Ecco otto buoni motivi per non dormire la notte, se di mestiere fate l’astronomo. Sono i grandi problemi insoluti nello studio del cosmo, al centro di una lunga sezione speciale dedicata ai misteri dell’astronomia, sul numero di questa settimana di Science. Non sono semplicemente “domande” che potrebbero avere una risposta in breve tempo, ma autentici misteri che richiederanno probabilmente ancora molti anni, forse decenni di ricerche, e che in qualche caso potrebbero addirittura rimanere senza risposta. Ma per tutte, c’è almeno qualche missione, attuale e futura, in caccia della risposta.
“I ricercatori INAF stanno lavorando praticamente su tutti e otto i problemi” spiega il Presidente dell’INAF Giovanni Bignami. “Sicuramente sono molto coinvolti nella parte cosmologica, che comprende le due domande più importanti, quelle sull’energia oscura e la materia oscura, e quella sulla reionizzazione dell’Universo.
La prima domanda è di gran lunga la più difficile perché è mal definita. Ma in Europa abbiamo almeno progettato una missione spaziale, Euclid, che studierà questo problema. Non sappiamo se lo risolverà, ma sappiamo che sul New York Times sono comparse esplicite affermazioni di grandi scienziati americani che rimproverano la NASA di aver lasciato agli europei questa missione. Segno che siamo sulla buona strada”.
I ricercatori INAF lavorano molto anche nello studio del Sole (a cui è dedicata una delle domande) con la missione Solar Orbiter appena approvata dall’ESA, ricorda Bignami. Che invece non condivide del tutto il punto di vista di Science sull’ultimo, quella della “stranezza” del sistema solare. “Potrebbe non esserci niente di strano nella sua stranezza, cioè nel fatto che i suoi pianeti siano così diversi uno dall’altro. Ovviamente ogni sistema solare è unico, ne stiamo scoprendo a centinaia e sono tutti molto diversi uno dall’altro.
Potrebbero essere tutti strani in un mondo diverso, e il nostro compito sarà studiare se esistano grandi pattern comuni. Un problema di cui si occuperanno tra l’altro i nostri scienziati INAF impegnati nella missione Juice, appena approvata da ESA per lo studio del sistema gioviano”.
GLI OTTO MISTERI DELL’ASTRONOMIA SECONDO SCIENCE
Che cos’è l’energia oscura?
In testa alla hit parade dei misteri c’è l’energia oscura. Un problema che dura da 14 anni, da quando lo studio di alcune distanti esplosioni stellari rivelò che l’espansione dell’Universo sta accelerando, contrariamente a quanto vorrebbero i calcoli gravitazionali. Da allora si mette l’etichetta “energia oscura” su questa misteriosa forza che prova l’accelerazione dell’espansione dell’Universo, ma la verità è che gli astronomi sanno a malapena dove cercare, per capire cosa sia. Si potrebbe spiegare in tre modi: una fondamentale proprietà dello spazio tempo, in qualche modo ammessa a livello teorico dalla relatività di Einstein, che distorce lo spazio facendoci percepire quell’accelerazione. Oppure una forza fondamentale ancora sconosciuta. O, peggio, potrebbe semplicemente non esistere, ed essere solo la prova che non abbiamo capito molto della forza di gravità. Per risolvere il mistero, gli astronomi puntano su due strade: ricostruire più precisamente la storia dell’Universo, confrontando le emissioni di energia di oggetti a distanze (e quindi di età) diverse. Oppure studiare come l’energia oscura influenza la formazione di grandi strutture come gli ammassi di galassie. Nei prossimi anni, nuovi strumenti come la missione spaziale EUCLID dell’Esa o, da terra, il Large Synoptic Survey Telescope dovrebbero dare una mano.
Quanto è calda la materia oscura?
