Il pianeta gemello della Terra?

La missione Keplero, diretta dalla NASA, ha come obiettivo la ricerca di pianeti simili alla nostra Terra all’interno o vicino alla cosiddetta zona abitabile ed orbitanti intorno a stelle della  nostra Galassia (Via Lattea). Dall’inizio della missione, sono ormai migliaia i pianeti scoperti. Al momento c’e’ una chiara evidenza di tre possibili tipi di esopianeti: giganti gassosi, super-terre calde con periodi di rivoluzione molto corti e giganti ghiacciati. La sfida adesso e’ quella di trovare pianeti come la nostra Terra (cioe’ pianeti con dimensioni che vanno dalla meta’ di quella della Terra al suo doppio) specialmente nella zona abitabile delle stelle. In astronomia e astrobiologia, la zona abitabile e’ la regione intorno alla stella dove un pianeta con dimensione, composizione e pressione atmosferica simile a quella della Terra, riesce a  mantenere l’acqua allo stato liquido sulla sua superficie. Poiche’ l’acqua liquida e’ essenziale per tutte le forme di vita, i pianeti in questa zona sono considerati quelli piu’ promettenti per ospitare la vita extraterrestre (sebbene delle forme esotiche di vita che non richiedono l’acqua possono esistere in ambienti diversi).

Il metodo utilizzato dalla missione Keplero per “scovare” i pianeti che orbitano intorno a delle stelle e’ quello chiamato dei “transiti”.  Esso e’ basato sull’osservazione della diminuzione della brillantezza (potenza emessa dalla stella per unita’ di superficie) quando uno dei pianeti della stella passa (transita) davanti ad essa. La quantita’ di luce persa, tipicamente tra lo 0.01% e l’1%, dipende dalla dimensione della stella e del pianeta; la durata del transito dipende invece dalla distanza del pianeta dalla stella e dalla massa della stella. Poiche’ la massa e la dimensione della stella possono essere determinati da osservazioni spettroscopiche il metodo dei transiti permette di determinare  la dimensione del pianeta e la sua distanza dalla stella.    

Il telescopio Kepler che si trova al di fuori dell’atmosfera terrestre punta verso una piccola zona del cielo dove sta scrutando circa 150.000 stelle della nostra galassia. 

Ormai sono anni che Keplero osserva queste stelle e i pianeti trovati si aggirano intorno ai 2000, con stelle aventi dei veri e propri sistemi con pianeti multipli che gli ruotano intorno. Ma a noi non interessa tanto trovare nuovi pianeti o nuovi sistemi solari quanto piuttosto  trovare dei pianeti simili al nostro e quindi capaci di ospitare la vita cosi come la conosciamo noi. Nell’immagine sottostante sono riportati tutti i pianeti scoperti fino ad oggi dalla missione con l’asse delle y che rappresenta la dimensione dei pianeti rispetto a quella della terra e sull’asse x il periodo di rivoluzione in giorni. Si puo’ notare che ci sono molti pianeti in dimensione simili alla Terra ma con periodi di rivoluzione al di sotto dei 100 giorni.      

Di tutti questi pianeti quelli candidati che si trovano nella cosiddetta zona abitabile sono solo una piccola parte indicata nell’immagine sottostante con una fascia di color verde.

Qui sotto un ingrandimento della zona verde (zona abitabile).

Sono stati trovati una cinquantina di pianeti nella zona abitabile, ma nessuno di questi puo’ essere considerato un gemello o almeno un cugino della nostra Terra, nel senso che orbita intorno ad una stella simile al nostro Sole ad approssimativamente alla stessa distanza della Terra.

Questo fino a qualche giorno fa. 

Secondo quanto riportato dalla Nasa, la missione Kepler ha trovato un pianeta roccioso che orbita intorno ad una stella molto simile al nostro Sole, praticamente alla stessa distanza che intercorre tra la nostra Terra e il Sole.  

Questo pianeta e’ stato battezzato come Kepler22b, dove Kepler 22 indica la nana gialla del sistema ad una distanza di circa 600 anni luce da noi (vedi immagine della Nasa sottostante).

