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Fisica

Perché è importante la scoperta della prima sorgente dei neutrini cosmici

Scienziati da tutto il mondo hanno individuato una sorgente di neutrini ad altissima energia. Si tratta di una blazar, una galassia ellittica con al centro un buco nero, fra le più luminose dell’universo noto

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Dove nascono i neutrini più energetici, provenienti dallo spazio? Un gruppo di ricerca internazionale è riuscito a rispondere a questa domanda, individuando per la prima volta la sorgente di un neutrino cosmico ad alta energia. Questo genere di neutrino arriva dallo spazio insieme ai raggi cosmici, radiazioni potentissime composte da particelle (soprattutto protoni) e nuclei di atomi. Il team di ricerca, che include gruppi italiani dell’Istituto nazionale di astrofisica (Inaf), Istituto nazionale di fisica nucleare (Infn), dell’Agenzia spaziale italiana (Asi), nonché università ed enti di ricerca italiani, ha studiato questi rari neutrini. La prima allerta è giunta dal grande rivelatore Ice Cube in Antartide, che ha avuto un ruolo importante nello studio, individuando il neutrino super-energetico. I dati sono stati combinati con quelli di altri 15 esperimenti in tutto il mondo. I risultati sono pubblicati in due studi su Science.

I neutrini sono particelle molto elusive: non hanno carica, hanno una massa piccolissima e interagiscono debolmente con la materia (non risentono dell’azione dei campi magnetici).

Proprio perché così sfuggenti, miliardi di queste particelle raggiungono indisturbate la Terra e attraversano il nostro corpo in ogni secondo. La maggior parte dei neutrini sono prodotti principalmente dall’interazione tra raggi cosmici e particelle nell’atmosfera terrestre.

Finora gli scienziati hanno individuato e studiato soprattutto quelli a bassa energia all’interno dell’atmosfera terrestre o del sistema solare.

Tuttavia esistono anche neutrini con un’energia significativamente maggiore, che sono molto più rari e che necessariamente non hanno un’origine locale (nell’atmosfera o nel Sistema Solare), ma nello spazio profondo. Questi ultimi vengono cercati da Ice Cube (nato con questo obiettivo): si tratta di una grande macchina, composta da 86 cavi d’acciaio e 5000 sensori di luce, con un insieme di rivelatori che occupano un chilometro cubo nei ghiacci del Polo Sud, a profondità fra 1.450 e 2.450 metri sotto terra.

Grazie a questo grande cacciatore di neutrini, i ricercatori sono riusciti a individuare una possibile sorgente di quelli cosmici ad alta energia. Ma non è stato facile. Il problema dei raggi cosmici, costituiti da particelle cariche come protoni, infatti, è che i loro percorsi non possono essere tracciati fin dal punto di partenza, dato che potenti campi magnetici, che riempiono lo spazio, deformano le loro traiettorie: insomma, è un po’ come se si riuscisse a vedere il letto di un fiume, ma non la sua fonte.

Tuttavia in questo caso i neutrini ci vengono in aiuto. Questi ultimi viaggiano indisturbati, dato che non sono carichi e non vengono deviati dai campi magnetici. Così il loro tragitto segue una linea retta ed è più facile da seguire fin dal punto di partenza. Sfruttando queste proprietà i ricercatori hanno studiato il comportamento di 82 neutrini altamente energetici, che sono molto rari, il tutto dal 2013 ad oggi.

Quando un neutrino altamente energetico interagisce con il nucleo di un atomo vicino al rivelatore Ice Cube, si genera una particella carica secondaria. Questa, a sua volta, produce un cono di luce blu, che viene identificato da Ice Cube attraverso la rete dei rivelatori. La particella carica e la luce sono nella stessa direzione, così è stato possibile per i ricercatori individuare la traiettoria del neutrino e la sua sorgente. Le prime coordinate della sorgente sono state identificate nel settembre scorso (il 22 settembre 2017), ma ci sono voluti alcuni mesi per studiare meglio la sua forma.

Si tratta di un blazar, denominato dagli autori TXS 0506+056, un grande nucleo galattico ellittico associato a un buco nero molto massivo e ruotante al suo centro. Situato a circa 4 miliardi di anni luce di distanza dalla Terra, vicino alla costellazione di Orione, questa galassia è fortemente energetica e luminosissima. Ed emette getti di luce e particelle elementari, fra cui neutrini ad alta energia: uno di questi, il neutrino cosmico individuato il 22 settembre scorso, puntava direttamente verso la Terra. L’associazione fra il neutrino rilevato da Ice Cube e la blazar si fonda dunque sulla coincidenza della posizione all’interno di un decimo di grado.

“Il risultato dell’osservazione della prima sorgente nota di raggi cosmici e neutrini ad alta energia”, sottolinea Francis Halzen, fisico alla University of Wisconsin-Madison e a capo per la parte scientifica dell’Ice Cube Neutrino Observatory, “è stringente”. Si tratta dunque della prima volta in cui un oggetto celeste emette sia fotoni (luce) sia neutrini, la luce ha permesso di identificare il neutrino elusivo e a sua volta il neutrino ha fornito informazioni sulla sorgente delle particelle dei raggi cosmici.

“Si apre l’era dell’astrofisica multimessaggero, aggiunge l’autore France Córdova della Nsf, “dove ciascun messaggero, dalla radiazione elettromagnetica alle onde gravitazionali e oggi i neutrini ci fornisce una più completa comprensione dell’universo”. Il risultato, inoltre, fornisce un nuovo tassello per comprendere dove nascono i raggi cosmici, che sono studiati da più di 100 anni e di cui non era nota l’origine.

Il risultato è stato corale e ha coinvolto più di 10 esperimenti in tutto il mondo. Appena rilevato il neutrino altamente energetico, la cui provenienza era sicuramente associata a grandi distanze, Ice Cube ha inviato un’allerta a vari telescopi, chiedendo di osservare la regione di origine del neutrino, in prossimità di Orione. Fra i vari esperimenti, il telescopio Fermi, missione della Nasa a cui l’Italia partecipa con Asi, Inaf e Infn, ha rilevato in quel punto una presenza di raggi gamma (i fotoni più energetici) più forti che mai vicino alla sorgente, il blazar TXS 0506+056.

Anche il telescopio Magic (Major Atmospheric Gamma Imaging Cherenkov Telescope), nelle Canarie, ha individuato un getto di raggi gamma potentissimi associati alla sorgente TXS. Una coincidenza non casuale: mettendo insieme questi dati, queste osservazioni hanno dimostrato che la sorgente TXS 0506+056 è una delle più luminose dell’universo noto, concludono gli autori, sufficientemente potente da accelerare raggi cosmici ad alta energia e produrre i neutrini associati.



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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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