate dalla fusione di due buchi neri. Delle vere e proprie increspature nello spazio-tempo. Le osservazioni di questi segnali nello spazio sono così divenute sempre più comuni. Sapevamo dove guardare, per dirla in parole semplicissime. Ciò ci ha permesso di rivelare dettagli cruciali sull’origine di tali fenomeni. Un nuovo studio, però, mostra ora come concetti astratti della teoria delle stringhe possano avere una diretta applicazione nella comprensione di queste onde gravitazionali. Onde gravitazionali Il lavoro di ricerca è stato pubblicato sulla celebre rivista Nature. Un testo molto importante, ma prima di poterne parlare è bene partire dalle “basi”. Quando discutiamo di onde gravitazionali, ci riferiamo a delle perturbazioni dello spazio-tempo, come detto. Vengono generate da eventi catastrofici. La fusione di buchi neri è soltanto un esempio. Lo stesso accade infatti con la fusione di stelle di neutroni. I primi rilevamenti hanno condotto a una rivoluzione nel campo dell’astrofisica. Di fatto è stata aperta una nuova finestra nell’universo. Non tutte le onde gravitazionali, però, derivano da collisioni dirette. Alcune possono emergere da incontri ravvicinati avvenuti tra oggetti cosmici. Pensiamo ad esempio all’immagine, decisamente fantascientifica per la maggior parte di noi, di due buchi neri che si sfiorano, senza per questo raggiungere la fase di fusione. Un team di ricercatori ha applicato dei concetti matematici complessi, ispirati dalla teoria delle stringhe. L’obiettivo? Riuscire a descrivere al meglio questi eventi. Sfruttando le “strutture Calabi-Yau” (geometriche a sei dimensioni), il team è stato in grado di modellare il comportamento dei buchi neri che si avvicinano senza collidere. In questo caso si parla di “scattering” per descrivere il fenomeno. Questa è la prima volta che tali strutture matematiche trovano una connessione diretta con fenomeni astrofisici reali. Dai buchi neri alle stringhe Da tempo ormai si guarda alle “strutture Calabi-Yau” come a dei pilastri della teoria delle stringhe (che tenta di unificare la fisica quantistica con la relatività generale). In tale contesto, possiamo dire che descrivono spazi geometrici complessi, in cui le stringhe, ovvero gli elementi fondamentali della materia, vibrano. Lo studio di recente pubblicato vede però i ricercatori dimostrare che tali strutture possono anche descrivere il comportamento dei buchi neri che si sfiorano. Sfruttando funzioni matematiche avanzate, il team è stato in grado di calcolare l’energia rilasciata nel corso di tali eventi. Al tempo stesso anche le traiettorie dei buchi neri. Queste operazioni hanno confermato come le previsioni teoriche corrispondano ai dati osservativi. Un risultato che rafforza la validità della teoria delle stringhe. Al tempo stesso, però, è in grado di aprire nuove strade per lo studio delle onde gravitazionali. Questa ricerca potrebbe avere delle implicazioni di enorme importanza per le future osservazioni delle onde gravitazionali. I prossimi rilevatori, come il telescopio Einstein in Europa e il Cosmic Explorer negli Stati Uniti, potrebbero riuscire a ottenere segnali da eventi di scattering tra buchi neri e stelle di neutroni. In poche parole, gli scienziati potrebbero restare ulteriormente queste teorie ed esplorare nuove frontiere della fisica. Di fatto, possiamo dire che la matematica delle stringhe ha detto addio al regno dell’astrazione teorica. Trova finalmente applicazione nel mondo reale. Fisica teorica e astrofisica osservativa non sono mai state tanto vicine. Read the full article

Il JWST sta del resto rinnovando il quadro delle interazionitra quasar e galassie. Ma tutta la comprensione dell'universo profondo si sta modificando. Ne vedremo delle belle.

Macchine del Tempo, una mostra Inaf spiega l'astrofisica - Inaf, foto di Paolo Soletta Il percorso espositivo si snoda su tre sale. Si parte da un cielo stellato, con l'invito a ripetere l'esperienza che Galileo fece oltre 400 anni fa, puntando verso il firmamento un “occhio potenziato”, il cannocchiale. Da qui inizia un viaggio attraverso i pianeti del nostro sistema solare per poi passare agli esopianeti, a stelle lontane, a galassie e ammassi di galassie. Così i visitatori intraprendono un vero e proprio “viaggio nel tempo” il cui tema centrale è la luce che con la sua velocità non ci permette di vedere il presente bensì il passato. Grazie alla luce è possibile viaggiare nel tempo guardando il cielo. Da segnalare anche uno degli incontri previsti nella mostra: giovedì 8 febbraio alle ore 18 e 30, sarà ospite Marica Branchesi, Gran Sasso Science Institute (GSSI), e Viviana Fafone, Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), per una conferenza dal titolo “Otto anni di onde gravitazionali - l’astronomia multimessagera, da LIGO-VIRGO all'Einstein Telescope”. “Macchine del tempo”, inaugurata a Roma la mostra dell’Inaf Read the full article