 

Grazie ai risultati della missione Kepler, il progetto SETI che ricerca la possibile presenza di intelligenza al di fuori del nostro sistema solare, e’ ripartito di nuovo dopo un periodo di fermo, e sta analizzando i segnali radio provenienti dai pianeti scoperti da Kepler.  Dimentichiamoci adesso per un attimo della vita intelligente e chiediamoci invece quanto veramente questo pianeta e’ simile alla nostra Terra.

L’immagine del pianeta riportata qui sopra e’ semplicemente un’interpretazione artistica. Infatti Kepler non e’ capace di “vedere” oceani, nuvole, atmosfera. L’unica cosa che conosciamo e’ il raggio e la sua distanza dalla stella.  Quindi come faremo adesso ad avere informazioni sui dettagli di questo pianeta?

Dopo tutto gli stessi pianeti rocciosi presenti nel nostro sistema solare mostrano una grande varieta’. Kepler22b ruota rapidamente su stesso in un giorno come la Terra o in 59 giorni come Mercurio? O addirittura in 243 giorni come Venere?   

L’atmosfera e’ rarefatta come quella di Marte, e’ molto calda come quella di Venere o e’ del tutto assente come per Mercurio? E se ha un’atmosfera quali sono i gas che la compongono?

Per trovare una risposta a queste domande quello di cui abbiamo bisogno e’ di un potente telescopio su cui e’ montato un coronografo. Questo strumento e’ in grado di eliminare la luce diffusa e diffratta della stella e quindi favorire la visibilita’ del pianeta (vedi sotto, si tratta del disco a centro dell’apertura del telescopio).   

 Da queste immagini si potrebbe determinare per esempio:

• Il periodo di rotazione del pianeta se esso non rivolge sempre la stessa faccia alla Terra come avviene per la Luna.
• Eventuali cambiamenti atmosferici e/o eventuali attivita’ vulcaniche dalla misura della fase del pianeta (quanta parte della sua superficie e’ illuminata) insieme alla sua rotazione.
• Se il pianeta ha delle terre emerse e degli oceani. In questo caso infatti  durante la sua rotazione sarebbe possibile notare delle fluttuazioni periodiche nella quantita’ di luce proveniente da esso, in quanto gli oceani e i continenti riflettono la luce in modo diverso.
• Se il pianeta possiede delle nuvole, come la Terra, dall’analisi delle fluttuazioni extra della sua brillantezza
• Se il pianeta possiede delle lune attraverso l’analisi delle fluttuazioni periodiche della sua brillantezza corrispondenti ai transiti di queste lune davanti al pianeta.  

Usando oltre al coronografo anche uno spettrografo e’ possibile allargare le nostre conoscenza sul pianeta, determinando quanta frazione di luce arriva sulla Terra alle varie lunghezze d’onda. E con questi data sarebbe possibile determinare se il pianeta ha o no un’atmosfera e se si,  di cosa e’ fatta.

 

Sfortunatamente Kepler22b non e’ vicino alla Terra ma a ben 600 anni luce, e quindi troppo lontano per poter effettuare queste misure con gli strumenti attuali.

Ma secondo fonti NASA e’ possibile che nel prossimo decennio possa essere costruito un telescopio di prossima generazione che potrebbe permettere di ottenere i dati che ci interessano. Nel frattempo vediamo cosa ci dira’ il progetto SETI che sta “ascoltando” i segnali che ci arrivano da questi lontani pianeti alla ricerca di possibili pattern non dovuti al caso ma ad una intelligenza come la nostra. Non ci resta che aspettare.   

