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Fisica

Acqua liquida sulla luna di Giove Europa

Un team internazionale di astronomi ha rielaborato i dati raccolti oltre 20 anni fa dalla missione Galileo e scoperto che sulla luna ghiacciata di Giove Europa, proprio come per la saturniana Encelado, sotto la superficie si nasconde un oceano caldo e gli ingredienti base per la vita

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C’era un mistero tra i dati della sonda Galileo che da ormai oltre 20 anni affliggeva gli astronomi. La sonda per anni ha raccolto dati su Giove e sui suoi satelliti, come Europa e Ganimede, e proprio sul primo ha rivelato una anomali magnetica che è diventato un vero e proprio mistero. Una curvatura del suo campo magnetico, piccola e localizzata, che per decenni è rimasta senza spiegazione, fino a oggi. Gli scienziati che stanno lavorando alla missione Europa Clipper della NASA, che è diretta a esplorare il satellite gioviano e verificarne l’abitabilità, ha spulciato tra i vecchi dati raccolti nel 1997 e con nuovi modelli informatici ha scoperto che dagli oceani ghiacciati e dai laghi sotterranei vengono espulsi dei getti di vapore acqueo, la prova che esiste acqua liquida e quindi gli ingredienti necessari a supportare la vita.

Alla guida del team di ricercatori che ha effettuato la scoperta pubblicata sulla rivista Nature Astronomy c’è Xianzhe Jia, fisico spaziale dell’Università del Michigan e collaboratore alla missione Europa Clipper, che ha spiegato: “I dati erano lì, ma avevamo bisogno di modelli più sofisticati per dare un senso alle osservazioni”.

A ispirare il salto nel passato, ha raccontato lo scienziato, è stata un altro membro del team scientifico della futura missione NASA, Melissa McGrath. La ricercatrice del SETI Institute ha mostrato durante una presentazione delle immagini scattate dal telescopio Hubble di una zona di Europa ed è allora che Jia ha avuto l’intuizione:

“Una delle località che ha menzionato ha fatto suonare nella mia testa un campanello. Galileo ha effettuato un passaggio ravvicinato proprio vicino a quella località, che è stata una delle più vicine osservazioni che abbiamo mai avuto a disposizione. È stato allora che abbiamo realizzato che avremmo dovuto ricontrollare i dati. Avevamo bisogno di vedere se c’era qualcosa tra i dati che poteva svelarci la presenza o meno di un getto”.

Vecchi dati alla mano e nuovi modelli nell’altra, Jia e colleghi si sono avventurati nell’analisi dei dati di Galileo, raccolti durante un flyby nel 1997 ad appena 200 chilometri dalla superficie di Europa, e nel confronto con le immagini ultraviolette scattate nel 2012 dal telescopio spaziale Hubble, in cui i getti sembravano venire emessi proprio dalla superficie ghiacciata del satellite.

Se già nelle immagini di Hubble sembrava chiara l’esistenza dei getti, i dati di Galileo rappresentano una prova ancora più forte e corroborante, un prova che però oltre 20 anni fa gli scienziati non furono in grado di svelare, perché gli strumenti a loro disposizione non erano adatti allo scopo e soprattutto il team non sospettava nemmeno della loro esistenza e che la sonda avesse potuto sfiorarli nel momento di eruzione dalla gelida luna.

Oggi infatti sappiamo che i getti esistono su Encelado, la luna ghiacciata di Saturno, e che si tratta di materiale che viene espulso in pennacchi che si ionizzano e lasciano un caratteristico segnale nel campo magnetico del pianeta. Applicando la moderna conoscenza di come questi getti influenzano il campo magnetico del satellite e rielaborando i dati del magnometro ad alta risoluzione raccolti durante il passaggio ravvicinato ad Europa, finalmente i ricercatori hanno identificato la causa di quella piccola e localizzata curva che è proprio la prova della presenza di un caratteristico pennacchio.