Un po’ più di ottimismo, tutto sommato, attorno al problema della materia oscura, quella ipotizzata ormai da molti decenni per spiegare che cosa tenga assieme gli ammassi di galassie (molti dei quali, se si conta solo la materia che siamo in grado di osservare, non dovrebbero semplicemente stare assieme perché la gravità non è sufficiente). Molti fisici sono ormai convinti che gli esperimenti in corso (ce ne sono diversi per esempio ai Laboratori del Gran Sasso dell’INFN) riusciranno a trovare qualche segno delle misteriose particelle che la compongono. Ma al momento la più grande domanda è quanto la materia oscura sia “calda” o fredda” (ovvero, perché è un po’ la stessa cosa, quanto grande sia la massa delle sue particelle fondamentali). I modelli al computer danno risultati contraddittori, e qualunque ipotesi fatta finora spiega alcuni fenomeni ma contraddice l’evidenza su altri. La chiave per capirlo potrebbe stare nello studio delle più piccole galassie che circondano la nostra. Alcune con meno di 100.000 stelle, sono quanto di più vicino ci sia alla “pura materia oscura”. Osservando il movimento delle loro stelle dovrebbe essere possibile dedurre la struttura e la temperatura degli aloni di materia oscura, e confrontarli con le simulazioni al computer.
Dove sono i barioni mancanti?
Purtroppo, anche la materia visibile, quel 4-5 per cento che conosciamo e siamo in grado di studiare, ci dà i suoi problemi. I cosmologi, studiando la radiazione cosmica di fondo, hanno stimano quanti barioni (le particelle come protoni e neutroni che compongono i nuclei degli atomi) devono essersi formati durante il Big Bang. Ma sommando galassie, stelle e tutto quanto si vede oggi nell’Universo, non si arriva nemmeno a metà. Dove sono gli altri barioni? Potrebbero trovarsi, sospettano in molti, in un plasma ad alta temperatura diffuso tra le galassie, chiamato warm-hot intergalactic medium (WHIM), visibile solo nel lontano ultravioletto e nei raggi X a bassa energia, e serviranno telescopi a raggi X di nuova generazione per trovarlo.
Come esplodono le stelle?
Una volta esaurito il loro combustibile, le stelle esplodono tipicamente in gigantesche palle di fuoco, le supernovae. Sono decenni che si studia come esattamente avvengano queste esplosioni. Ma restano molti punti interrogativi, in particolare sulle supernovae di tipo I, quelle legate ai sistemi binari, in cui una delle due stelle si spegne diventando una nana bianca, risucchiando materia dalla stella vicina fino a collassare ed esplodere. Gli astronomi vorrebbero capire quanto massa deve avere la seconda stella per provocare l’esplosione, e quanto tempo ci vuole alla nana bianca per attrarre abbastanza materia. Qui, lo studio dei gamma ray burst (per esempio attraverso il satellite FERMI) potrà dare indizi fondamentali
Che cosa ha causato la reionizzazione dell’Universo?
Circa 400.000 anni dopo il Big Bang, protoni ed elettroni si raffreddarono abbastanza per iniziare a combinarsi in atomi di idrogeno, e i fotoni furono finalmente liberi di viaggiare liberamente attraverso l’Universo. Qualche centinaia di milioni di anni dopo, qualcosa strappò di nuovo gli elettroni via dagli atomi, ma in un momento in cui l’espansione dell’Universo aveva disperso abbastanza le particelle per evitare che si ricombinassero in nuovi atomi. Fu così che buona parte della materia si trasformò nel plasma ionizzato che è tuttora. Che cosa provocò questa reionizzazione? Non si sa, anche perché il tutto è avvenuto nella cosiddetta “età buia” dell’Universo, il periodo che con gli strumenti attuali i cosmologi non riescono a studiare (mentre, paradossalmente, hanno informazioni sul periodo precedente grazie alla radiazione cosmica di fondo). In questo sarà fondamentale lo Square Kilometer Array, primo osservatorio in grado di studiare segnali risalenti a quell’epoca.
Da dove vengono i raggi cosmici a più alta energia?
