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martedì 4 ottobre 2011

Il Nobel delle supernove

La prima osservazione di una supernova è datata 1572. L'astronomo a compierla fu Tycho Brahe, uno che di osservazioni del cielo se ne intendeva. E considerando che molte di queste erano fatte a occhio nudo, i risultati raggiunti avevano un che di incredibile. Galileo, invece, grazie al telescopio, diede l'inizio della rivoluzione astronomica con l'osservazione della supernova del 1604:
(...) che causò una maggiore eccitazione rispetto a quella di Tycho poiché la sua comparsa coincise con la così detta Grande Congiunzione o l'allineamento di Giove, Marte e Saturno.(1)
La scoperta di Galileo fu rivoluzionaria per una ragione molto importante:
Le osservazioni di Galileo e quelle fatte nel resto dell'Italia e dell'Europa settentrionale indicarono che essa era oltrela Luna, nella regione dove la nuova stella del 1572 era comparsa. L'apparizione di un nuovo corpo oltreil sistema Terra-Luna aveva sfidato la credenza tradizionale, incarnata dalla Cosmologia di Aristotele, che la materia dei pianeti fosse inalterabile e che nulla di nuovo poteva accadere nei cieli.(1)
Riguardo la nuovastella, poi
Galileo stabilisce che [essa] era inizialmente piccola ma crebbe rapidamente in dimensioni tanto da sembrare più grande di tutte le stelle e di tutti i pianeti ad eccezione di Venere.(1)
Possiamo confrontare questa osservazione con le definizioni moderne:
Le novae sono il risultato delle esplosioni superficiali delle nane bianche, causate dalla caduta sulla sua superficie di materia proveniente dall'atmosfera di una compagna più grande. Una supernova è una stella che improvvisamente aumenta drammaticamente la luminosità, quindi si affievolisce di nuovo, finanche a scomparire alla vista, ma è molto più brillante, circa diecimila volte, di una nova.(1)
Questi eventi drammatici diventano ben presto un ottimo strumento per osservare l'espansione dell'universo:
Le supernovae di tipo Ia sono strumenti empirici la cui precisione e luminosità intrinseca le rendono prove sensibili dell'espansione cosmologica.(5)
E proprio osservando una serie di supernove che il gruppo di Brian Schmidt (1967) e Adam Riess (1969) nel 1998(3) e quello di Saul Perlmutter (1959) nel 1999(4) scoprirono un'importante osservazione cosmologica: l'universo sta accelerando!
La visione dell'universo era molto semplice: una veloce e grande espansione da un plasma di quark-gluoni molto denso (o qualcosa del genere); un raffreddamento con conseguente aggregazione delle particelle per arrivare alla nascita di stelle, pianeti, galassie; una decelerazione nell'espansione dovuta all'azione del campo gravitazionale; un futuro ignoto con l'Universo in bilico tra una espansione indefinita e un collasso gravitazionale. Le osservazioni dei gruppi di Schmidt e Perlmutter hanno cambiato lo scenario decelerante in favore di uno accelerante, che è compatibile con una costante cosmologica non nulla (nel grafico la costante cosmologica è $\Omega_Lambda$, che è anche la densità di energia del vuolo):
Possiamo scrivere l'espansione dell'universo utilizzando la formula seguente, che è una versione sperimentalmente verificabile dell'equazione di Einstein(2): \[\left ( \frac{\text{d} a}{\text{d} \tau} \right )^2 = 1 + \Omega_M \left ( \frac{1}{a} - 1 \right ) + \Omega_\Lambda (a^2 - 1)\] dove $a$ è il fattore di espansione, una funzione del redshift $z$(6), $\tau = H_0 t$, con $H_0$ costante di Hubble, e $\Omega_M$ la densità di materia dell'Universo.
Questa è in breve la storia del Nobel per la Fisica assegnato quest'oggi a Schmidt, Riess e Perlmutter, una scoperta che ha riportato all'attenzione dei cosmologi la materia oscura introdotta da Fritz Zwicky. Ma questa è un'altra storia!

(1) Shea, W. Galileo and the Supernova of 1604. 1604-2004: Supernovae as Cosmological Lighthouses, ASP Conference Series, Vol. 342, Proceedings of the conference held 15-19 June, 2004 in Padua, Italy.
(2) Carroll, Sean M.; Press, William H.; Turner, Edwin L. The cosmological constant. Annual review of astronomy and astrophysics. Vol. 30 (A93-25826 09-90), p. 499-542.
(3) Riess, Adam G et al. Observational Evidence from Supernovae for an Accelerating Universe and a Cosmological Constant. The Astronomical Journal, Volume 116, Issue 3, pp. 1009-1038. (arXiv)
(4) S. Perlmutter et al.. Measurements of $\Omega$ and $\Lambda$ from 42 High-Redshift Supernovae. Astrophysical Journal, 517, 565-586. (arXiv)
(5) Perlmutter, S. and Schmidt, B.P. Measuring Cosmology with Supernovae. Lecture Notes in Physics, 2003, Volume 598/2003, 195-217. (arXiv)
(6) $a = \frac{1}{1+z}$

Risorse ufficiali: Press release, Useful links and further readings
Hanno parlato del Nobel: Amedeo Balbi, Gravità Zero, Paolo Pascucci (quest'ultimo post è in costante aggiornamento man mano che arriveranno gli altri Nobel-post).

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