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3/11/13

Un’avventura di caccia… cosmica *

NEWS! Rilevate le onde gravitazionali, la cronaca della prima osservazione e dei successivi sviluppi la trovate QUI

 

Questo articolo vuole raccontare una storia che quasi sicuramente avverrà nel prossimo futuro. Magari anche tra due o dieci o quarant’anni. Non è sicuro il momento, ma quasi sicuramente entro cinquant’anni. Gli astrofisici si stanno preparando al meglio per non perdere questo straordinario avvenimento. Voglio descriverlo come fosse un racconto di oggi. Buon divertimento.

Siamo vicini alla città di Hida, in Giappone, nella miniera di Mozumi, a 1000 metri di profondità. Il silenzio che regna in quella caverna è veramente irreale, così come quell’enorme serbatoio cilindrico d’acqua alto 40 metri e con un diametro di base poco più corto. Al suo interno 50 000 tonnellate di liquido purissimo aspettano pazienti. Akira e Tukami si danno il  cambio regolarmente davanti ai monitor che tengono sotto controllo la sofisticatissima apparecchiatura che si snoda sotto la grande vasca, composta da ben 11 000 fotomoltiplicatori.

Sanno benissimo che appena un “qualcosa” romperà quella monotonia quasi opprimente, non potrà che essere il segnale voluto. Nient’altro potrebbe modificare la stabilità di quella enorme massa d’acqua. Sono anni e anni che il grande rivelatore Super K compie perfettamente il suo lavoro, ma è solo da due anni che all’acqua è stato aggiunta una piccolo quantità di Gadolinio, una terra rara, dalle caratteristiche ideali per aiutare a non farsi scappare il segnale che tutti attendono con ansia.

Super-K è la contrazione di un nome ben più lungo: Super-Kamiokande che sta per Super-Kamioka Neutrino Detection Experiment, il progetto più ambizioso mai tentato in quel fantastico rivelatore di neutrini.

Tuttavia, questa volta non si aspettano i “neutrini” normali, quelli che provengono sia dalla nostra stessa atmosfera sia dal Sole. No, si aspettano quelli che hanno viaggiato ben più a lungo e che provengono da una stella enorme che non riesce più a contrastare la sua stessa forza di gravità. E’ arrivata a produrre il ferro nel suo nucleo interno e di più non può fare. La massa sovrastante schiaccerà il nucleo ormai inerte e lo farà collassare velocemente verso una stella di neutroni. Poi, in pochissimo tempo, vi sarà l’ultimo tentativo di reazione e il nucleo si opporrà a quell’invasione degli strati esterni e li farà rimbalzare indietro scagliandoli nello spazio sotto forma di supernova. Improvvisamente una luce intensissima rischiarerà l’intera galassia e gli elementi pesanti, formatisi nel giro di pochi milioni di anni, insemineranno lo spazio.

Akira e Tukami sanno benissimo che non sarà facile riconoscere i neutrini vicini di casa da quelli provenienti da una supernova. Tuttavia, il Super-K deve farcela, ne sono sicuri. Bisogna solo aspettare e avere molta fortuna. Sì, perché l’Universo, anche vicino, è ricco di supernove, ma esse sono troppo lontane per sperare che il loro rivelatore possa catturarne qualche neutrino con la sicurezza che provenga proprio da una stella in agonia. Il Super-K riuscirà a fare il miracolo solo se la supernova esploderà nella Via Lattea. Un’esplosione nella nostra città cosmica, che spettacolo, che meraviglia!

Sarebbe proprio ora di vederne una. Purtroppo,  la Via Lattea è una galassia tranquilla con un ritmo di nascita stellare modesto. Si sono fatto calcoli molto raffinati e si è concluso che ci si può aspettare, in media, una supernova ogni 50 anni. Dovremmo quasi esserci, dato che è molto tempo che non se n’è osserva una. Akira e Tukami preferirebbero, forse, essere 1000 metri più in alto,  in quel momento fatidico,  per vedere a occhio nudo la nascita di una nuova stella nel cielo. Sanno, però, che quell’emozione non sarà così facile. No. è molto meglio aspettarla lì davanti ai monitor. Anche se esploderà una supernova, essa sarà quasi sicuramente nella zona più vicina al nucleo galattico e la sua luce sarà smorzata di miliardi di volte dal gas denso e scuro che circonda il buco nero e non solo. Il Sole è in periferia e non ha grandi speranze di assistere all’evento. Oltretutto, il Giappone è troppo a nord e la parte di galassia che si può abbracciare è minore di quella dell’emisfero sud. Le probabilità di vedere una supernova a occhio nudo scende fino al 5-10%. Forse ci vorranno ancora secoli. E’ meglio aspettare sotto quell’enorme cisterna d’acqua.

