martedì 7 marzo 2017

The WOW Effect: Presentazione dei GIGANTI COSMICI





Ho deciso di preparare questo post spinto da un fortissimo desiderio, quasi come un bambino, di proporre subito quel tipo di esempi di Eventi Cosmici che non possono non commuovere, farci tremare ogni certezza e lasciare a bocca aperta e magari costringerci ad ampliare le nostre piccole vedute.

Per questo, pensando a quale foto di titolo mettere, mi è venuta subito in mente la meravigliosa Jodie Foster nel film Contact, quando avendo la fortuna di "navigare" in mezzo ai colori e alle meraviglie del Cosmo, non riesce a trattenere un'emozione che è troppo grande per un essere umano.

I Giganti Cosmici che presento qui e la selezione di scoperte del 2° post sono al di là della nostra capacità di comprensione, ma se andate a leggere con attenzione, quando serve, i diversi link ai post che trovate qua e là, sicuramente troverete un po' di aiuto quantomeno per provare a rendere umanamente più comprensibili queste situazioni impossibili.




                                                                                                                                   Noi non solo siamo fatti di "polvere di stelle", ma viviamo pure                                               immersi nella "polvere spaziale".

                                                         Perché noi                                                                                         non solo siamo nell'universo,                       ma siamo noi stessi universo: guardiamo sempre il cielo come se                   fosse "fuori" da noi, dimenticando spesso che noi stessi                                              siamo "dentro" di lui, siamo parte del tutto.                                                                                                                                    



Il cielo, a guardarlo nelle notti stellate lontano da fonti di rumore e luminose, sembra così tranquillo ed affascinante. Affascinante lo è di sicuro, ma tranquillo per niente, è solo un'illusione, perché 

l'Universo può essere un posto molto violento, anche se noi non ce ne accorgiamo.

L'Universo si evolve continuamente attraverso eventi violenti; sono questi, spesso isolati, a produrre i cambiamenti maggiori.


Non serve andare lontano nello spazio per scoprire tale violenza e che la calma è solo apparenza: basta guardare la luna stessa e riflettere sul fatto che si è formata dallo scontro di un piccolo pianeta contro l'antica Terra.
(liberamente tratto da una lezione a slide di Daniele Gasparri)






T e n e t e v i   f o r t e !!!

Prima di passare agli esempi concreti, 
una breve presentazione:


Come premessa generale super-sintetica, una slide di una Presentazione di Mario Vietri della Scuola Normale Superiore che fa giusto al caso nostro, riguardante l'Evoluzione Stellare.
In arancione le stelle di massa come il nostro Sole, in verde le Super-Giganti, in blu le Iper-Giganti. La nascita di Stelle Nane Bianche, Stelle di Neutroni oppure Buchi Neri dipende dalla massa di partenza delle Stelle che finiscono il loro Ciclo di Vita.



Questa slide si integra perfettamente con quest'altra riguardante il Ciclo di Vita di una Stella.






SUPERNOVA  (SN)
l'ultimo atto, distruttivo e spettacolare, del ciclo evolutivo di una singola stella molto massiva

Una stella con massa tra 8 e 25 volte quella solare esaurisce tutto il suo carburante, poi esplode improvvisamente liberando un'energia spaventosa e spazzando via tutto quello che c'è nel raggio di migliaia di miliardi di km. Al posto del nucleo resta un Buco Nero, oggetto senza pietà che fagociterà tutto quello che passerà nelle sue vicinanze.

Una Supernova può raggiungere l'energia di 200 miliardi di stelle (la Via Lattea ne ha tra 200 e 400 miliardi) ed è visibile fino a miliardi di anni luce di distanza anche con telescopi amatoriali (per capire la potenza, considerate che l'universo è vecchio e quindi esteso circa 13 miliardi di anni). Durante l'esplosione viene liberata un'energia enorme e la stella diventa così luminosa da splendere più di una intera galassia.

Una Supernova emette in pochi giorni l'energia che il Sole sprigiona in miliardi di anni; detta anche in altro modo, libera un'energia che è 100.000 volte tutta l'energia liberata dal Sole in tutta la sua vita (10 miliardi di anni).

