29/09/14

Lo scudo lunare***

Queste particelle subatomiche giungono sulla Terra a velocità straordinaria, molto prossima a quella della luce. L’atmosfera diventa un vero e proprio “muro” per loro e le “frantuma”  in una cascata di particelle secondarie che generano un debole lampo di onde radio che dura non più di pochi nanosecondi (un nanosecondo è pari a un miliardesimo di secondo).

Come si misura l’energia delle particelle? Attraverso la loro energia cinetica, ossia moltiplicando la velocità al quadrato (mamma mia!) per la massa. Misure ovviamente impossibili, soprattutto per la massa…, e allora si usa un’unità di misura molto particolare: l’elettronvolt (eV). Esso viene definito in termini quantistici e relativistici. Non possiamo entrare nei dettagli, ma la definizione è abbastanza “semplice”: esso è l’energia guadagnata (o persa) dalla carica elettrica di un singolo elettrone (sempre lui e la QED diventa sempre più fondamentale) quando viene spostato nel vuoto tra due punti che differiscono di 1 Volt in termini di potenziale all’interno di un campo elettromagnetico.

In poche parole, si misura l’energia potenziale per unità di carica. Un po’ come succede quando si sposta una particella all’interno di un campo gravitazionale. Lo spostamento causa una differenza di energia potenziale (andate a leggere la fisica addormentata…), ossia la forza gravitazionale compie un certo lavoro, per spostare la particella da un luogo a un altro. Dividendo per la massa della particella si ha il potenziale. Insomma, in modo molto rozzo, si misura quanto lavoro si deve fare (lavoro in senso fisico) per spostare una particella carica (elettrone) all’interno di un campo elettromagnetico. Eh sì, con le particelle non è facile usare una bilancia per misurare la massa…

Senza poter andare ancora più a fondo, possiamo dire che un raggio cosmico diventa un UHE se ha un’energia superiore a 1018 eV. Non fatemelo descrivere a parole, ma sono miliardi di miliardi di elettronvolt…. Si considerano invece raggi cosmici di estrema energia quelli che superano i 5 1019 eV. Questo è un limite teorico che si riferisce a una distanza percorsa di circa 160 milioni di anni luce. Nessuna particella che abbia percorso una distanza maggiore potrebbe conservare questa energia a causa delle interazioni di scattering con i fotoni del rumore cosmico di fondo (ancora una volta la QED ci fa “vedere” come può capitare attraverso la terza lettera dell’alfabeto). E’ invece possibile superarla per sorgenti più vicine a noi.  Se rilevassimo energie superiori vorrebbe dire che il raggio cosmico “mostruosamente” energetico è nato nel nostro superammasso locale galattico.

Pensate che dal 2004 al 2007, l’unico strumento terrestre in grado di catturare questi segnali in modo soddisfacente (il Pierre Auger Observatory) ne ha contati solo 27 superiori a 5.7 1019 eV, ossia circa un evento ogni quattro settimane nei 3000 km2 analizzati dall’osservatorio.

Le sorgenti di questi raggi hanno preso un nome particolare: Zevatroni. Il nome deriva dal valore energetico di 1021 eV, ossia 1 ZeV, che dovrebbero avere alla partenza dalla sorgente. Vi è un’analogia con quanto si è riusciti a fare in laboratorio. Nel Lawrence Berkeley National Laboratory si raggiunse e si coniò il termine Bevatrone. Nel Fermi Lab si ottenne il Tevatrone. L’unico laboratorio in cui si riesce a raggiungere l’energia del Zevatrone è un’ipotetica sorgente cosmica, ancora irraggiungibile nei laboratori (e ancora misteriosa).  Sarebbe bello andare a fare gli esperimenti nei pressi di queste sorgenti, ma il viaggio è ancora un po’ difficoltoso…

Alcuni pensano che possano identificarsi con i nuclei galattici attivi (AGN) molto vicini, come quello di M87, attraverso i loro getti polari. Un piccolo inciso di tipo “culturale”: quando gli astrofili puntano il loro strumento su M87 pensino che il buco nero centrale potrebbe accelerare, nei suoi getti,  nuclei di ferro fino a qualche Zev.  Nuclei di ferro, ossia piccoli proiettili metallici. Insomma, un vero e proprio fucile mitragliatore. Per adesso, è ancora un’ipotesi non confermata. Comunque, soffermatevi un attimo, tra una foto e l’altra, su questa idea: l’Universo apparirà subito molto più bello e affascinante dell’ immagine ultratecnologica ottenuta…

