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7/03/15

L’Universo non è come Paganini: a volte ripete! **

L’Orient Express è stato un sogno per molti, ma anche un mezzo attraverso il quale viaggiavano segreti, misteri, informazioni preziose. Oltre che salotto lussuoso viaggiante, esso era il luogo di incontri clandestini, di amori e di passioni travolgenti e inconfessabili, ma anche -e soprattutto- il treno delle spie. Messaggi importantissimi e unici raggiungevano l’oriente e/o l’occidente. A quei tempi era la strada più veloce per comunicare, spesso nascosta ad occhi indiscreti proprio per la sua frequentazione da parte dei VIP dell’epoca.

Conosciuto e utilizzato dalle spie era, però, anche conosciuto dal controspionaggio e all’arrivo non era difficile che avvenissero scontri drammatici e fatti di sangue, spesso nascosti anch’essi dalla segretezza assoluta di informazioni che potevano cambiare il destino di una Nazione intera. Insomma, in poche parole, l’Orient Express era il mezzo migliore, anche se estremamente pericoloso, per far viaggiare un’informazione unica e fondamentale.  Non solo, anche il tempo doveva essere quello giusto. O si riceveva il messaggio in un dato momento o non sarebbe servito più a niente.

L’ideale sarebbe stato avere molte strade alternative, altrettanto rapide e segrete, sperando che almeno uno dei tanti messaggi inviati arrivasse a destinazione. Purtroppo, però, c’era solo l’Orient Express.

Qualcosa del genere capita anche nel Cosmo. Una stella che invia la sua luce nello Spazio viene osservata continuamente e poco importa se ciò che riceviamo è qualcosa partito un milione di anni fa o un milione di anni e dieci giorni fa. Il tempo delle stelle non si misura in anni… figuriamoci se si parla di giorni. Ma è sempre così? No, certamente no. Vi sono informazioni che le stelle mandano una sola volta, in un solo attimo, e se si perde quella luce, ossia l’informazione di quell’attimo, il “messaggio” non si può più recuperare.

Il caso più emblematico è l’esplosione di una supernova. Nessuno può indicare con esattezza quando e dove avverrà una simile esplosione. L’informazione viene raccolta, molto spesso, quando ormai l’informazione più preziosa è già arrivata e nessuno è riuscito a riceverla. Ci si deve accontentare di briciole successive all’evento più importante. E’ un po’ come se il messaggio della spia fosse stato distrutto a Istanbul dal controspionaggio e a chi aspettava l’informazione non restino che vaghi e incerti rumori di corridoio.

Purtroppo, la luce di una stella è un po’ come Paganini: non ripete il suo show. O la raccogli quando arriva oppure la perdi per sempre. Il treno dei fotoni che portano con sé il segreto prezioso è uno e uno solo, non esistono strade alternative.

Ma… ne siamo proprio sicuri? Beh… il nostro grande amico Einstein ci dice che non è vero. Egli ci ha spiegato molto bene che vi sono moltissimi Orient Express che partono da una sorgente luminosa e arrivano fino a noi. Ognuno di loro segue una via ferrata diversa, ma sempre molto rapida. Una passerà attraverso montagne e colline; un’altra sarà tutta in pianura; un’altra ancora dovrà “fermarsi” in qualche stazione intermedia; e via dicendo. L’informazione segreta segue percorsi differenti e almeno uno dei messaggi che la contiene arriva a destinazione.

Penso che ormai abbiate capito dove voglio arrivare. Solo e soltanto all’effetto lente gravitazionale!

Cosa succede alla luce di una stella molto lontana che si dirige verso di noi? Essa cerca di prendere la via più diretta, l’unica altamente probabile (come ci dice la QED), quella rettilinea. Tuttavia, ecco che si trova davanti a un ostacolo apparentemente insormontabile, un gruppo agguerrito di sicari inviati dal controspionaggio, una galassia o addirittura un insieme di galassie con tutta la materia che può contenere (magari anche quella oscura…). Alla spia luminosa non resta che cercare di evitare i sicari, gli 007 cosmici, moltiplicando i messaggi e inviandoli attraverso strade diverse. La gravità della galassia che cerca di bloccare l’informazione, e quella dei suoi amici vicini, aiuta proprio la spia a sfuggire da loro. I messaggi si moltiplicano e seguono strade diverse, ma tutti arrivano al telescopio che li sta aspettando. Qualcuno arriva prima, qualcuno un po’ dopo… questione di giorni, di mesi, al più di anni. Basta aspettare e cercare molto bene.

