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Ecco cosa ha in serbo per noi la scienza nel 2020

Radiotelescopi da record, olimpiadi robotiche, nuove missioni spaziali. Il 2020 è alle porte, e gli appassionati di scienza non corrono certo il rischio di annoiarsi. Ecco alcuni degli appuntamenti scientifici da segnare sul prossimo calendario

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(immagine: Getty Images)

Questa volta facciamo cifra tonda. Il 2020 è alle porte, e la speranza ovviamente è che si riveli un anno da ricordare. Se quello appena trascorso può esser preso ad esempio, sarà difficile annoiarsi: dalla prima foto di un buco nero, alla prima visita umana sul lato nascosto della Luna, alle vicende di He Jiankui e delle due gemelline Crispr, il 2019 sarà ricordato a lungo dagli appassionati di scienza. Volete un assaggio di cosa ci aspetta? Eccovi alcuni degli appuntamenti scientifici del 2020.

Il più grande radiotelescopio del mondo

Osservare la nascita delle prime stelle dell’Universo. Testare la teoria della relatività di Einstein, dare la caccia ad alcune delle più sfuggenti entità del cosmo, come la materia e l’energia oscura. E perché no, magari anche trovare le prime prove dell’esistenza di forme di vita extraterrestre. In poche parole, rivoluzionare la nostra comprensione dello Spazio. Un obbiettivo ambizioso, ma assolutamente alla portata del più grande radiotelescopio mai realizzato: lo Square Kilometre Array, un progetto internazionale che punta a costruire una superficie ricevente di oltre un milione di chilometri quadrati, divisa tra gli altopiani del Sud Africa e le coste australiane. Per completare un progetto così titanico ci vorranno ancora anni, ma le prime avvisaglie di quel che ci aspetta dovrebbero arrivare già nel 2020, quando è previsto l’avvio delle prime osservazioni scientifiche, che verranno effettuate con una parabola virtuale ancora incompleta.

Olimpiadi per robot

Il 2020 sarà un anno da ricordare anche nello sport, con le olimpiadi di Tokyo pronte a prendere il via il prossimo 24 luglio. Competizioni che il paese del sol levante ha deciso di dedicare a uno dei suoi punti di forza: la robotica. I robot saranno infatti coinvolti in tutte le fasi salienti dell’organizzazione, dall’accoglienza degli spettatori, all’assistenza ai portatori di handicap, alla logistica sui campi sportivi, dove sostituiranno i tradizionali volontari umani nel supporto e trasporto degli atleti. Ma non è tutto: per festeggiare come si deve l’evento, il Giappone ha deciso di ospitare anche un’autentica competizione per robot. Si chiamerà World Robot Challenge, e vedrà scendere in campo gli “atleti” robotici divisi in quattro categorie: robot industriali, robot di servizio, robotica dedicata all’intervento in seguito a disastri e calamità, e una categoria speciale dedicata ai più piccoli. Un piccolo evento che probabilmente non è destinato a cambiare il mondo della scienza, ma che potrebbe rivelarsi utile per fare il punto sui progressi fatti negli ultimi anni nel campo della robotica e dell’automazione.

Una nuova mappa del cielo

Fotografare periodicamente l’intera volta celeste dell’emisfero australe (almeno quella accessibile dalle montagne del Cile), e fornire tutti i dati raccolti in open access alla comunità scientifica. È l’obbiettivo del Large Synoptic Survey Telescope, un telescopio ottico unico nel suo genere, che sorgerà sul Cerro Pachón, una montagna alta 2.682 metri nella regione di Coquimbo, nel nord del Cile. Servirà a mappare con precisione la nostra Galassia, cercare materia ed energia oscura, e tenere sotto controllo asteroidi e altri piccoli corpi celesti potenzialmente pericolosi per il nostro pianeta. La costruzione è iniziata nel 2015, e dovrebbe terminare nel 2022. Ma se non ci saranno ritardi, la prima luce, ovvero la prima osservazione inaugurale, arriverà già nel corso del 2020.