Universi annidati in buchi neri

Ritorniamo a parlare di buchi neri e di whormhole, e questa volta lo facciamo riportando lo studio di un fisico russo i cui studi, arrivano a suggerire l’esistenza del nostro universo all’interno di un grande buco nero.
Questa idea basata su una modifica delle equazioni della Relativita’ Generale di Einstein, cambia radicalmente la nostra visione di cosa accade in un buco nero.
Nikodem Poplawski dell’Universita’ dell’Indiana ha mostrato con i suoi studi che all’interno di ogni buco nero potrebbe esistere un universo (Physics Letters B, DOI: 10.1016/j.physletb.2010.03.029). E’ probabile che i massicci buchi neri presenti al centro di molte galassie (come anche la nostra Via Lattea) non siano altro che dei ponti, dei cunicoli che portano a universi diversi dal nostro. Se questo fosse corretto, nulla vieterebbe che il nostro Universo si trovi esso stesso all’interno di un gigantesco buco nero. Secondo la Relatività Generale di Einstein, all’interno dei buchi neri ci sono delle singolarita’, regioni di dimensioni infinitesime, dove la densita’ della materia raggiunge valori infiniti. I fisici non hanno mai amato troppo le singolarita’ e hanno fatto sempre di tutto per rimuoverle. Se una singolarita’ all’interno di un buco nero e’ un punto reale di densita’ infinita o solo un’inadeguatezza matematica della Relativita’ Generale al momento nessuno lo sa. Ad ogni modo le equazioni usate da Poplawski, rimuovono la singolarita’. Vediamo come.
Poplawski, per la sua analisi e’ ricorso ad una variante delle equazioni della Relativita’ Generale chiamate equazioni di Einstein-Cartan-Kibble-Sciama (ECKS). Diversamente dalle equazioni di Einstein, quelle ECKS considerano lo spin o momento angolare delle particelle elementari. Per capire cosa sia lo spin di una particella, prendiamo come esempio una trottola. Se la facciamo ruotare intorno al suo asse, questa acquista un momento angolare che la fa stare in equilibrio. E’ questa rotazione che i fisici chiamano spin. Le particelle possono essere considerate come tante minuscole trottole che ruotano intorno ad un asse. I bosoni (come fotoni e gluoni)  hanno spin intero, cioe’ un multiplo intero della costante di Plank mentre i fermioni l’hanno semi-intero. L’utilizzo dello spin della materia nelle equazioni di Einstein rende possibile il calcolo di una proprieta’ della geometria dello spazio-tempo chiamata torsione.
Quando la densita’ della materia raggiunge proporzioni gigantesche (piu’ di 1050 Kg per centimetro cubo) all’interno di un buco nero, la torsione si manifesta come una forza che si oppone alla gravita’. Questo previene che la materia sia compressa indefinitamente e raggiunga un valore infinito. In questo modo non c’e’ alcuna singolarita’. Come dice, Poplawski, la materia rimbalza e comincia ad espandersi di nuovo (http://arxiv.org/abs/1007.0587).  Lo scenario che si presenta e’ simile a quello di quando comprimiamo una molla: Poplawski ha calcolato che inizialmente la gravita’ supera la forza repulsiva della torsione e mantiene la materia compressa, ma appena la forza repulsiva diventa  piu’ forte, la materia smette di collassare e comincia a rimbalzare. Poplawski nel suo articolo ha calcolato che lo spazio-tempo all’interno di un buco nero si espande di circa 1.4 volte rispetto alla sua piu’ piccola parte in un tempo cosi breve quanto 10^(-46) secondi.    
Questo incredibile rimbalzo super veloce (quello che si chiama un buco bianco), potrebbe essere quello che ha portato all’espansione del nostro Universo come noi lo vediamo oggi. La ricerca di Poplawski suggerisce che tutti i buchi neri possono avere dei ponti di Einstein-Rosen (whormhole) ognuno collegato ad un universo che si e’ formato simultaneamente al buco nero. Da questo si puo’ ipotizzare che il nostro universo si sia formato da un buco nero esistente in un altro universo.
E’ possibile determinare se effettivamente il nostro universo e’ contenuto in un buco nero?  Un buco nero “spiraleggiante” dovrebbe imporre un qualche spin allo spazio-tempo al suo interno, e questo dovrebbe apparire come una direzione preferenziale nel nostro universo come riporta Poplawski nel suo studio. Una tale direzione preferenziale dovrebbe risultare in una violazione di una proprieta’ dello spazio-tempo chiamata “simmetria di Lorentz”, (le leggi della fisica devono essere le stesse per un sistema di riferimento inerziale e per tutti i riferimenti che si muovono di moto rettilineo uniforme rispetto a esso) che collega lo spazio e il tempo. Diversi fisici hanno suggerito che una tale violazione dovrebbe essere responsabile dell’osservata oscillazione dei neutrini (Physical Review D, DOI: 10.1103/PhysRevD.74.105009).