La Terra viene a volte raggiunta da raggi cosmici costituiti da protoni a energie oltre il milione di miliardi di elettronVolt, un livello di energia che i modelli teorici non riescono a spiegare. Quali eventi possono causare energie così elevate? Forse radiogalassie molto energetiche, o buchi neri al centro di nuclei galattici attivi. Oppure il decadimento di particelle elementari ancora sconosciute create durante il Big Bang. O ancora, le fantomatiche stringhe previste dalla omonima teoria. Qui l’aiuto potrebbe venire dallo Extreme Universe Space Observatory, una missione progettata nel 2004 dall’ESA, poi abbandonata ma ripresa dal Giappone, che spera di lanciarla nel 2016 e agganciarla alla ISS.
Perché il sistema solare è così bizzarro?
Non ce ne sono due che si assomiglino. Chi ha atmosfera e chi no. Qua un campo magnetico e satelliti, là nessuno dei due. Uno ha gli anelli, e che anelli. Le inclinazioni rispetto all’orbita sono diversissime. Insomma, il sistema solare è fatto da pianeti che sembrano non aver nulla in comune l’uno con l’altro. Come è possibile? La chiave potrebbe essere nelle diverse distanze dal Sole. Alcuni potrebbero essersi formati in un punto del sistema solare e poi aver migrato in un altro. Le collisioni durante le prime fasi di formazione potrebbero aver influito sul destino di molti. Le risposte, qui, dovranno arrivare dai cacciatori di esopianeti come il satellite Kepler, che potrebbero scoprire qualche legge fondamentale studiando altri sistemi solari. O da missioni come Dawn, Rosetta e Juice che porteranno avanti lo studio dell’evoluzione del nostro sistema.
Perché la corona solare è così calda?
Per i fisici che studiano il Sole, la sua capacità di riscaldare la sua corona (la parte che rimane visibile durante una eclissi totale, per capirci) è un enigma. Le temperature lì raggiungono e superano il milione di gradi Kelvin. Eppure alla superficie del Sole la temperatura è di “appena” 5000 gradi circa. Che cosa provoca il riscaldamento della corona? La risposta sta probabilmente nel modo con cui il campo magnetico trasporta il calore, ma la teorie in campo sono molte. Nessuna missione spaziale è riuscita a risolvere il mistero, ma presto ci proveranno Interface Region Imaging Spectrograph (IRIS) della NASA, al lancio a dicembre, e Solar Orbiter dell’ESA, che sarà lanciato nel 2017.
Foto:
La celebre immagine dei "pillars of creation" di Hubble (credit: NASA/ESA)
A Cura Di Nicola Nosengo
Fonte:
http://www.media.inaf.it/2012/05/31/gli-otto-misteri-dell’astronomia/
“I ricercatori INAF stanno lavorando praticamente su tutti e otto i problemi” spiega il Presidente dell’INAF Giovanni Bignami. “Sicuramente sono molto coinvolti nella parte cosmologica, che comprende le due domande più importanti, quelle sull’energia oscura e la materia oscura, e quella sulla reionizzazione dell’Universo.
La prima domanda è di gran lunga la più difficile perché è mal definita. Ma in Europa abbiamo almeno progettato una missione spaziale, Euclid, che studierà questo problema. Non sappiamo se lo risolverà, ma sappiamo che sul New York Times sono comparse esplicite affermazioni di grandi scienziati americani che rimproverano la NASA di aver lasciato agli europei questa missione. Segno che siamo sulla buona strada”.
I ricercatori INAF lavorano molto anche nello studio del Sole (a cui è dedicata una delle domande) con la missione Solar Orbiter appena approvata dall’ESA, ricorda Bignami. Che invece non condivide del tutto il punto di vista di Science sull’ultimo, quella della “stranezza” del sistema solare. “Potrebbe non esserci niente di strano nella sua stranezza, cioè nel fatto che i suoi pianeti siano così diversi uno dall’altro. Ovviamente ogni sistema solare è unico, ne stiamo scoprendo a centinaia e sono tutti molto diversi uno dall’altro.
Potrebbero essere tutti strani in un mondo diverso, e il nostro compito sarà studiare se esistano grandi pattern comuni. Un problema di cui si occuperanno tra l’altro i nostri scienziati INAF impegnati nella missione Juice, appena approvata da ESA per lo studio del sistema gioviano”.
GLI OTTO MISTERI DELL’ASTRONOMIA SECONDO SCIENCE
Che cos’è l’energia oscura?
