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20/11/13

Una fortuna davvero “galattica” *

Il presente articolo è stato inserito nella pagina di approfondimento dedicata all'effetto lente gravitazionale

 

E’ stata scoperta la lente gravitazionale più distante (ossia, più lontana nel tempo). Essa mostra un bellissimo anello di Einstein, indicando un allineamento praticamente perfetto con qualcosa di ancora più lontano. Una bella fortuna. Ma, forse, non c’entra solo la fortuna.

Proviamo a guardare il cielo notturno ad occhio nudo. Chiudiamo un occhio. Prendiamo un dischetto di plastica e poniamolo davanti all’ unico occhio aperto. Esso copre molte stelle. A mano a mano che allunghiamo il braccio e allontaniamo il dischetto dal nostro occhio, il numero di stelle nascoste diminuisce sensibilmente. Se riuscissimo a portarlo a qualche chilometro da noi, probabilmente non darebbe più alcun fastidio.

Immaginiamo, adesso, di lavorare “in grande”. Prendiamo una galassia vicina e osserviamo attentamente se essa nasconde qualcosa dietro di lei. Facilmente sì, qualche galassia molto più lontana. Se la galassia che “nasconde” si allontana sempre di più, la probabilità che copra qualcosa di ancora più distante scende sensibilmente, sia perché dovrebbe scendere il numero di oggetti più lontani, sia perché le dimensioni della nostra galassia in movimento diventano più piccole.

Se arriviamo a un certo livello di distanza, le osservazioni “normali” non riescono più a informarci se esiste qualcosa dietro alla galassia che fa da dischetto. Essa diventa un oggetto apparentemente compatto e nasconde completamente ciò che le sta dietro (se vi è qualcosa dietro). Meno male che il Sig. Einstein ha “inventato” la teoria della relatività e la deformazione dello spazio-tempo! La luce di una galassia molto lontana, coperta completamente alla vista dalla galassia “dischetto”, riesce comunque a farsi notare.

I raggi luminosi che passano vicino ai bordi del dischetto vengono deviati dalla gravità di quest’ultimo e indirizzati verso l’osservatore, proprio come farebbe una lente. Non solo, l’immagine di ciò che è nascosto s’ingrandisce e permette una visibilità maggiore dello stesso oggetto rispetto a quella che avrebbe se fosse completamente “scoperto”. Stiamo parlando di lente gravitazionale, quel fenomeno previsto da Einstein e poi non solo confermato, ma usato normalmente per studiare oggetti talmente lontani che i nostri telescopi non potrebbero nemmeno vederli.

Una galassia vicina (o oggetti abbastanza massicci) riescono a mostrare ciò che non si potrebbe scorgere, diventando delle vere e proprie lenti d’ingrandimento. Non possiamo, però, pretendere troppo! Non si ha un’immagine “normale”, ma un anello di luce, come mostra la Fig. 1. L’oggetto lontano e nascosto si mostra tutt’attorno all’oggetto più vicino che funziona da lente. Poco male, ormai gli scienziati sanno come fare per ricostruire la vera forma di ciò che sta dietro. Non solo, però. Si sfrutta anche la deviazione della luce per determinare la massa della galassia-lente. Insomma, un bel colpo di fortuna!

lente gravitazionale
Figura 1. La galassia lontana GL non potrebbe essere vista dalla Terra, dato che è nascosta completamente dalla galassia GV più vicina. Tuttavia, la luce di GL che passa vicino a GV viene deviata e riesce a giungere sulla Terra. Questi raggi formano un’immagine apparente della GL a forma di anello.

