Le stelle primordiali (2)

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L’evoluzione delle stelle e delle galassie dipende fortemente dalle loro proprietà fisiche e in particolare dalla loro “metallicità” e dalla loro “funzione di massa iniziale”.

Metallicità
La metallicità di una stella è una grandezza che si indica con la lettera Z e che misura la concentrazione di elementi chimici più pesanti dell’idrogeno e dell’elio presenti nel gas dal quale la stella si è formata.
Gli astrofisici chiamano impropriamente “metalli” tutti gli elementi più pesanti dell’elio, anche se sulla tavola periodica i metalli sono una classe di elementi chimici ben definita, che comprende l’argento, l’alluminio, il ferro, ecc. La metallicità del Sole Zsun è pari a 0,0142, ovvero circa l’1,4% della massa del Sole (che si indica con Msun)
La restante parte del gas del Sole è composta per circa il 72% d’idrogeno e per circa il 27% di elio.

La massa di una stella che si formi dal gas primordiale, arricchito solo degli elementi chimici leggeri prodotti nel Big Bang, sarà composta per circa il 75% da idrogeno, per circa il 25% da elio e, trascurando una concentrazione molto piccola di deuterio e di litio, si può dire che abbia metallicità zero (ovvero Z = 0)

Funzione di massa iniziale
La funzione di massa iniziale delle stelle descrive invece la probabilità che si formino stelle di una certa massa.
Secondo le attuali conoscenze, solo il 10-15% delle stelle ha una massa maggiore di una massa solare (1 Msun), e questa frazione diventa minore del 3-5% per masse maggiori di 10 Msun
Quindi la stragrande maggioranza delle stelle ha una massa leggermente più piccola o confrontabile con quella del Sole.
Sorpresi?

Perché è importante la metallicità e la funzione di massa nella formazione delle stelle primordiali?
Ci arriviamo piano piano.

…… segue
(la scienza è come l’alcool, va preso a piccole dosi)

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Le stelle primordiali (1)

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Nei primi 200 milioni di anni di evoluzione cosmica, stelle e galassie non esistevano.
L’unica sorgente di energia era la radiazione di fondo cosmico, il calore residuo del Big Bang, che all’epoca aveva una temperatura media di circa 85 Kelvin, corrispondenti a -188 gradi Celsius.
L’universo era quindi freddo, buio e relativamente noioso. Niente a che vedere con le immagini alle quali i moderni telescopi ci hanno abituati. Oggi vediamo stelle, pianeti, le suggestive regioni di formazione stellare nella nostra galassia e migliaia di galassie esterne alla nostra caratterizzate da una grande varietà di forme e colori.

È stata proprio la comparsa delle prime stelle a segnare una transizione fondamentale nella storia dell’universo. Le prime stelle attivano al loro interno la fusione termonucleare, per la prima volta dopo il Big Bang.
L’energia liberata dalla loro superficie ed emessa sotto forma di radiazione elettromagnetica illumina le regioni circostanti, riscaldando e ionizzando il gas.

L’effetto di questa radiazione sugli atomi di idrogeno, che rappresentano il 75% della massa di gas nell’universo, potrebbe avere causato la leggera distorsione della radiazione di fondo cosmico recentemente misurata. Se confermata, questa sarebbe la prima prova osservativa, anche se indiretta, dell’esistenza delle prime stelle, datandola a 180 milioni di anni dopo il Big Bang.

Come erano le stelle primordiali?
…… segue.


 

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Onde gravitazionali, forse l’origine nei buchi dello spaziotempo.

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Il primo segnale delle onde gravitazionali catturato nel settembre 2015 potrebbe non essere stato emesso dalla collisione di due buchi neri, ma da oggetti molto più esotici: dei tunnel dello spaziotempo, i cosiddetti wormhole.