Oltre al magnometro, Galileo disponeva anche di uno spettrometro per le onde di plasma, che ha catturato le onde provocate dalle particelle cariche nei gas che compongono l’atmosfera di Europa. E anche nella rielaborazione di questi dati, la teoria della presenza dei getti sembrava trovare conferma. Mettendo a confronto queste due prove in un nuovo modello tridimensionale dell’interazione tra plasma e corpi celesti del sistema solare e aggiungendo alla “ricetta” le osservazioni di Hubble, Jia e colleghi sono riusciti anche a definire le dimensioni di questi getti di vapore. Robert Pappalardo, project scientist della missione Europa Clipper al Nasa Jet Propulsion Laboratory (JPL) di Pasadina, in California, ha spiegato:

“Ora sembrano esserci molte linee di prova per negare l’esistenza di pennacchi su Europa. Questo risultato li rende molto più reali e, per me, rappresenta un punto di svolta: non si trattano più di indizi incerti da una immagine lontana”.

Un risultato, quello ottenuto da Jia e colleghi, che cambia l’approccio degli scienziati nella progettazione della missione Europa Clipper, che sarà lanciata dalla NASA nel 2022 proprio per raggiungere il satellite di Giove, raccogliere campioni della sua atmosfera e superficie e permettere di studiarne l’abitabilità.

Conoscere l’esistenza dei getti di vapore infatti cambia anche i percorsi orbitali della futura sonda, che non avrà più bisogno di perforare il ghiaccio della superficie della luna per raccogliere campioni del suo interno, ma potrà semplicemente attingere dai getti espulsi per svelare la composizione interna del corpo celeste, come ha spiegato Pappalardo:

“Se i getti esistono e possiamo raccogliere campioni direttamente di quanto sta uscendo dall’interno di Europa, dopo saremo in grado più facilmente di capire se il satellite ha gli ingredienti per la vita. Questo è l’obiettivo della missione, il grande quadro d’insieme”.

Il salto nel passato dunque apre un nuovo futuro nell’esplorazione spaziale, gettando le basi sia per Europa Clipper che per la futura missione Juice (Jupiter Icy Moons Explorer) dell’Agenzia spaziale europea. Dopo 20 anni finalmente uno dei misteri di Europa è stato svelato e ora agli scienziati non resta che dare la caccia all’acqua e a quegli elementi che potrebbero fare del satellite un luogo potenzialmente abitabile.

 
  

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Detective presso Computer Crime Research Center. Investigazioni Roma. Ingegneria Elettronica e delle Telecomunicazioni Seminario Analisi del Crimine Violento Università di Roma

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In Cina sono nati topi da due madri (e sono in salute)

Utilizzando cellule staminali e l’editing genico, un team di ricercatori dell’accademia delle scienze cinese è riuscito a far nascere una cucciolata di topi in buona salute da due madri

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Nuove nascite nei laboratori dell’Accademia delle scienze cinese. Una cucciolata di topi del tutto in salute. Ma la cosa sorprendente è che questi animali sono nati da genitori dello stesso sesso, e più precisamente da due madri. A raccontarlo sulle pagine di Cell Stem Cell sono stati proprio i ricercatori dell’Accademia delle scienze, in Cina, che servendosi delle cellule staminali e dell’editing genetico sono riusciti a dare alla luce topi sani da due madri. Sono nati, precisano i ricercatori, anche topi di due padri, ma sono riusciti a sopravvivere per soli due giorni.

Mentre alcuni rettili, anfibi e pesci possono riprodursi per partenogenesi, ovvero quella tipologia di riproduzione asessuata che non richiede alcun intervento da parte del maschio, è difficile per i mammiferi fare lo stesso anche con l’aiuto delle tecnologie più innovative: infatti, nei mammiferi, poiché alcuni geni materni e paterni vengono spenti durante lo sviluppo della linea germinale a seguito di un meccanismo chiamato imprinting genetico (ovvero la modulazione dell’espressione di una parte del materiale genetico), la prole che non riceve materiale genetico da una madre e un padre potrebbe subire anomalie dello sviluppo o non essere vitali.