Nuove foto dell’Universo

Quest’anno l’Event Horizon Telescope ha stupito tutti, sfornando la prima foto di un buco nero, prima prova visiva diretta di questi corpi celesti. E nel 2020 gli scienziati del consorzio internazionale che ha realizzato l’impresa sono pronti a riprovarci: se nel 2019 si sono occupati di Messier 87, il buco nero supermassiccio al centro di una galassia della costellazione della Vergine, nel 2020 potrebbero arrivare le immagini di Sagittarius A, posto al centro della nostra Via Lattea. Secondo Nature, i materiali pronti per essere diffusi dall’Event Horizon Telescope dovrebbero comprendere molteplici immagini, e forse persino un video che mostra le enormi nubi di gas che turbinano attorno al buco nero.

Chimere e lieviti sintetici

Continuando con le indiscrezioni di Nature, è la volta dei prossimi progressi in biologia. Si inizia con Synthetic Yeast 2.0, un progetto internazionale che passo dopo passo sta lavorando per rimpiazzare l’intero genoma di un lievito della specie Saccharomyces cerevisiae con materiale genetico realizzato in laboratorio. Nel 2020 il lavoro dovrebbe giungere a conclusione, e iniziare a dare frutti sia in campo industriale, dove i ricercatori sperano di poter sfruttare i lieviti sintetici per realizzare prodotti di ogni tipo, dai biocarburanti ai medicinali. Sia sul piano della ricerca, dove i risultati di Synthetic Yeast 2.0 aiuteranno a studiare più a fondo l’evoluzione, e le strategie con cui gli organismi biologici tengono a bada l’accumulo di mutazioni nocive. Un secondo appuntamento importante è quello con le chimere biologiche di Hiromitsu Nakauchi, esperto di cellule staminali dell’università di Tokyo che ha ricevuto quest’anno il via libera del governo giapponese per la realizzazione dei primi ibridi umani-animali. Nakaguchi lavorerà per crescere tessuti umani all’interno di embrioni di ratto, e nel 2020 potrebbero arrivare i primi importanti risultati. L’obbiettivo è quello di realizzare organi umani da utilizzare in futuro per i trapianti.

Una nuova Schiaparelli?

Ricorderete tutti lo sfortunato lander che nel 2016 tentò, senza molta fortuna, il primo ammartaggio di una sonda europea. Si trattava, va detto, di un prototipo, e i dati raccolti ovviamente sono tornati estremamente utili per pianificare al meglio la missione vera e propria: ExoMars, una collaborazione tra Esa e Roscosmos che punta a far atterrare un rover su Marte, alla ricerca di indizi che permettano di stabilire se il pianeta in passato ha ospitato forme di vita. Il lancio è previsto per il prossimo 25 luglio, e il controllo della missione sarà affidato alla nostra Altec (azienda dell’Asi). Sperando che il rover Rosalind Franklin riesca dove il povero Schiaparelli ha fallito.

Mars 2020

Anche la Nasa ha i suoi piani per il pianeta rosso. La prossima estate inizierà infatti la nuova avventura marziana dell’agenzia spaziale americana, dedicata come nel caso di quella Esa alla ricerca di forme di vita marziane. Mars 2020 depositerà sulla superficie del pianeta rosso un rover sviluppato a partire dal design di Curiosity, armato di nuovi strumenti scientifici, un trapano per estrarre campioni di roccia e suolo, e un piccolo drone a forma di elicottero. In questo caso, inoltre, si tratterà del primo passo in direzione di un obbiettivo più ambizioso: Mars 2020 depositerà infatti i campioni estratti con i suoi strumenti in appositi contenitori che abbandonerà poi lungo il cammino, e che in futuro dovrebbero essere recuperati e spediti sul nostro pianeta da una nuova missione, battezzata per ora Mars sample-return mission.