Veniamo al sodo di una recente osservazione che ha veramente del meraviglioso. Una supernova è esplosa in una lontanissima galassia, diventando la sua luce più evidente. Questa luce si è trovata di fronte un ammasso galattico e l’effetto lente si è divertito un mondo a dirigere la luce lungo percorsi diversi. Conclusione? L’esplosione della supernova (avvenuta in un certo istante ben preciso) giunge al telescopio molte volte, in tempi diversi. Se ho perso il messaggio mandato con il treno più veloce, posso sempre aspettare che arrivi la sua "ripetizione", il suo replay. Una sola supernova e molte, forse moltissime, sue immagini ritardate nel tempo.

Una stessa azione quasi istantanea ripetuta molte volte per permetterci di analizzarla con calma e completamente, grazie alla curvatura dello spaziotempo causato da una o più masse gigantesche. Le immagini saranno solo un po’ deformate, ma ormai si sa molto bene come riportarle alle condizioni reali di partenza. Qualcuna apparirà come un archetto di cerchio, altre -magari- come un anello; altre ancora come quattro immagini che circondano, come una croce, la galassia che tentava di vietarne il passaggio.

Richiamiamo brevemente, senza entrare troppo nei dettagli (prima o poi ci proveremo), come si può manifestare l’immagine prodotta dall’effetto lente gravitazionale. Se la galassia lente e l'osservatore sono perfettamente allineati, e la lente è una sfera quasi perfetta e omogenea, l'immagine risultate è una perfetta circonferenza. Se l’allineamento tra sorgente, lente e osservatore rimane perfetto, ma la lente è un ellissoide, si ottengono quattro immagini disposte a forma di croce attorno alla lente (croce di Einstein). Infine, se la distribuzione di massa all'interno della lente è decisamente disomogenea, si ottengono "archi". Allineamenti non perfetti causano distorsioni più o meno evidenti (vedi ad esempio l’effetto del microlensing dovuto a una “lente” che si sposta rispetto alla sorgente).

L’immagine che segue ha veramente del meraviglioso non solo esteticamente, ma concettualmente: quattro immagini della stessa informazione che ripetono ognuna l’evento supernova, anche se si riferiscono a tempi originariamente un po’ diversi (ogni strada ha trovato qualche ostacolo differente che può averla rallentata rispetto alle altre di qualche giorno o settimana).

Fonte: NASA, ESA, and S. Rodney (JHU) and the FrontierSN team; T. Treu (UCLA), P. Kelly (UC Berkeley), and the GLASS team; J. Lotz (STScI) and the Frontier Fields team; M. Postman (STScI) and the CLASH team; and Z. Levay (STScI)
Fonte: NASA, ESA, e S. Rodney (JHU) e FrontierSN team; T. Treu (UCLA), P. Kelly (UC Berkeley), e  GLASS team; J. Lotz (STScI) e Frontier Fields team; M. Postman (STScI) e CLASH team; e Z. Levay (STScI)

Tuttavia, la galassia lente non è sola nell’ammasso e la luce della supernova, prendendo una strada completamente diversa, potrebbe essere già arrivata negli anni passati (si può sempre andare a cercare in vecchie immagini) e sicuramente arriverà ancora in futuro. Le strade ferroviarie sono moltissime e quelle piene di montagne e di colline impiegheranno sicuramente qualche anno in più ad arrivare.L’ammasso in questione prende il nome di MACS J1149.6+2223 e la sua luce ha impiegato 5 miliardi di anni luce per arrivare sulla Terra, mentre quella della galassia lontana e della sua supernova ben 9.3 miliardi (giorno più e giorno meno…).