“Eravamo interessati a capire il perché i mammiferi possono riprodursi solo sessualmente. Così abbiamo cercato di scoprire se i topi nati da due genitori di sesso femminile, o maschile, sarebbero potuti essere creati utilizzando cellule staminali embrionali aploidi con delezioni genetiche”, afferma l’autore Qi Zhou.

(foto: Leyun Wang)

 

Per capirlo, Zhou e il suo team di ricercatori hanno usato cellule staminali embrionali (Esc) aploidi, ovvero cellule che contengono metà del numero normale di cromosomi e il dna di un solo genitore. Successivamente, i ricercatori, servendosi di complesse tecniche di editing genetico, sono riusciti a iniettare queste cellule staminali contenenti il dna di un genitore femminile negli ovuli di un altro topo femmina. Al termine della sperimentazione, i ricercatori hanno osservato che da 210 embrioni sono riusciti a far nascere 29 topi sani (e che sono vissuti fino all’età adulta). “In questo studio abbiamo scoperto che le Esc aploidi erano più simili alle cellule germinali primordiali, i precursori di uova e spermatozoi, mentre l’imprinting genetico che si verifica nei gameti è stato cancellato”, spiegano i ricercatori.

Successivamente, i ricercatori sono riusciti a far nascere anche 12 topi da due padri con una procedura molto simile ma ancor più complessa. In questo caso, tuttavia, dopo aver modificato geneticamente le Esc aploidi di un topo maschio e averle iniettate insieme allo sperma dell’altro padre in una cellula uovo privata del suo materiale genetico, i cuccioli sono riusciti a sopravvivere solamente 48 ore dopo la nascita. Ora, il prossimo passo dei ricercatori sarà quello di migliorare quest’ultimo procedimento in modo tale che i cuccioli di topo nati da due padri possano riuscire a vivere fino all’età adulta. “Abbiamo anche rivelato alcune delle regioni genomiche più importanti che ostacolano lo sviluppo dei topi con genitori dello stesso sesso, informazioni che sono preziose e interessanti anche per lo studio dell’imprinting genomico e della clonazione animale, concludono i ricercatori.

In passato, precisiamo, che altri tentativi erano stati fatti per facilitare la riproduzione dello stesso sesso nei topi. Alcuni scienziati si erano concentrati sulla creazione di spermatozoi con il dna femminile e viceversa, di ovuli con il dna di un padre, mentre altri avevano utilizzato cellule staminali e l’editing genetico. Per fare qualche esempio, in uno studio del 2004 i ricercatori erano riusciti a creare i primi topi da due madri, dimostrando l’importanza dell’imprinting genetico nell’impedire la partenogenesi. Nel 2010, invece, un altro studio era riuscito a produrre topi da due padri utilizzando cellule staminali derivate dalla pelle (ma arrivare a un topo con solo dna maschile attraverso questa tecnica aveva richiesto più generazioni). Finora, tuttavia, tutti i topi nati in questi studi avevano ancora molti difetti di sviluppo. Risultati simili a questo ultimo studio, invece, erano stati raggiunti dagli stessi ricercatori dell’Accademia delle scienze cinese nel 2011, utilizzando un metodo che si basava su un intermediario femminile, tra i due padri.