In una galassia come la Via Lattea le Supernovae sono rare, circa una ogni 50-100 anni. Nel corso della storia alcuni fortunati osservatori ne hanno avvistate.


Quella del 1054 D.C. divenne così luminosa da essere visibile anche di giorno.

Nell'anno 1006 D.C. ci fu invece la SN 1006, che è stato l'evento stellare con magnitudine apparente (cioé luminosità diretta) più brillante di cui esistano registrazioni storiche, tanto da risultare visibile anche di giorno per diversi giorni dopo la sua comparsa, nonostante la distanza di 2,2 kPc, cioè più di 7.000 anni luce



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l'oggetto astrofisico più enigmatico che conosciamo nell’Universo

E' un oggetto massivo (super-concentrato, da 3 volte a miliardi di volte la massa solare) che esercita un’attrazione gravitazionale cosi intensa da impedire alla materia e addirittura alla stessa radiazione elettromagnetica, la luce, di fuggire via da esso, per questo è nero. 


La materia è addensata tutta in un piccolo microscopico punto di densità infinita detto "Singolarita’" (secondo la teoria di Schwarzchild per buchi non rotanti), anche se l'esistenza di tale Singolarità è ancora oggetto di accesa discussione, in quanto molti ritengono che non esista neanche e parlano di Wormhole, cioè Buchi Neri che collegano con altre dimensioni dell'Universo o addirittura con altri Universi.

Un buco nero di massa pari a quella del Sole avrebbe un raggio compresso di circa 3 Km, sempre secondo la teoria di Schwarzchild, oppure 18,5 km (per buchi rotanti) 
Un buco nero di massa pari a quella della Terra avrebbe un raggio compresso di 1 solo cm.



Questa Singolarità è separata dal resto dell'Universo da una zona detta "Orizzonte degli Eventi" (OdS), che non è una superficie fisica. Nessun processo fisico che avvenga all’interno dell’OdS può comunicare la propria esistenza o i propri effetti all’esterno, perché tutto ciò che oltrepassa l'OdS non può uscire.

Singolarità e OdS:
un concetto affascinante che ho trovato descritto sul web con il seguente esempio che riporto, perché mi sembra possa facilitare la comprensione:

- un meteorite ha scavato un buco così profondo da non risultare più visibile dall'esterno: 
bene, il Buco Nero è il cratere, non il meteorite

Un buco nero è una porzione si spazio da dove non si può uscire, ma è "vuota". Non è la massa. La massa, che ha scavato il Buco Nero, è tutta concentrata nella Singolarità.
Detto questo, quando si dice "buco nero enorme" si intende "ENORME" quanto a massa, certo non a dimensione! 
Nel centro della Galassia, ammesso che ci sia un buco nero di 10 milioni di masse solari, il suo raggio sarebbe di 30 milioni di km, cioè meno dell'orbita di Venere. 
Però, anche così piccola, questa porzione di spazio è vuota, non è un oggetto. La materia è tutta concentrata, o si va concentrando al centro.



Da tenere ben presente che non è il Buco Nero ad emettere tanta luminosità (infatti esso è buio perché inghiotte tutto), bensì tutta la materia che vorticando sempre più velocemente fino a raggiungere velocità prossime a quelle della luce, prima di essere inghiottita raggiunge temperature e pressioni enormi.





                                                                                                                                                                                                                                RICETTA 

                                       per ottenere un Buco Nero

                                         servono 3 ingredienti:                                                                    

a) una stella massiccia (supergigante o ipergigante), che ha una massa tipicamente 20 volte o più la massa del Sole (quindi grande massa, come nell'immagine l'evoluzione in basso)




b) questa stella, alla fine della sua evoluzione, esaurisce il combustibile e implode, perché l'enorme forza di gravità (frecce rosse verso l'interno) non viene più controbilanciata dalla pressione di radiazione interna dovuta alle reazioni nucleari (frecce nere verso l'esterno)



                                                                                       c) ultimo ingrediente, comprimere abbastanza massa, oppure la sua energia equivalente (E=mc2), in un piccola regione dello spazio: a questo punto si ha il suo collasso gravitazionale che porta alla formazione di un buco nero. La stella si fa sempre più piccola e densa. Quando il raggio diventa più piccolo del raggio di Schwartzschild, si forma l'Orizzonte degli Eventi (OdS) e la stella diventa un Buco Nero                                                                                                                                                                




Nel corso del tempo, i buchi neri possono catturare sempre più materia o si possono fondere con altri oggetti o buchi neri (ad esempio nei sistemi binari) diventando più grossi.






