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Fisica

Indizi sul mistero dei quasar trasformisti

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Alcuni degli oggetti più luminosi dell’universo, i quasar , stanno svanendo rapidamente. Gli astronomi pensano ora di essere riusciti a capire questo comportamento misterioso, e la risposta potrebbe aiutarli a spiegare in che modo si evolvono le galassie come la Via Lattea. I quasar sono buchi neri supermassici al centro di galassie, alimentati da enormi quantità di gas che brillano nell’universo visibile. Gli astronomi hanno a lungo ritenuto che i quasar durino per milioni di anni per poi oscurarsi lentamente nel corso di decine di migliaia di anni. Ma nel 2014, Stephanie LaMassa, un’astronoma ora allo Space Telescope Science Institute di Baltimora, ha scoperto un quasar che sembrava scomparire in meno di dieci anni: un batter d’occhio, astronomicamente parlando.

quasar

I ricercatori si sono arrovellati per spiegare questa stranezza. Forse un’enorme nube di polvere era passata davanti al fascio luminoso del quasar bloccandone momentaneamente la luce. O forse una stella era passata troppo vicina al buco nero che l’aveva rapidamente fagocitata, provocando una brillante emissione di radiazioni scambiata dagli scienziati per un quasar. Sembrava fisicamente impossibile che un oggetto così brillante potesse svanire in un tempo così breve.

La scoperta ha messo in moto la caccia ad altri quasar che “cambiano look”. Questa ricerca ha individuato decine di questi misteriosi “mostri” cosmici, alcuni dei quali si sono affievoliti anche più drasticamente del primo. Due studi pubblicati questo mese sul server di preprint arXiv suggeriscono che questi quasar si smorzano perché la quantità di gas e polvere che scorre attraverso i loro dischi di accrescimento – il vortice di materia calda che circonda un buco nero – diminuisce drasticamente. Così, il buco nero muore di fame.

Luce lampeggiante

In uno studio,  Zhenfeng Sheng, astronomo all’University of Sciences and Technology of China a Hefei, e colleghi hanno esaminato da vicino dieci quasar già descritti dallo Sloan Digital Sky Survey e dal Wide-Field Infrared Survey Explorer della #NASA . Osservando questi quasar nelle lunghezze d’onda dell’ottico e dell’infrarosso, i ricercatori hanno potuto sondare sia il disco di accrescimento del quasar, sia il suo toro, ossia l’anello a forma di ciambella di nubi di polvere che lo avvolge.

quasar

Questo approccio ha funzionato perché il disco di accrescimento incandescente invia luce nella banda del visibile verso l’oscuro toro, dove viene assorbita e riemessa come luce infrarossa. Ogni cambiamento della luce da parte del toro rispecchia un cambiamento della luce del disco di accrescimento. Così, quando Sheng e colleghi hanno scoperto che la luce nel visibile emessa da ciascun quasar si affievoliva prima che lo facesse la luce nell’infrarosso, hanno capito che il fenomeno era dovuto a un crollo della quantità di materiale che fluisce attraverso il disco di accrescimento.

L’altro studio, diretto da Damien Hutsemékers, astronomo all’Università di Liegi in Belgio, rafforza questa idea. La squadra di Hutsemékers ha esaminato la luce che emana da un unico quasar mutevole. Parte di questa luce è polarizzata mentre attraversa regioni intorno al quasar che sono considerate ricche di elettroni, proprio come le molecole nell’atmosfera terrestre disperdono e polarizzano la luce dal Sole.

I ricercatori cercavano di stabilire se una nuvola di polvere stesse occultando il disco di accrescimento del quasar; in questo caso, gran parte della luce del quasar sarebbe dovuta apparire come proveniente dalle regioni polarizzanti. Ma il gruppo non ha rilevato un aumento della luce polarizzata dal quasar una volta che ha iniziato ad affievolirsi. Questo esclude la presenza di una nuvola di polvere, ma non le alterazioni nel disco di accrescimento.

Nicholas Ross, astronomo all’Università di Edimburgo, nel Regno Unito, afferma che, pur essendo solo preliminari, i risultati dei due studi sono suggestivi.

Uno sguardo alle galassie primordiali

Se gli astronomi riuscissero a determinare il meccanismo sottostante ai quasar che cambiano, e le scale temporali su cui questi oggetti smettono di esistere, potrebbero comprendere meglio come evolvono le galassie.

