Categoria: SCIENZA

Omochiralità quantistica, biologica e universalità della Vita

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Anche se in merito sono state fatte le diverse e più disparate ipotesi, dalla radiazione polarizzata di una supernova vicina nel periodo della nascita della vita sulla Terra fino alla radiazione di una pulsar ormai spersa e forse estinta che investiva il pianeta sempre in quei momenti, nessuna di queste è a mio avviso abbastanza libera da eventi dovuti al caso. Probabilmente l’origine dell’omochiralità levogira degli aminoacidi necessari alla vita è dovuta a fattori più fondamentali e universali. 

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stereochemTutti gli aminoacidi e molte altre molecole – isomeri – hanno un aspetto diverso se invertite spazialmente. Tutta la vita che conosciamo è capace di utilizzare solo una delle due immagini; in genere la versione levogira per quanto riguarda gli aminoacidi e la versione destrogira per i glucidi. Queste molecole complesse esistono in due forme speculari e non sovrapponibili dette enantiomeri  che, in base alla disposizione spaziale in tre dimensioni degli atomi, vengono definite destro o levogire per la loro capacità di ruotare il piano della luce polarizzata 1. A parte questa apparente sottigliezza, entrambi gli enantiomeri hanno sostanzialmente le stesse proprietà fisiche 2. Però, in certe reazioni o strutture, è utilizzabile solo l’una o l’altra forma. La principale funzione di particolari proteine (macromolecole biologiche formate da sequenze di aminoacidi legate tra loro) dette enzimi, è quella di catalizzare le reazioni biomolecolari, tra cui la sintesi delle altre proteine. La capacità catalitica degli enzimi dipende criticamente dalla loro struttura tridimensionale, la quale a sua volta dipende dalla direzione della sequenza degli aminoacidi. Catene sintetiche di amminoacidi formate sia da enantiomeri levogiri sia da enantiomeri destrorsi in una miscela 1:1, detta racemo, non si avvolgono nel giusto modo per produrre un’efficace attività catalitica; esse sono incapaci di formare una regolare struttura elicoidale.  Il DNA, ad esempio, è composto da basi azotate, glucidi e fosfati racchiusi in strutture chiamate nucleotidi le quali compongono la celebre doppia elica: che qui è sempre destrorsa. 
Ogni produzione spontanea 3 di aminoacidi ottenuta in laboratorio da luogo sempre a una soluzione racemica mentre le catene proteiche degli esseri viventi che conosciamo utilizzano esclusivamente forme levogire. 
Il problema dell’omichiralità degli  isomeri necessari alla vita non è mai stata risolta del tutto. Alcuni ritengono che questa sia frutto della selezione entropica naturale [cite]http://dx.doi.org/10.2174/187231308784220536[/cite] che pare favorisca la selezione delle migliori soluzioni di trasduzione dell’energia disponibili. In questo una soluzione enantiopura è decisamente migliore di una racemica, come dimostrano altri studi [cite]http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jp046478x[/cite], ma tutti questi studi pur dimostrando la necessità della vita di scegliere per l’omochiralità non spiegano perché per gli aminoacidi sia stato scelto il modello levogiro e destrogiro per gli zuccheri.
Una plausibile spiegazione viene dalle riflessioni di Frederic Vester e Tilo L. V. Ulbricht del 1957, i quali sospettarono la appena scoperta Violazione della Parità prodotta dall’Interazione Debole negli atomi [cite]10.1016/S0040-4020(01)92714-0[/cite] di essere responsabile dell’omochiralità a ogni scala. o quasi..

La simmetria P

L'interazione debole di un antineutrino elettronico con un neutrone all'interno di un nucleo atomico può spingerlo a decadere in un protone e un elettrone. Credit Il Poliedrico.

L’interazione debole di un antineutrino elettronico con un neutrone all’interno di un nucleo atomico può spingerlo a decadere in un protone e un elettrone. Credit Il Poliedrico.

In fisica si chiama Simmetria P, simmetria di trasformazione di parità 4. Quasi tutte le leggi fisiche fondamentali rispettano questa regola. L’elettromagnetismo, la forza di gravità e l’interazione nucleare forte rispettano tale simmetria, ossia sono invarianti rispetto all’inversione delle coordinate spaziali (potremmo immaginare lo stesso fenomeno come visto riflesso allo specchio procedere verso il medesimo risultato che nel mondo reale, solo che è appunto invertito spazialmente). La più debole delle quattro interazioni, l’interazione debole, invece no. Anzi è proprio lei la causa della violazione della Simmetria P.
Come dice il suo nome, l’interazione debole è veramente debole: circa 1000 volte meno intensa della forza elettromagnetica e 100 000 volte meno intensa della forza nucleare forte. L’interazione debole è responsabile sia per la fusione nucleare delle particelle subatomiche che per l’emissione di raggi beta durante il decadimento radioattivo. I raggi beta sono in realtà elettroni o positroni ad alta energia espulsi da un nucleo atomico durante il decadimento beta ($\beta$). Queste particelle hanno uno spin intrinseco e quindi, quando si muovono lungo il loro asse di spin, si possono classificare come sinistrorsi o destrorsi. La violazione della parità indica che le particelle beta emesse dai nuclei radioattivi mostrano segni evidenti di una asimmetria chirale: le particelle sinistrorse emesse durante il decadimento superano di gran lunga quelli destrorse.
Durante il decadimento beta vengono emesse anche altre particelle elettricamente neutre – il neutrino e l’antineutrino – che si propagano quasi alla velocità della luce. Come l’elettrone, l’antineutrino emesso dalla materia radioattiva ha uno spin ma, diversamente dall’elettrone, esiste solo nella forma destrorsa. Pare che nell’universo non esistano neutrini destrorsi e antineutrini sinistrorsi.