Inoltre, sanno benissimo che se riusciranno a “vedere” qualcosa lì, sotto terra, daranno il via a un progetto “epocale” e scateneranno una specie di corsa all’oro. Finalmente, gli scienziati potranno assistere alla parte fondamentale dell’esplosione stellare, quella che mai nessuno è riuscito a cogliere. Chissà… un pensierino al Nobel ogni tanto i due giovani lo fanno…

Sono le quattro del pomeriggio e Akira ha finito il suo turno. Tukami, sempre puntuale, è già arrivato da dieci minuti, pronto a dare il cambio all’amico. Sono entrambi molto orgogliosi del proprio lavoro. In un’epoca dominata dai computer e dall’elettronica più sofisticata, se un evento avverrà, sarà ripreso da telecamere e da altre mille diavolerie, ma tutti hanno detto che l’occhio umano darebbe informazioni che nessuna macchina potrebbe mai cogliere. Uno di loro deve essere presente per forza.

Che strano… benché assonnato e stanco, Akira sta perdendo del tempo, non vuole andarsene. Sente quasi un formicolio dentro di sé. Poi decide: starà ancora un’oretta a far compagnia a Tukami. Il compagno, sempre puntuale ma gran dormiglione, lo guarda un po’ dubbioso. Forse vorrebbe dirgli: “Perché, allora, non mi hai fatto dormire un’ora in più?”. Ma, da buon giapponese, non "insulterebbe" mai il suo collega-amico e sorride a quella richiesta. Chissà che Akira non “senta” davvero che qualcosa  sta per accadere. Si volta quasi istintivamente verso il monitor più vicino e … vi è stato un lampo, ne è sicuro!

Lancia un urlo, ma Akira è giù lì vicino a lui, in tempo per vedere il secondo guizzo. Il Gadolinio sta facendo il suo lavoro egregiamente. I due ricercatori non sono ancora riusciti a chiudere la bocca ed ecco un altro lampo seguito rapidamente dal suo fratellino. E poi ancora e ancora. Non vi sono più dubbi, determinano rapidamente la direzione di quel fascio  e si lanciano al telefono interno: l’avventura è cominciata.

Cos'è successo? Presto detto: un neutrino è arrivato attraversando impunemente i mille metri di roccia lavica. E’ l’unica particella capace di fare quel percorso senza subire contraccolpi. Ha colpito una molecola d’acqua e l’ha scossa, obbligandola a emettere energia (il primo lampo) e anche un neutrone. A questo punto entra in scena il Gadolinio, un elemento "affamato" di neutroni. Nessuno come lui è capace di assorbirli. In brevissimo tempo il neutrone è catturato e viene riemessa una certa quantità di energia. I due fenomeni sono separati da una frazione di secondo, quanto basta per sentire un tic-tac, una specie di orologio o -meglio- il battito rapido di un cuore cosmico molto accelerato. Quasi come quello dei due ricercatori. Non vi sono dubbi è arrivato un neutrino. Non deve essere solo, però… bisogna aspettare che arrivano altri fratelli a ritmi cadenzati, secondo quella teoria formulata con tanta pazienza e tante simulazioni e che permette di distinguere un neutrino normale da uno speciale. Solo così i neutrini avranno un nome e un cognome e regaleranno  una direzione in cui guardare. È quella la ragione di quel cilindro così alto pieno d’acqua. Non solo per rivelare ma anche per indicare la direzione di provenienza.

Nel giro di pochi minuti, forse anche meno, occhi enormi e speciali si sono già diretti verso quel punto nel cielo, dove nessuno si può accorgere di qualcosa di speciale. Come si pensava è vicinissimo al centro, in una regione in cui dominano il gas e la polvere più scuri dell’intera galassia. Altro che occhio nudo! Nemmeno i più potenti telescopi spaziali potranno vedere la benché minima luce. Ma nell’infrarosso sì. In quella lunghezza d’onda la luminosità è smorzata di solo 20 volte, una sciocchezza per una supernova.