Si ritiene che ogni galassia massiccia abbia ospitato un quasar nei suoi primi anni di vita. In una giovane galassia, i buchi neri supermassicci nei quasar possono liberare venti abbastanza forti da fermare la formazione delle stelle. Nel corso del tempo, una galassia che ospitava un quasar stabile per lunghi periodi può apparire molto diversa da una galassia con un quasar che si è comportato in modo imprevedibile. Per fare un paragone, si può pensare a due vasche identiche piene d’acqua, dice Meg Urry, astronoma alla Yale University a New Haven, in Connecticut. Se si versa una tazza di acqua bollente in una e un paio di litri di acqua tiepida nell’altra, chi vi è immerso sperimenterà sensazioni molto diverse, osserva Urry.

La scoperta del funzionamento interno dei quasar che cambiano look potrebbe anche aiutare gli astronomi a capire in che modo gas e polveri fluiscono in un buco nero. Anche se gli ultimi risultati suggeriscono che i quasar mutevoli si offuscano drammaticamente a causa della mancanza di combustibile, i ricercatori non riescono ancora a spiegare come ciò possa avvenire in un tempo così breve.

Ma LaMassa, – che con Ross ha presieduto la prima conferenza sui quasar che cambiano aspetto, tenutasi nel luglio scorso – pensa che gli astronomi siano sulla buona strada. “Ci sono ancora molte domande a cui rispondere”, dice. “Ma penso che stiamo facendo le domande giuste e che stiamo andando nella giusta direzione”.

(L’originale di questo articolo è stato pubblicato su Nature il 28 luglio 2017. Traduzione ed editing a cura di Le Scienze. Riproduzione autorizzata, tutti i diritti riservati.)





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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

Fisica

Una scoperta matematica grazie a The Big Bang Theory

Un’affermazione di Sheldon Cooper in un episodio della popolare serie televisiva ha dato da pensare ai teorici dei numeri… e li ha portati a scoprire una nuova proprietà dei numeri primi

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© Photomovie

Il 73° episodio della sitcom statunitense The Big Bang Theory è da tempo considerato speciale dai matematici. “Qual è il numero migliore?”, chiede a un certo punto Sheldon Cooper. “È il 73”, si risponde da solo il fisico, geniale ma inetto nella vita quotidiana.

Il ragionamento di Sheldon è un invito a nozze per gli appassionati di numeri: “Il 73 è il 21° dei numeri primi. Il suo speculare, il 37, è il 12°, e il suo speculare, il 21, è il prodotto – e qui vi consiglio di reggervi forte – di 7 per 3”. L’osservazione fa solo ridere gli altri personaggi della serie e molti spettatori, ma ha dato da pensare ai matematici professionisti: ci sono altri “numeri primi di Sheldon” che hanno le stesse proprietà?

Insieme al collega Christopher Spicer del Morningside College, in Iowa, il teorico dei numeri Carl Pomerance del Dartmouth College, nel New Hampshire, ora ha trovato una risposta: 73 è in realtà l’unico numero primo che soddisfi i criteri stabiliti da Sheldon, scrivono i ricercatori in un articolo uscito di recente su “American Mathematical Monthly”.

Nel 2015, qualche tempo dopo la trasmissione di quell’episodio di The Big Bang Theory, Spicer, insieme a due colleghi, ha dato una definizione formale: un numero pn è un numero primo di Sheldon se è l’n-esimo numero primo e se è il prodotto delle cifre di n e se il numero riflesso specularmente rev(pn) è il rev(n)-esimo numero primo prev(n). Per dirla in modo un po’ più comprensibile, vuol dire che per il xyz-esimo numero primo abcd deve valere che a · b · c · d = xyz e, inoltre, che dcba è lo zyx-esimo numero primo. Quando i tre ricercatori hanno esaminato se qualcuno dei primi dieci milioni di numeri primi soddisfacesse queste proprietà, hanno scoperto che l’unico era il 73. Hanno quindi formulato la congettura che ci fosse un unico primo di Sheldon.