Chiralità Quantistica

wzIl Modello Standard delle particelle elementari, unisce le leggi dell’eletttromagnetismo di Maxwell e l’interazione debole in un’unica forza, l’Interazione Elettrodebole e introduce il concetto di correnti deboli cariche e le correnti deboli neutre mediate dai bosoni $W^\pm$ e $Z^0$. L’opera di queste correnti , o forze,  tra due particelle elementari dipende dalla distanza tra le particelle, dalla loro carica elettrica e dalla direzione del loro spin. L’elettrone ha una carica elettrica negativa e la forza elettrica tra due elettroni qualsiasi è sempre repulsiva. Invece, la carica debole $W$ è non nulla per un elettrone sinistrorso e nulla per uno destrorso. Quindi, un elettrone destrorso si limita semplicemente a non percepire la forza $W$. La corrente debole neutra $Z$ invece agisce sullo spin, elettroni sinistrorsi e destrorsi hanno cariche $Z$ di segno opposto e di intensità circa uguale. La differenza di segno provoca l’attrazione degli elettroni destrorsi verso il nucleo da parte della corrente $Z$ e la repulsione di quelli sinistrorsi 5 6. È per questo che il decadimento nucleare beta, dominato dalle correnti deboli, produce un eccesso di elettroni sinistrorsi. Se non fosse violata la parità, in un mondo visto allo specchio il decadimento beta produrrebbe elettroni destrorsi e la corrente debole neutra $Z$ attirerebbe verso il nucleo anche gli elettroni sinistrorsi. Questi processi non si osservano però nel mondo reale, il che è un altro modo per affermare che la forza debole è chiralmente asimmetrica e che la parità non viene conservata.

Chiralità molecolare

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Pozze di fango, comete e sacche di polvere interstellare. Ecco dove possono nascere i mattoni della Vita. Credit: Il Poliedrico

Come conseguenza dell’interazione debole, gli atomi, finora pensati achirali, mostrano invece di possedere una distinzione tra destra e sinistra. Questa distinzione se è presente su scala atomica, potrebbe riflettersi su scale di ordine superiore? C’è da aspettarsi che anche le strutture molecolari più complesse, come ad esempio gli aminoacidi, mostrino proprietà fisiche differenti in base alla loro chiralità. L’asimmetria chirale a livello subatomico ha origine a livello fondamentale con la violazione della parità. Su scala superiore la corrente debole neutra $Z$ fa sì che che una molecola chirale abbia stati energetici diversi tra i due isomeri.
Per comprendere meglio questo meccanismo, immaginiamo una molecola chirale come un’elica o una vite e supponiamo che la corrente $Z$ non esista. Un elettrone con spin $\uparrow$ che si muove nello stesso senso dell’elica $\uparrow$ è destrorso,  mentre è sinistrorso se si muove nel senso contrario. Dal punto di vista probabilistico però dovremmo comunque aspettarci che la chiralità media degli elettroni sia nulla; però le correnti elettromagnetiche presenti nell’atomo tendono a far allineare l’asse orbitale dell’elettrone nel senso opposto al suo spin. Questo fenomeno, noto come accoppiamento spin-orbita, tende a far allineare l’elettrone nel moto opposto al suo spin in una molecola chirale destrorsa, per cui in questo caso gli elettroni tendono ad essere sinistrorsi. Invece negli enantiomeri levogiri sono gli elettroni destrorsi a prevalere. Ora tornando a prendere in considerazione anche la corrente debole neutra $Z$, che interagisce con gli elettroni  in modi dipendenti dalla loro chiralità, viene fuori che essa provoca una diversità energetica tra due enantiomeri opposti [cite]http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/1983/c3/c39830000117#!divAbstract[/cite].
Come è facile intuire, l’enantiomero levogiro degli aminoacidi- che è quello biologicamente più dominante – è anche quello che possiede l’energia molecolare più bassa (gli elettroni dominanti sono destrorsi), mentre al contrario è l’enantiomero destrorso il più energetico.
Tutto questo è sostanzialmente in accordo con i principi della statistica e della termodinamica che in caso di sostanziale equilibrio è la forma con l’energia più bassa a prevalere; è stato calcolato che la discrepanza nella produzione spontanea dei due isomeri è così minuscola da passare inosservata: una parte su 10^17.
Un’altra fonte dell’omochiralità è il decadimento $\beta$. Nell’ipotesi Vester-Ulbricht si sostiene che durante il decadimento spontaneo viene emessa una debole traccia elettromagnetica, un Effetto Bremsstrahlung 7 interno all’atomo [cite]10.1016/S0031-8914(36)80008-1[/cite]. Questa emissione ha la stessa polarizzazione della particella che la emette. Per gli effetti dell’interazione elettrodebole che abbiamo visto più sopra, la maggior parte, circa l’80%, degli elettroni emessi durante il decadimento sono sinistorsi, e così è anche per la radiazione. Gli effetti della radiazione polarizzata è che essa tende a distruggere le molecole chirali dello stesso ordine, così una polarizzazione sinistrorsa tende a distruggere le molecole sinistrorse, ma il contributo della radiazione Bremsstrahlung interna è veramente molto piccolo; si calcola invece che l’interazione diretta della radiazione $\beta$ (elettroni e positroni) sui due isomeri sia comunque solo di una parte su 10^11. Un importante sostegno a questa teoria viene dai risultati di un recente studio che mostra un legame significativo  tra l’energia degli elettroni diversamente polarizzati e l’evoluzione chirale della bromocanfora [cite]http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.113.118103[/cite].
Ecco quindi sostanzialmente spiegato come mai ogni produzione spontanea di aminoacidi in laboratorio (ex. gli esperimenti di Stanley e Urey) porta sempre a una sostanziale soluzione racemica.
Ma una scappatoia al racemo c’è. Come insegna la termodinamica, un sistema chiuso tende sempre ad evolversi verso uno stato di equilibrio di minima energia, dove le concentrazioni molecolari sono definite dalla loro energia ed entropia. Trascurando la diversità energetica tra i due enantiomeri dovuta dalle correnti nucleari deboli, differenza reale ma comunque piccolissima, un sistema chiuso quindi può solo evolversi verso un sistema chiralmente simmetrico dove gli isomeri levogiri e destrorsi sono presenti in uguale proporzione. In un sistema aperto all’ingresso di nuova materia ed energia invece non è raggiungibile un equilibrio termodinamico; al suo posto accade un fenomeno chiamato rottura di simmetria, che porta alla predominanza spontanea di uno dei due enantiomeri sull’altro. Anche in questo caso gli gli stessi principi statistici e termodinamici suggeriscono che siano gli enantiomeri levogiri degli aminoacidi a prevalere.
E come la mano sinistra si intreccia meglio con la destra, anche i glucidi di conseguenza hanno subito la loro selezione: per adattarsi meglio agli aminoacidi levogiri i glucidi hanno subito un’evoluzione complementare fino a produrre strutture elicoidali destrorse, precursori del DNA.

