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Fisica

La più ampia mappa della Via Lattea in 3D

Il modello, basato su misurazioni dirette delle distanze di stelle variabili, arriva fino a circa 75.000 anni luce dal sistema solare e mostra la deformazione del disco galattico

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L'Osservatorio di Varsavia sullo sfondo della Via Lattea (K Ulaczyk/J Skorow/OGLE/Astronomical Observatory, University of Warsaw)

Il nostro posto tra le stelle non è mai stato così chiaro e ben definito, anche alla scala dimensionale più ampia: una collaborazione internazionale guidata da Dorota Skowron dell’Università di Varsavia, in Polonia, presenta su “Science” la più ampia mappa tridimensionale della Via Lattea mai realizzata finora. Il risultato conferma che il disco galattico non è piatto, ma appare deformato già a partire da metà circa del suo raggio e si deforma sempre di più procedendo verso i bordi.

Il metodo usato da Skowron e colleghi è basato sull’osservazione delle variabili Cefeidi, stelle pulsanti che cambiano la loro luminosità con un periodo variabile tra 1 e 100 giorni. Si tratta di stelle fondamentali in astronomia perché misurandone la luminosità apparente è possibile determinarne la distanza con un’accuratezza inferiore al 5 per cento.

Il profilo del disco galattico, secondo il modello di Skowron e colleghi: sono visibili i bordi deformati (J Skowron/OGLE/Astronomical Observatory, University of Warsaw)


Il dato fondamentale che ha aperto la strada alla mappa è che il numero di variabili Cefeidi note della galassia è doppio rispetto a pochi anni fa grazie ai risultati della quarta fase del progetto OGLE (Optical Gravitational Lensing Experiment), un vasto censimento delle stelle variabili che si trovano nel disco galattico e nel centro galattico. Skowron e colleghi ne hanno analizzate 243, molte delle quali sono proprio sul bordo della galassia, determinadone la distanza. Hanno realizzato così un modello tridimensionale della Via Lattea, arrivando fino a circa 75.000 anni luce di distanza dal sistema solare e coprendo così la maggior parte della galassia.

Da questa mappa emergono la forma a “S” della Via Lattea – o, in termini più scientifici, a spirale barrata – nota fin dagli anni cinquanta, e il disco stellare con gli estremi ricurvi in versi opposti, a partire da 25.000 anni luce dal nucleo centrale, come già dedotto da altri studi astronomici.

Gli autori sottolineano tuttavia che è la prima volta che queste informazioni vengono ricavate con misurazioni dirette di distanze di singole stelle, e non mancano le novità: la deformazione è molto più pronunciata del previsto. Secondo i ricercatori, è stata causata dall’interazione gravitazionale con galassie vicine (come le Nubi di Magellano), con il mezzo interstellare di polveri e gas o con la materia oscura, la misteriosa essenza dell’universo che non si può osservare direttamente ma fa sentire la sua presenza attraverso gli effetti gravitazionali.

Completata la mappa, gli autori pensano già di renderla più particolareggiata. I prossimi sforzi di ricerca saranno perciò dedicati a un’altra categoria di stelle pulsanti, le RR Lyrae. Presenti nella galassia da molto più tempo delle Cefeidi, potranno fornire dati sulla parte più antica della galassia e sulla sua evoluzione.



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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

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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Fisica

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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Un acceleratore di particelle in miniatura

Dimostrata la possibilità di accelerare fasci di elettroni in un canale di dimensioni nanoscopiche ricavato in un chip al silicio. Questo prototipo potrebbe servire da base per lo sviluppo di nuove apparecchiature per la radioterapia dei tumori

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Immagine al microscopio della sezione del chip al silicio attraversato dagli elettroni (©Neil Sapra)

Agli albori del calcolo automatico i computer occupavano un’intera stanza. Ora una loro versione semplificata e miniaturizzata può stare addirittura nel palmo di una mano. Gli acceleratori di particelle, che attualmente occupano tunnel lunghi chilometri, potrebbero in futuro seguire la stessa linea di sviluppo, secondo uno studio pubblicato su “Science” da Jelena Vuckovic, della Stanford University, e colleghi. Nell’ambito del progetto Accelerator on a Chip International Program (ACHIP), questi ricercatori hanno realizzato un acceleratore di particelle in miniatura che potrebbe aprire la strada a diverse applicazioni, tra cui nuovi metodi per trattare i tumori con la radioterapia.

L’idea è nata considerando il principio di funzionamento di un acceleratore convenzionale: in questa macchina i fasci di particelle corrono in tubi a vuoto per alcuni chilometri, con impulsi di microonde che li accelerano sempre di più, fino a raggiungere velocità prossime a quella della luce.

Le microonde hanno una lunghezza d’onda dell’ordine di dieci centimetri. Usando impulsi di radiazione diversa, per esempio nello spettro infrarosso, con lunghezze d’onda molto più piccole delle microonde, si può in linea di principio accelerare le particelle su distanze assai più piccole. Il problema è che anche che le dimensioni fisiche del supporto devono essere delle stesse dimensioni, ponendo una sfida d’ingegnerizzazione non indifferente.

Vuckovic e colleghi hanno ricavato una cavità di dimensioni nanoscopiche all’interno di un chip al silicio, sigillandolo poi in una camera a vuoto. Successivamente hanno sparato un fascio di elettroni in questa cavità, accelerandoli con impulsi di luce infrarossa, a cui il silicio è trasparente.

Il dispositivo è ancora allo stato di prototipo. Gli autori però sostengono che le tecniche di progettazione e fabbricazione sono applicabili anche per altre dimensioni, e possono fornire fasci di particelle adatti a esperimenti in chimica, biologia e scienza dei materiali, dove non è richiesta la potenza di un enorme acceleratore.

“Gli acceleratori più grandi in assoluto sono come potenti telescopi. Ce ne sono solo pochi al mondo”, ha spiegato Vuckovic. “Vogliamo miniaturizzare la tecnologia dell’acceleratore in modo da renderla uno strumento di ricerca più accessibile.”

Ma l’applicazione più probabile è nel campo delle apparecchiature medicali, soprattutto in campo oncologico. Attualmente, le apparecchiature mediche per produrre raggi X occupano una stanza e forniscono una radiazione difficile da concentrare sui tumori, richiedendo ai pazienti di indossare elementi di piombo per ridurre al minimo i danni collaterali.

“In questo articolo iniziamo a mostrare come si potrebbe inviare il fascio di elettroni direttamente su un tumore, lasciando inalterato il tessuto sano”, ha sottolineato Robert Byer, della Stanford University, che guida il progetto ACHIP.



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