Spieghiamoci meglio, riassumendo quanto detto precedentemente. Se la galassia lente è abbastanza vicina, è anche abbastanza facile che nasconda qualcosa (se è troppo vicina, però, non riesce a lavorare bene come lente per oggetti più lontani). Se, invece, è una galassia lontanissima, diventa ben più difficile che vi sia qualcosa dietro di lei. Sia per motivi di porzione di cielo coperta sia perché ormai potrebbe nascondere soltanto gli oggetti più antichi dell’Universo, ossia le prime galassie. Essendo nate a un certa distanza temporale dal Big Bang, se la galassia lente si avvicina troppo a questo momento, non dovrebbe avere più niente da nascondere. O, in altre parole, se riuscisse a nascondere qualcosa sarebbe proprio un bel colpo di fortuna!

anello di Einstein
Un bellissimo anello di Einstein osservato da Hubble. Fonte: ESA/Hubble & NASA

Eppure, ogni tanto si vince al superenalotto! E così è successo recentemente mentre si studiava in dettaglio una galassia molto lontana, la cui luce ha impiegato più di nove miliardi di anni per giungere a noi (più o meno lo stesso tempo impiegato dalla luce di QUESTA stellina, eccezionalmente osservata da Hubble proprio grazie all'effetto lente).  A un'analisi attenta, questa galassia mostrava qualche stranezza e le anomalie crescevano andando più a fondo. “Pulendo” un po’ l’immagine e togliendo la  luce diffusa delle stelle della galassia, il mistero si è chiarito facilmente. La galassia era circondata da un perfetto anello di Einstein. Malgrado fosse così lontana, riusciva a essere perfettamente allineata con una galassia ancora più lontana. Una galassia che non si sarebbe potuta vedere se osservata senza un dischetto messole davanti dalla Natura. Un colpo di fortuna micidiale.

Pensate che l’allineamento corrisponde a una separazione di solo un millimetro alla distanza di venti chilometri. Fortuna? Difficile a crederci. Sarebbe come vincere tre volte di fila al superenalotto! Mmmm… c’è del marcio in Danimarca! Fosse veramente il superenalotto, penseremmo subito a qualche strano “affare” malavitoso, a qualche fuga di notizia o a una estrazione pilotata. Nell’Universo non c’è malavita (come sappiamo ormai molto bene) e quindi questo colpo di fortuna deve dipendere da qualcosa che non avevamo ancora immaginato. Oltretutto, negli ultimi tempi ne sono state scoperte parecchie, anche se non così lontane.

la lente gravitazionale più lontana
L’immagine di Hubble che mostra la più lontana lente gravitazionale mai osservata. La struttura al centro dell’immagine è la galassia che fa da lente, mentre l’alone che la circonda è l’immagine apparente (anello di Einstein) della galassia ancora più lontana. Fonte: NASA/ESA/A. van der Wel.

In altre parole, parecchie galassie lontanissime mostrano un alone attorno a loro che si rivela essere un anello di Einstein o una sua forma leggermente distorta dal non perfetto allineamento. La ricostruzione della galassia nascosta corrisponde esattamente a quanto ci si sarebbe aspettato: una galassia giovane, appena nata, di piccole dimensioni. Insomma, una tipica galassia primordiale, quelle che un po’ alla volta avrebbero formato quelle più grandi. Tuttavia, essendo all’inizio della lunga storia dell’Universo, il loro numero avrebbe dovuto essere abbastanza ristretto. Senza troppi giri di parole: non dovevano essercene così tante da poter essere nascoste perfettamente (o quasi perfettamente) da una galassia più vicina, ma ancora di un’età uguale a solo un terzo della vita dell’Universo.

Le teorie di formazione galattica dovranno essere probabilmente riviste, accettando un  numero ben maggiore di galassie nane primordiali (non più grandi di un millesimo della nostra galassia), in cerca di sorelle per costruire qualcosa di sempre più maestoso e potente (forse come QUESTA, osservata sempre grazie all'effetto lente). Scegliendo lenti abbastanza lontane, si riuscirà a ingrandire e studiare un mondo pieno di cuccioli alla disperata ricerca di un amico, forse spaventati da tutto quel buio e quella nebbia che lentamente stava sparendo. Un telescopio per guardare lontanissimo, oltre la limitatezza dei nostri strumenti. Ma, nel contempo, un vero e proprio microscopio che scenda sempre più nei particolari. Dico qualcosa di molto sbagliato se mi sembra quasi di entrare all’interno di un atomo in formazione e vedere come le particelle si stiano agitando per combinarsi assieme? Infinito e zero si toccano sempre…

Il lavoro originale (gratis) si può scaricare QUI.