Conclusioni

L’idea che l’omochiralità delle forme più complesse possa trarre origine dalle leggi più fondamentali della natura è veramente attraente. 
Non occorrerebbe più attendere – o dimostrare – che un sorgente di radiazioni polarizzata illumini un mondo promettente per ottenere la scintilla omochirale. Elettroni sinistrorsi prodotti dal decadimento $\beta$ di isotopi prodotti dalle supernovae sono senza dubbio un fonte universale  di radiazione polarizzata capace di condizionare gli isomeri ovunque: dagli asteroidi alle comete ghiacciate nelle nubi di Oort di di ogni sistema stellare; dai fondali di oceani alieni a pozze di fango su mondi appena formati fino ad arrivare anche alle nubi interstellari e ai globuli di Bok.
Se l’ipotesi che le radici dell’omochiralità sono nell’Interazione Elettrodebole fosse corretta, dimostrerebbe che le fondamenta della Vita sono più legate alla struttura fondamentale dell’Universo di quanto finora si pensi. Una gran bella idea!

Note:

Saturno? Beccato!

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Saturno? Beccato!

Fine occultazione SaturnoIl 25 ottobre 2014 la Luna ha occultato Saturno. Il momento del primo contatto tra i due astri è avvenuto circa alle 18:36 ora legale italiana (16:36 UTC), quando il Sole era appena sotto l’orizzonte ed era quindi virtualmente impossibile vederlo ad occhio nudo.
Per un soffio però sono riuscito a beccare la fine dell’occultazione in ben due fotogrammi, quando la Luna era ancora appena sopra l’orizzonte alle 19:17.
Quando si dice che la speranza è sempre l’ultima a morire 😉

La Notte Europea dei Ricercatori: ormai ci siamo!

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RhOME for denCity! L’Italia è campione del mondo in Architettura Sostenibile

In un mondo sempre più globalizzato e con gran parte del lavoro manifatturiero affidato sempre più alle macchine e sempre meno all’uomo, la redistribuzione della ricchezza globale – che porta benessere – generata finora per la maggior parte dalla produzione industriale rischia di bloccarsi definitivamente. Emerge quindi la necessità di spostare  la richiesta di lavoro dalla produzione di beni verso nuovi servizi e comparti dove la presenza umana è importante. Questa sfida può essere vinta solo puntando sulla scolarizzazione universitaria di massa, sulle specializzazioni e la ricerca scientifica.
A chi obbietta che “la cultura non si mangia”  e a chi esprime perplessità sulla ricerca di base definendola dispendiosa e senza ricadute immediate, basta ricordargli le zampette di rana di Alessandro Volta o gli esperimenti di Michael Faraday che dettero l’abbrivio per le Equazioni di Maxwell sull’elettromagnetismo. Senza il contributo di scienziati e ricercatori come loro non ci sarebbero state tutte le comodità, i beni e i servizi che abbiamo oggi.
Per questo l’Unione Europea conta molto sulla scienza, la cultura e la ricerca per il suo futuro.

Poco tempo fa illustrai per sommi capi la prossima Notte Europea dei Ricercatori, progetto finanziato dalla Commissione Europea nata per sensibilizzare il pubblico sull’importanza della ricerca scientifica in Europa.
La manifestazione che ne fa da cornice è la Settimana della Scienza che inizia il 22 settembre e termina il 26, il cui tema, ricordo, è la Sostenibilità intesa nelle sue diverse espressioni: dall’ambiente all’architettura, dall’agricoltura all’energia, passando per tutte le voci interessate, ma non solo. Ad esempio a Roma si parlerà anche di dinosauri e di vulcani extraterrestri, ma anche di scuola nell’era  della globalizzazione per un futuro sostenibile, mentre a Frascati sarà ospite l’astronauta italiano Paolo Nespoli.
Insomma i temi trattati sono ampi e vari, vale la pena di consultare il link al programma della Notte Europea dei Ricercatori disponibile qui, o cercare tra le varie città più vicine cosa offrono per l’occasione.
E come ormai è uopo ricorrere ai servizi di social networking per coinvolgere sempre più persone, anche per la Notte Europea Dei Ricercatori dalle 20:00 del 26 settembre sarà disponibile l’hashtag Twitter #ern. Così sarà possibile seguire in tempo reale la manifestazione ovunque voi siate.