Le missioni cinesi

Il 2020 su Marte sarà uno degli anni più affollati di sempre. A fianco di EsaRoscosmos e Nasa, anche l’agenzia spaziale cinese punta a raggiungere il pianeta rosso per verificare se abbia mai ospitato la vita. La missione per ora è stata battezzata HX-1 mission, prevede l’atterraggio di un piccolo rover sulla superficie del pianeta, e rappresenterà la prima occasione in cui la Cina raggiungerà un altro pianeta con tecnologie e veicoli sviluppati completamente da sé. Non è tutto: il gigante asiatico ha infatti in serbo anche un’altra prima volta, con il lancio della sua Chang’e 5, la prima missione che raccoglierà campioni di suolo lunare per riportarli sulla Terra, dai tempi della missione Nasa Luna 24, del 1976.

Lhc nel 2020

Attivo da quasi 12 anni, il Large Hadron Collider del Cern ha già permesso scoperte fondamentali: una su tutte, il bosone di Higgs. L’obbiettivo più ambizioso, però, non è ancora raggiunto: identificare qualche particella o fenomeno che violi incontestabilmente il modello standard della fisica, e permetta quindi di progredire verso nuove conoscenzenuova fisica. Ovviamente gli insaziabili ricercatori del Cern sono al lavoro per potenziare e migliorare il loro acceleratore, e aumentare così le chance di nuove scoperte. E una delle tappe fondamentali in questa impresa arriverà nel 2020: la sostituzione del vecchio acceleratore lineare Linac2 con il suo successore, il nuovissimo e potentissimo Linac4. Se il vecchio modello, ormai in pensione, arrivava ad accelerare i suoi protoni a 50 megaelettronvolt (o Mev), il suo sostituto è pronto a triplicare l’energia delle collisioni, raggiungendo i 160Mev. I test sono in corso, e se tutto andrà come previsto l’acceleratore diventerà operativo entro la metà del 2020. Un upgrade fondamentale in vista di un più ambizioso progetto del Cern: l’high-luminosity Lhc, che punta ad aumentare sensibilmente la luminosità del Large Hadron Collider, cioè il numero di collisioni tra protoni che avvengono al suo interno. La dead line per l’high-luminosity Lhc è fissata per il 2026, e dal Cern assicurano che, ad upgrade effettuato, il mondo della fisica potrebbe cambiare volto radicalmente, e velocemente.



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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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Fisica

Da una pulsar binaria un’altra conferma alla teoria di Einstein

Una nuova osservazione ha confermato l’effetto Lense-Thirring, un effetto di trascinamento dello spazio-tempo da parte delle masse in rotazione previsto dalla teoria della relatività generale: si tratta in questo caso di un sistema binario di stelle massicce, che emette radiazione elettromagnetica pulsata. E’ la prima verifica del fenomeno ottenuta con un sistema di tipo stellare

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Ilustrazione dell'effetto Lense-Thirring misurato nello studio (©Mark Myers, OzGrav ARC Centre of Excellence)

L’ennesima conferma sperimentale della teoria della relatività generale di Einstein viene dallo studio di una pulsar, un sistema binario di stelle massicce che emette una radiazione pulsante, condotto da Matthew Bailes,dell’ARC Centre of Excellence of Gravitational Wave Discovery (OzGrav) e colleghi, che firmano un articolo su “Science”.

Uno dei fondamenti di questa teoria è che le tre dimensioni spaziali e la dimensione temporale sono considerate un tutt’uno, uno spazio-tempo quadridimensionale. E lo spazio-tempo viene deformato dalle masse proporzionalmente alla loro entità. Si può immaginare questo effetto pensando a una palla da biliardo posata sul lenzuolo steso su un letto. Se poi si posa sul lenzuolo una seconda massa, una palla da golf per esempio, quest’ultima si avvicinerà alla prima cadendo nella deformazione che ha creato. Questo è in sintesi il modello della gravitazione rappresentato dalla teoria einsteiniana, pubblicata nel 1916.

