Categoria: Cosmologia

Materia esotica paramagnetica

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Sono molte le nozioni scientifiche che abitualmente diamo per scontate. Pensiamo che esse siano vere ovunque nell’Universo – il che è sostanzialmente vero – ma non teniamo conto che in questo ci possano essere delle condizioni limite in cui ciò che sappiamo è incompleto.

In prossimità di una stella di neutroni la materia potrebbe essere ancora più esotica di quanto si pensi. Qui il magnetismo potrebbe prevalere sull’elettrostatica che normalmente governa la dinamica molecolare.

Eppure ci siamo già passati. Alla fine del 19° secolo Lord Kelvin si diceva convinto che si era scoperto tutto lo scibile, mentre subito dopo i concetti di spazio e di tempo assoluti crollavano sotto i colpi della Relatività e l’infinitamente piccolo veniva riscritto dalla Meccanica Quantistica.
Adesso proprio nel campo del quasi infinitamente piccolo, un settore che pensavamo di conoscere bene, pare che le nostre conoscenze siano incomplete.
Trygve Helgaker dell’Università di Oslo e il suo team hanno provato a simulare al computer quello che accade alla materia quando è sottoposta a campi magnetici potentissimi che possono essere generati solo dal nucleo collassato di una stella, una nana bianca o una stella di neutroni.

I legami chimici sono quelle forze elettrostatiche che consentono agli atomi di aggregarsi  fra loro e creare quelle strutture più complesse che chiamiamo molecole.  La forza dei legami chimici varia notevolmente, ci sono i legami forti come i legami covalenti e i legami ionici, e i legami deboli, come le interazioni dipolo-dipolo, che al momento non ci interessano affatto.
Il legame più semplice conosciuto e diffuso  nell’universo, è ovvio, riguarda due atomi dell’elemento più semplice che c’è, l’idrogeno. In questo  caso si parla di molecola di idrogeno o idrogeno molecolare, simbolo H2.
Questo è un legame covalente omopolare, dove i due nuclei atomici – in questo caso due protoni, di carica elettrica positiva – condividono due elettroni – di carica elettrica negativa. La carica elettrostatica quindi è nulla e la molecola è stabile.
In questo caso gli elettroni occupano lo stesso orbitale e, per il Principio di esclusione di Pauli, hanno spin opposti.
Helgaker e il suo team, avvalendosi di complesse simulazioni computerizzate, si sono accorti che una molecola di idrogeno in presenza di enormi campi magnetici dell’ordine di 100000 Tesla, che si possono appunto trovare in prossimità di una nana bianca o una stella di neutroni, si comporta in modo alquanto bizzarro, rivelando una nuova forma del legame covalente finora sconosciuto.
In questo caso la molecola di idrogeno si orienta parallelamente alle linee del campo magnetico, e il legame chimico tra i due atomi diventa più stretto e più stabile.
Nel caso in cui uno degli elettroni venga poi eccitato fino a un livello di energia che normalmente romperebbe il legame, come ad esempio dopo aver assorbito un fotone, la molecola non fa altro che riorientarsi perpendicolarmente al campo magnetico, ma curiosamente resta intatta.

 la dinamica dei legami molecolari in un ambiente comune (in inglese).

Questo avviene perché il campo magnetico riallinea lo spin degli elettroni in una unica direzione che è normalmente sempre antiparallelo quando due elettroni occupano lo stesso orbitale. Ma il Principio di esclusione di Pauli impedisce a due elettroni identici di occupare lo stesso orbitale, per cui un elettrone è costretto a cambiare posizione e passare allo stato quantico successivo, che è però un orbitale antilegame 1.
In un ambiente normale la molecola di idrogeno si dissocierebbe quasi subito nei suoi componenti fondamentali, invece qui l’intensità del campo magnetico riesce a mantenerla curiosamente stabile. I ricercatori hanno chiamato questo nuova forma di legame legame paramagnetico.

Il legame paramagnetico consentirebbe alle molecole di idrogeno di esistere anche in ambienti estremi come lo sono le sottilissime e caldissime atmosfere di questi nuclei stellari.
Dovrebbe essere quindi possibile osservare questa nuova forma della materia  studiando gli spettri di questi oggetti ipermagnetici in cerca di una loro particolare firma nelle righe spettrali che dovrebbe essere diversa dalle altre finora conosciute, perché il riposizionamento di una molecola eccitata nel campo magnetico deve comunque lasciare una sua impronta.
Se  Helgaker e i suoi hanno ragione dovremmo rivedere le nostre conoscenze sulla materia sottoposta a condizioni estreme.
Infatti i nuclei stellari collassati non si fermano certo a generare solo – si fa per dire – 100000 Tesla: molte stelle di neutroni raggiungono campi magnetici fino a 10000 volte più intensi.
Potremmo scoprire che la materia si comporta in modo ancora diverso e più esotico, magari campi magnetici ancora più intensi di quelli fin qui studiati non si limitano ad alterare gli orbitali ma anche la dinamica dei nuclei atomici fino a creare nuovi tipi di materia non ancora conosciuti.