 

Cosa c’era prima e il centro dell’Universo

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Per la scienza sono più importanti le domande che le risposte. Potremmo considerarle, a ragione, proprio il motore dell’evoluzione umana. Le risposte sono invece, quasi per definizione, parziali e imprecise. Se non lo fossero, a risentirne sarebbe proprio lo sviluppo del pensiero umano, Se ci fossimo accontentati della cosmologia aristotelica, forse ora sarei qui a parlare di emicicli. Se avessimo seguito la convinzione imperante alla fine del XIX secolo che tutto era stato ormai scoperto, sicuramente oggi non saremmo qui perché la rivoluzione elettrica ed elettronica non sarebbe stata possibile senza il coraggio di chi ha saputo rimettere in discussione quanto era stato prima affermato.
Anche le mie risposte possono rivelarsi sbagliate, d’altronde non ho la scienza infusa in me e né pretendo di averla; questo lo lascio giudicare a voi. Comunque ricordate che sono sempre le domande che fanno il progresso.

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Universe
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Qualche volta mi è capitato di partecipare a convegni e conferenze di cosmologia e tra gli interventi del pubblico in sala al momento del dibattito ricorrono spesso delle domande apparentemente banali, quasi fanciullesche nell’esposizione ma che in realtà invece sono terribilmente complesse. 
Rispondere a queste domande non è facile quanto porle, il problema vero sta nella nostra naturale e limitata capacità di intuire l’Universo e nel linguaggio per esprimerlo.
Come ebbe a dire Galileo Galilei, la matematica è l’alfabeto con cui Dio ha scritto l’Universo e il linguaggio per descriverlo il più fedelmente possibile è appunto la matematica. Invece il linguaggio naturale che abbiamo sempre parlato è un linguaggio limitato per esseri limitati, descriviamo tutto coi nostri sensi, con le nostre esperienze e limiti. Diamo per scontato che tutto abbia un inizio e quindi poi una fine; che ci siano solo tre dimensioni spaziali perché sperimentiamo continuamente un sopra e un sotto, un qui e là, un avanti e un indietro. 
Un magistrale racconto  scritto nel 1884 da Edwin Abbott, Flatlandia 1, esprime più di ogni altra parola il concetto della ristrettezza del nostro linguaggio naturale. Questa limitata capacità di linguaggio si riflette poi nella comprensione della complessità del Cosmo; per questo viene spontaneo farsi queste domande.

  • Se è vero che l’Universo si espande, attraverso cosa si espande?

Expansion of spacetime Copyrigh: Iole Vaccaro Emozioni Grafiche in Movimento

Expansion of spacetime
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Emozioni Grafiche in Movimento

Tutti noi abbiamo un orologio o un segnatempo, sia  esso anche una clessidra per cuocere le uova.
Quando lo osserviamo non ci stupiamo dei secondi, dei minuti e delle ore che crescono sempre. Lo diamo per scontato, assumiamo per vero e inconfutabile che oggi è un giorno più di ieri come dopodomani saranno due giorni a partire da oggi. Come diamo anche per scontato che nel tempo di una clessidra, un uovo immerso nell’acqua bollente si cuocia.
Le notizie che il tempo scorre sempre e solo nella direzione in cui aumenta e che una volta cotto un uovo non possa mai tornare crudo, non ci scandalizzano affatto.
Da quando Albert Einstein dimostrò che il tempo è in effetti una quarta dimensione di un insieme più ampio chiamato spaziotempo, è perfettamente naturale aspettarsi che lo stesso dinamismo valga anche per le tre restanti dimensioni spaziali.
E in effetti anche le distanze tra gli oggetti nel nostro universo aumentano inesorabilmente: è quella che chiamiamo Espansione Universale, scoperta da Hubble negli anni 20 del XX secolo riguardo all’allontanamento reciproco delle galassie [cite]http://ilpoliedrico.com/2012/10/la-costante-di-hubble-e-i-modelli-cosmologici.html[/cite]. Il valore oggi più accreditato per la Costante di Hubble $H_0$  è di 74,3 km/s per megaparsec, ossia ogni secondo un megaparsec è più grande del secondo precedente di 74,3 chilometri. Se vi sembra un numero gigantesco, considerate che ogni secondo un metro di spazio si allunga di  2,407 attometri 2. Pensate che perché un metro si allunghi tanto da includere un atomo di idrogeno (50 picometri 3) occorrono più di 20 milioni di anni.
Esso cresce continuamente, ma non per questo significa che si espanda dentro qualcosa, aumenta le sue dimensioni stirando e appiattendo lo spazio precedente, continuando ancora oggi l’esperienza della sua formazione 4.
Come vedete, lo spazio si comporta esattamente come il tempo. Anche la direzione è la stessa. Il tempo, lo spazio e la direzione dell’entropia puntano esattamente nella stessa direzione, forse l’unica direzione che permette la vita nell’Universo e la stessa che vi garantisce un uovo alla coque nel tempo di una clessidra. 

  • Dov’è il centro dell’Universo?

Credit: il Poliedrico

Credit: il Poliedrico

Semplice, nell’osservatore; il che equivale che lui e solo lui è nella condizione privilegiata di esserlo o che lo è ogni punto dell’Universo.
Un osservatore vedrà la stessa cosa ovunque egli sia e in qualsiasi epoca: il raggio d’azione dei suoi sensi è legato all’età stessa dell’Universo, il tempo di Hubble 5.
Pertanto che si trovi qui ora, o sulla galassia più lontana nel passato, nel presente o nel futuro, avrà il privilegio di percepirsi sempre al centro dell’Universo. Per quanto ai nostri sensi appaia incredibile un vero centro geometrico l’Universo non ce l’ha!