Si sono misurate energie anche superiori (e quindi particelle lanciate da sorgenti molto più vicine). La più celebre ha un nome che è tutto un programma: Oh-My-God (Oh mio Dio!). Era il 15 ottobre del 1991. L’energia misurata è stata di 3x1020 eV, un valore che i nostri laboratori ancora si sognano… Per essere esatti, nei laboratori terrestri si arriva a energie 40 milioni di volte più basse. Una particella veramente pazzesca, dato che la sua energia ha superato di 20 milioni di volte quella dei raggi cosmici più energetici rilevati fino a quel momento.

Se la particella fosse stata un protone, la sua velocità sarebbe stata di 0.9999999999999999999999951c, ossia solo 1,5 femtometri al secondo più lenta di c! Un  femtometro è pari 10-15 m. Per scherzare un poco, si potrebbe pensare a una gara di corsa tra un fotone e la particella Oh-My-God. Percorso rettilineo (nello Spazio c’è tanto … spazio) e durata della sfida uguale a un anno. Bene, il distacco finale tra i due contendenti sarebbe di 46 nanometri, ossia 46 miliardesimi di metro a favore del fotone. Un arrivo al fotofinish! Per arrivare a un vantaggio di 1 cm ci vorrebbe una gara di 220 000 anni.

Dopo questa breve “competizione sportiva” tra le particelle più energetiche che ci vengono a visitare, vediamo come si potrebbe rivelarne un po’ di più delle attuali 27 in tre anni. Lo strumento si sta costruendo e ha il nome di Square Kilometre Array (SKA). Esso sarà formato da una serie di radio telescopi tali da formare una superficie totale di raccolta uguale a un chilometro quadrato. Tuttavia, le varie antenne saranno distribuite su un’area geografica ben più estesa, che coprirà il Sud Africa e l’Australia, in modo da ottenere una distanza massima totale (un diametro effettivo) di 3000 km. Questa è la distanza che comanda il potere risolutivo (di cui abbiamo appena parlato), mentre il chilometro quadrato è l’area di raccolta, ossia quella che indica quanta “luce” (onde radio) si riescono a raccogliere. Sono due cose ben diverse e non fate confusione, mi raccomando…

I nuclei centrali dello SKA sono già in funzione. Con tale strumento in azione si farebbero cose meravigliose. Una fra tutte: la ricezione della riga a 21 cm dell’idrogeno neutro, dovuta all’inversione dell’asse di rotazione dell’elettrone (detto in modo MOLTO semplicistico). E’ un segnale che l’atomo di idrogeno manda nello spazio anche quando è neutro, ossia non è ionizzato. I più preparati hanno già capito l’importanza.

Qual’era il periodo in cui tutti gli atomi di idrogeno erano neutri e non producevano luce? Proprio l’era oscura, quella in cui si sono formate le prime stelle e galassie. La riga a 21 cm ci permetterebbe di leggere in mezzo alla nebbia dell’Universo, poche centinaia di migliaia di anni dopo il Big Bang. Una riga che è proprio come un faro antinebbia! Ancora una volta la spettroscopia la fa da padrone… Speriamo di avere tempo a proseguire a raccontarla…

Torniamo a noi

Come dice la celebre pubblicità: “Per una grande parete ci vuole un grande pennello”, così potremmo dire: “Per un grande ricevitore ci vuole una gran numero di particelle”. Guardare solo gli impatti sulla nostra atmosfera sarebbe un vero spreco

In modo molto elementare e semplificato ci viene in aiuto la Fig. 1. Poniamo che lo SKA sia formato dalle due antenne A e B, poste sulla superficie terrestre. Ognuna di esse ha un campo visivo, ossia può coprire una certa zona di cielo. In altre parole copre un certo angolo ϑ che consideriamo uguale per ogni antenna. Ovviamente le due antenne devono guardare la stessa zona di cielo, se no non si potrebbero sommare le intensità delle onde radio ricevute.