In testa alla hit parade dei misteri c’è l’energia oscura. Un problema che dura da 14 anni, da quando lo studio di alcune distanti esplosioni stellari rivelò che l’espansione dell’Universo sta accelerando, contrariamente a quanto vorrebbero i calcoli gravitazionali. Da allora si mette l’etichetta “energia oscura” su questa misteriosa forza che prova l’accelerazione dell’espansione dell’Universo, ma la verità è che gli astronomi sanno a malapena dove cercare, per capire cosa sia. Si potrebbe spiegare in tre modi: una fondamentale proprietà dello spazio tempo, in qualche modo ammessa a livello teorico dalla relatività di Einstein, che distorce lo spazio facendoci percepire quell’accelerazione. Oppure una forza fondamentale ancora sconosciuta. O, peggio, potrebbe semplicemente non esistere, ed essere solo la prova che non abbiamo capito molto della forza di gravità. Per risolvere il mistero, gli astronomi puntano su due strade: ricostruire più precisamente la storia dell’Universo, confrontando le emissioni di energia di oggetti a distanze (e quindi di età) diverse. Oppure studiare come l’energia oscura influenza la formazione di grandi strutture come gli ammassi di galassie. Nei prossimi anni, nuovi strumenti come la missione spaziale EUCLID dell’Esa o, da terra, il Large Synoptic Survey Telescope dovrebbero dare una mano.
Quanto è calda la materia oscura?
Un po’ più di ottimismo, tutto sommato, attorno al problema della materia oscura, quella ipotizzata ormai da molti decenni per spiegare che cosa tenga assieme gli ammassi di galassie (molti dei quali, se si conta solo la materia che siamo in grado di osservare, non dovrebbero semplicemente stare assieme perché la gravità non è sufficiente). Molti fisici sono ormai convinti che gli esperimenti in corso (ce ne sono diversi per esempio ai Laboratori del Gran Sasso dell’INFN) riusciranno a trovare qualche segno delle misteriose particelle che la compongono. Ma al momento la più grande domanda è quanto la materia oscura sia “calda” o fredda” (ovvero, perché è un po’ la stessa cosa, quanto grande sia la massa delle sue particelle fondamentali). I modelli al computer danno risultati contraddittori, e qualunque ipotesi fatta finora spiega alcuni fenomeni ma contraddice l’evidenza su altri. La chiave per capirlo potrebbe stare nello studio delle più piccole galassie che circondano la nostra. Alcune con meno di 100.000 stelle, sono quanto di più vicino ci sia alla “pura materia oscura”. Osservando il movimento delle loro stelle dovrebbe essere possibile dedurre la struttura e la temperatura degli aloni di materia oscura, e confrontarli con le simulazioni al computer.
Dove sono i barioni mancanti?
Purtroppo, anche la materia visibile, quel 4-5 per cento che conosciamo e siamo in grado di studiare, ci dà i suoi problemi. I cosmologi, studiando la radiazione cosmica di fondo, hanno stimano quanti barioni (le particelle come protoni e neutroni che compongono i nuclei degli atomi) devono essersi formati durante il Big Bang. Ma sommando galassie, stelle e tutto quanto si vede oggi nell’Universo, non si arriva nemmeno a metà. Dove sono gli altri barioni? Potrebbero trovarsi, sospettano in molti, in un plasma ad alta temperatura diffuso tra le galassie, chiamato warm-hot intergalactic medium (WHIM), visibile solo nel lontano ultravioletto e nei raggi X a bassa energia, e serviranno telescopi a raggi X di nuova generazione per trovarlo.
Come esplodono le stelle?
Una volta esaurito il loro combustibile, le stelle esplodono tipicamente in gigantesche palle di fuoco, le supernovae. Sono decenni che si studia come esattamente avvengano queste esplosioni. Ma restano molti punti interrogativi, in particolare sulle supernovae di tipo I, quelle legate ai sistemi binari, in cui una delle due stelle si spegne diventando una nana bianca, risucchiando materia dalla stella vicina fino a collassare ed esplodere. Gli astronomi vorrebbero capire quanto massa deve avere la seconda stella per provocare l’esplosione, e quanto tempo ci vuole alla nana bianca per attrarre abbastanza materia. Qui, lo studio dei gamma ray burst (per esempio attraverso il satellite FERMI) potrà dare indizi fondamentali
Che cosa ha causato la reionizzazione dell’Universo?