  • Cosa c’era prima del Big Bang?

Mappa della radiazione cosmica di fondo dell?Universo. È il più antico segnale che potremmo mai ricevere.

Mappa della radiazione cosmica di fondo dell?Universo. È il più antico segnale che potremmo mai ricevere.

Questa è la domanda delle domande. Forse è la più diffusa e difficile a cui rispondere, e forse perché non c’è veramente una risposta.
Potrei dire che la scienza ufficiale non può dare una risposta perché essa è limitata dalla fisicità dell’universo. Le leggi fisiche finora conosciute ci consentono di  esplorare fino a pochi istanti prima di quel fenomeno, chiamato Big Bang, che supponiamo abbia originato il nostro universo. Per andare ancora oltre quei primissimi istanti occorre una legge della gravità quantistica, che sappia cioè unire la forma della gravità relativistica classica con i principi della meccanica quantistica.
Purtroppo, pur intuendone molti aspetti esteriori, una legge simile ancora non è stata trovata [cite]http://ilpoliedrico.com/2014/04/ricerca-santo-graal-fisica-gravita-quantistica.html[/cite].
Innanzitutto occorre precisare che nessuno mai potrà vedere direttamente il Big Bang. L’evento più vicino al Big Bang che è possibile vedere direttamente è la Radiazione Cosmica di Fondo a microonde che altro non è che il fronte di quando l’Universo divenne abbastanza grande e freddo da permettere alla materia e l’energia di disaccoppiarsi quando l’Universo aveva appena 380 000 anni.
Si suppone che i fotoni generati dal Big Bang possano aver lasciato la loro orma su questo muro sotto forma di radiazione altamente polarizzata, ed è quello che si sta cercando di capire attraverso una mappatura estremamente accurata con vari strumenti sia in orbita che sulla Terra [cite]http://ilpoliedrico.com/2014/04/echi-lontano-passato-novita.html[/cite] [cite]http://ilpoliedrico.com/2014/06/echi-lontano-passato-incertezze.html[/cite].

Before the Big Bang Copyrigh: Iole Vaccaro Emozioni Grafiche in Movimento

Before the Big Bang
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Ma di tutto quello che accadde tra il Big Bang e il disaccoppiamento materia-energia è frutto di simulazioni matematiche basate sulle leggi fisiche conosciute e applicate a quelle condizioni particolari. Questo metodo consente di risalire a condizioni fisiche esistenti fino a poche frazioni di secondo a partire dal Big Bang. Ovviamente queste condizioni particolari della materia-energia nell’Universo primordiale sono state verificate con esperimenti della Fisica delle Alte Energie, quindi anche se poi alla luce di nuove scoperte scientifiche dovessero rivelarsi errate, è importante ricordare che comunque non sono semplici ipotesi campate in aria. Risolvere l’altra frazione di secondo è tutta un’altra storia; come ho detto occorre una nuova fisica che contempli sia la gravità classica che la meccanica quantistica in un’unica, nuova, struttura.
Di conseguenza non sappiamo nulla dell’istante in cui è nato l’Universo, sappiamo solo quello che è successo in seguito. La scienza si ferma qui, questo è il limite ultimo in cui uno scienziato può rispondere con sicurezza. Il resto sono solo speculazioni e congetture che esulano dalla scienza ed entrano nel campo della metafisica.

 Dopo questa importante premessa sui limiti dell’attuale scienza potremmo anche avviarci lungo un cammino per esplorare le varie risposte date da cosmologi, fisici e teologi che vanno da un ribollio caotico di nuovi universi in perenne nascita con leggi fisiche e dimensioni diverse fino al disegno intelligente di qualcosa che si pone fuori dalla creazione che di cui ne è anzi opera.
A questo punto il cammino per scoprire cosa c’era prima del Big Bang si fa incerto, senza l’appoggio di un bastone affidabile come la scienza, quale percorso scegliere? 

Note:

Come ti calcolo le proprietà di un esopianeta, le altre proprietà

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 Finisce qui il lungo capitolo “Come ti calcolo le proprietà di un esopianeta“. Mi sono divertito un sacco a scriverlo come spero voi vi siate divertiti a leggerlo. È stato un argomento abbastanza impegnativo da trattare, dimostrare come un tenue affievolimento delle luce di una stella può sussurrare molte cose all’orecchio, o meglio all’occhio, di chi sa ascoltare e leggere il grande libro del cosmo. I metodi, le formule e i calcoli  da me illustrati non sono e non pretendono di essere esaustivi e precisi, ma vogliono essere semplicemente di stimolo alla curiosità del lettore. In fondo questo è lo scopo di questo Blog.

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exoplanetaUna volta scoperte le principali proprietà fisiche di un esopianeta, ossia raggio del pianeta, orbita, massa e temperatura di equilibrio, è possibile, in linea teorica risalire alle altre, come densità (questa è facile) struttura interna e in linea di massima pure la struttura dell’atmosfera, ovvero quali gas possono comporla dal punto di vista teorico.
Ovviamente non sarà mai possibile ottenere un quadro attendibile per questi ultimi due punti partendo dalla semplice osservazione dei transiti orbitali e basta, ma perlomeno così si ha un’indicazione su come proseguire nella ricerca.