La luce della supernova si dirige  in tutte le direzioni e se incontra una galassia dell'ammasso può subire l'effetto lente che la piega indirizzandola verso di noi. In un ammasso, di lenti ce ne sono tante e ognuna di loro potrebbe inviarci in tempi diversi (a causa della differenza di percorso) l'immagine dell'esplosione, avvenuta, in realtà, in un solo preciso istante.   La QED sarebbe capace di descrivere ogni singolo trgitto con tanto di probabilità e cose del genere... NASA, ESA, and A. Feild (STScI)
La luce della supernova si dirige in tutte le direzioni e se incontra una galassia dell'ammasso può subire l'effetto lente che la piega indirizzandola verso di noi. In un ammasso, di lenti ce ne sono tante e ognuna di loro potrebbe inviarci in tempi diversi (a causa della differenza di percorso) l'immagine dell'esplosione, avvenuta, in realtà, in un solo preciso istante. La QED sarebbe capace di descrivere ogni singolo tragitto con tanto di probabilità e cose del genere... Fonte: NASA, ESA, e A. Feild (STScI)

La distribuzione di massa osservata nell’ammasso permette di prevedere, in modo molto approssimato, quando e dove giungerà una nuova immagine dello stesso evento. La differenza tra la previsione e l’osservazione permetterà di fare il contrario, ossia di creare una mappa più accurata della distribuzione di massa nell’ammasso. Quante informazioni sono contenute in quelle quattro immagini e nelle loro sorelle ritardatarie (e magari anche in quelle più veloci che potrebbero essere ricuperate)! Che bello poter usare il “replay” e studiare in dettaglio una supernova che non si sarebbe potuta vedere e che, se fosse stata vista, avrebbe avuto bisogno di una fortuna sfacciata. Nel contempo pensiamola anche come un indicatore che ci descrive la struttura dell’ammasso galattico. Non basta però… l’ingrandimento delle immagini e i ritardi possono anche essere legati, attraverso vari modelli, all’espansione dell’Universo.

Mamma mia, sembra proprio che lo spaziotempo si curvi per permetterci di ammirarlo sempre meglio! Ricordiamolo sempre, mi raccomando… La gravità non attrae e devia la luce (i fotoni non hanno massa), ma costringe qualsiasi cosa a seguire strade curvilinee…

Articolo originale QUI

17 commenti

  1. Mario Fiori

    Solamente fantastico , senza parole.

  2. Eh sì, Mario... anch'io sono letteralmente estasiato per questo risultato a lungo cercato, ma mai ottenuto finora. Un playback veramente "esplosivo"!

  3. davide1334

    fantastico si, mi accodo anch'io alla meraviglia scoperta da albertone....ma parlando di numeri,di tempo che "range"temporale potrebbe avere al massimo un singolo evento
    come questo che arriva ai nostri "occhi"?

  4. caro Davide,
    non ho capito bene quale range temporale intendi... L'esplosione di una supernova ha una durata piuttosto breve: un picco luminosissimo quasi istantaneo e poi si spegne gradatamente nel giro di qualche mese. Ogni immagine che arriva si riferisce sempre allo stesso evento, più o meno ritardato. Ne segue che ogni immagine dovrebbe seguire la stessa trafila...

  5. davide1334

    si si,intendo proprio il "più o meno ritardato"che dici....dipende dal "traffico" di massa che sta tra lente e sorgente,giusto?

  6. gioyhofer

    Accidenti che notiziona!!!! Incredibile, il cosmo ci sfida sempre a comprenderlo, bisogna essere sempre pronti.... :D :D :D

  7. esatto Davide. Il ritardo potrebbe anche essere di qualche anno (un'inezia su 9 miliardi di anni luce...).

    Certo Gio, non può mai annoiarci!!!!

  8. davide1334

    chiedo un'ulteriore cosa: mettiamo che l'esplosione di supernova x ci arrivi con diversi replay come in questo caso,perchè occultata da materia che ci sta davanti,mentre l'esplosione della supernova y giunge a noi "rettilinea"; mettiamo anche che siano alla stessa distanza da noi.....avendo la stessa luminosità intrinseca,quella ripetuta sarà più
    debole(presa singolarmente) di quella rettilinea?

  9. Paolo

    Non avevo mai pensato all'effetto lente gravitazionale dal punto di vista del ritardo con cui giungono più immagini dello stesso evento (evento più antico ovviamente rispetto della lente gravitazionale).

    Finora avevo solo notato l'effetto di sdoppiamento e deformazione dell'immagine originale (immagini molteplici).

    Eppure avrei dovuto aspettarmelo visto che anche il tempo è una coordinata (per di più strettamente legata allo spazio dalla costante velocità della luce)....

    Vista sotto questo nuovo profilo la lente non assomiglia solo ad una lente spaziale (ottica), ma anche ad lente temporale o meglio spaziotemporale.

    Semplicemente fantastico! :)

    Paolo

  10. caro Davide,
    vediamo se ho capito bene la tua domanda...