Nel nucleo di alcune galassie come la nostra risiedono buchi neri (quello della Via Lattea è chiamato Sagittarius A*) che possono raggiungere milioni di volte la massa del Sole mentre nelle galassie più grandi e più massicce i buchi neri centrali possono avere miliardi o decine centinaia di miliardi di volte la massa del Sole.
Tuttavia, dall’esterno, non abbiamo modo di sapere come si formano.
Per quanto ne sappiamo fino ad oggi, possiamo solamente distinguere in generale 3 proprietà fisiche che li caratterizzano: 1) massa; 2) carica elettrica e 3) rotazione (momento angolare).

Ma su questo argomento ci fermiamo qui, vi invito ad approfondire al post Buchi Neri e comunque trovate qualche altro contributo tra gli esempi del post The WOW Effect: selezione di Giganti Cosmici scoperti.


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PULSAR  (PSR - PulSating Radiosources)
gli orologi più precisi dell'Universo

Se la stella non è abbastanza massiccia, ma comunque almeno 5 volte più del Sole, la Supernova genera una
STELLA DI NEUTRONI, un massivo (concentratissimo) nucleo atomico di appena 10-15 km di diametro che ruota anche più di 50 volte al secondo (generalmente tali stelle hanno un periodo di rotazione che va da 1 millisecondo a 10 secondi).
Acronimo di Pulsating Radiosources, le pulsar sono radiosorgenti che hanno la caratteristica di emettere periodicamente brevi impulsi di radioonde.



Le stelle di neutroni che ruotano velocemente emettono ai poli un intenso getto di raggi x e onde radio, cosiddetto "jet relativistco", visibile fino a migliaia di AL di distanza.
Le pulsar possono ruotare su se stesse in un secondo fino a 50 volte, ma le pulsar millisecondo MSP arrivano a superare le 600 volte.

Come vedremo, una pulsar può emettere in 1 secondo l'energia equivalente a 3,5 anni di attività del Sole.




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QUASAR  (QUASi stellAR radio objects)
'mostro cosmico', la più potente "centrale energetica" dell'Universo

Oggetti puntiformi come le stelle che però emettono una grande quantità di onde radio. Sparsi casualmente nel Cosmo, queste radio stelle non seguono la disposizione degli astri della Via Lattea. Al telescopio appaiono inoltre estremamente deboli e rosse. L'analisi accurata degli spettri dimostra che si trovano tutti a enormi distanze dalla Terra, almeno a 2-3 miliardi di anni luce. Non possono essere quindi stelle, per questo sono stati chiamati "QUASi stellAR radio objects". 


Si estendono in media per 50 miliardi di km: il Sistema Solare si estende per circa 36 miliardi di km, quindi riflettete, nel ridicolo spazio di appena 1,5 Sistemi Solari, un oggetto che emette l'energia di centinaia di normali galassie! 
Nuclei estremamente brillanti di remote galassie, risalenti ad un'epoca dell'Universo che ormai non esiste più; in definitiva giganteschi Buchi Neri che fagocitano enormi quantità di materia (nebulose, stelle, pianeti): accelerata fino a quasi la velocità della luce, questa materia vorticando forma un disco (disco di accrescimento), si scalda aumentando così in modo esponenziale la luminosità, ed emette un'inimmaginabile quantità di energia, visibile fino a distanze cosmiche inconcepibili.

Le prime galassie attive scoperte furono i Quasar, che altro non sono che le emissioni energetiche della materia catturata dai Buchi Neri supermassivi al centro delle galassie.