Nel primo articolo [cite]http://ilpoliedrico.com/2014/07/come-ti-calcolo-le-proprieta-di-un-esopianeta-prima-parte.html[/cite] fu dimostrato come attorno ad una stella K7 orbitasse un pianeta grande quasi il doppio di Nettuno (42 000 km) a soli 44,6 milioni di chilometri dalla stella. e una temperatura di equilibrio di 263 °K.
La massa, finora indeterminata per via del metodo di rilevamento, viene infine stimata intorno alle 9,5 x 1026 kg,circa 159 volte la Terra.

La densità

Il calcolo della densità non è poi così difficile. Basta dividere la massa per il volume, ovvero:
\begin{equation}\label{eq:Densità}
\delta_{p}=\frac{m_{p}}{\frac{4\pi {r_{p}}^3}{3}}
\end{equation}

\[\rightarrow\]
\begin{equation}
\frac{9,5\times 10^{26}\; kg}{3,1 \times 10^{23} \; m^{3}}=3,06 \times 10^{3}\;
kg/m^{3}\end{equation}

La velocità di fuga e la gravità superficiale

Anche se è nota al grande pubblico soprattutto per la sua importanza nella balistica e nella missilistica, in realtà essa domina la struttura e la composizione delle atmosfere planetarie assieme al parametro della temperatura di equilibrio [cite]http://ilpoliedrico.com/2013/05/lo-spessore-delle-atmosfere-planetarie.html[/cite]. La velocità di fuga si ha quando l’energia cinetica del corpo e il modulo della sua energia potenziale gravitazionale si equivalgono, e questo vale per un missile, un sasso, un atomo e un fotone, nel caso di un buco nero. Per un qualsiasi corpo, pianeta o stella che sia non è difficile da stabilire, basta conoscere la sua massa e il raggio.

\begin{equation}\label{eq:Velocità di fuga}
v_{f}=\sqrt{\frac{2GM}{R}}
\end{equation}

\[\rightarrow\]
\begin{equation}
\sqrt{\frac{2 \cdot 9,5\times 10^{26}\; kg \cdot \left ( 6,67 \cdot 10^{-11} \frac{m^3}{kg \cdot s^2}\right ) }{4,2\times10^7 \;m}}= 54,930\; km/s
\end{equation}
Lo stesso discorso vale anche per la gravità superficiale:
\begin{equation}\label{eq:Gravità superficiale}
g_{s}=G \frac{M}{R^2}
\end{equation}
\[\rightarrow\]
\begin{equation}
\left ( 6,67 \cdot 10^{-11} \frac{m^3}{kg \cdot s^2}\right ) \cdot \frac{9,5\times 10^{26}\; kg}{\left ( 4,2\times10^7 \;m\right )^2} = 35,921 \; m/s^2
\end{equation}

Così si scopre che questo ipotetico esopianeta ha una densità simile alla Luna ma con una velocità di fuga che  è di poco inferiore a quella di Giove mentre la gravità alla superficie è una volta e mezza quella del ben noto gigante gassoso. Probabilmente è un grande mondo di silicati e un nucleo ferroso avvolto da una densa atmosfera. Quasi altrettanto certamente non è un buon posto per cercarvi forme di vita di tipo terrestre.

La Settimana della Scienza e la Notte dei Ricercatori 2014

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manifesto-dpi-100_1Nonostante il continuo calo degli investimenti nella scuola e nella ricerca pubblica attuato dai governi di ogni connotazione politica di questi ultimi anni in nome della sostenibilità finanziaria imposta dai vincoli europei e che pone ai ricercatori seri problemi  anche strutturali, la ricerca scientifica in Italia è ancora viva e pulsante. In aggiunta, lo spazio dedicato ad essa nel panorama mediatico italiano è alquanto scarso se non addirittura in molti casi deprimente, eppure i risultati scientifici italiani continuamente ottenuti nel panorama internazionale dimostrano la qualità, e spesso l’eccellenza, della ricerca italiana.

Nonostante tutte queste difficoltà I ricercatori italiani continuano a competere con gli altrettanto preparati ricercatori europei nei loro rispettivi campi d’interesse: fisica, matematica, medicina e biologia, tanto per citarne alcuni.

Proprio per sensibilizzare al massimo l’opinione pubblica su questi risultati è che da 9 anni viene organizzata la Settimana della Scienza (22 – 26 settembre) che terminerà con la Notte Europea dei Ricercatori (26 settembre). Tra le 5 manifestazioni italiane finanziate dalla  Commissione Europea questa, DREAMS, è risultata essere la prima classificata in Europa nell’ambito della Researcher’s Night con ben undici città coinvolte su tutto il territorio nazionale e partner scientifici tra i più autorevoli al mondo, ed è coordinata dall’Associazione Frascati Scienza. Il tema scelto per quest’anno  è la “Sostenibilità”, una parola semplice che racchiude mille problemi urgenti che richiedono di essere risolti nei prossimi anni.

  • Sostenibilità alimentare ad esempio. Questo è uno dei prossimi problemi più urgenti da risolvere. Il Riscaldamento Globale erode la qualità e la quantità dello spazio legato all’approvvigionamento  alimentare globale, procurando un argomento particolarmente sensibile per i suoi risvolti socio-economici per gli anni a venire. Strumenti di monitoraggio dallo spazio, nuovi sviluppi nelle tecnologie genetiche e agro-alimentari etc. saranno importanti per la soluzione di questo problema.
  • Sostenibilità energetica. Anche qui le crescenti difficoltà legate ai combustibili fossili richiedono uno sforzo di ricerca non indifferente. Altri schemi , altre politiche energetiche e altri modi di vivere e pensare l’energia è un’altra sfida in linea col problema della sostenibilità globale.