È l’ipotesi, pubblicata sulla rivista Physical Review D, elaborata da un gruppo di astrofisici per spiegare alcune anomalie in contrasto con le leggi della fisica quantistica che governano il mondo delle particelle.
Secondo i ricercatori dell’università belga di Lovanio, il problema è la presenza nei buchi neri di un confine, l’orizzonte degli eventi, oltre il quale questi ‘mostri cosmici’ grazie all’enorme gravità ingoiano tutto ciò che capita loro a tiro, luce compresa. Un aspetto in conflitto con le leggi della meccanica quantistica, che prevedono che le informazioni non possano essere perdute, risucchiate da un buco nero.

Gli autori della ricerca hanno quindi sostituito i buchi neri con due wormhole, privi di un orizzonte degli eventi, e hanno elaborato un modello teorico per spiegare che aspetto avrebbe il segnale prodotto da questi oggetti esotici.
Un’ipotesi recente che si sta studiando con attenzione.

Un wormhole è una sorta di tunnel nello spaziotempo, come quello scavato da un bruco in una mela, che può collegare due punti molto distanti dell’universo attraverso una scorciatoia.
Previsto dalla Teoria della Relatività, non è mai stato visto.
E’ un oggetto ancora ipotetico, ma se fosse confermato, sarebbe una scoperta epocale, un ponte verso una nuova fisica.

(fonte: Ansa.it)

 

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Energia: parte seconda.

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Nel linguaggio corrente quando una persona è stanca diciamo che è priva di energia, mentre una persona in continuo movimento è piena d’energia.
Cos’è allora l’energia?

Da queste poche righe sembra quindi che l’energia è collegata al solo movimento. Ma se pensiamo per esempio ad una automobile non c’è movimento se non c’è qualcosa che la faccia muovere.
Questo qualcosa è generalmente una forza.

Senza accorgercene abbiamo introdotto due grandezze fisiche legate tra loro, una forza e uno spostamento.
Ebbene queste due grandezze fisiche nel momento in cu si applicano contemporaneamente generano un lavoro.
In altri termini nel momento in cui un corpo subisce uno spostamento ad opera di una forza si compie un lavoro.
Espresso in formule il lavoro è la risultante di una forza per lo spostamento subito L=F*s.

Camminare, saltare, correre sono tutte attività che presuppongono uno spostamento generato da una forza. Inavvertitamente compiamo un lavoro.
Insomma non c’è lavoro se non c’è una forza, se non c’è uno spostamento.

A questo punto qualcuno mi potrebbe osservare che una persona ferma non possiede energia.
Non è proprio così. La fisica contempla una energia potenziale. Un corpo in quiete possiede una energia potenziale, ovvero la capacità a svolgere lavoro. Quando sei seduto possiedi una energia potenziale. Nel momento in cui ti alzi compi un lavoro che è il risultato di uno spostamento dovuto ad una forza.
Se poi pensiamo alla famosa mela sull’albero, essa ha una energia potenziale che nel momento in cui cade giù si trasforma in energia cinetica.
In questo caso la energia potenziale vale:
U = mgh
Dove “m” è la massa della mela, “g” è l’accelerazione gravitazionale, “h” la quota della mela.

Mentre l’energia cinetica vale:
K = ½ mv^2
Dove “v” è la velocità di caduta

L’energia totale è ovviamente
E = U + K = mgh + ½ mv^2

In definitiva quando un corpo si trova, fermo, ad un’altezza possiede solo energia potenziale (K=0), mentre cade la sua energia cinetica aumenta (perché passa da una velocità nulla ad una velocità non nulla) e quella potenziale diminuisce (perché diminuisce la quota in cui si trova). Al termine del moto il corpo possiede solo energia cinetica (U=0) e arriva al suolo con la velocità massima in quanto la sua quota (h=0) è divenuta nulla.

Questo fatto ci porta ad un’altra considerazione. Se l’energia potenziale si è trasformata in energia cinetica prossimo dire che la energia totale del corpo si è conservata pur essendosi trasformata. E’ il principio della conservazione della energia.
Ovvero
mgh + ½ mv^2 = 0
mgh = ½ mv^2
Da questa relazione è possibile calcolare la velocità di caduta da una certa altezza.

Le cose si complicano quando ci troviamo di fronte a particolari tipi di energie.
In altra parte ci siamo occupati delle varie facce secondo la quale si manifesta l’energia. Tra le tante meritano due parole in più la energia elettromagnetica e nucleare.