Quindi, riassumendo, caratteristiche di un Quasar:
- un nucleo galattico attivo estremamente luminoso
- generalmente molto distante dalla Terra
- emette energia equivalente a centinaia di normali galassie
- una piccola regione compatta che circonda il centro di una galassia massiccia, costituito da un buco nero supermassiccio
- nonostante tali enormi luminosità, le dimensioni dei quasar sono confrontabili con quelle del Sistema Solare, e comunque non più grandi di pochi anni luce

- un quasar di dimensioni medie potrebbe incenerire l'intero Sistema Solare da una distanza di qualche decina di anni luce ed emettere, considerando uno stesso intervallo di tempo, mediamente un'energia 1.000 volte superiore a quella prodotta dall'intera Via Lattea


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GAMMA RAY BURST  (GRB)
LAMPI GAMMA 
gli eventi più violenti dell'Universo

La loro potenza è addirittura superiore a quella dei quasar
In media una volta al giorno, tutti i giorni, un lampo gamma si accende casualmente nel cielo per poi scomparire in pochi secondi o al massimo dopo pochi minuti. 

L'amosfera della Terra offre un'eccellente protezione per le esplosioni remote, lontanissime, MA
se un lampo gamma associato all'esplosione di una stella dovesse trovarsi entro qualche centinaio di anni luce, potrebbe distruggere gran parte della vita sulla Terra. 


Un lampo gamma come vedremo può emettere in soli 10 secondi l'energia equivalente emessa dal Sole in tutta la sua vita, circa 10 miliardi di anni, oppure l'energia di 100 Supernovae oppure l'energia di tutta la nostra galassia per 100 anni.

La violenza della Supernova o della fusione di 2 stelle di neutroni (o buchi neri) è così grande che non produce solo energia, ma sconvolge anche lo spazio nel raggio di miliardi di anni luce. Le famose Onde Gravitazionali sono oscillazioni nel tessuto dello spazio-tempo che si modifica a seguito di eventi così violenti.

Noi non ce ne accorgiamo ma
ogni singolo secondo il nostro spazio si modifica,
allungandosi e contraendosi a seguito di questi eventi incredibilmente potenti.
 

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Un accenno va riservato ad un fenomeno di solito meno conosciuto, chiamato
RELATIVISTIC JET  
GETTO RELATIVISTICO
getto di materia e radiazione, espulso da un buco nero che inghiotte una stella


Un getto relativistico è un getto di plasma estremamente potente che emerge dal centro di alcune galassie attive, in particolare le radiogalassie e i quasar. La loro lunghezza può raggiungere alcune migliaia o talvolta centinaia di migliaia di AL.

Getti simili, ma si pensa in scala minore, possono svilupparsi intorno ai dischi di accrescimento delle stelle di neutroni e nei buchi neri stellari.

Ecco come si forma:
i buchi neri supermassivi – che come vedremo possono avere masse di milioni o addirittura miliardi di volte più grandi di quelle del Sole – sono oggetti dal campo gravitazionale molto forte e che cambia rapidamente man mano che ci si allontana da essi.
Questi esercitano sulle stelle che hanno intorno una forza intensa, che però risulta molto più violenta sulla faccia del corpo celeste rivolta verso di essi, che non su quella opposta: se una stella è particolarmente vicina al buco nero, la differenza di forza applicata a un lato rispetto all’altro è talmente acuta da distruggerla.






I suoi detriti,poiché formati da materiale stellare che possiede un "momento angolare" troppo grande - nel 7° esempio del 2° post, NGC 1365 "esempio dell'altalena", trovate la spiegazione del momento angolare - dovuto alla elevata velocità di rotazione del corpo celeste precedente alla sua disgregazione, invece di collassare direttamente nel buco nero, cominciano a girare intorno ad esso.




Si crea il cosiddetto disco di accrescimento: i residui della stella si dispongono lungo un anello ed entrano solo pian piano all’interno della sorgente del campo gravitazionale, generando grandi getti di energia e di radiazione elettromagnetica in direzione esattamente perpendicolare al disco stesso.



Questi fenomeni sono detti
jet relativistici, poiché le particelle emesse viaggiano ad una velocità prossima a quella della luce.