 
  

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Fisica

Nobel per la fisica 2018, perché hanno vinto i laser

Ad Ashkin, Moureau e Strickland il premio Nobel per la fisica 2018 “per i loro studi innovativi nel campo della fisica dei laser”. Ecco perché sono importanti

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Ha vinto, dunque, la luce. La Royal Swedish Academy of Sciences ha assegnato il premio Nobel per la fisica 2018 ad Arthur Ashkin, dei Bell LaboratoriesGérard Mourou, della University of Michigan, e Donna Strickland, della University of Waterlooper i loro studi rivoluzionari nel campo della fisica dei laser. I tre inventori, spiegano da Stoccolma, hanno cambiato per sempre la fisica dei laser, permettendo di osservare, sotto una nuova luce (sic!), oggetti microscopici e processi rapidissimi: lo sviluppo di laser sempre più potenti e avanzati ha permesso infatti di mettere a punto strumenti di precisione che hanno spianato la strada verso aree di ricerca inesplorate e che hanno (e avranno) innumerevoli ricadute nel campo industriale e medico, oltre che nella fisica di base.Chi sono i vincitori 
(immagine: Nobel Prize)
Cominciamo dal raccontare chi sono i protagonisti di questa giornata. Arthur Ashkin, cui è andata la prima metà del premio, è uno scienziato statunitense classe 1922 che si è formato alla Columbia University e alla Cornell University. Fin dagli anni sessanta ha lavorato alla manipolazione di particelle mediante luce laser, inventando le cosiddette pinzette ottiche, uno strumento che – come suggerisce il nome – consente di acchiappare e manipolare molto precisamente, con la luce, particelle microscopiche come atomi, molecole e cellule biologiche. Ashkin, inoltre, si può considerare quasi un Nobel doppio: il suo lavoro, infatti, ha fornito le basi per gli studi sul raffreddamento e intrappolamento degli atomi condotti da Steven Chu, insignito del Nobel per la fisica nel 1997.Membro di innumerevoli società scientifiche, Ashkin ha lavorato per quarant’anni, fino al 1992, nei Bell Laboratories, per poi continuare, come ha lui stesso raccontato, a “lavorare da casa”.Gli altri due premiati, cui va ¼ del riconoscimento, sono Gérard Mourou e Donna Strickland. Mourou è uno scienziato francese che lavora per la University of Michigan, per la École Polytechnique di Palaiseau e per altri istituti di ricerca, co-inventore (insieme a Strickland, per l’appunto) della cosiddetta chirped pulse amplification (Cpa), una tecnica che permette di amplificare un impulso di radiazione elettromagnetica. Mourou ha inoltre inventato, nel 1994, una tecnica per evitare la divergenza dei fasci laser, sfruttando e combinando i fenomeni della diffrazione e della rifrazione.Strickland – la terza donna al mondo, dopo Marie Curie e Maria Goeppert-Mayer, a ricevere il Nobel per la fisica – è una ricercatrice canadese in forza alla University of Waterloo. Si è laureata in ingegneria fisica alla McMaster University e ha completato il dottorato di ricerca alla University of Rochester. Fu proprio durante il periodo di dottorato che lavorò, insieme a Mourou, alla chirped pulse amplification, il tema per cui le è stato assegnato il massimo riconoscimento. Attualmente dirige un gruppo di ricerca che si occupa di laser ultraveloci e ad alta intensità per studi nel campo dell’ottica nonlineare.Intrappolamento ottico Tutto parte da un’idea apparentemente visionaria: usare la luce per manipolare gli oggetti (inevitabile pensare al raggio traente di Star Trek). D’altronde, come sappiamo bene quando ci esponiamo al sole, la luce porta energia: e dunque, perché non provare a usare questa energia per afferrare, spingere e tirare oggetti microscopici? Detto, fatto: subito dopo l’invenzione del primo laser, negli anni sessanta, Arthur Ashkin si rese conto che le caratteristiche dei fasci laser (in particolare il fatto che si trattasse di luce coerente, cioè con differenze di fase costanti, e che i fasci stessi fossero estremamente focalizzati) li rendevano adattissimi a interagire con particelle microscopiche. Cominciò subito a giocare con lo strumento, rendendosi conto che effettivamente la pressione esercitata dai laser era