La dimostrazione completa data da Pomerance e Spicer ha richiesto ancora qualche anno. In una prima fase i due matematici hanno dimostrato che non può esistere un primo di Sheldon maggiore di 1045. Sono giunti a questa conclusione grazie al noto teorema dei numeri primi risalente al 1896, che dà il minimo numero di numeri primi contenuti in un dato intervallo di numeri. La condizione che il prodotto di tutte le cifre di un primo di Sheldon pn dia il numero n non può valere per numeri che siano maggiori di 1045. In questo caso, infatti, per il il teorema dei numeri primi il numero n dei numeri primi contenuti nell’intervallo [2, pn], è sempre maggiore del prodotto delle cifre di pn.

Questo passaggio è il punto cruciale dell’articolo. Anche se 1045 è un numero di grandezza inimmaginabile grande, è comunque un numero finito e quindi in teoria è possibile passare in rassegna sistematicamente tutti i numeri primi tra 2 e 1045 con un computer per cercare altri numeri primi di Sheldon. Certo, anche qui serve qualche trucco: far girare un algoritmo su numeri con 45 cifre rappresenta una sfida anche per il miglior hardware. Quindi Pomerance e Spicer hanno limitato ancor più gli aspiranti primi di Sheldon facendo uso delle proprietà richieste e usando delle formule di approssimazione per trovare con un integrale un valore approssimato di numeri primi enormi; così facendo hanno progressivamente escluso i vari possibili primi di Sheldon, fino a far rimanere solo il 73.

David Saltzberg, consulente scientifico di The Big Bang Theory, venuto a sapere della dimostrazione trovata dai due matematici, ha deciso di render loro omaggio in un episodio andato in onda nell’aprile 2019: in una scena si vede sullo fondo una lavagna con dettagli dei calcoli dall’articolo di Pomerance e Spicer. Come riferisce un comunicato del Dartmouth College, Pomerance ha esclamato: “È come uno spettacolo nello spettacolo”. “Non ha nulla a che fare con la trama dell’episodio e si vede a malapena sullo sfondo. Ma se uno sa che cosa cercare, ecco il nostro articolo!”


L’originale di questo articolo è stato pubblicato su “Spektrum.de” il 17 maggio 2019





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Com’è Space Rider, il prossimo “accessorio” a salire a bordo di un razzo Vega

Un laboratorio orbitante che, una volta esaurito il suo scopo, può rientrare a Terra senza inquinare il cosmo. Il suo funzionamento, spiegato in un’animazione

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Potremmo definirlo il coltellino svizzero delle prossime missioni di esplorazione spaziale. Si chiama Space Rider e consiste in un insieme di dispositivi fatti apposta per lavorare nelle basse orbite, e quindi attorno alla Terra, come un vero e proprio laboratorio multifunzione in condizioni di microgravità.

Montato sui razzi Vega, i lanciatori di ultimissima generazione che portano i orbita i satelliti, il sistema è progettato per tornare al suolo dopo ogni missione, ed è quindi riutilizzabile e non produce spazzatura spaziale. Nel video possiamo scoprire com’è fatto da vicino.





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È morto il premio Nobel per la fisica della teoria dei quark, Murray Gell-Mann

È scomparso a 89 anni il premio Nobel per la fisica Murray Gell-Mann, che ha classificato le particelle subatomiche e fondato la teoria dei quark. Ecco la sua storia

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Murray Gell-Mann durante una lettura a Wuhan, in Cina, nel 2010 (foto: Vcg via Getty Images)

È morto il fisico statunitense Murray Gell-Mann, premio Nobel per la fisica nel 1969, che ha dedicato la sua vita alle ricerche sulle particelle subatomiche, creando la teoria dei quark. Gell-Mann si è spento a Santa Fe il 24 maggio 2019 all’età di quasi 90 anni (era nato il 24 settembre 1929 a New York): a dare notizia ufficiale della sua scomparsa è il Santa Fe Institute. I meriti di Gell-Mann riguardano in particolare la classificazione delle particelle subatomiche: il fisico ha fornito una sorta di “tavola periodica” di queste particelle, dividendo protoni, neutroni, mesoni e barioni in gruppi con proprietà simili.

Inoltre, ha descritto le loro interazioni e insieme al fisico George Zweig ha previsto l’esistenza dei quark. Ecco la storia di Gell-Mann.