Già qualche anno dopo, due matematici austriaci josef Lense e Hans Thirring, trovarono un’interessante conseguenza della relatività generale. Secondo le leggi contenute nella teoria, una massa in rotazione su se stessa avrebbe dovuto trascinare con sé lo spazio-tempo, con un effetto lieve ma comunque rilevabile, in linea di principio.

Il fenomeno, chiamato effetto Lense-Thirring, o effetto di trascinamento, è stato rilevato sperimentalmente negli anni 2000 per quanto riguarda l’ambiente intorno alla Terra grazie ai satelliti LAGEOS, anche se con un’incertezza sperimentale ancora non soddisfacente, considerata anche l’esiguità della massa del nostro pianeta. In questi casi, si misura il fenomeno di precessione dell’asse di rotazione giroscopi dei satelliti, dovuto proprio all’effetto Lense-Thirring.

Il trascinamento è però molto più evidente nel caso di oggetti molto massicci che si trovano nel cosmo. L’ha dimostrato nel 2016 un gruppo internazionale di ricerca guidato da Adam Ingram, dell’Università di Amsterdam, nel caso del disco di accrescimento di un buco nero indicato dalla sigla H1743-322, grazie alle osservazioni condotte con i telescopi spaziali per raggi X XMM-Newton dell’ESA e NuSTAR della NASA.

Quasi 20 anni fa, il gruppo di Bailes iniziò ad osservare con il radiotelescopio CSIRO Parkes 64 un sistema binario chiamato PSR J1141-6545, formato da due stelle che ruotano l’una attorno all’altra a velocità sorprendenti. Uno dei due oggetti è una nana bianca, delle dimensioni della Terra ma 300.000 volte più densa. L’altra è una stella di neutroni che, con un diametro di soli 20 chilometri, è circa 100 miliardi di volte la densità della Terra. Ciò significa che l’effetto Lense-Thirring è 100 milioni di volte più intenso, e rappresenta quindi un’occasione unica per studiare gli effetti della relatività generale.

Dato il rapido regime di rotazione, i sistemi binari di questo tipo appaiono come una radiazione elettromagnetica pulsata, e vengono anche indicati per questo pulsar. Misurando con estrema precisione la frequenza di pulsazione, gli astrofisici possono ricavare i parametri orbitali del sistema, e da ciò calcolare la precessione del loro asse di rotazione. Dopo aver eliminato tutti i possibili fattori che possono influenzare questa precessione, Bailes e colleghi hanno misurato il contributo relativistico, risultato in buon accordo con le previsioni della teoria di Einstein. Il successo della ricerca, sottolineano gli autori, è che si tratta della prima conferma dell’effetto di Lense-Thirring ottenuta con un sistema di tipo stellare.



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Come estrarre ossigeno dalla polvere lunare

L’Agenzia spaziale europea è riuscita nell’impresa: ha creato un prototipo di impianto di estrazione dell’ossigeno dalle polveri lunari. Un passo importante per futuri viaggi spaziali e per aumentare la durata della permanenza umana sul satellite

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Rappresentazione artistica di una possibile base di attività sulla Luna (foto: Esa)

Ormai è certo: nel 2024 torneremo sulla Luna ed ora è aperta la caccia ai turisti dello spazio che accompagneranno il primo privato cittadino che andrà sulla Luna, il milionario giapponese Yusaku Maezawa. Ma i motivi per studiare la luna e la sua composizione sono tanti e non riguardano solo i viaggi spaziali. L’Agenzia spaziale europea (Esa) ha già pianificato una missione che avrà l’obiettivo di studiare la possibilità di riuscire a estrarre alcuni elementi, come ossigeno e acqua, naturalmente presente nel suolo, o meglio nella regolite, una sorta di polvere che ricopre la Luna. Oggi, l’Esa informa che ha messo a punto un prototipo per estrarre l’ossigeno dalle polveri lunari. Ecco perché è un risultato importante.