Energia elettromagnetica.
Meno facile da spiegare è l’energia elettromagnetica. Le onde elettromagnetiche trasportano infatti energia che noi percepiamo come la luce, calore, colore o radiazione a seconda della lunghezza d’onda.

Nell’elettrodinamica quantistica, le radiazioni elettromagnetiche sono costituite da particelle elementari, i fotoni, che trasportano ognuno un “pacchetto” di energia. Se prendiamo un fascio di fotoni tutti della stessa energia otteniamo un’onda monocromatica che possiede l’energia dettata da questa formula:
E = ν*h
Dove “ν” è la frequenza d’onda e “h” è la costante di Plank.
Fin qui ci siete?

Tutto chiaro? Ora se l’energia è la capacità di compiere lavoro, qual è il lavoro svolto da una onda elettromagnetica?
Supponendo che sappiate cos’è un campo elettrico (ma la stessa cosa vale per un campo magnetico), se una carica elettrica q si sposta in una regione di spazio, sede di un campo elettrico, le forze elettriche del campo compiono un lavoro. E precisamente:
L = qFd
Dove “q” è la carica elettrica, “F” l’intensità del campo magnetico (forza), “d” lo spostamento.

Energia nucleare
Qui le cose si complicano ulteriormente.
L’energia nucleare è una forma di energia che deriva da profonde modifiche della struttura stessa della materia. Generalmente si intendono tutti quei fenomeni in cui si ha produzione di energia in seguito a trasformazioni nei nuclei atomici.
La disgregazione del nucleo dell’atomo di alcuni elementi, detti fissili, avviene per mezzo di piccolissime particelle (neutroni) che lo colpiscono e lo spezzano in due nuclei più leggeri.
I prodotti della scissione hanno una massa più piccola di quella del nucleo originale: ciò significa che, durante il processo, una parte della materia si è trasformata in energia.

Ora si capisce da quest’ultimo esempio che la definizione classica di lavoro legato alla energia va a farsi benedire. D’altra parte Einstein ci ha detto che la materia stessa è energia che può essere liberata proprio da processi nucleari come la fissione e la fusione. E=mc^2

Con l’avvento della meccanica quantistica arriviamo al massimo dell’indeterminatezza della energia avendo introdotto un importante elemento di novità.
Il principio di indeterminazione di Heisenberg stabilisce infatti che se si osserva un sistema per un intervallo di tempo limitato, la sua energia può essere misurata solo con una certezza inversamente proporzionale al tempo di osservazione.
Cosa vuol dire?
Se il sistema è instabile e vive per poco tempo, la sua energia è necessariamente indeterminata.

Energia dell’Universo.
Non vado oltre, per non confondere ulteriormente le idee, ma un’ultima cosina ve la voglio dire.
Vi siete mai domandati qual è la energia dell’universo? In principio c’è stata una esplosione che doveva avere una energia che possiamo solo definire infinita. Una forza infinita che ha prodotto la dilatazione (spostamento) dell’universo. In definitiva anche il Big Bang ha compiuto un lavoro di valore infinito.

Tuttavia le ultime ricerche che hanno confermato che l’universo è in continua espansione pongono serie domande sulle forze che la dominano. Si suppone l’esistenza di una forza oscura di cui gli scienziati non hanno alcuna idea. Questo evento, legato all’indeterminatezza se l’universo è un sistema chiuso o aperto, porta a mettere in discussione anche il principio della conservazione della energia.


