FORSE SVELATO IL MISTERO DELLA MATERIA (BARIONICA) MANCANTE

Una domanda rimasta finora senza risposta era quella che gli astronomi si facevano intorno a uno dei problemi legati alla cosiddetta “materia mancante”. Non stiamo però parlando di materia oscura, quella forma di materia invisibile e ancora abbastanza misteriosa che – come vedremo meglio più avanti – rappresenta circa il 22% percento della massa dell’universo, ma di particelle, protoni, neutroni ecc… ovvero di materia normale, o “barionica”, come viene altrimenti definita. Secondo le stime, infatti, finora è stata vista solo una frazione di tutta la materia normale che si è formata durante i primi miliardi di anni di vita dell’Universo.

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Un team internazionale di ricercatori ha usato i telescopi spaziali a raggi X Chandra e XMM-Newton per localizzare enormi ammassi di gas nei dintorni del “muro di galassie” che si estende nello Sculptor, a 400 milioni di anni luce dalla Terra.
La visione artistica mostra una piccola parte del “muro”, dove galassie a spirale e ellittiche sono mostrate immerse nel gas intergalattico, che è stato riconosciuto come parte del cosiddetto Warm Hot Intergalactic Medium (WHIM). La scoperta rappresenta la più forte evidenza del fatto che la materia barionica mancante nell’universo locale è confinata in un enorme ragnatela di caldissimo e diffuso gas. L’emissione del gas in X è troppo debole per essere rilevata direttamente, ed è quindi stato necessario evidenziarla misurando l’assorbimento operato dal gas sulla luce (rappresentata in figura dal cono bianco) di una brillante sorgente X posta al di là del “muro”, a due miliardi di anni luce di distanza: un buco nero super massiccio situato nel nucleo di una galassia attiva.

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Dove è finito il resto? Ebbene, questa recente ricerca, condotta da un gruppo di ricercatori utilizzando le osservazioni dei telescopi orbitali X-Ray Chandra della NASA e XMM-Newton dell’ESA, confermerebbe l’idea che la materia mancante si trovi in una gigantesca ragnatela di gas caldo chiamata Cosmic Web (Fig. 1) che si estende per tutto l'Universo; il cosiddetto Warm-Hot Intergalactic Medium, che d'ora il poi chiameremo WHIM.

Fig.1

Una porzione simulata del Cosmic Web. Le par- ti buie corrispondono alle bolle di vuoto. La materia sotto forma di WHIM si addensa ai bordi delle bolle e nei punti di collisione si addensa in galassie. Cortesia Millennium Simulation Project.

Per capire la portata di questa scoperta è necessario risalire alla fine degli anni ‘70, quando il modello di universo in espansione introdotto nel 1927 da Georges Lamaître, successivamente arricchito anche dai lavori di George Gamow sulla nucleosintesi degli elementi, era ormai più che consolidato.
Secondo quel modello, l’universo, pensato come un insieme di spazio-tempo ed energia, si sarebbe formato in un unico atto (poi chiamato ironicamente “Big Bang” proprio da Fred Hoyle, sostenitore accanito insieme ad Einstein della teoria dello stato stazionario). L’origine espansiva era supportata da due fatti: la legge di Hubble formulata nel 1929 e lo spettro della radiazione di fondo cosmico a 2,7 K del 1964.

