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Fisica

La matematica dell’innovazione

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L’innovazione è una delle forze trainanti del nostro mondo e la creazione costante di nuove idee, con la loro trasformazione in prodotti e tecnologie, costituisce un potente elemento fondamentale per la nostra società. Eppure questo processo rimane un mistero: da anni, infatti, diversi ricercatori in tutto il mondo, tra cui economisti, antropologi, biologi e ingegneri evolutivi provano a capire in che modo avviene l’innovazione e i fattori che la determinano. La velocità con cui le innovazioni appaiono e scompaiono è stata accuratamente misurata, con una serie di modelli matematici ben definiti, eppure, nessuno di questi è stato in grado di spiegare il processo che governi l’innovazione. Almeno fino a oggi: un team di scienziati della Sapienza Università di Roma, guidato dal fisico e professore associato Vittorio Loreto, è infatti riuscito a creare il primo modello matematico che descrive le dinamiche di innovazione e creatività. Lo studio è stato pubblicato sul server ArXiv.

L’idea che l’innovazione nasca dalla interazione tra il reale e il possibile è stata teorizzata per la prima volta da Stuart Kauffmann: nel 2002, il ricercatore statunitense ha introdotto l’idea del possibile adiacente, ovvero un insieme di idee, parole, canzoni, molecole, genomi, tecnologie e così via, molto vicini a quello che esiste realmente ma ancora inesplorati. Un’idea astratta difficile da modellizzare per un motivo importante: lo spazio di possibilità inesplorato comprende sia concetti facilmente immaginabili che elementi del tutto inaspettati e difficili da immaginare.

 
  

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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

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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Oggi Scienza

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Fisica

Cosa accadrà al Sole quando morirà

Fra cinque miliardi di anni la nostra stella morirà e si trasformerà in una nebulosa planetaria. Dopo decenni di dubbi, oggi la conferma da un nuovo modello

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Ora gli scienziati sono sicuri sul destino del Sole. Fra cinque miliardi di anni, quando la nostra stella finirà l’energia disponibile per mantenersi in vita, si trasformerà in una nebulosa planetaria, ovvero un anello di grandi dimensioni e massa, pieno di gas e polveri interstellari (ovvero le particelle che sono presenti negli spazi fra le stelle all’interno delle galassie). Per anni, gli scienziati non erano certi di cosa sarebbe successo, dato che la massa del Sole era considerata troppo bassa per dar vita ad un anello così grande e ben visibile. Ma oggi, uno studio della University of Manchester riprende in mano la questione, confermando l’ipotesi della nebulosa planetaria tanto a lungo discussa. I risultati sono pubblicati su Nature Astronomy.

Una volta terminata la loro energia, circa 9 stelle su 10 si trasformano in nebulose planetarie, una fase intermedia nella transizione da gigante rossa– uno degli ultimi stadi della sua evoluzione – a nana bianca, lo stadio finale.

Per studiare il futuro del Sole, gli scienziati hanno sviluppato un nuovo modello basato sui dati che predice l’evoluzione delle stelle: in pratica questo modello fornisce dati sulla luminosità dell’involucro espulso dal corpo celeste, quando muore, ovvero la massa di gas e polvere, per stelle di differente massa ed età. “Questo involucro può avere una massa che è circa la metà di quella della stella originaria”, ha spiegato Albert Zijslra dell’ Università di Manchester: proprio a partire da questo momento, il nucleo della stella, che sta terminando l’energia, muore e si spegne definitivamente.

Quando si è in presenza di una stella morente, soltanto corpi celesti sufficientemente grandi con nuclei che bruciano rapidamente – tipicamente in un periodo di circa 10mila anni, che per i corpi celesti è molto breve – forniscono un calore che basta a ionizzare il gas, un fenomeno alla base dell’illuminazione che rende la nebulosa planetaria visibile. I modelli ritenuti validi finora stimavano che per avere questo esito era necessaria una massa circa doppia di quella del Sole, dato che solo grandi masse stellari potevano produrre un calore sufficiente a produrre questa luce. Ma il lavoro di oggi rimette in discussione e confuta questo assunto, inserendo nel modello anche le evidenze più recenti, che mostrano che il nucleo del #Sole brucia tre volte più velocemente di quanto si pensava finora, compensando così il dato della massa insufficiente.

Ma lo studio di Manchester risolve anche un’altra questione rimasta in sospeso. Le galassie ellittiche sono fra le più antiche dell’universo e le loro stelle più grandi sono già morte, mentre rimangono soltanto quelle più piccole, che secondo le attuali teorie hanno masse troppo ridotte per dare vita a nebulose planetarie, tuttavia gli scienziati le riescono ad osservare anche in queste galassie. Il nuovo modello fornisce una spiegazione per queste stelle che è simile a quella valida per il Sole: anche se le loro masse sono piccole, i loro nuclei bruciano più rapidamente di quanto si pensasse e questo produce il bagliore che serve ad illuminare gli ammassi di gas e polveri, rendendo possibile l’esistenza di nebulose planetarie.

 
  

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Fisica

Scoperto un nuovo stato della materia

E’ disordinato, ma obbedisce alle sue regole

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Pur ‘disordinato‘ ha un proprio ordine: così si può descrivere il nuovo stato della materia dal comportamento bizzarro, osservato per la prima volta dal gruppo di fisici teorici dei Laboratori Nazionali di Los Alamos guidato dall’italiano Cristiano Nisoli,. La sua particolarità del nuovo stato della materia è che, nonostante riguardi la materia classica, si comporta secondo le leggi del regno dell’infinitamente piccolo governato dalla fisica quantistica. Il risultato, descritto sulla rivista Nature Physics, in futuro potrà essere molto utile per le tecnologie quantistiche, dall’internet del futuro alle comunicazioni, ai supercomputer.

“In fisica si pensa che la materia sia organizzata o in uno stato ordinato, come quello dei cristalli, o dei liquidi e dei gas, o più disordinato, che rispondono a temperatura e pressione. Ma esistono, come abbiamo dimostrato, degli stati di materia che pur disordinati obbediscono ad alcune regole“, spiega all’ANSA Nisoli. I ricercatori hanno lavorato su nanomagneti artificiali, chiamati ghiacci di spin, che cambiano direzione a seconda dei cambiamenti di temperatura, osservando il loro comportamento a livello microscopico.

“Di solito se la temperatura si abbassa rapidamente, l’energia del sistema scende. In questo caso invece è rimasta intappolata. Un comportamento questo – commenta Nisoli – che viola alcuni principi della termodinamica. Il sistema infatti è stato intrappolato da ‘costrizioni’ che i fisici chiamano ‘topologiche’ e che finora si erano viste solo in sistemi quantistici, non classici, cioè grossi e con più energia rispetto a quella dei sistemi quantistici”.

Dopo averlo creato artificialmente, i ricercatori vogliono ora vedere se anche in naturaesiste un materiale del genere, perchè potrebbe essere utile per diverse applicazioni pratiche. “Questo é importante perché i sistemi quantistici fanno molte cose strane e interessanti, per esempio la superconduttività.

Il ‘problema’ è che le fanno a temperature molto basse, vicine allo zero assuluto, cioè -273 gradi Celsius. I sistemi classici artificiali invece possono essere progettati per funzionare a temperature e campi più facilmente utilizzabili nella vita di tutti i giorni”

 
  

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