 

NEWS! Grazie all’effetto lente sono stati, per la prima, osservati i primi istanti dell’esplosione di una supernova

11 commenti

  1. Manni Antonio

    Salve Sig. Vincenzo :) ,

     una domanda: come fanno gli scienziati a ricostruire la galassia che sta dietro a quella che fa da lente gravitazionale?

     

  2. manuela

    un argomento sempre affascinante quello delle lenti gravitazionali, e trattato con tanto affetto per quei "cuccioli" di galassia. Nonostante il grande fascino della MQ non si può non essere sbalorditi e grati per il genio di Einstein

  3. caro Antonio,
    i metodi di ricostruzione immagine non sono semplicissimi da spiegare. Si rifanno comunque alle formule teoriche applicate al contrario. La deviazione della luce e le sue caratteristiche asimmetriche oppure no permettono di risalire alla massa della lente. A questo punto, si esegue una specie di "asportazione" della massa  e si ricostruisce ciò che stava dietro. Tuttavia, ricordiamoci che non è tanto l'immagine visiva che conta a quei livelli, ma lo spettro e altri parametri che sono indipendenti da come la luce ci arriva e che forma assume apparentemente...

    cara Manuela,
    in fondo, volente e nolente, è stato proprio Einstein a dare un colpo decisivo a favore della MQ con il suo effetto fotoelettrico. Avrebbe avuto bisogno di ancora un po' di tempo per pensarci sopra... 

  4. Mario Fiori

    Benissimo caro Enzo, quindi studiando lo spettro si capirà anche in pratica come erano formate e da quali elementi chimici prevalenti erano formati i "cuccioli" di galassia. La Teoria sarà dunque applicata.

  5. davide1334

    enzo,metto qua,visto che sta nella sezione "struttura dell'universo",anche se esula  un pò dall'articolo specifico,chiedo scusa,ma ogni tanto  mi balenano in mente quesiti assurdi e te li devo esporre,è più forte di me: porta pazienza...
    una domanda da profano sulle galassie stimate del nostro universo visibile che vediamo nello spazio profondo e non:  prendiamo come "unità di misura" l'ultra deep field di hubble: allora,porzione piccolissima di cielo,apparentemente vuota, che "fissiamo" con il migliore occhio a nostra disposizione attualmente,con una prolungata esposizione,ora non ricordo di quanti giorni; risultato:cinquemila e passa galassie che si sono "materializzate" dal nulla,giusto? moltiplichiamo per media approssimazione la porzione di cielo su tutta la nostra sfera visibile e ci salta fuori un numero x,funziona così più o meno la stima totale? se dico baggianate fermami eh
    andando oltre:ma siamo sicuri che il tutto non dipenda dalla nostra-seppur avanzata e sofisticatissima- tecnologia che ci pone comunque dei limiti?cioè,voglio dire,allora anche tutte le zone "occupate" dagli oggetti vicini,chessò il disco e il bulge della via lattea,le stelle a noi vicine,gli ammassi globulari,le galsassie vicine,nubi di gas ecc.hanno quindi presumibilmente  "dietro di sè" queste cinquemila galassie in media  per ogni piccola porzione di cielo?mi viene da pensare che se potessimo centuplicare la raccolta di luce e centuplicare anche l'esposizione tutta la nostra sfera visibile risulterebbe luce totale,il famoso paradosso di olbers che si  materializzerebbe,diciamo....è follia?fino a che punto riusciamo a capire se il buio da noi percepito è veramente"vuoto"?spero di essermi spiegato

  6. caro davide,
    dici bene fino a un certo punto. Sì. sicuramente dietro al gas e a qualche stella della nostra galassia si cela qualche lontana galassia (ricordiamoci che una stella è però puntiforme).Tuttavia, attenzione che le galassie più lontane visibili OGGI sono già praticamente quelle più lontane visibili (sfioriamo e a volte superiamo i 13 miliardi di anni). Potremmo vederle meglio, ma difficilmente ne vedremmo di più aumentando la potenza dei telescopi. Il numero necessario per coprire di luce ogni parte del cielo ci porterebbe a distanza ben maggiori di quelle relative alla nascita dell'Universo. Il paradosso di Olbers non ha bisogno di grandi telescopi per essere valido. Ricorda che la luminosità decresce con la distanza ma aumenta con il numero di oggetti per quadratino unitario. E lo fanno con la stessa legge. Se ci fosse qualcosa la dovremmo comunque vedere come luce diffusa...