Figura 1
Figura 1

Poniamo adesso che la sorgente misteriosa invii i suoi raggi cosmici nella direzione delle frecce gialle. Se le antenne cercassero i raggi cosmici nel loro impatto con l’atmosfera guarderebbero verso la zona ST, estremamente piccola. Tuttavia, a circa 400 000 km da noi vi è una zona ben più estesa in cui vi sarebbe l’impatto dei raggi cosmici. Questo specie di scudo (SL) è la Luna, contro la quale picchierebbero ben più raggi cosmici rispetto a quelli della piccola zona ST. Sì, l’interazione, e la formazione della catena di particelle secondarie che emettono nel radio, sarebbe più lontana, ma lo SKA ha tutte le capacità di leggerla perfettamente.

Ci si aspettano almeno 165 UHECR all’anno contro i 15 attuali. Un fattore dieci non è poco per le particelle più energetiche dell’Universo e potrebbe aiutare a scoprirne l’origine. Ovviamente lo SKA non farebbe solo quello, ma mille altre cose mai ottenute prima. Non ci resta che aspettare qualche anno. La Luna non ha fretta…

Sapete quanto io sia “imbranato” nelle questioni informatiche e quindi vi traduco letteralmente il traffico di informazione di dati che nascerà per far lavorare lo SKA. Esso produrrà un traffico circa dieci volte superiore a quello attuale globale di internet. Il play back di un giorno lavorativo dello SKA, tradotto in versione MP3 (?), avrebbe bisogno di due milioni di anni per essere ascoltato!

Prima di concludere… una domanda ai chiacchieroni (ma spero a tutti i lettori): “Vi piace questo modo più “ampio” di trattare le news? Ossia, cercare di inquadrare la notizia cercando di spiegare molto “rozzamente”  le varie problematiche che vengono toccate?”.

Impiego, ovviamente, più tempo e quindi sono costretto a ridurre le news e richiamare solo le più interessanti (almeno per me). D’altra parte, però, molte tessere del puzzle fisico e astrofisico si metterebbero a posto attraverso incastri continui.

Boh… ditemi qualcosa…

Per maggiori informazioni sullo scudo lunare, potete andare QUI

Come apparirà lo SKA (una minima parte, ovviamente). Fonte: SKA
Come apparirà lo SKA (una minima parte, ovviamente). Fonte: SKA

16 commenti

  1. Alvermag

    Caro Enzo, io sono per gli approfondimenti. L'avverbio che hai usato "rozzamente" mi piace assai poco.
    Tieni presente che sul web ci sono molti siti che trattano alla meno peggio argomenti di astronomia, sarebbe sbagliato - secondo me - confondersi con loro.

    Io mi sono avvicinato recentemente al tuo blog proprio perchè vi ho trovato approfondimenti che altrove non ci sono. I tuoi lunghi articoli con schemi, formule ed analisi puntuali sono la vera ricchezza di questo sito, naturalmente senza dimenticare le news.
    Se voglio avere informazioni sull'espansione dell'universo, sul cono di luce, sulla geometria dell'universo non ho che da scegliere: otterrò notizie frammentarie, esposte in aramaico (spesso i ricercatori non si pongono nei panni dei non esperti) o in modo sciatto e troppo semplicistico. Tu hai dedicato ai temi suddetti vari articoli che entrano nella questione anche da diversi punti di vista.

    Enzo, io sono per la conservazione dello status quo: chi è interessato è il benvenuto, ma deve essere lui ad adeguarsi all'indirizzo del blog e non viceversa. Si rischia altrimenti di fare la fine della scuola italiana: per portare avanti tutti si è talmente abbassato il livello dell'istruzione che i nostri studenti sono gli ultimi d'Europa.

    Io quindi voto NO, NO, NO - una costellazione, una galassia, un universo, una miriade di universi - di NO!!!!!!!

    N.B.: Scusate la franchezza.

  2. caro Alvy,
    hai compreso male lo spirito di quel "rozzamente". I miei articoli di approfondimento sul cono di luce, sui buchi neri, sulla MQ sono per definizione "rozzi", nel senso che non usano le equazioni che permettono di descrivere perfettamente le problematiche. E' un po' come la Pietà Rondanini e quella di San Pietro, entrambe di Michelangelo. Una è lasciata appena abbozzata, ossia è ancora "rozza"; l'altra è ritoccata perfettamente. Sono entrambi capolavori perché permettono entrambe di avere sensazioni, emozioni fortissime. Io non pretendo di fare "capolavori" michelangioleschi, ma il mio modo abbozzato spero dia una visione abbastanza generale e sufficiente per inquadrare la problematica. Anche senza bisogno di completare l'opera fin nei minimi particolari.
    Questo articolo è quello che vorrei fare d'ora in poi... Ti sembra troppo "rozzo"?

