Le grandi domande della vita: Laboratori per interrogare l'universo

Questa sera ci saranno un po' in tutta Italia iniziative dedicate alla notte della ricerca. Quest'anno sarò attivamente impegnato in un laboratorio sulle onde gravitazionali, Marte e i pianeti extrasolari presso il Museo della Scienza e della Tecnica Leonardo da Vinci di Milano. Per cui ecco questa edizione speciale de Le grandi domande della vita con il testo che ho preparato per le spiegazioni post-laboratorio e una piccola animazione realizzata all'uopo!

Onde gravitazionali

Qualunque oggetto dotato di massa deforma lo spaziotempo. Inoltre ogni oggetto in movimento trascina dietro di sé lo spazio tempo e può anche generare delle onde gravitazionali. Tali effetti sono piccolissimi, ma diventano più evidenti nel caso di eventi catastrofici come la collisione di due buchi neri o di due stelle di neutroni.
In questo secondo caso la collisione genera una kilonova, un evento che libera energie tali da generare gli elementi più pesanti nella tavola periodica (come ad esempio l'oro): poiché tali collisioni sono particolarmente rare, questo spiega perché gli elementi creati in queste occasioni sono così rari nell'universo.
Torniamo alle stelle di neutroni: nell'istante della collisione vengono generate delle onde gravitazionali insieme con un intenso lampo di luce dovuto alle enormi energie liberate. Parte la corsa tra fotoni e onde gravitazionali (no! per quel che sappiamo adesso i gravitoni non esistono e non hanno nemmeno molte probabilità di esistere: certo, se poi dovessero venire scoperti, potreste spiegarglielo voi che, in realtà, non esistono!): entrambi viaggiano alla velocità della luce, ma poiché durante il percorso i fotoni "fanno cose, vedono gente", le onde gravitazionali arrivano leggermente prima, e questo ha permesso ai ricercatori di LIGO di mandare un'allerta agli astronomi per avvisarli dell'avvenuta collisione e fornire loro delle indicazioni sulla zona del cielo dove puntare telescopi e satelliti. In questo modo siamo riusciti a raccogliere non solo il segnale gravitazionale, ma anche la luce generata dalla kilonova.
LIGO (ma anche VIRGO), come riescono a determinare il passaggio di un'onda gravitazionale?
Se proviamo a simulare il comportamento dello spaziotempo nel momento in cui sono presenti delle masse utilizzando un telo elastico (ad esempio in spandex), siamo in grado di vedere visivamente delle deformazioni abbastanza simili a quelle generate nella realtà. Il telo, però, non è molto efficace per visualizzare le onde gravitazionali, in particolare quelle dovute alla collisione di oggetti particolarmente pesanti come due buchi neri o due stelle di neutroni. Allo stesso modo anche nella nostra realtà sperimentale è difficile osservarle, poiché la perturbazione dello spaziotempo che trasportano è molto piccola. Uno degli effetti delle onde gravitazionali è, però, quello di modificare le lunghezze: questo vuol dire che se viaggiate regolarmente da una città all'altra, nel giorno in cui il vostro percorso incrocia un'onda gravitazionale, questo risulterà allungato e voi impiegherete una frazione di secondo in più rispetto al solito. Ovviamente non siamo in grado di accorgerci di intervalli di tempo così piccoli, quindi è stato necessario inventarsi un sistema più complesso di mettersi in viaggio ogni giorno tra due mete stabilite. In effetti, visto che i fisici sono notoriamente dei pigri oziosi dediti alla birra, per poter tracannare un boccale in più hanno deciso di far fare il lavoro sporco alla luce: viene usato un laser monocromatico per generare due fasci che, viaggiando in linea retta, incrociano due specchi per poi tornare indietro e fare la così detta interferenza costruttiva. Se però un'onda gravitazionale attraversa uno dei due fasci, la strada che la luce è costretta a percorrere è più lunga rispetto alla strada che compirebbe senza l'onda gravitazionale. Allora, nel momento in cui il fascio che ha visto il suo percorso allungarsi si incontra con l'altro fascio, che non è stato "toccato" dall'onda gravitazionale, l'interferenza risulta distruttiva.
In effetti non è esattamente così: visto che siamo in una situazione reale, ci sarà sempre il così detto rumore di fondo causato da varie fonti. Questo complica il lavoro, perché bisogna costruire un sistema che riduca al massimo il rumore e un algoritmo che permetta di distinguere il segnale dovuto a un'onda gravitazionale rispetto al rumore stesso. Questi però sono dettagli tecnici che non cambiano di una virgola il senso della fisica che sta dietro le onde gravitazionali e la loro rilevazione.

Tejinder Kaur, David Blair, John Moschilla, Warren Stannard, Marjan Zadnik, 2017, 'Teaching Einsteinian physics at schools: part 1, models and analogies for relativity', Physics Education, vol. 52, no. 6, p. 065012 doi:10.1088/1361-6552/aa83e4

Nuovi mondi

Il laboratorio successivo è dedicato a Marte e ai transiti planetari. Mentre di questi ultimi trovate un mio articolo su DropSea, su Marte spendo giusto un paio di parole in più.
Come sapete la notizia più importante nel recente periodo sul pianeta rosso è la scoperta di acqua liquida nel sottosuolo marziano. In particolare la sonda MARSIS, montata a bordo di Mars Express, ha osservato la parte meridionale del pianeta e i dati che ha fornito hanno suggerito ai ricercatori italiani, guidati da Roberto Orosei, la presenza di un lago liquido la cui temperatura è di diversi gradi sotto lo zero. Il segreto è la probabile presenza di sali di sodio, magnesio e calcio, effettivamente presenti su Marte, che sono in grado di abbassare il punto di congelamento fino a -72 °C, effetto che in piccolo si ritrova anche sulla Terra, visto che il sale contenuto negli oceani permette alla loro acqua di restare liquida fino a una temperatura di -2°C, senza dimenticare che nella McMurdo Dry Valley è presente acqua dalla salinità così alta da permetterle di restare liquida a temperature di circa -13°C.
La scoperta, ad ogni modo, è stata possibile grazie alla tecnologia del radar: MARSIS ha inviato un'onda sulla superficie del pianeta e ha ricevuto l'onda riflessa. La comparazione tra andata e ritorno e l'esame delle proprietà dell'onda riflessa (come ad esempio l'angolo di riflessione) permettono di distinguere i materiali che l'onda radar colpisce nel suo percorso, e proprio questi dati sono compatibili con un lago d'acqua particolarmente salato!
Ora il passo successivo è comprendere la reale estensione del lago, poiché MARSIS è in grado di sondare Marte fino a una profondità di 4 o 5 chilometri e il lago si trova esattamente 1,5 chilometri sotto uno strato ghiacciato. Quindi in questo caso la domanda, ancora senza risposta, è: quanto è profondo il lago marziano?

Orosei, R., Lauro, S. E., Pettinelli, E., Cicchetti, A., Coradini, M., Cosciotti, B., ... & Soldovieri, F. (2018). Radar evidence of subglacial liquid water on Mars. Science, eaar7268 doi:10.1126/science.aar7268.
Diez, A. (2018). Liquid water on Mars. Science, 361(6401), 448-449 doi:10.1126/science.aau1829.