Purtroppo, nessuno di noi potra’ mai provare che il nostro universo sia all’interno di un buco nero. A causa dell’aumento del campo gravitazionale, infatti, il tempo scorre sempre piu’ lentamente. In questo modo, per un osservatore esterno qualsiasi universo all’interno del buco dovrebbe formarsi solo dopo una quantita’ di tempo infinito. Quindi la parte interna di un buco nero rimarra’ sempre nascosta ad un osservatore del nostro universo e quindi non potremo mai fare un’osservazione diretta dell’eventuale universo annidato in un buco nero. E’ possibile che al di la’ di ogni buco nero del nostro universo, da quelli minuscoli a quelli enormi ci sia un universo nato dalla sua parte bianca (buco bianco) e che all’interno dei buchi neri di questi altri universi ci siano altri universi ancora e cosi via all’infinito.

Bellissima teoria ma impossibile da provare direttamente.      

      

I buchi bianchi. Oggetti celesti esotici piu’ strani dei buchi neri.

Per soddisfare le richieste di mia figlia Gilda su cosa fossero i buchi bianchi (sta studiando  Geografia Astronomica), ho pensato di pubblicare questo post in modo da condividere con tutti voi alcuni concetti di questi oggetti molto bizzarri.

Alla fine di Maggio di quest’anno due scienziati, Alon Retter e Shlomo Heller, hanno proposto che un oggetto celeste che emette raggi gamma, conosciuto come GRB060614, potrebbe essere in  realta’ un buco bianco.   Un buco nero per definizione e’ una singolarita’ con una massa infinita in uno spazio infinitesimo. La sua gravita’ e’ cosi potente che nemmeno la luce (cioe’ i fotoni) riesce ad emergere da esso, e da qui il nome di buco nero.

Nelle stelle, c’e’ un equilibrio continuo tra la forza gravitazionale (quella che ci tira verso il centro della Terra) e la pressione della radiazione (PV=kNT) della stella che contrariamente alla forza gravitazionale tende a spingere verso l’esterno. Nelle stelle vecchie quando il combustibile nucleare comincia a scarseggiare si ha un collasso gravitazionale verso il centro della stella. Nelle stelle di neutroni  per esempio gli elettroni sono cosi compressi nel nucleo che si combinano con i protoni per formare neutroni. Il collasso e’ quandi frenato dalla pressione generata dai neutroni degeneri. Per stelle molto massiccie la forza gravitazionale e’ ancora piu’ forte e la contrazione continua senza alcuna opposizione portando ad una singolarita’ che forma il buco nero. In assenza di altre forze che possano frenare il collasso, si crede che in un buco nero tutta la materia e’ concentrata in un singolo punto con una densita’ infinita. A causa della forza gravitazionale praticamente infinita, la luce e’ intrappolata all’interno dell’orizzonte degli eventi del buco nero. Il singolo punto centrale di un buco nero chiamato singolarita’ e’ la stessa da cui si sarebbe formato il nostro Universo circa 13.7 miliardi di anni fa.    

I buchi bianchi, al contrario, sono l’opposto teorico di quelli neri. Quindi come i buchi neri catturano tutta la materia che orbita nelle loro vicinanze cosi i buchi bianchi irradiano continuamente luce dalla singolarita’ centrale apparendo quindi come oggetti brillantissimi (e’ come vedere un film di un buco nero al contrario, che corrisponde all’inversione del tempo nelle equazioni fisiche). La materia in un buco bianco scappa via da esso verso l’Universo. Entrambi i buchi neri e bianchi sono stati previsti da un punto di vista teorico alcune decadi  fa, e oggi diversi oggetti nell’Universo vengono riconosciuti come buchi neri. Anche al centro della nostra Galassia ci dovrebbe essere un buco nero cosi come in tante altre.

Filmato su buco nero

Spazio-tempo deformato da un buco nero di massa crescente. All'inizio esso è piatto, nel seguito si forma un buco-nero. Il raggio del cerchio inferiore vale 2M e rappresenta l'orizzonte degli eventi

Ovviamente un'osservazione diretta di un buco nero è impossibile, e le sole possibilità che abbiamo di rilevarlo, sono legate agli effetti che il suo intenso campo gravitazionale sugli eventuali corpi celesti vicini. Si veda ad esempio l'immagine qui sotto che rappresenta il sistema stellare binario GRO J1655-40. Si pensa che una delle componenti sia un buco nero: il suo campo gravitazionale è così intenso da sottrarre alla partner (in primo piano) la materia degli strati esterni, formando un caratteristico disco di accrescimento (disco blu in secondo piano).