Questi sono solo due banali esempi  sulla complessità del tema scelto per quest’anno e che i ricercatori italiani ed europei saranno chiamati a d affrontare nei prossimi anni. Nelle undici città  durante tutta la settimana e nella nottata del 26 settembre verranno mostrati al pubblico quello che intanto è stato raggiunto finora attraverso dibattiti, convegni e mostre sia per il pubblico adulto sia per i bambini.

Maggiori informazioni sull’evento e i luoghi che ospiteranno le manifestazioni sono disponibili su
http://www.frascatiscienza.it/pagine/notte-europea-dei-ricercatori-2014

A caccia di mostri: nascita delle galassie più massicce dell’Universo.

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La settimana scorsa, giovedì 21 agosto 2014, il Prof. Danilo Marchesini della Tuft University di Boston (potete vedere la cartina qui in basso) è stato ospite presso l’Università di Siena per una conferenza come dal titolo.  Non perdo tempo e vi lascio subito a questa visione.
Ringrazio l’Università di Siena e la persona di Alessandro Marchini per aver reso pubblico  il video dell’incontro.

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Congiunzione Venere – Giove del 18 agosto 2014

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Muovi il puntatore sulla figura per vedere le etichette.
Credit: Il Poliedrico

Finalmente la Congiunzione forse più attesa di quest’anno sono riuscito a vederla. Ammetto che è stata una levataccia, alle 04:45, ma ne è valsa la pena!
Purtroppo ho il telescopio guasto, probabilmente è solo un problema di alimentazione che risolverò nei prossimi giorni. La foto qui sopra infatti è stata scattata senza inseguimento, manovrando il tubo alla vecchia maniera come facevano gli astronomi del passato. Quindi anche se seccante, non è stata un’esperienza poi tanto male.
Qui sotto ci sono altre foto di stamani, divertitevi!

IMG_7327b Venus and Jupiter Jupiter and Venus

Come ti calcolo le proprietà di un esopianeta, la massa (metodo radiale)

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metodo dopplerI metodi per l’individuazione degli esopianeti sono sostanzialmente due: il metodo dei transiti, cioè quello analizzato fin qui nelle scorse puntate e usato dal celebre telescopio spaziale Kepler, e il metodo delle velocità radiali, che consiste nell’individuare lievi spostamenti doppler periodici nelle linee spettrali di una stella provocati dalla presenza di uno o più pianeti in orbita.
I vantaggi di questo metodo sono che attraverso il metodo delle velocità radiali è possibile avere una stima molto più precisa delle velocità orbitali, tant’è che è – per ora – l’unico metodo abbastanza affidabile che consente di ottenere una stima della massa di un esopianeta.
Come il precedente, anche questo approccio per trovare la massa di un pianeta extrasolare è legato alla legge fisica chiamata la conservazione della quantità di moto 1. La legge di conservazione del momento dice che in ogni sistema chiuso (cioè, un sistema in cui le forze esterne sono trascurabili), la quantità di moto totale di tutti gli oggetti del sistema non può cambiare. Pertanto, quando gli oggetti all’interno di un sistema chiuso interagiscono uno con l’altro, la quantità di moto di un singolo oggetto può anche cambiare, ma la quantità di moto totale di tutti gli oggetti all’interno del sistema deve rimanere costante.
Per questo si può scrivere legittimamente la relazione \(p_{\bigstar} = p_{p}\) 2,ovvero:
\begin{equation}
m_{\bigstar}v_{\bigstar}=m_{p}v_{p}
\end{equation}
Da qui ne consegue che si può scrivere anche:
\begin{equation}
m_{p}= \frac{m_{\bigstar}v_{\bigstar}}{v_{p}}
\end{equation}

La massa della stella si ottiene come al solito dalla relazione temperatura/luminosità ricavabile dal diagramma di Hertzsprung-Russell che consente di risalire alla massa della stella 3.
Purtroppo l’equazione qui sopra chiede la velocità orbitale del pianeta mentre attraverso la periodicità dello spostamento spettrale (V. figura in alto) restituisce il periodo orbitale del pianeta \(P_{p}\) attorno al centro di massa del sistema. Ma semplificando la Terza legge di Keplero per la Legge di Gravitazione di Newton si può scrivere che:
\begin{equation}
P_{p}^2=\frac{a_{p}^3}{M_{\bigstar}}
\end{equation}
dove appunto \(a_{p}\) è il semiasse maggiore dell’orbita del pianeta. Assumendo come nel caso scorso che sia un’orbita perfettamente circolare, si può dire anche che \(a_{p}\) è uguale al raggio dell’orbita, pertanto la circonferenza orbitale è pari a \(a_{p}\cdot 2\pi\), mentre la velocità orbitale non è altro che questa distanza diviso per il suo periodo \(P_{p}\):
\begin{equation}
v_{p}=\frac{2\pi a_{p}}{P_{p}}
\end{equation}
ecco la nostra velocità orbitale del pianeta e di conseguenza la sua massa!

equazione

Note:

 

Nubi mesoseriche polari e riscaldamento globale

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Nubi nottilucenti in streaming attraverso il cielo a Utrecht, Paesi Bassi il 16 giugno 2009 Credit: Robert Wielinga

Non è la prima volta che mi occupo delle nubi mesosferiche polari, più comunemente note come nubi nottilucenti [cite]http://ilpoliedrico.com/2011/11/le-nubi-nottilucenti-e-il-buco-nellozono-artico.html[/cite].
Il loro spettrale aspetto è dovuto alla particolare struttura delle particelle di ghiaccio d’acqua che le costituiscono: particelle che vanno dai 20 ai 70 miliardesimi di metro (nanometri), un decimo delle lunghezze d’onda visibili, che si formano quando la temperatura scende a -130° Celsius. A quella scala dimensionale lo scattering della luce solare diffonde infatti soltanto la luce blu, ed è quello appunto il colore con cui le vediamo.