Rappresentazione artistica di alcune antenne del radiotelescopio Ska (fonte: SKAO) L'Italia è in prima fila in questa avventura: sotto la guida dell'Istituto Nazionale di Astrofisica (Inaf) ha seguito il progetto fin dall'inizio. L'Osservatorio Ska "è uno dei progetti più ambiziosi mai intrapresi finora e sono particolarmente orgogliosa di poter dire che questo progetto è molto legato all'Italia", ha detto il ministro per l'Università e la Ricerca Anna Maria Bernini. "E' la dimostrazione che l'Italia ha tutte le risorse per partecipare a pieno titolo all'esplorazione spaziale da terra. È davvero un'impresa straordinaria. Stiamo compiendo un passo fondamentale verso una più ampia comprensione delle leggi che governano l'Universo. E forse anche verso l'espansione della nostra visione del mondo", ha aggiunto. Dall’inizio delle attività di costruzione globali nel luglio 2021, Skao ha assegnato oltre 40 contratti per un valore superiore a 150 milioni di euro. Durante le cerimonie di oggi sono stati annunciati nuovi contratti per un totale di 300 milioni di euro. L’approvvigionamento iniziale si è concentrato sullo sviluppo del software, appaltando società di servizi professionali per aiutare a supervisionare la costruzione e l’acquisto all’ingrosso dei componenti necessari. I quattro contratti annunciati in occasione della cerimonia che dà il via ufficiale alla costruzione riguardano la costruzione delle infrastrutture in Australia e in Sudafrica (200 milioni) e la produzione delle antenne a media e bassa frequenza (100 milioni). Il totale dei contratti assegnati finora supera i 450 milioni di euro. l'Inaf è il capofila della partecipazione italiana, che comprende numerose aziende, spinoff e università. "Sono felice di confermare il nostro sostegno a questo fantastico progetto, uno sforzo internazionale che ci porterà a svelare i segreti dell'Universo", ha detto il presidente dell'Inaf, Marco Tavani. "L'Italia fa parte del progetto Ska sin dall'inizio: dopo la creazione dell'organizzazione intergovernativa, e l'inizio della fase operativa, siamo arrivati finalmente alle celebrazioni per l'inizio della costruzione dei telescopi nei due continenti". Una storia cominciata 30 anni fa e che adesso è finalmente arrivata a un punto decisivo. La prima fase dei lavori dovrebbe essere completata nel 2028 e si prevede che nei prossimi 50 anni astronomi e astrofisici di tutto il mondo avranno accesso all'Osservatorio Ska per rispondere a domande cruciali sui primi decenni di vita dell'Universo e per studiare alcuni degli oggetti più misteriosi dell'astrofisica, come buchi neri, la nascita e l'evoluzione delle galassie, la natura dell'energia oscura che costituisce oltre il 70% dell'universo; permetterà inoltre di mettere ulteriormente alla prova la teoria della relatività e, infine, di ascoltare eventuali segnali di intelligenze aliene con lo strumento più potente in grado di farlo. Read the full article