Polveri lunari per ottenere ossigeno

La regolite è un materiale granuloso presenti sul suolo lunare – e non solo, si trova anche sulla Terra, su Marte, su altri pianeti, asteroidi e lune. Questo materiale è composto da polveri, detriti, frammenti di rocce e gas, e si è formata in seguito all’impatto di meteoroidi piccoli e spessi, al bombardamento costante di frammenti di materiale celeste. I campioni lunari riportati a terra dalle missioni hanno mostrato che questa polvere è abbondante e per questo sceglierla come candidato per produrre ossigeno potrebbe essere una scelta valida.

Poter ottenere ossigeno dalle polveri lunari potrebbe favorire i futuri viaggi e la nostra permanenza sulla Luna, un tema sempre più attuale. Per questo gli scienziati si sono già messi all’opera e un gruppo guidato dall’università di Glasgow ha recentemente spiegato come procedere.

Un nuovo impianto

Oggi l’Esa annuncia di aver messo a punto un impianto per estrarre l’ossigeno dalle polveri lunari. “Avere la nostra strumentazione ci permette di concentrarci sulla produzione di ossigeno”, commenta Beth Lomax dell’università di Glasgow, “misurandolo con uno spettrometro di massa non appena estratto dal ‘simulante’ di regolite”. Il simulante di regolite è un materiale terrestre che serve per creare un composto quanto più possibile somigliante alla regolite e che è utile per gli esperimenti e per studiare le possibili condizioni di permanenza sulla luna.

L’estrazione dell’ossigeno dalla polvere di Luna

Inizialmente l’ossigeno generato nel processo veniva rilasciato come biossido di carbonio e monossido di carbonio. “Questo significa che i reattori non sono progettati per resistere all’ossigeno stesso”, spiega Lomax, che racconta che gli scienziati hanno riprogettato una nuova versione per avere ossigeno libero da misurare. Il nuovo impianto è anche silenzioso e l’ossigeno viene scaricato in un tubo apposito. Verrà poi accumulato non appena i ricercatori realizzeranno il prossimo aggiornamento delle apparecchiature.

Per ottenere l’ossigeno i ricercatori si sono serviti dell’elettrolisi per separare l’idrogeno e l’ossigeno che compongono una molecola d’acqua. Il tutto avviene attraverso la presenza di cloruro di calcio, che funge da elettrolita, riscaldato a 950 °C. La separazione è avvenuta e l’ossigeno è stato estratto.

“Il processo di produzione lascia dietro di sé un groviglio di metalli diversi”, aggiunge Alexandre Meurisse, ricercatore dell’Esa, “e questa è un’altra linea di ricerca importante per vedere quali sono le leghe più utili che potrebbero essere prodotte a partire dal materiale e quali applicazioni potrebbero avere”. La precisa combinazione di metalli, specifica l’esperto, potrebbe dipendere dal punto in cui vengono raccolte le polveri lunari, dato che ci potrebbero essere importanti differenze.

Verso la Luna e Marte

L’obiettivo finale, concludono i ricercatori, potrebbe essere realizzare un impianto simile direttamente sulla Luna, così da avere direttamente ossigeno disponibile. “Stiamo spostando il nostro approccio ingegneristico verso la possibilità di un uso sistematico delle risorse lunari in situ”, conclude Tommaso Ghidini dell’Esa, “per fornire un metodo operativo ideale e tecnologie essenziali come questa, affinché sia possibile la presenza umana sulla Luna e un giorno forse anche su Marte.