Il paradosso di Olbers e altre domande

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Ci sono alcune domande che possono sembrare banali e scontate, ma che in realtà celano una complessità tale che le risposte non sono affatto semplici. Questo significa che non esistono quesiti ovvi, ma al più risposte ovvie.

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Credit: Il Poliedrico

Vi siete mai chiesti perché il cielo di notte è buio?
Banale, eh? Se rispondete perché il Sole è tramontato da un pezzo, me ne vado!
Pensateci bene. Se le stelle – in prima approssimazione possiamo prenderla così – sono distribuite uniformemente nello spazio, prima o poi con lo sguardo dovremmo incontrare la superficie di una stella, non importa quanto distante o quanto luminosa essa sia, ma ovunque volgessimo lo sguardo vedremmo la superficie di una stella e il cielo quindi splenderebbe ne più ne meno come la fotosfera del Sole.
Questo si chiama paradosso di Olbers 1, ma in realtà si posero la stessa domanda anche Keplero e Halley (solo per citarne alcuni) prima di lui.
Vediamo alcune risposte:

  • Le stelle più lontane sono oscurate dalla polvere.
  • L’Universo ha solo un numero finito di stelle.
  • La distribuzione delle stelle nel cosmo non è uniforme.
  • L’Universo è in espansione, la luce delle stelle più lontane è stirata dall’effetto Doppler verso il rosso in proporzione della distanza.
  • L’Universo è relativamente giovane. La luce delle stelle più distanti non ci ha ancora raggiunto.

 

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Verso il centro della Galassia

La prima risposta si può scartare subito: in un corpo nero, come lo è l’Universo, la polvere finirebbe per riscaldarsi e irradiare con la stessa intensità delle stelle che si nascondono dietro. È quindi sbagliata.
La seconda potrebbe essere quasi corretta, se non fosse che il numero di stelle dell’Universo pur essendo tecnicamente finito è cumunque abbastanza alto da illuminare comunque il cielo, come se fossse virtualmente infinito. Anche questa risposta non è convincente.
La terza pur descrivendo efficacemente la struttura reale dell’Universo su grande scala non può essere vera, altrimenti vedremmo il cielo solcato da linee luminose inframmezzato da piccole aree più scure di spazio vuoto, ma questo non si osserva: anche questa risposta è errata.
Solo le ultime due possono spiegare  perché il cielo è buio e sicuramente entrambe contribuiscono a questo effetto anche se in maniera diversa: l’effetto Doppler provocato dall’espansione dell’Universo provoca il progressivo stiramento delle lunghezze d’onda della radiazione stellare così che non riusciamo a vedere nel dominio ottico le stelle più lontane, ma noi viviamo in un guscio sferico che  possiamo chiamare Universo Osservabile. Questa porzione di universo ha un raggio uguale alla vita dell’Universo, cioè circa 15 miliardi di anni luce, e la luce delle stelle più distanti di questo limite ancora non ci ha raggiunto e quando lo farà sarà troppo stirata per essere influente.

Lo so, parlare di scale così grandi fa venire il mal di testa, per questo invece voglio proporre un  quiz molto più semplice: Perché le stelle sembrano più brillanti in inverno?

  1. Perché è più freddo.
  2. Perché guardiamo in una direzione dove le stelle sono più brillanti.
  3. Perchè l’aria è più rarefatta.
  4. Perché guardiamo verso il centro della Via Lattea.

Come al solito la risposta la avrete fra 15 giorni ….

Una nuova cosmologia che non fa Bang

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Uno dei più grandi meriti della scienza è quello senza dubbio di avere il coraggio di ridiscutere tutti i suoi principi senza perdere di vista il suo obbiettivo, che è quello di spiegare razionalmente l’Universo che ci circonda, che sia un batterio o una galassia, un protone o un fiocco di neve, non importa.
Così, quando Wun-Yi Shu, ha proposto una nuova interpretazione del modello cosmologico attuale conosciuto come Big Bang, ho accolto la notizia con curiosità, senza pregiudizi o speranze o scetticismo, plaudendo alla capacità della scienza di rinnovarsi continuamente.

Legge di Hubble
Questa fu proposta da Edwin Hubble nel 1929 per spiegare lo spostamento verso il rosso delle righe spettrali di oggetti a distanza cosmologica; questa legge indica una relazione lineare tra il redshift della luce emessa dalle galassie e la loro distanza: tanto maggiore è la distanza della galassia e tanto maggiore sarà il suo redshift secondo l’equazione:

z = H0 D/c

dove z è il redshift misurato della galassia, Dc è la velocità della luce e H0 è la costante di Hubble, che secondo gli ultimi studi è di 74 km/s per Megaparsec con un margine d’errore del 4,3%. è la sua distanza,

Wun-Yi Shu ha proposto una interessante lettura partendo dalla metrica di  Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker per creare un modello cosmologico che non facesse uso di due concetti non proprio bellissimi: la singolarità iniziale del Big Bang e l’energia oscura.