Le prime osservazioni sicure di queste nubi particolari sono successive alla terribile eruzione del vulcano Krakatoa del 1883, tant’è che all’inizio si pensò che queste nubi mesosferiche fossero una conseguenza diretta della notevole esplosione e in genere delle molteplici attività vulcaniche del pianeta.
Oggi non è più così, o almeno non  lo è in parte. Lo spazio intorno alla Terra non è veramente vuoto. E in realtà polveroso, risultato della sublimazione delle comete nei pressi del Sole e dei detriti asteroidali non più grandi della di un chicco di riso . I risultati di questi fiumi di polvere li vediamo in queste ore d’estate guardando il cielo: lo sciame delle Perseidi  è uno di questi.

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 “Strane nuvole luminose non aurorali a NW” Estratto di un rapporto meteorologico dell’astronomo Romney Robinson’s riguardante  l’osservazione un fenomeno simile alle nubi mesosferiche polari del 1 e 4  maggio 1850.

Quando uno di questi granelli di polvere cade sotto l’influenza gravitazionale della Terra e raggiunge la quota tra i 90 e gli 80 chilometri si incendia e si disintegra in pulviscolo ancora più piccolo. Noi quaggiù vediamo la scia di ionizzazione dell’aria del granello che sublima e lo chiamiamo stella cadente.

Questo pulviscolo impiega poi mesi, ed addirittura anni, per depositarsi finalmente al suolo; si calcola che ogni giorno cadano sulla Terra così dalle 5 alle 300 tonnellate di materiale cosmico ogni giorno!
Ed è proprio questo pulviscolo che rimane in sospensione tra gli 80 e i 90 chilometra di quota (la mesosfera) a fungere da seme per i cristalli di ghiaccio d’acqua a quelle quote.

Appurata l’origine dei semi e la composizione delle nubi, resta da capire come il vapore acqueo arrivi fino a quote mesosferiche, un luogo dell’atmosfera estremamente freddo e asciutto è ancora un mistero, o quasi. Quello che è ormai appare quasi sicuro è che all’aumentare della temperatura troposferica corrisponde un aumento della concentrazione del vapore acqueo nella mesosfera. Una conferma indiretta arriva dalla frequenza delle osservazioni: Agli inizi del XX secolo per osservare questo straordinario fenomeno  accorreva recarsi nei pressi dei circoli polari, oggi stanno diventando abbastanza comuni anche a latitudini molto più basse, le nubi mesosferiche sono state osservate da paesi come la Germania, il Colorado e perfino dall’Italia! Anche il periodo di osservazione di questo peculiare tipo di nubi si è esteso dai primi giorni di maggio delle prime osservazioni fino al giugno e luglio di oggi.

graficoIl meccanismo che porta il vapore acqueo nella mesosfera è in gran parte sconosciuto, ma il principale indiziato è il metano [cite]10.1007/978-94-015-9343-4_1[/cite].
Il metano sulla Terra è praticamente tutto di origine biologica, di cui la maggior parte sono legate alle attività umane. Dai carotaggi artici è dimostrato che la concentrazione di metano atmosferico negli ultimi 450 mila anni si è mantenuto pressoché costante tra i 450 e i 700 ppbv (Parts Per Billion by Volume – parti per miliardo in volume) raggiunti prima dell’Era Industriale [cite]http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/23038470[/cite] fino agli oltre 1700 ppbv di oggi.
Attualmente vengono dispersi circa 66 teragrammi (66 milioni di tonnellate) di metano all’anno nell’atmosfera contribuendo così in modo significativo al riscaldamento globale. E più la tropospera (la parte dell’atmosfera in cui viviamo) si riscalda, che questa diventa umida per effetto dell’evaporazione degli oceani e si espande, portando il vapore acqueo nella troposfera e da qui anche nella mesosfera, accompagnata dal metano.
In quell’area il vapore acqueo viene scisso in ossidrile ($\cdot OH$) che attacca e distrugge lo scudo d’ozono che ci protegge dalle radiazioni ultraviolette. Contemporaneamente l’ossigeno biatomico reso disponibile dalla distruzione dell’ozono si combina col metano restituendo ancora acqua e anidride carbonica: ${CH_4}_{(g)}+{2O_2}_{(g)} \rightarrow {CO_2}_{(g)}+{H_2O}_{(g)}$. Per il dettaglio delle trasformazioni chimiche rimando ai documenti citati in fondo alla pagina.

Come ho illustrato anche nel mio precedente articolo sullo stesso argomento, tutto questo è preoccupante. Fatevi un giro su Accuweather.com e guardatevi le temperature estive della Siberia. Le temperature insolitamente alte fino  a qualche decennio fa stanno diventando ormai la norma. Il permafrost siberiano che contiene miliardi di tonnellate di metano intrappolato nel ghiaccio si sta sempre più rapidamente sciogliendo da un anno all’altro [cite]http://www.greenreport.it/news/clima/siberia-scoperto-gigantesco-buco-nel-permafrost-non-finire-gallery/[/cite].
Le nubi mesosferiche polari potrebbero essere l’ennesimo campanello d’allarme che la natura ci mostra per avvertirci che ormai quaggiù ci sono sempre più cose che non vanno affatto bene riguardo la sostenibilità del pianeta. La vita sulla Terra certamente non scomparirà e tra qualche migliaio di anni la natura avrà trovato qualche altro equilibrio ecologico adatto ad essa. Peccato che probabilmente non ci sarà posto per il folle, predatore genere umano.