Un altro grande della fisica se ne va (ricordiamo infatti la recente scomparsa del grande astrofisico Stephen Hawking). Murray Gell-Mann ha contribuito ampiamente al cosiddetto Modello Standard, la teoria fisica che descrive tutte le particelle e le interazioni fisiche – ad eccezione di una, quella gravitazionale – e che fornisce il modello più completo per rappresentare la realtà conosciuta Fin da giovanissimo, Gell-Mann compie operazioni matematiche mentali “che la maggior parte delle persone non è in grado di fare”, a detta del fratello Benedict, che lo ha definito come “precoce”. A 14 anni Murray Gell-Mann conclude le scuole superiori per iscriversi a fisica alla Yale University, laureandosi nel 1948, a 18 anni. Successivamente ha conseguito il dottorato in fisica al Mit nel 1951, a 21 anni. “Se un bambino cresce con l’idea di diventare uno scienziato”, ha detto una volta Gell-Mann “scopre di essere pagato tutto il giorno per giocare al gioco più eccitante mai ideato dall’umanità”. Insomma, talento e passione si sono combinati, nella vita di Gell-Mann, per produrre un risultato scientifico di grande importanza.

In particolare, nel 1955, dopo il dottorato, si unisce alla facoltà di fisica al Caltech, dove lavora con Richard Feynman a una teoria che è alla base del decadimento radioattivo del neutrone – e che è stata proposta in modo indipendente dai fisici George Sudarshan e Robert Marshak. Successivamente Gell-Mann si dedica alla classificazione delle particelle subatomiche divise in gruppi da 8 e da 10, coniando l’espressione, tuttora in uso e valida, della “via dell’ottetto”. Questa teoria organizza barioni e mesoni in ottetti – gruppi da 8 – ed è alle fondamenta del modello di quark sviluppato negli anni seguenti.

La teoria dei quark è stata avanzata nel 1964 da Murray Gell-Mann e George Zweig. I due fisici ipotizzarono la presenza di queste nuove particelle elementari per spiegare la struttura degli adroni, particolari particelle subatomiche composte, un’ampia categoria che include mesoni e barioni (che a loro volta comprendono protoni, neutroni e altre particelle). Il nome quark fu scelto proprio da Murray Gell-Mann, che si ispirò a un vocabolo senza significato utilizzato in un passo di un romanzo di James Joyce. Il passo recita “Three quark for Mister Mark!” dove quark è una storpiatura della parola quart, che indica un boccale di birra da due pinte. Il termine quark e il riferimento ai tre quark – che effettivamente compongono il protone e il neutrone – convince Gell-Mann a chiamare con questo termine queste particelle elementari, i mattoncini fondamentali delle particelle subatomiche classificate come adroni.

Questi studi sono valsi a Gell-Mann il premio Nobel per la Fisica, conferito nel 1969 per “il suo contributo e le scoperte riguardanti la classificazione delle particelle elementari e le loro interazioni”. La teoria dei quark è tuttora valida e proprio quest’anno, nel 2019 una particella prevista da Gell-Mann, il pentaquark (composto da cinque quark), è stata osservata sperimentalmente dal Large Hadron Collider (Lhc) al Cern di Ginevra. Un’altra conferma del rigore e della solidità degli studi del premio Nobel.

Ma l’opera di Gell-Mann non finisce qui. Dopo le ricerche sulle particelle elementari, ha lavorato al Cern di Ginevra con il collaboratore Harald Fritzsch, allo sviluppo della cromodinamica quantistica (acronimo Qcd), la teoria fisica che descrive l’interazione forte (la teoria fondamentale della forza nucleare forte), l’interazione di base tra quark e gluoni. Si tratta di un mattone importante del Modello Standard delle particelle elementari.

Negli ultimi anni di vita, si interessa alla complessità dei sistemi biologici, sociologici, ecologici e dell’informatica e fu co-fondatore del Santa Fe Institute per studiare questi sistemi complessi. Gell-Mann ha descritto i suoi due principali interessi, le particelle e i sistemi complessi alla base della realtà, nel libro pubblicato nel 1994, The Quark and the Jaguar: “si tratta di due aspetti della natura”, commenta il fisico, “da un lato, le leggi fisiche sottostanti il funzionamento della materia e dell’universo e dall’altro, la ricca fabbrica del mondo che percepiamo in maniera diretta e di cui siamo parte”.





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