 

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Energia: parte prima.

energia

Chi ha studiato fisica sa che nel Sistema Internazionale l’unità di misura della energia è il joule (J).
Tuttavia questa grandezza fisica ha mille facce e a seconda dei contesti si usano spesso unità pratiche diverse da non dare una idea precisa della sua efficacia.
Alcuni esempi.
Per misurare la quantità di calore si usa la caloria (cal=4,19 J)
I consumi di energia elettrica si esprimono in wattora (watt=3600 J)
L’energia prodotta dai combustibili fossili si usa la tonnellata di petrolio equivalente (Toe=10 Gcal=41,9 GJ)
L’energia delle particelle elementari si esprime elettronvolt (eV=1,6×10^-19 J)

Lo so, a coloro che non hanno praticità con le dimensioni fisiche questi numeri non dicono nulla. Allora vi faccio qualche altro esempio.
Una mela di 100 grammi appesa ad un albero ad una altezza di 1 metro da terra ha una energia (cinetica) nel momento in cui cade a terra pari ad 1 joule.
La stessa mela consumata come alimento fornisce un contenuto energetico nutrizionale di circa 50 kilocalorie (kcal=209 kJ)
Un lampione da 1000 watt (W) consuma in una ora 1000 Wh pari a 3600 kJ.

….. segue …..


 

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Il lato oscuro dell’universo.

 

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L’universo si espande molto più rapidamente del previsto: la sua velocità è del 10% superiore a quella rilevata finora. Lo indica la misura più precisa mai ottenuta di questo fenomeno, pubblicata sull’Astrophysical Journal.

A 100 anni dai primi calcoli della velocità di espansione dell’universo, il risultato apre la finestra su un lato misterioso del cosmo perché fornisce i primi indizi di una nuova fisica, ossia di una fisica le cui regole non corrispondono più a quelle previste dalla teoria di riferimento, il Modello Standard.
Secondo i fisici questa incongruenza sarebbe dovuta a qualcosa di sconosciuto nella composizione dell’universo.

Una possibilità è che il motore che spinge l’universo a espandersi, cioè “l’energia oscura”, che occuperebbe il 75% del cosmo, possa allontanare le galassie l’una dall’altra con una forza ancora maggiore del previsto. Ciò significa che l’accelerazione potrebbe non avere un valore costante, variando nel tempo.
Un’altra ipotesi è l’esistenza di nuove particelle simili ai neutrini, ma ancora più inafferrabili, i cosiddetti “neutrini sterili”.
Infine un’altra allettante possibilità è che la “materia oscura”, ossia la materia invisibile che occupa circa il 25% del cosmo, interagisca con la materia visibile più fortemente di quanto si pensasse.


 

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Alla ricerca di una nuova fisica.

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Il Large Hadron Collider (LHC) è un acceleratore a forma di anello in cui due fasci di protoni ad alta energia circolano in direzioni opposte quasi alla velocità della luce. Questi fasci collidono fino a 40 milioni di volte al secondo.
Solo dal 2010 al 2012 ha prodotto quasi 1000 miliardi di “adroni beauty”. Gli adroni beauty sono particelle molto interessanti contenenti quark beauty.

Queste particelle hanno vita breve e possono decadere in un numero enorme di modi.
Nel decadere le particelle generano altre particelle. La particolarità dei quark beauty è quella di avere una grande massa che negli scontri decadono in altre particelle più facilmente di qualsiasi altro quark.
Gli scienziati sono alla ricerca di particelle ancora non scoperte che possono chiarire come funziona la natura su scale sub atomiche.

Le particelle e le forze conosciute dell’universo costituiscono il modello standard della fisica delle particelle che prevede 6 tipi di quark e 6 tipi di leptoni, nonché cinque bosoni vettori delle forze fisiche.
I fisici ritengono però che ci siano altre particelle oltre a quelle del modello standard e intendono scoprirle tramite progetti come l’esperimento LHCb presso il Large Hadron Collider del CERN.

LHCb (la “b” sta per beauty) è un rilevatore di 20 metri di lunghezza e 10 metri di altezza che permette di registrare i segnali delle particelle generate. Questa forma aiuta nello studio degli adroni beauty che sono particelle contenenti quark beauty.
Il fatto interessante del LHCb è la possibilità di rilevare la presenza di nuove particelle tramite il loro effetto “virtuale” sul decadimento delle particelle di modello standard.