La legge di Hubble consiste in uno spostamento verso il rosso delle linee di emissione degli spettri galattici, proporzionale alla distanza tra galassia e osservatore. L'effetto poteva essere spiegato sia con un moto proprio di recessione di tutte le galassie dall'osservatore, da scartare per l'eccessiva antropocentricità dell'ipotesi, sia con un'espansione come quella della superficie di un palloncino quando viene gonfiato. La crescita delle distanze "stira" lo spazio allontanando ogni galassia da tutte le altre senza che in realtà si muovano.
L'espansione era compatibile con l'esistenza di un punto d'inizio, una singolarità primordiale, in cui prima del Big Bang sarebbe stata concentrata tutta l'energia e la materia dell'universo.
Le misure nella banda delle micro-onde dello spettro della radiazione di fondo cosmico, scoperto nel 1964 da Penzias e Wilson, erano compatibili con quelle di un corpo nero alla temperatura di 2,7 K. Dato che lo spettro di corpo nero caratterizza la condizione di equilibrio tra radiazione elettromagnetica e materia ad una data temperatura, la radiazione di fondo poteva realmente essere considerata il residuo termico del Big Bang degradato per effetto dello stiramento delle lunghezze d'onda durante l'espansione dello spazio. Un problema però rimaneva aperto. Qual è l'età dell'universo? Quanto tempo è trascorso dalla singolarità iniziale? Un modo per calcolare l'età è conoscere il valore della costante di Hubble il cui reciproco ne fornisce proprio la stima, ma mai costante fu nel corso degli anni più incostante nel mantenere uno stesso valore. Allora il problema poteva essere rovesciato, diventando: data la quantità di materia visibile, quanto avrebbe dovuto valere la costante? Partendo dai modelli basati sulle equazioni della relatività generale di Einstein, il valore della costante di Hubble era legato al valore di densità di materia nell'universo. Più materia, più gravità, più decelerazione nell'espansione, meno materia, meno gravità, meno decelerazione. La stima ottica della quantità di materia visibile era facile da ottenere ma il valore trovato era troppo basso per giustificare l'eccessiva velocità di rotazione osservata sulla periferia di alcune galassie.

Nel 1980 un nuovo tassello venne aggiunto al già complicato puzzle con la cosiddetta Teoria dell'Universo Inflazionario. Secondo Alan Guth e Alexei Starobinsky, terminata la fase di nucleosintesi degli elementi, un'espansione esponenziale prodotta dalla presenza di energia antigravitazionale, detta "energia oscura", portò la velocità di espansione dell'universo a superare la velocità della luce inflazionandolo. Dato che la radiazione elettromagnetica lo aveva già pervaso prima dell'inflazione, ogni sua parte rimase causalmente connessa mantenendo uguale temperatura e densità media.

Lo studio delle osservazioni sui fenomeni di lente gravitazionale, per cui la luce viene deviata dal suo cammino rettilineo in presenza di grandi masse invisibili di materia dando origine a più immagini di una stessa galassia, portò negli anni '90 ad accettare una volta per tutte la presenza nell'universo di "materia oscura". La sua esistenza era anche supportata dalle famose anomalie rotazionali delle galassie. In tempi recenti, l'analisi doppler degli spettri di emissione ha mostrato una rotazione tipica di un "disco rigido", come se altra materia non visibile ne avesse riempito gli spazi e i bordi apparentemente vuoti.

L'universo inflazionario richiede delle precise proporzioni: 4% di materia ordinaria, 22% di materia oscura, 74% di energia oscura. Dato che i modelli tengono conto della presenza dell'energia oscura solo tarmite la costante cosmologica, della sua natura non se ne sa nulla, come poco si sa anche della materia oscura. Di più si dovrebbe invece sapere della materia barionica ma fino ad oggi è in gran parte mancata all'appello, stimolando così una delle più appassionanti sfide della cosmologia sperimentale: ritracciare la materia barionica mancante.

Si stima che la materia visibile del nostro universo sia solo un decimo di quella realmente presente. Fino ad oggi le prove a favore del modello inflazionario sono state principalmente raccolte con la mappatura della radiazione di fondo effettuata nel 1989 dalla sonda COBE (Cosmic Background Explorer) e con più precisione nel 2003 dalla sonda WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe). La mappatura e l'esame delle anisotropie hanno confermato lo scenario dell'inflazione. Salvo fluttuazioni quantistiche che possono essere avvenute nel microscopico universo primordiale, l'universo è omogeneo ed isotropo, la materia si addensa ai bordi di bolle vuote organizzandosi nei punti di compressione in ammassi galattici e - contrariamente a quanto si era fino ad ora pensato - l'universo è euclideo, cioè ha mantenuto una densità media di materia uguale alla densità critica prevista: 3 protoni al metro cubo. La materia mancante non può che essere il gas primordiale di barioni e leptoni prodotto nella fase che ha immediatamente preceduto l'inflazione e dal quale sono nate tutte le galassie. Ma dove si trova questo gas? Quello che hanno fatto i ricercatori del gruppo di Fang è cercarlo nelle zone più popolate da galassie.