sufficiente per muovere piccole sferette e che le sferette erano in qualche modo attirate verso il centro del fascio, dove l’intensità della luce era maggiore. Ashkin si rese conto che si poteva sfruttare questo fenomeno per costringere le sferette a muoversi dove si voleva semplicemente usando delle lenti che focalizzassero in un punto specifico la massima intensità del fascio.Nacquero così le prime trappole ottiche, o, se si preferisce, pinzette ottiche. Uno strumento economico, veloce e soprattutto precisissimo, che permise, negli anni a seguire, di manipolare addirittura singoli atomi (ci si riuscì nel 1986, dopo aver risolto una serie di complicazioni tecniche) e soprattutto sistemi biologici: nel corso di diversi esperimenti condotti su virus, batteri e cellule viventi Ashkin mostrò che le pinzette ottiche consentivano una manipolazione che, oltre ad essere precisa, era completamente non invasiva, e consentiva per esempio di afferrare il nucleo di una cellula senza distruggerne la membrana.Impulsi cortissimi e potentissimi Veniamo all’altro breakthrough, quello relativo all’invenzione della chirped pulse amplification. Negli anni ottanta, Donna Strickland era una dottoranda della University of Rocchester. Il suo supervisor era il professor Gérard Mourou, e i due lavoravano nel laboratorio di ottica dell’ateneo statunitense. In quel momento, la fisica dei laser sembrava essere arrivata a un binario morto: in sostanza, gli impulsi laser vengono generati con una reazione a catena in cui le particelle di luce, interferendo con sé stesse in una cavità che le amplifica, ne generano di nuove. Si riteneva fosse impossibile aumentare ancora l’intensità della luce prodotta senza distruggere il materiale della cavità.Strickland e Mourou riuscirono a superare il problema, ideando una tecnica che permetteva di allungare la durata temporale di un singolo impulso laser, amplificarne l’intensità e quindi rallentarlo di nuovo. Il trucco sta nel fatto che quando si aumenta la durata di un impulso la sua potenza di picco è molto più bassa, e quindi è possibile amplificarlo senza danneggiare l’amplificatore: una tecnica semplice ed elegante. E soprattutto efficace: nel 1985 il primo dispositivo superò la prova del laboratorio, rivoluzionando completamente la fisica dei laser e aprendo la strada a nuove applicazioni in fisica, chimica e medicina.Tante applicazioni Le pinzette di Ashkin, nel corso degli anni, sono state utilizzate in moltissimi campi: è stato possibile, per esempio, studiare diversi processi biologici tra cui il comportamento delle proteine, i cosiddetti motori molecolari, le caratteristiche del dna e la vita interna delle cellule. Uno dei campi più recenti, e promettenti, è quello della cosiddetta olografia ottica, in cui si usano contemporaneamente migliaia di pinzette, per esempio, per separare le cellule del sangue sane da quelle infette, il che potrebbe essere molto utile nella lotta alla malaria e ad altre malattie. Stesso discorso per la Cpa, che ha permesso, tra le altre cose, di realizzare la telecamera più veloce al mondo – che funziona grazie a impulsi laser della durata di pochi femtosecondi, un milionesimo di miliardesimo di secondo – e trivelle microscopiche precise e potentissime, con le quali è stato possibile bucare, letteralmente, atomi, molecole e cellule viventi. Ma, assicurano gli esperti, il meglio deve ancora venire.
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Fisica

Vega C si prepara al lancio. Un video ci porta dietro le quinte della missione

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Partirà da Kourou, in Guyana francese, nella seconda metà del 2019, spinto da un motore straordinario che gli conferirà una potenza senza concorrenti tra i vettori spaziali della sua categoria. Vega-C, così si chiama, è l’ultimo arrivato tra i sistemi di lancio europei, e rappresenta un motivo di orgoglio anche per la scienza e tecnologia italiane: il cuore del suo sistema è stato infatti elaborato da un’azienda italiana con sede a Colleferro.

In questo video l’Agenzia spaziale europea ci porta dietro le quinte della missione.

 

 
  

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