Ma quali sono le particelle elementari?
Sono i quark e i leptoni. I quark si suddividono in 3 gruppi, rispettivamente
1) up ‘a’ e down ‘d’,
2) charm ‘c’ e strange ‘s’,
3) beauty ‘b’– detto anche bottom – e top ‘t’.
I gruppi sono suddivisi in base alla loro massa e tempo di decadenza che è più breve in funzione della grandezza della particella.
Analogamente ci sono 3 famiglie dei leptoni:
1) elettrone ‘e’ e neutrino elettronico νe
2) muone ‘μ’ e neutrino muonico νμ
3) tauone ‘τ’ e neutrino tauonico ντ

I quark up e down e l’elettrone, tutto di prima generazione costituiscono gli atomi fella materia ordinaria.
Le particelle delle altre famiglia tendono ad essere sfuggenti. C’è bisogno degli acceleratori di particelle per costringerle ad esistere.

Poi ci sono i bosoni che sono i responsabili delle forze che tengono assieme la materia. Vengono generalmente chiamati vettori o mediatrici.
Sono il fotone ƴ, gluone g, bosone Z, bosone W.
Il fotone è responsabile della forza elettromagnetica, il gluone della forza forte, il bosone Z e W della forza debole.
Poi c’è da solo il Bosone di Higgs che conferisce con l’azione del suo campo a dare massa ad alcune particelle.
Ecco, ora sapete come è fatta la materia ordinaria secondo la teoria standard.

La presenza di nuove particelle si può rilevare tramite il loro effetto virtuale sulle particelle conosciute.
Cosa vuol dire che le particelle hanno un effetto virtuale?

Fate attenzione.
Il fatto è che secondo il principio della conservazione della energia, insieme alla famosa equazione di Einstein, richiede che le particelle finali abbiano una massa minore di quella iniziale e stessa energia finale.
La differenza di massa si trasforma in energia cinetica dei prodotti di decadimento.

Ok, ora succede che in alcuni decadimenti vengono prodotte particelle che hanno massa maggiore di quella iniziale che sembra violare il principio della conservazione della energia.
Come mai?

Tale contraddizione viene spiegata con l’apparire oltre alle particelle note di altre particelle “virtuali”.
Le particelle virtuali possono sembrare fantasiose, ma le regole della fisica quantistica dimostrano che tali eventi sono stati dimostrati corretti per prevedere la probabilità di questi decadimenti.

decadimento 1

Per capire come funzionano le cose, mi sono venuti in soccorso i diagrammi di Feynman.
Si parte da un mesone, il cosiddetto mesone (B0) un adrone composto da un quark beauty e da un antiquark down (ho messo tra parentesi le particelle di antimateria che andrebbero contrassegnate con una barra sopra la lettera).
(B0) =b+(d)
Può succedere che il nostro mesone decade in un mesone (D+) composto da un quark charm e da un antiquark down, e da un bosone W (una particella potatrice della forza debole) che si forma sulla linea in cui il quark beauty “b” decade in un quark charm “c”.
A sua volta il bosone W decade in un leptone tau dotato di carica negativa e un antineutrino tau.
(D+) = c + (τ-)
Quindi:
(B0) →(D+) W
(B0) →(D+) τ- (ντ)

Ebbene il fatto singolare è che il bosone W ha una massa circa 16 volte maggiore del bosone (B0).
Secondo la misteriosa contabilità della meccanica quantistica, una simile violazione è effettivamente consentita purchè si verifichi per un attimo breve.
In questo caso diciamo che il bosone W è “virtuale”.

Ora la domanda è cosa sta succedendo? Perché succede questo?
I fisici teorici hanno qualche idea: potrebbe entrarci per esempio un nuovo tipo di particella di Higgs carica.
Ma i bosoni di Higgs non rispettano l’universalità di Higgs, né la teoria prevede specie aggiuntive di Higgs.

Allora si fa avanti una nuova particella ancora più esotica: il “leptoquark”, una ipotetica particella che può permettere ai quark e ai leptoni di interagire.
Oppure un’altra particella Z’ (zeta primo) che sarebbe un cugino, più pesante, del ben noto bosone Z, ma che decade in quark e leptoni in un modo tutto suo.

Non si sa se questa è la strasa giusta verso una nuova fisica, sicuramente lunga, ma la maggior parte dei fisici si sente sicura di andare nella direzione giusta.

(Fonte: Le Scienze)

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