Tutto è pronto e la radiazione infrarossa, tanto attesa, giunge  sugli enormi obiettivi. Sono passati solo pochi minuti, ma potevano essere solo secondi o magari anche ore o giorni. E’ come vivere in diretta uno dei momenti più drammatici del Cosmo. I neutrini vengono lanciati durante il collasso della stella, il fascio infrarosso (e anche quello visibile se  si è fortunati) quando gli strati stellari superiori rimbalzano e vengono lanciati nello spazio. Un intervallo di tempo breve o brevissimo che racconta un dramma immenso. Poco importa il tempo che ci vuole: sapendo dai neutrini il momento del collasso si è sicuri di assistere all’esatto istante  in cui l’esplosione inizia.

E’ la prima volta che ciò capita. In qualsiasi altra supernova di una galassia vicina o lontana si iniziano le osservazioni solo se si ha la fortuna di catturare una luce improvvisa. Ma non sarà mai l’istante ZERO. La prima, fondamentale parte del film, si perde sempre. Magari solo per mezz’ora, dieci minuti, ma è comunque un tempo enorme che priva la scienza dei momenti decisivi legati alla nascita di una supernova. Solo i neutrini possono permettere di prepararsi ad assistere al vero inizio. Tutto ciò poteva essere fatto solo all’interno di quella cisterna a mille metri di profondità. Una cisterna fantastica,  capace di leggere i neutrini e distinguere la loro origine e  provenienza. Tuttavia, solo e soltanto se la sorgente è una stella vicina di casa, appartenente alla Via Lattea.

Akira e Tukami non stanno più nella pelle e contattano subito i loro colleghi dall’altra parte del mondo, dove un’altra apparecchiatura era in attesa di qualcosa di veramente speciale. Uno strumento magnifico, ma che era rimasto “sordo” finora. Anche lui aveva bisogno di qualcosa di vicino per poterlo rivelare. Il loro urlo di gioia sembra attraversare tutti i mille metri di lava indurita e disperdersi all’aria aperta. Sì, anche laggiù, all’ora esatta, sono state individuate le prime onde gravitazionali talmente potenti da smuovere la strumentazione dal suo letargo scandito solo dal rumore di fondo. Onde gravitazionali che possono essere nate, anch’esse, solo e soltanto durante la fase di collasso di una stella massiccia, quando nessuno poteva ancora vedere niente.

Una stella gigantesca che si contrae causa un movimento di massa mostruoso e la conseguente  formazione di onde gravitazionali. Magari non potenti come quelle di una coppia di buchi neri o chissà che altro, ma la sorgente è talmente vicina che non può non far giungere il suo grido ai rivelatori terrestri. Neutrini e onde gravitazionali uniti per un solo scopo. Akira, Tukami e i loro colleghi così lontani possono riposarsi: il via è stato dato, al tempo giusto, e confermato da due strumenti così uguali e così diversi da non lasciare più alcun dubbio.

Akira sente veramente caldo, l’ambiente sotterraneo è proprio opprimente. Meno male che vi è quello spiffero d’aria fresca che gli arriva giusto sul viso. Aria fresca a mille metri di profondità? No, c’è qualcosa che non va. Cosa sta succedendo? Akira apre gli occhi quasi con terrore: la vista della finestra e del mare lontano lo tranquillizza, ma lo rattristisce anche un poco. Stava solo sognando, accidenti! Eppure, sembrava così reale.

Deve stare calmo e aspettare fino al 2016, quando il Super-K con l’aggiunta del Gadolinio entrerà in funzione. Uffa! Che noia. Anche un giapponese di buona famiglia ogni tanto si arrabbia e diventa impaziente. Meno male che ha solo 25 anni e che è stato assegnato proprio a quel fantastico progetto. Una supernova casalinga ogni 50 anni? Ma si! Può permettersi di aspettare e di sperare. Anzi ne è sicuro. Ha pochi dubbi in proposito, ma sa anche che quel sogno lo accompagnerà ancora varie volte prima del 2016…

supernova del 1604
Ciò che resta, oggi, della supernova del 1604. Fonte: NASA/ESA.

Ovviamente, questo è un racconto di fantascienza. No, meglio dire di pre-scienza, dato che si può stabilire abbastanza bene entro quando capiterà. Magari, è un racconto pessimistico, nel senso che la prossima supernova della nostra galassia sarà anche visibile a occhio nudo come quella di Keplero del 1604 (osservata dal grande scienziato proprio in Italia). Chissà… in ogni modo, i nostri Akira e Tukami (o quelli che saranno i loro veri nomi) saranno gli unici a dare il via alle osservazione del momento ZERO, che nessuno potrebbe mai cogliere a occhio o a telescopio... nudo!