    La supernova è talmente lontana che non si vedrebbe se non ci fosse l'effetto lente che la rende più luminosa (oltre che permettere di raggiungerci). Non è tanto la materia che la ritarda, ma l'incontro gravitazionale con masse diverse che crea nuove immagini.
    La supernova è una e una soltanto, ma le varie lenti che stanno nell'ammasso possono creare diverse immagini (ognuna di queste è multipla come quella che vediamo nella figura o quanto meno dall'aspetto di arco di cerchio). La luminosità dipende poco da ciò che la smorza, quanto da quanto giochi l'effetto di incremento di luminosità causato dalle varie lenti. In fondo, il tragitto, cambia di poco rispetto alla distanza (non per niente si parla di mesi o pochi anni su tragitti di miliardi di anni luce...).
    Spero di aver capito la domanda... se non riprova!

  11. caro Paolo,
    dici bene, ovviamente. Ma, in questo caso non è tanto il tempo deformato dalla curvatura, ma il fatto molto più banale che la luce percorre distanze diverse a seconda della lente che riesce a mandarla verso di noi. Sono sicuro che tu ci vedi grandi collegamenti con la QED. L'evento è : la luce parte da A, tocca B (gravitazionalemente) e arriva in T. Non sarebbe impossibile calcolare la probabilità per ognuna delle varie traiettorie, conoscendo massa e capacità di deformazione delle varie lenti... Ma non esageriamo, dato che ci mancano troppi fattori importanti... :wink:

  12. davide1334

    grazie enzo, è già un pò più chiaro,porta pazienza eh....allora riprovo:
    l'effetto lente amplifica la sorgente rendendola più luminosa di quello che è effettivamente?se sì, può farci giungere luce da sorgenti più lontane del nostro orizzonte osservabile "standard". giusto?però può essere anche che tale luce venga occultata per prospettiva,non perchè sia necessariamente troppo lontana da noi.....spero di essermi spiegato
    comunque il succo della domanda era: la quantità di luce di questa supernova si
    fraziona o si moltiplica nei vari replay che ci arrivano?

  13. Gaetano

    Enzo, non riesco ad immaginare che percorso dovrebbe fare per ricomparire dopo un anno, mentre mi è chiara l'immagine quadrupla della croce di Einstein.

  14. Paolo

    In attesa che risponda Enzo, l'idea che mi sono fatto è la seguente.

    I fotoni prodotti durante l'esplosione della supernova, come loro solito viaggiano in differenti direzioni. :roll:

    Il campo gravitazionale prodotto dall'ammasso di galassie, deforma lo spazio, curvandolo.

    Quando i fotoni raggiungono il campo gravitazionale seguono la curvatura dello spazio (se fossimo un fotone la nostra traiettoria apparirebbe perfettamente rettilinea).

    Quindi anche fotoni che non erano diretti nella nostra direzione, o meglio che avevano una bassa probabilità di seguire una traiettoria verso la terra, seguendo le deformazione dello spazio (curvato dall'ammasso galattico) aumenta l'ampiezza di probabilità che possano raggiungerci (in questo senso si potrebbe anche sostenere che l'effetto gravitazionale dell'ammasso amplia le probabilità).

    Date le lunghe distanze in gioco alcuni di questi percorsi “obbligati” sono più lunghi di altri, per cui i fotoni riferiti al medesimo evento (supernova) giungono a noi con tempi diversi (ciò produce il “replay” di immagini della supernova).

    Studiando gli scarti temporali, si cerca di estrapolare quante più informazioni possibili dai fotonici messaggeri e da ciò che ha contraddistinto il loro percorso.

    Oltre a poter accedere (grazie al ripetersi nel tempo delle immagini) alle informazioni relative all'esplosione della lontanissima supernova (e non a quelle successive), altre preziose informazioni riguardano ciò che ha contraddistinto il percorso dei fotoni.

    Per esempio, si tenta di ricostruire le deformazioni subite dalla luce nel suo percorso per mappare la distribuzione della massa nell'ammasso galattico (dato che è la gravità che curva lo spazio), un po' come di dire che si indaga anche sulle caratteristiche della lente.

    Inoltre data l'enorme distanza dell'evento (9,3 miliardi di anni), la luce trasporta con sé anche preziose informazioni sull'espansione dell'universo, dato che mentre viaggiava verso di noi lo spazio si è dilatato. 8-O

    Paolo

  15. cari amici,
    Paolo è stato praticamente perfetto nella sua spiegazione! Non posso che ribadire quanto ha detto.