Osservare la WHIM, nonostante la sua elevata temperatura non è cosa facile. L'emissione X di un gas formato in media da 6 protoni per metro cubo è troppo flebile per gli strumenti di Chandra e Newton, così l'unica possibilità per osservarla era riuscire a "radiografarla" misurando l'eventuale assorbimento degli X emessi da un AGN (Active Galactic Nuclei), un buco nero super massivo (H2356-309) che si trova dietro lo Sculptor Wall - oltre l'AGN della Chioma di Berenice - a 2 miliardi di anni luce dalla Via Lattea. Lo Sculptor Wall è un immenso muro di galassie che si estende per miliardi di anni luce attraverso l'universo. Il fascio di X emessi dall'AGN, intersecando lo Sculptor Wall a 400 milioni di anni luce dalla Via Lattea è in parte assorbito dalla WHIM (Fig.2). L'analisi dei dati raccolti da Chandra e Newton ha evidenziato che gli assorbimenti corrispondono a quelli previsti per ioni ossigeno OVII presenti nel gas intergalattico. L'analisi dei redshift ha anche confermato la compatibilità della distanza della WHIM e dello Sculptor Wall, localizzando così per la prima volta materia barionica e leptonica all'esterno di regioni densamente popolate da galassie.

La WHIM è stata trovata là dove la si cercava. Testimone della materia barionica primordiale di cui è un residuo ancora inutilizzato, pronto per dare origine a nuove galassie, rappresenta la prova ulteriore della natura inflazionaria di un universo simile ad una immensa ragnatela.

Fig. 2

La mappa rappresenta la distribuzione delle galassIe a partire dal punto di osservazione della Via Lattea. La linea azzurra rappresenta lo sviluppo dello “Sculptor Wall”, mentre la linea rossa tratteggiata il fascio degli X emessi dall’AGN che si trova fuori dal campo. Il fascio interseca lo Sculptor Wall a 400 milioni di anni luce dalla Via Lattea.

(M. Auci, Coelum, Anno 14, N. 139, Giugno -Luglio 2010)

OLTRE LA FRONTIERA QUANTISTICA

A cosa serve rivedere concetti e teorie che funzionano già bene così?

“… dato che Meccanica Quantistica e Relatività pur essendo incompatibili funzionano molto bene insieme, trovatemi un buon motivo per non chiedersi il perché”.

Ecco come risponde il fisico Massimo Auci per motivare il proprio sforzo di dimostrare che entrambe le teorie sono in realtà compatibili al di là delle apparenze, perché descrivono da punti di vista sperimentalmente differenti un medesimo fenomeno elementare: l'evoluzione spazio-temporale di una sorgente elettromagnetica dipolare, il mattone fondamentale di tutte le interazioni elettromagnetiche.

Occorrerà perciò rivedere e aggiornare alcuni concetti base della fisica moderna, in quanto lo scopo del lavoro di Massimo Auci è proprio la riunificazione delle meccaniche deterministiche e indeterministiche attraverso l'eliminazione delle attuali contraddizioni e la risoluzione dei problemi in sospeso. Tra i molti risultati descritti, particolarmente importanti sono la spiegazione in termini elettromagnetici del principio di quantizzazione e la razionalizzazione del dualismo onda-particella.

“Oltre la frontiera quantistica”, di Massimo Auci, è un interessante volume che con un approccio storico aneddotico permette una facile comprensione della relatività e della meccanica quantistica. Il testo che prende spunto da una ricerca in fisica teorica condotta dallo stesso autore, riesce a trattare un argomento molto complesso come la fisica del '900, in modo semplice e completo.

Adatto a chiunque voglia saperne di più sull’universo in cui viviamo e sulle ultime scoperte della fisica di frontiera. Il libro trasmette l’entusiasmo dello scienziato che, giorno dopo giorno, insegue e scopre i segreti della natura. Scritto in maniera semplice e godibile allo stesso tempo, è quanto ci si aspetta di trovare quando si acquista un testo di divulgazione scientifica che tratta tematiche così complesse, a cui molti vorrebbero accedere anche senza le conoscenze scientifiche adeguate. Un eccellente lavoro per far conoscere a tutti le più recenti frontiere della fisica contemporanea.

LA SCIENZA AIUTA I BAMBINI DELLA TANZANIA

Il costo del libro va a finanziare un progetto umanitario di educazione e formazione in favore dei bambini dell’orfanotrofio Kurasini di Dar es Salam, in Tanzania. Un progetto per sostenere ed incentivare la crescita personale e scolastica, per far sì che la scienza possa veramente essere di tutti.