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Arriva il primo “robot vivente”, creato con cellule staminali

Deriva da cellule staminali di rana, il nuovo robot vivente non è né una macchine tradizionale né una nuova specie animale. Ecco cos’è e perché potrebbe essere molto utile in medicina e per combattere l’inquinamento

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In futuro i robot saranno sempre più spesso ispirati alle nostre caratteristiche biologiche. Ma oggi il mondo delle tecnologie ci stupisce con una proposta finora inedita: un gruppo di ricerca ha creato un nuovo prototipo che non solo prende ispirazione dalla biologia ma che  è interamente costituito da materiale biologico. I creatori, dell’università del Vermont e di Tuft, parlano per questo di robot vivente, primo nel suo genere, una macchina minuscola, per niente somigliante all’idea che abbiamo di robot – quella dell’automa. Le applicazioni potrebbero riguardare diversi campi, dalla ricerca delle contaminazioni radioattive ad usi clinici. I risultati sono pubblicati su Proceedings of the National Academy of Sciences.

Negli anni scorsi ci sono stati dei tentativi anche di successo di creare organismi viventi semi-sintetici. In questo caso parliamo di un oggetto molto diversi, come spiegano gli scienziati, che hanno progettato e realizzato la “prima macchina biologica interamente messa su a partire dal nulla”, o meglio da cellule. I ricercatori la hanno chiamata xenobot perché deriva dall’elaborazione di cellule staminali della rana africana Xenopus laevi, spesso utilizzata come modello animale nella ricerca in biologia. “Il dna dell’organismo realizzato è al 100% quello della rana”, specifica Michael Levin, uno dei due coordinatori dello studio, ricercatore all’università di Tuft, “ma non è una rana”“Non sono né robot tradizionali né nuove specie animali”, sottolineano i ricercatori, che chiariscono che si tratta di nuova classe di artefatti, oggetti artificiali che sono organismi viventi e programmabili.

Gli scienziati hanno progettato i nuovi robot con i supercomputer dell’università del Vermont e poi li hanno assemblati e testati all’università Tuft. Prima hanno prelevato le cellule staminali dagli embrioni di rana, separate in singole cellule e fatte crescere in laboratorio, in una sorta di incubatrice per farle moltiplicare e differenziare in tessuti diversi. Successivamente le hanno tagliate e aggiuntate attraverso l’uso di un microscopio per ottenere il design desiderato, selezionato col computer. In questo modo, si sono formate delle cellule dalla forma inedita in natura che hanno cominciato a funzionare e lavorare insieme. Qui il video.

La loro forma è quasi sferica. La pelle ha un’architettura abbastanza statica, mentre il muscolo cardiaco è più attivo: le sue contrazioni sono tali da generare movimenti ordinati, che seguono quanto scelto in base alla progettazione del computer. In pratica si tratta di materia vivente assemblata e programmata per lavorare in un determinato modo, selezionato dagli autori.

I risultati mostrano che questi organismi si muovono in modo coerente e che possono spostarsi e sondare l’ambiente acquoso in cui si trovano per giorni o settimane. Tuttavia, anche loro falliscono: se si ribaltano somigliano a coleotteri capovolti che non sono più in grado di muoversi. Inoltre, gli autori hanno osservato che si spostano creando un cerchio e alcuni sono stati progettati per creare una struttura con un buco al centro. “È un passo avanti verso l’uso di organismi creati dal computer per l’invio intelligente di farmaci”, ha spiegato Joshua Bongard dell’università del Vermont, che sottolinea che sono completamente biodegradabili e una volta aver assolto al loro compito, dopo una settimana, sono solo cellule di pelle morta.

Ma molti sono preoccupati dei possibili sviluppi. “Questa paura non è irragionevole”, aggiunge Levin. E “questo studio fornisce un contributo diretto per comprendere meglio ciò di cui le persone hanno paura, ovvero le conseguenze indesiderate”. Se inizieremo a manipolare sistemi complessi che non conosciamo, spiega l’esperto, potremmo avere esiti inattesi e non desiderati. Per questo capire in che modo la complessità emerge da sistemi semplici sarà una sfida fondamentale del futuro.



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