    L'immagine multipla e l'immagine che può arrivare tra un anno sono due eventi ben separati. La prima è relativa a un certo percorso della luce della supernova che non può giungere direttamente, ma attraverso l'effetto lente. La supernova è nascosta geometricamente e si vede solo perché il campo gravitazionale di una galassia incurva lo spazio tempo. L'immagine della supernova si fa in quattro o diventa un cerchietto o solo un arco a seconda della più o meno precisa coincidenza delle direzioni Terra-supernova e Terra-galassia lente e della forma di quest'ultima. Queste immagini multiple sono dovute alla curvatura di un oggetto unico (la galassia lente) e quindi giungono a noi quasi contemporaneamente (dico quasi perché una minima differenza di percorso ce l'avranno comunque). Esse rappresentano l'immagine della supernova nascosta e resa visibile dalla lente. Come tale, la luminosità è anche aumentata di molto rispetto a quella che avremmo se la luce fosse arrivata direttamente senza alcuna lente.

    Tuttavia, nell'ammasso vi sono anche altre galassie ed è praticamente sicuro che la luce della supernova che stava dirigendosi verso una direzione del tutto diversa e che non avrebbe certo potuto raggiungere la Terra venga deviata da un'altra galassia in tal modo che la traiettoria finale possa nuovamente dirigersi verso di noi. Un percorso molto più lungo, con una lente diversa, ma che porterà a immagini deformi della stella identica supernova, ma in un momento diverso. Tutto è mostrato nella Fig. 2, dove, ovviamente, i diversi percorsi sono esageratamente diversi. In alto vi sono le varie possibilità usando lenti diverse che accadono in tempi decisamente diversi tra loro. In realtà, le galassie dell'ammasso sono vicinissime ed è come se la supernova fosse esattamente dietro a tutte loro o quasi. Ripeto, però, ancora: anche una differenza minima di percorso comporta una differenza di tempo di mesi se non anni. Pensate solo che la luce ha viaggiato per 9 miliardi di anni. Un mese in più soltanto vuol dire un percorso praticamente identico per la luce, ma non per la nostra scala dei tempi... In basso, invece, vi è la moltiplicazione dell'immagine dovuta a una sola lente, quella della Fig. 1.

    Infine, per Davide: è un legame abbastanza complesso quello che esiste tra luminosità finale e luminosità iniziale e anche quello della ripartizione della luce. Considera pure frazionata la luce delle quattro immagini: il guadagno di luce di ogni singola immagine è già sufficiente a farci vedere ciò che non si vedrebbe sia perché nascosta geometricamente sia perché troppo debole. Teoricamente noi potremmo anche vedere la supernova (o non vederla direttamente perché troppo debole), ma potremmo ricevere un'immagine creata da una lente-galassia su un tragitto diverso da quello diretto. Dicco teoricamente, perché, in realtà, perché questo succeda la galassia deve essere quasi perfettamente davanti alla supernova. Ecco perché certe cose capitano solo negli ammassi: lì le galassie sono una attaccata all'altra rispetto a noi, alla distanza in cui si trovano...

  16. Daniela

    Questo è il commento della Nasa su http://apod.nasa.gov/apod/astropix.html
    ...nesuna vera spiegazione, se non che tale osservazione servirà a determinare la quantità di "prezzemolo" presente nell'ammasso di galassie... :-?

    Explanation: What are the unusual spots surrounding that galaxy? They are all images of the same supernova. For the first time, a single supernova explosion has been seen split into multiple images by the gravitational lens deflections of intervening masses. In this case the masses are a large galaxy and its home galaxy cluster. The featured image was captured last November by the Earth-orbiting Hubble Space Telescope. The yellow-hued quadruply-imaged Supernova Refsdal occurred in the early universe far behind the cluster. Measuring the locations and time-delays between the supernova images should allow astrophysicists to recover the amount of dark matter in the galaxy and cluster. With patience and luck, a fifth image of the supernova will also be recovered nearby in the next few years.

  17. eh sì, cara Daniela... se qualcosa non serve per la materia oscura (senza nemmeno sapere che cosa si dovrebbe trovare) i fondi non vengono elargiti... E quindi... vai con il solito tango!!!! :-|

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