La singolarità iniziale nasce quando si tenta di risalire alle condizioni iniziali dell’Universo partendo dagli assunti attuali, come il redshift delle galassie e la massa stimata dell’Universo come ci vengono narrate dalle osservazioni astronomiche,  e le leggi fisiche come le conosciamo.
Il primo ad ipotizzare un punto d’origine iniziale fu Georges Lemaître nel 1927, indipendentemente da Alexander Friedmann; in seguito il modello del Big Bang fu esteso per rispondere ai nuovi interrogativi che sia la fisica quantistica (una asimmetria tra barioni e antibarioni nella composizione dell’Universo) che le osservazioni scientifiche (la radiazione cosmica di fondo da Arno Penzias e Robert Wilson nel 1964) fino ad arrivare a l’attuale modello inflattivo proposto da Alan Guth e a Alexei Starobinski agli inizi degli anni ’80.

L’introduzione dell’energia oscura  nell’attuale modello cosmologico si è reso necessario per spiegare le osservazioni che indicano un universo in accelerazione, ma il primo ad introdurre questo concetto fu Einstein con la costante cosmologica, un’ipotetica forma di energia con pressione negativa sul tessuto dell’Universo per contrastare le osservazioni di Hubble che portavano ad una singolarità iniziale. In seguito Einstein dichiarò che introdurre la costante cosmologica fu il suo più grande errore, ma quando fu sviluppata una teoria quantistica della materia, si scoprì  che il vuoto avesse una energia negativa, con una azione antigravitazionale e capace di accelerare l’espansione dell’universo.

L’importanza di c
Spesso c’è la tendenza di pensare che la velocità della luce sia costante, ma non lo è. In un corpo cristallino come ad esempio un diamante la  luce subisce un fenomeno di assorbimento-emissione che riduce la sua velocità a poche decine di migliaia di chilometri al secondo.
c invece è una proprietà dello spazio-tempo che i fotoni raggiungo nel vuoto perché non hanno massa.

Invece Wun-Yi ha reinterpretato le costanti universali come  c (equivalente alla velocità della luce nel vuoto) e la costante di gravitazione universale G rendendole variabili e postulando nelle nuove equazioni di campo dove G/c2 e quindi  G(t)/c(t)2=1. In questa nuova cosmologia in cui la massa si converte in distanza e viceversa -non voglio tediare il lettore con la dimostrazione matematica- l’unica costante invariabile rimane il tempo, quindi non può esistere né un principio (la singolarità iniziale), né una fine temporale (quindi anche se l’espansione dell’Universo accellera non può esserci una fine, ma questa è dovuta unicamente da G/c2 e non un’energia repulsiva oscura), ma una continua rimestura della massa che si converte in distanza equivalente.
Di ipotesi cosmologiche alternative al Big Bang ce ne sono molte e ne nascono in continuazione, ma questa è facile da confutare o meno: finora queste due costanti cosmologiche sono state oggetto di precise misurazioni e niente finora a dato prova della loro variabilità o di questo loro legame. In più questa ipotesi cosmologica, anche se pretende di spiegare alcune incongruenze nella luminosità delle supernove di tipo I nelle galassie più distanti nello spazio-tempo (questo mi fa ripensare all’apparente incongruenza dell’età degli ammassi stellari più antichi con l’età presunta dell’Universo), ma non spiega ad esempio la radiazione cosmica di fondo e la sua origine.
Mi fa anche pensare ad un’altra teoria cosmologica (smentita dalle osservazioni): quella dello stato stazionario di Hoyle, in cui avviene una creazione continua di materia (un atomo di idrogeno per metro cubo per un miliardo di anni) in palese contraddizione con il postulato della conservazione di massa.
Attualmente tutto il castello teorico del Big Bang includendo il modello inflattivo e l’energia oscura è in grado di fare previsioni sullo stato osservabile dell’Universo in accordo con le osservazioni fino a pochi microsecondi dopo il presunto Big Bang e solo quando arriverà una teoria migliore di questa potrò abbandonarla.

Posso dire che questa cosmologia di Wun-Yi non mi convince, neppure sul piano matematico, ma il bello della scienza è proprio questo: pensare e immaginare l’impensabile e avere il coraggio di esporlo, nella Scienza non ci sono gerarchie. la Scienza non ha dogmi o interessi particolari da difendere se non quello di ampliare la nostra conoscenza; pertanto applaudo a Wun-Li Shu per il suo coraggio, invitandolo a continuare nella sua ricerca.