  7. AlexanderG

    Caro Enzo,    come Davide1334, non so se questo sia il posto più adatto a formularti questa domanda, eventualmente cancellala senza problemi ed indicami dove sia meglio riformularla... l'argomento è l'evoluzione dell'Universo:  supponiamo che da ieri (circa 24 ore fa) l'Universo abbia arrestato la sua espansione ed abbia iniziato a contrarsi 8-O  (il famoso omega<1)
    In questo caso, saremmo in grado di accorgerci di questo cambiamento?  Se non subito, quanto tempo ci vorrebbe?
    Questa domanda mi è venuta in mente pensando che qualsiasi oggetto celeste noi osserviamo, lo vediamo in realtà com'era in passato;  un passato proporzionalmente "lontano" quanto la distanza che ci separa dall'oggetto stesso.
    Le galassie più lontane inizierebbero ad avere un "blue-shift"?  Oppure, proprio perché lontane, ne continueremmo a vedere lo spettro verso il rosso e dalle più vicine inizieremmo a vedere la tendenza al blu?
    Spero di non aver scritto troppe fesserie :oops:  

  8. Caro Alexander,
    il discorso è più complicato di quanto si pensi così "di brutto". Se da ieri lo spazio si contraesse, la luce della galassia partita 10 miliardi di anni fa più un giorno, avrebbe percorso 10 miliardi di anni subendo la dilatazione dello spazio e poi un solo giorno di contrazione. Cosa vedremmo? Comunque un redshift. Per cominciare a vedere un blueshift da quella galassia dovremmo aspettare il giorno in cui il percorso della sua luce abbia subito un dilatazione (fammelo dire così...)  un giorno in meno di quanto non abbia subito una contrazione. Ma sarebbe un blueshift infinitesimo. Nel tempo umano non riusciremmo certo a capire molto... Anche una galassia vicina avrebbe bisogno di un tempo lunghissimo per annullare il suo redshift... sempre decine di milioni di anni. Quelle molto vicine avrebbero un moto proprio che scombussolerebbe tutto.
    Per concludere ogni galassia si presenterebbe alterata, ma in modo molto difficile da interpretare. Sicuramente si riuscirebbe, ma sai che fatica!!!! E bisognerebbe anche avere dei dati relativi solo al redshift, se no non faremmo che costruire una legge di Hubble alterata e non certo una doppia legge di Hubble. Lo potranno fare solo coloro che vivranno tra milioni e milioni di anni (forse anche di più) e che abbiano tenuto ben presente i nostri dati. Oppure un genio che riesca a intuire questo doppio andamento... diverso per ogni galassia a causa della diversa partenza della luce che ci arriva. Spero di essermi spiegato... 
    Probabilmente, facendo un po' di conti si potrebbe, sapendo a priori cosa sta capitando, trovare il tempo x, ma ci sarebbe bisogno di molto, molto tempo ancora di osservazioni... 

  9. AlexanderG

    Grazie Enzo, grazie come sempre, ti sei spiegato benissimo.
    Mi chiedo se a questo punto non stiamo già in una fase di contrazione, iniziata da qualche giorno! :lol:
    (scherzo)

  10. In realtà lo pensavo anch'io.... Dopo che mi hanno operato di cataratta all'occhio sinistro (lente nuova!!!!!), sto vedendo tutto più azzurro da quest'occhio rispetto all'altro (più giallognolo... dato che la lente è vecchia e sporca...). Insomma, ho un occhio con blueshift e uno con redshift. Tra pochi mesi mi cambieranno anche l'altra lente e sarà solo blueshift. Ti indicherò il giorno così potrai segnarti il momento della fine della... dilatazione temporale!!! :mrgreen: :mrgreen:

  11. AlexanderG

    Hahahahahahhaah! :D
    Sei un mito! 8)

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