  3. Alvermag

    No Enzo, probabilmente sono stato troppo irruento e mi sono spiegato male.

    L'articolo non lo trovo affatto rozzo, tant'è che senza la tua puntualizzazione non lo avrei distinto - per qualità - dagli altri.

    Il mio timore è quello che ho scritto nel messaggio: non vorrei che, per "abbracciare tutti" scadesse il livello qualitativo degli articoli ed il grado di approfondimento.

    Tutto qua..... :-D

  4. No, no, stai tranquillo... semmai aumenterà l'approfondimento. Mettiamo in conto, però, che di tanto in tanto dovrò dedicarmi ad articoli più elementari... Non tutti nascono ... imparati! :wink:

  5. adriano

    Questo modo per il sottoscritto che è un po' rozzo è fantastico :mrgreen: In attesa della spettroscopia grazie per il tempo che ci dedichi :-P

  6. caro Adriano, grazie mille! :-P
    sì, ho usato una parola sbagliata (Alvy a momenti mi mangia!). Invece di "rozzo" era meglio usare "gentile" o "leggero" o "vellutato" o -magari- solo "semplice" (per quello che riesco a fare)... :mrgreen:

  7. Alvermag

    E dai Enzo, non sono un cannibale! Inoltre sono molto più gentile di quanto sembri attraverso il mezzo informatico.

    Mi voglio associare ad Adriano nel ringraziarti per quel TANTO che fai per noi.

    No farmi sentire in colpa, accidenti!! :wink:

  8. ma io scherzo Alvy e lo sai benissimo! Non possiamo più "litigare" con tutti i visitatori che ci ... guardano! :mrgreen:

    Dai che domattina presto scrivo delle mamme di tutte le stelle... e dei modi diversi di agire. Un piccolo viaggio nel primo miliardo di anni, anzi molto prima... diciamo 500 000 anni fa... :wink:

  9. Alvermag

    COSI' TI VOGLIO ENZONE !!!!

    :-P :-P :-P :-P :-P :-P

  10. luigis

    Per noi quattro, gli ultimi articoli (Alma e Zevatroni) risultano solo più completi, piacevoli e digeribili. Perciò, se si tratta di un nuovo stile, noi lo votiamo (ringraziando per il maggior tempo dedicato).
    Caro Alvermag, è chiaro che Enzo non intende con questo rinunciare alla qualità e profondità delle sue presentazioni, e poi, lascia che si dedichi anche a noi ragazzini bramosi o vecchietti rinco, ma sempre curiosi e meravigliati. Con sincero affetto ...

  11. Supermagoalex

    Ciao Enzo,

    al CERN le collisioni raggiungono gli 8 TeV (ossia ottomila miliardi di eV, se non erro) e si punta ai 14, mentre al Tevatron le particelle collidevano a 2 TeV.

    Tutto questo è ridicolo se pensiamo ai 10exp18 eV di questi raggi cosmici, ci sono almeno sei zeri in più, per non parlare degli Zevatroni! 8-O

    Per la domanda, appoggio anche io questa nuova impostazione delle news 8)

  12. alexander

    concordo con sma, la nuova impostazione mi piace molto! :-P

  13. gioyhofer

    Si si, anch'io sono per l'approfondimento...
    Così si imparano sempre più cose nuove o ci si rinfresca un po' la memoria...
    ;)

  14. Daniela

    Condivido senz'altro la nuova impostazione delle news: per chi, come me, ha davvero poco tempo per leggerle (e un desiderio di farlo inversamente proporzionale al tempo!) è fantastico trovare in un articolo tutte le informazioni utili per capire l'articolo stesso.

    Meglio, secondo me, rinunciare a qualche news, se questo significa alzare la qualità (che era già notevole anche prima) delle informazioni che si ricevono.

    Grazie di tutto!

  15. grazie a te Daniela e vedrò di fare del mio meglio... :-P

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