Circa 400.000 anni dopo il Big Bang, protoni ed elettroni si raffreddarono abbastanza per iniziare a combinarsi in atomi di idrogeno, e i fotoni furono finalmente liberi di viaggiare liberamente attraverso l’Universo. Qualche centinaia di milioni di anni dopo, qualcosa strappò di nuovo gli elettroni via dagli atomi, ma in un momento in cui l’espansione dell’Universo aveva disperso abbastanza le particelle per evitare che si ricombinassero in nuovi atomi. Fu così che buona parte della materia si trasformò nel plasma ionizzato che è tuttora. Che cosa provocò questa reionizzazione? Non si sa, anche perché il tutto è avvenuto nella cosiddetta “età buia” dell’Universo, il periodo che con gli strumenti attuali i cosmologi non riescono a studiare (mentre, paradossalmente, hanno informazioni sul periodo precedente grazie alla radiazione cosmica di fondo). In questo sarà fondamentale lo Square Kilometer Array, primo osservatorio in grado di studiare segnali risalenti a quell’epoca.
Da dove vengono i raggi cosmici a più alta energia?
La Terra viene a volte raggiunta da raggi cosmici costituiti da protoni a energie oltre il milione di miliardi di elettronVolt, un livello di energia che i modelli teorici non riescono a spiegare. Quali eventi possono causare energie così elevate? Forse radiogalassie molto energetiche, o buchi neri al centro di nuclei galattici attivi. Oppure il decadimento di particelle elementari ancora sconosciute create durante il Big Bang. O ancora, le fantomatiche stringhe previste dalla omonima teoria. Qui l’aiuto potrebbe venire dallo Extreme Universe Space Observatory, una missione progettata nel 2004 dall’ESA, poi abbandonata ma ripresa dal Giappone, che spera di lanciarla nel 2016 e agganciarla alla ISS.
Perché il sistema solare è così bizzarro?
Non ce ne sono due che si assomiglino. Chi ha atmosfera e chi no. Qua un campo magnetico e satelliti, là nessuno dei due. Uno ha gli anelli, e che anelli. Le inclinazioni rispetto all’orbita sono diversissime. Insomma, il sistema solare è fatto da pianeti che sembrano non aver nulla in comune l’uno con l’altro. Come è possibile? La chiave potrebbe essere nelle diverse distanze dal Sole. Alcuni potrebbero essersi formati in un punto del sistema solare e poi aver migrato in un altro. Le collisioni durante le prime fasi di formazione potrebbero aver influito sul destino di molti. Le risposte, qui, dovranno arrivare dai cacciatori di esopianeti come il satellite Kepler, che potrebbero scoprire qualche legge fondamentale studiando altri sistemi solari. O da missioni come Dawn, Rosetta e Juice che porteranno avanti lo studio dell’evoluzione del nostro sistema.
Per i fisici che studiano il Sole, la sua capacità di riscaldare la sua corona (la parte che rimane visibile durante una eclissi totale, per capirci) è un enigma. Le temperature lì raggiungono e superano il milione di gradi Kelvin. Eppure alla superficie del Sole la temperatura è di “appena” 5000 gradi circa. Che cosa provoca il riscaldamento della corona? La risposta sta probabilmente nel modo con cui il campo magnetico trasporta il calore, ma la teorie in campo sono molte. Nessuna missione spaziale è riuscita a risolvere il mistero, ma presto ci proveranno Interface Region Imaging Spectrograph (IRIS) della NASA, al lancio a dicembre, e Solar Orbiter dell’ESA, che sarà lanciato nel 2017.
Foto:
La celebre immagine dei "pillars of creation" di Hubble (credit: NASA/ESA)
A Cura Di Nicola Nosengo
Fonte:
http://www.media.inaf.it/2012/05/31/gli-otto-misteri-dell’astronomia/
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