Un semplice esempio:
a seconda che il getto si espanda in altra direzione oppure nella nostra direzione, l’effetto è simile a quello che si ottiene osservando un laser.

Guardando la luce di lato, questa sembra molto meno intensa di quella che percepiamo quando ci viene puntato addosso. 

In  questo caso si osservano tutte le emissioni della sorgente: da quelle nello spettro dei raggi gamma a quelle nelle onde radio, passando per quelle a raggi X, nell’ultravioletto, nello spettro della luce visibile e nell’infrarosso (vedi etichetta "radiazione elettromagnetica" e post l'Atmosfera terrestre 3/4).


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Stelle Massive
Tessuto Spazio-Temporale
Infine un ultimo accenno all'aggettivo usato per stelle di grande massa, cioè "massive", che segnala una enorme quantità di materia concentrata, e alla trama dello Spazio-Tempo.

Quando parliamo di stelle, trascurando per il momento caratteristiche come la luminosità, la temperatura, il colore e la chimica, ci interessa molto sapere:

- dimensione = quanto è grande
- massa = quanto "pesa"
(tanto per la cronaca, non parliamo in realtà di peso ma di Massa, che differenza c'è? 
mentre il peso rappresenta la forza di attrazione di un corpo verso il centro della Terra - o di qualsiasi altro pianeta in cui si trovi - la massa corrisponde esattamente alla quantità di materia di un corpo)

Normalmente, esattamente come accade per le persone, più uno è grande più è pesante, e così si va dal nostro Sole, stella di media grandezza classe G, a stelle nane (dwarfs), stelle Giganti (giants) fino alle SuperGiganti (Supergiants) o alle IperGiganti (IperGiants)
Però accade anche, e di casi ne è pieno il Cosmo, di stelle che alla fine del loro Ciclo di Vita esplodono trasformandosi in Stelle di Neutroni e Buchi Neri
In questi due casi la situazione di inverte, perché in dimensioni relativamente piccole rispetto alle stelle Giganti menzionate, troviamo una densità di materia sconvolgente. 

La massa di tutti questi oggetti astronomici ha un effetto importante sullo spazio intorno ad essi, perché va a deformare il tessuto Spazio-Temporale, come potete apprezzare in queste immagini.

Prendendo come riferimento il Sole, vedete che la massa di una Nana Bianca, di una Stella di Neutroni e di un Buco Nero confrontata con quella del nostro astro diventa... 





...via via incredibilmente più grande e quindi provoca una deformazione più vistosa nel tessuto rappresentato dalla griglia.









Qui si vede in modo tridimensionale ancora grezzo, l'effetto della massa sul tessuto Spazio-Temporale, la griglia.











Lo stesso effetto reso in modo più credibile: dobbiamo infatti immaginarci che tutto l'Universo sia permeato di questa "griglia", il tessuto Spazio-Temporale (quindi pure noi stessi), anche se essa non è visibile ma serve solo ad aiutarci a capire.






Qui, tramite rappresentazione grafica tridimensionale, vediamo l'effetto della massa enorme di una pulsar rispetto alla nana bianca vicina.













Infine in questa immagine vediamo che la distorsione del tessuto Spazio-Temporale causato dalla massa del Sole provoca la deviazione del fotone:

(dal post Dark Matter)
"i fotoni della luce non hanno massa e quindi la domanda è:
come possono i fotoni che non hanno massa essere curvati (deformati nella loro traiettoria) da una massa qualunque (cioè da un corpo visibile, una stella ad esempio)? In effetti non è una massa che li curva, ma la presenza di una massa qualsiasi genera/provoca una curvatura dello spazio tempo (il tessuto dell'Universo), ed è questa curvatura che deforma il fotone."

Tutto questo ragionamento poi interessa non solo le stelle ma anche tutti gli altri oggetti astronomici, compresi ammassi di stelle e galassie.

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Concludo questo 1° post con una foto molto importante, che merita di essere richiamata.