Per capire le procedure statistiche e i modelli usati per stabilire la frequenza di supernove nella nostra galassia, si può andare QUI (gratis). Un piccolo antipasto in attesa del vero “scoop” stellare!

12 commenti

  1. beppe

    I primi neutrini da supernova non sono stati osservati nel 1987?

  2. sì, caro beppe, ma non certo sicuri e sufficienti da dirigere subito i telescopi in quel punto prima dell'esplosione....

  3. foscoul

    Quì ho trovato delle illustrazioni immagini del super K e di altri progetti e idee :idea:    https://hepconf.physics.ucla.edu/pacific12/talks2012/vagins.pdf     :mrgreen:  

  4. caro foscoul,
    magnifico il pdf. Spiegato molto bene e con ottime figure. Lo inserisco tra i "contributi". Chi vuole andare a fondo ha materiale a disposizione.
    Grazie!  :wink: 
    questa è collaborazione intelligente!!!! 

  5. Mario Fiori

    Speriamo sia possibile vedere qualcosa anche ad occhio nudo, caro Enzo, sarebbe magnifico, con tutte le speranze di essere a distanza di sicurezza, ma su questo mi sembra avevi dato già qualche rassicurazione in passato.

  6. Gianluca Paone

    100% la probabilità di avere un'esplosione di supernova nei prossimi 50 anni e solo il 20% di probabilità che questa possa essere vista ad occhio nudo o comunque nel visibile..... Io spero che la prima e forse unica supernova della mia vita ricada in quel 20%..... :wink:

    Fonti: http://researchnews.osu.edu/archive/supernova50.htm (perartro è l'articolo da cui parte la fonte che hai citato tu Enzo) 
    e AAVSO: http://www.aavso.org/could-milky-way-supernova-be-visible-earth-next-50-years

  7. Alberto

    Mi complimento per l'eccezionale cronaca documentata, da far invidia ai migliori sceneggiatori di cinematografia hollywoodiana.
    Che film!

  8. Gianluca Paone

    E' il modo con cui ci ha abituato a studiare il nostro Enzo....(vedi Rosetta e le tre sorelle e L'infinito teatro del cosmo).  :-D
     

  9. grazie ragazzi... abbiate pazienza, ma a piace vivere il Cosmo!!! :mrgreen:

  10. gioyhofer

    Ciao Enzo, 
    bell'articolo/racconto come sempre, questo è proprio il modo giusto per far appassionare i lettori...
    Vorrei però chiederti un chiarimento, si stima appunto che una supernova dovrebbe esplodere  ogni 50 circa nella nostra galassia, ma se questa dovesse essere al centro della nostra galassia oppure agli antipodi rispetto a noi non potremmo comunque vederla a causa della polvere interstellare che assorbirebbe tutta la radiazione, giusto? Potremo quindi vederla solo "tramite" i neutrini che, non avendo massa, attraversano tutto? Ho capito bene? 
    Ma un neutrino, passando attraverso il centro galattico, potrebbe subirne la deviazione gravitazionale e non raggiungerci affatto?(Son un po' confusa al riguardo...!!!)
    Grazie
    Giorgia 

  11. dici bene Giorgia!
    d'altra parte, anche la luce delle stelle subisce la deformazione spazio-temporale di corpi massicci. Eppure all'interno della nostra galassia capita raramente che si osservi una lente gravitazionale, dato che la deformazione è molto ristretta attorno alla stella. Lo spazio per andare dritti c'è quasi sempre. Diversa è la situazione di una supernova proprio dietro al buco nero galattico. Tuttavia, anche in quel caso bisogna che sia proprio nel punto giusto: un buco nero è piccola cosa e la deformazione dello spazio che causa è molto limitata rispetto allo sfondo stellare. Diciamo che bisogna essere proprio sfortunati... 

  12. cara Giorgia,
    aggiungo che una ipotetica stella che faccia da lente gravitazionale non ci farebbe vedere i raggi inviati direttamente, ma quelli che vengono piegati e che si dirigono verso di noi sì... proprio come una lente gravitazionale che ci fa vedere anche quello che le  sta dietro.  Al limite ci sarebbero problemi con gli istanti di arrivo... 

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