L’idea dei buchi bianchi e’ affascinante in quanto accoppiati ai buchi neri potrebbero permettere quello che in gergo si chiama un whormhole (o ponte di Einstein-Rosen), un tunnel spazio-temporale che dovrebbe congiungere due diverse zone dello spazio tempo. Possiamo avere due tipi diversi di cunicoli spazio temporali. Un cunicolo che unisce il nostro universo con un altro universo, ed un cunicolo che unisce due regioni distanti di uno stesso universo. 

L'analogia piu’ usata per spiegare il concetto di wormhole è quella del verme nella mela. Immaginiamo l'universo come una mela, e supponiamo che un verme viaggia sulla sua superficie. La distanza tra due punti opposti della mela è pari a metà della sua circonferenza se il verme resta sulla superficie della mela; ma se invece scava un foro direttamente attraverso la mela la distanza che deve percorrere per raggiungere quel determinato punto diventa minore. Il foro attraverso la mela rappresenta il cunicolo spazio-temporale. Semplice no?

Ad ogni modo i fisici sono abbastanza scettici riguardo l’esistenza dei buchi bianchi e quindi dei wormhole a causa della loro forte instabilita’, ed ecco perche’ per lunghi decenni nessuno ne ha piu’ parlato.

Una persistente emissione di materia, infatti dovrebbe portare ad una pressione gravitazionale tale da formare un buco nero e quindi alla morte del buco bianco. L’unico posto dove i buchi bianchi hanno trovato posto fino ad oggi e’ quello della fantascienza.  

Retter e Heller, comunque hanno associato l’idea di un buco bianco al Big Bang, l’esplosione iniziale che diede origine al nostro Universo, e secondo loro il Big Bang e’ stato un evento istantaneo piuttosto che continuo e di lunga durata, aggirando cosi il problema della instabilita’ di un buco bianco. Considerare il Big Bang come un buco bianco e’ abbastanza ovvio, in quanto esso dovrebbe essere stato l’unico evento che ha liberato una quantita’ di materia/energia enorme nel dare origine al nostro Universo. Essi scrivono:

Noi suggeriamo che l’emergenza di un buco bianco, che chiamiamo un piccolo Bang, e’ spontanea; tutta la materia e’ eiettata in un singolo impulso. Diversamente dai buchi neri, quelli bianchi non possono essere osservati con continuita’ proprio perche’ il loro effetto puo’ essere visibile solo per tempi brevissimi durante l’evento. E questo ci porta agli oggetti celesti che emettono fiotti di raggi gamma (GRB): le esplosioni piu’ energetiche presenti nell’Universo.

Retter e Heller propongono di identificare alcuni di questi oggetti con dei buchi bianchi. In particolare, essi suggeriscono che l’oggetto chiamato GRB060614, individuato dal satellite della NASA Swift il 14 Giugno del 2006, non corrisponde alla categoria degli oggetti che emettono fiotti di raggi gamma. Questo perche’ solitamente quest’ultimi sono presenti in regioni con bassa formazione stellare oppure associati con supernovae. GRB060614 non soddisfa nessuna di queste due condizioni e quindi questo oggetto potrebbe essere un buco bianco, con emissione di radiazione breve e potente.

I due scienziati terminano il loro articolo  con le seguenti osservazioni:

1. I buchi bianchi emettono energia/materia spontaneamente come avvenne per il Big Bang. Diversamente dai buchi neri, essi non possono essere osservati in modo continuo, ma solo per poco tempo subito dopo la loro formazione.  
2. Per i buchi bianchi in qualsiasi punto dello spazio e in qualsiasi istante, solo dopo che essi sono nati ci puo’ essere un’interazione della materia eiettata all’esterno con l'universo circostante. Questo oggetti sono istantanei e non si estendono temporalmente.
3. Alcune delle sorgenti GRB (gamma ray bursts) individuate potrebbero essere spiegate con dei buchi bianchi. Queste non possono essere spiegate come delle eruzioni di supernovae e possono trovarsi sia all’interno di galassie che negli spazi tra le galassie.
4. Il processo di formazione di un buco bianco e’ un processo randomico che puo’ essere usato per spiegare la formazione di strutture asimmetriche nell’universo iniziale. 

E qui mi fermo per il momento con la promessa di ritornare su tematiche simili in tempi futuri.