10/2013
Hubble eXtreme Deep Field (XDF)

Grandi Osservatori Spaziali Uniti per L'Osservazione Cosmica più Profonda di Sempre.
I 3 più grandi osservatori spaziali al mondo, Hubble, Spitzer e Chandra, hanno unito le loro forze per ottenere un'immagine dell'universo più profonda e lontana di quanto non sia mai stato possibile prima.
































Quest'immagine, chiamata Hubble eXtreme Deep Field (XDF), combina le osservazioni fatte dal telescopio spaziale durante l'ultimo decennio, di una piccola parte del cielo nella costellazione della Fornace. Con un totale di oltre 2 milioni di secondi di tempo di esposizione, si tratta della più profonda immagine dell'Universo mai ottenuta, MA





riflettete su quanto sia grande ai nostri occhi la porzione di Cielo evidenziata...

Grazie all'uso dell'effetto di 'lente gravitazionale', esercitato da galassie massicce, i Grandi Tre, riusciranno a scoprire galassie che sono 100 volte più pallide rispetto a quelle che tipicamente riescono a vedere da soli.
Questo ambizioso programma collaborativo è chiamato "The Frontier Fields" e durerà per i prossimi 3 anni, con l'obiettivo di mappare le galassie ingrandite da 6 diversi ammassi galattici, grazie appunto alla lente gravitazionale. John Grunsfled, amministratore associato della NASA per le missioni scientifiche, ha spiegato che ogni osservatorio raccoglie immagini usando lunghezze d'onda (vedi etichetta "radiazione elettromagnetica") diverse e come risultato si ottiene uno sguardo ben più profondo della stessa area esaminata, riuscendo a scoprire la fisica dietro questi oggetti celesti. Grazie a queste nuove osservazioni si possono scoprire popolazioni di galassie che esistevano quando l'universo aveva solo poche centinaia di milioni di anni, e che non sono mai state viste prima.

Questa immagine schematica mostra come funziona l'effetto
"Lente Gravitazionale": la luce di una galassia lontana viene deformata dall'effetto gravitazionale di una galassia in primo piano che si comporta come una lente e fa apparire la galassia distante distorta ma più brillante, andando a comporre caratteristici anelli di luce, noti come "anelli di Einstein".

Ovviamente l'effetto lente funziona con qualsiasi oggetto astronomico che abbia massa: stelle, buchi neri, pulsar ma anche galassie, ammassi etc, come abbiamo visto anche nel post Buco Nero.

L'analisi della distorsione ha rivelato che alcune delle galassie lontane che formano stelle sono brillanti come 40 mila miliardi di Soli, amplificate dall'effetto della lente gravitazionale fino a 22 volte.
Crediti: Alma (Eso/Nrao/Naoj), L. Calçada (Eso), Y. Hezaveh et al.

Peter Capak, investigatore principale del telescopio Spitzer per il progetto Frontier Fields, ci spiega
il senso di questo progetto:
"L'idea è di usare questi telescopi che la natura ci offre (le Lenti Gravitazionali), insieme ai nostri più potenti osservatori spaziali, per ottenere un'immagine più profonda e nitida delle più distanti e pallide galassie che possiamo vedere. Vogliamo riuscire a comprendere quando e come sono nate le prime stelle e galassie, ed ognuno di questi osservatori ci darà un pezzo diverso del puzzle:
* Hubble ci dirà quali galassie osservare e quante stelle nascono in quei sistemi
* Spitzer ci dirà quando le galassie sono vecchie e quante stelle stanno nascendo
* Il Chandra X-Ray Observatory invece ci dirà quanto sono davvero massicci gli ammassi che osserviamo e usiamo come lenti, così da calcolare con precisione quanto sono ingrandite le galassie dietro. Permetterà anche di identificare eventuali buchi neri supermassicci nelle lontane galassie ingrandite!
Le immagini ad alta risoluzione di Hubble saranno usate anche per tracciare poi la distribuzione di materia oscura all'interno dei 6 grandi ammassi."


Bene, non perdetevi il post The WOW Effect: selezione di Giganti Cosmici scopertidove vediamo una selezione dei giganti cosmici appena descritti, scoperti in questi anni. Seguiranno altre selezioni più avanti.


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