Un tunnel spazio-temporale studiato attraverso un esperimento quantistico (fonte: inqnet/A. Mueller - Caltech) I wormhole sono ponti tra due regioni remote nello spazio-tempo. Non sono mai stati osservati sperimentalmente, ma gli scienziati teorizzano la loro esistenza da quasi un secolo. Nel 1935 sono stati descritti da Albert Einstein e Nathan Rosen come tunnel attraverso lo spazio-tempo e per questo vengono definiti come 'ponti di Einstein-Rosen', mentre il termine 'wormhole' è stato coniato dal fisico John Wheeler negli anni '50. L'idea che i wormhole e la fisica quantistica, in particolare l'entanglement (un fenomeno per cui due particelle possono rimanere collegate a grandi distanze), possano avere una connessione è stata proposta per la prima volta da Juan Maldacena e Leonard Susskind nel 2013. Nel 2017 Jafferis, insieme ai suoi colleghi Ping Gao e Aron Wall, ha esteso il concetto ai wormhole attraversabili da un'estremità all'altra. I ricercatori hanno dimostrato che questa descrizione gravitazionale di un wormhole attraversabile è equivalente al teletrasporto quantistico, un fenomeno già dimostrato sperimentalmente con il trasporto di informazioni su lunghe distanze tramite fibra ottica e via etere. Il nuovo esperimento non ha fatto altro che esplorare l'equivalenza dei wormhole con il teletrasporto quantistico, sondando l'idea che le informazioni che viaggiano da un punto all'altro nello spazio possano essere descritte nel linguaggio della gravità (i wormhole) o nel linguaggio della fisica quantistica (entanglement quantistico). L'esperimento è stato condotto su una versione del computer Sycamore 2 di Google, che ha 72 qubit. Di questi, ne sono stati utilizzati solo nove per limitare la quantità di interferenze e rumore nel sistema. "Questo lavoro rappresenta un passo avanti verso un più ampio programma di test della fisica della gravità quantistica usando un computer quantistico", conclude Maria Spiropulu del Caltech. Read the full article

Zoomando verso il buco nero Gaia BH1. Sfondo: regione della Via Lattea; Pannello 1: un'immagine della stella in orbita attorno al buco nero Gaia BH1; Pannello 2: ricostruita l'orbita della stella; Pannello 3: effetti relativistici di curvatura della luce che sarebbero visibili se potessimo vedere da vicino una stella e un buco nero. T. Müller (MPIA) / ESA/Gaia/DPAC, CC BY-SA 3.0 IGO Voler sapere dove si trova il buco nero più vicino alla Terra non è un desiderio puramente scientifico, ma anche pratico, per sapere se dobbiamo preoccuparci o meno. Ebbene, se il buco nero appena scoperto è davvero quello più prossimo a noi, non dobbiamo assolutamente avere timore: trovandosi, infatti, a circa 1.600 anni luce dal nostro Pianeta, vuol dire che viaggiando alla velocità di 300.000 chilometri al secondo, ci si impiega ben 1.600 anni per arrivarci. La scoperta è stata pubblicata con un articolo apparso sul MonthyNotices of the Royal Astronomical Society. Al buco nero è stata data la sigla Gaia BH1 in quanto inizialmente osservato dal telescopio spaziale Gaia. Le ricerche sono continuate grazie alle osservazioni eseguite con il telescopio Gemini North, alle Hawaii. La scoperta si è resa possibile grazie alle osservazioni spettroscopiche del moto della compagna del buco nero, in altre parole osservando il comportamento della luce emessa dalla stella che orbita attorno al buco nero a una distanza pari a quella a cui il nostro Pianeta orbita attorno al Sole. Questo buco nero sembra essere quiescente, e quindi in nessun modo pericoloso. Al contrario, il buco nero che precedentemente deteneva il record, che si trova circa tre volte più lontano dalla Terra rispetto a Gaia BH1, è attivo, ed emette grandi quantità di radiazioni X che sono il frutto del consumo di materiale che attrae dalla stella compagna. Per questo è stato anche più semplice da individuare. La gara tra astronomi. La ricerca del buco nero più vicino alla Terra è una sorta di sfida tra alcuni astronomi e non sono mancate false illusioni. Circa due anni fa, ad esempio, l'Eso aveva emesso un comunicato stampa che rivendicava la scoperta del buco nero stellare più vicino alla Terra, chiamato HR 6819. Il buco nero, anch'esso quiescente, sembrava far parte di un sistema triplo di stelle che dista solo mille anni luce dalla Terra. Ma dopo poco, Kareem El-Badry, astrofisico presso il Center for Astrophysics Harvard & Smithsonian e il Max Planck Institute for Astronomy, e primo autore dell'articolo che descrive la scoperta di Gaia BH1, smentiva l'esistenza del buco nero. Una smentita che è poi stata di mostrata anche da altri astronomi. Ma c'è un mistero. Gaia BH1 sembra non ammettere errori di valutazione, anche se per alcuni esiste un problema: la stella che avrebbe dato origine al buco nero dovrebbe essere vissuta solo pochi milioni di anni, in quanto era una stella molto massiccia, con una massa di circa 20 volte quella del Sole. Ebbene, quando esplose dovrebbe aver inghiottito la stella che le orbita attorno - che nel momento in cui esplose non era ancora una vera e propria stella in grado di "bruciare" idrogeno. Ma ciò non è avvenuto. Questo mistero deve ancora essere spiegato perché il tutto non concorda con i modelli accettati universalmente della nascita e dell'evoluzione delle stelle binarie. Read the full article