Massimo Auci
OLTRE LA FRONTIERA QUANTISTICA
Una storia appassionante
ISBN 978-1-4457-2507-9
Seconda Edizione
Editore Gravità Zero
Pubblicato aprile 26, 2010
Lingua Italiano
Pagine 92

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GRAVITÀ ZERO E LA RIVISTA COELUM

Da questo mese inizia una collaborazione tra la nostra redazione e la storica rivista Coelum.

Sul numero in edicola di giugno-luglio 2010 troverete l'articolo di Massimo Auci, fisico, dal titolo:

"Forse svelato il mistero della Materia (Barionica) Mancante"

di Massimo Auci

Una domanda rimasta finora senza risposta era quella che gli astronomi si facevano intorno a uno dei problemi legati alla cosiddetta “materia mancante”. Non stiamo però parlando di “materia oscura”, quella forma di materia invisibile e ancora abbastanza misteriosa che – come vedremo meglio più avanti – rappresenta circa il 22 percento della massa dell’universo, ma di particelle, protoni, neutroni ecc...

Aggiornamento
L'articolo è stato pubblicato anche su Gravità Zero.

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Mars 500 ... BIOFILM E LIFEPLUS DUE ESPERIMENTI FONDAMENTALI PER IL VIAGGIO VERSO MARTE

Siamo al quinto giorno di missione. In un viaggio reale verso Marte l'astronave avrebbe già abbandonato l'orbita terreste e sarebbe già inserita in un'orbita di Hohmann alla volta di Marte.

A questo punto gli astronauti avrebbero circa 245 giorni da passare in viaggio a bordo dell'astronave prima di arrivare a destinazione. Il tempo a bordo scorre lento, la difficoltà maggiore è acquisire un ritmo biologico regolare.

Manca l'alternarsi del giorno e della notte e l'ansia rischia di prendere il sopravvento, quindi occorre regolare il metabolismo, creare delle condizioni di vita quanto più simili a quelle di un habitat terrestre. Otto mesi è un tempo d'attesa lunghissimo, perciò occorre impegnare gli astronauti in attività essenziali sia per la vita a bordo che per il mantenimento di un buon equilibrio psicomotorio. Le attività possono sostanzialmente essere suddivise in tre categorie: di servizio, scientifiche, ludiche e di riposo. Ciascuna di queste è essenziale per il buon esito della missione ed il loro alternarsi consente man mano la stabilizzazione del metabolismo e della psiche umana: impegnare la mente e il corpo in attività utili sia per l'equipaggio che per il raggiungimento di un obiettivo comune, permette di controllare l'ansia e darsi uno scopo.

Nel caso della missione Mars 500 ci sono due fattori anomali rispetto ad una missione reale. Il primo è la consapevolezza che la missione simulata è priva di rischi, il secondo è la possibile demotivazione psicologica dell'equipaggio in assenza di una meta reale. Perciò anche in una simulazione occorre che ci sia un obiettivo che valga il disagio reale dei singoli individui.
Il programma Mars 500 è in questo senso completo perché, pur nella consapevolezza di un viaggio virtuale, offre all'equipaggio degli stimoli reali che si concretizzano non solo nella simulazione delle operazioni quotidiane ma nel raggiungimento di risultati scientifici concreti, che solo con la simulazione dell'ntera missione possono essere ottenuti.

Il team guidato dal Prof. Francesco Canganella, Ordinario di Microbiologia presso l’Università della Tuscia di Viterbo, ha in particolare la responsabilità della conduzione di due esperimenti, entrambi facenti parte del progetto MICHA (MIcrobiological monitoring in Confined HAbitats):

Esperimento BIOFILM – tematica Biocontaminazione ambientale
Si tratta di un'indagine microbiologica che mira ad approfondire le conoscenze sui materiali e sulla loro colonizzazione da parte di batteri portati nello spazio dall’uomo stesso.
L’impianto sperimentale è stato ideato e sviluppato dal Prof. Canganella dell’Università della Tuscia di Viterbo, che lo ha messo a punto in collaborazione con la Thales Alenia Space di Torino, il Politecnico di Torino, l’IBMP di Mosca e l’Università Statale di Mosca.

"Certo non tutte le specie batteriche sono a noi favorevoli, soprattutto in ambienti confinati con forte permanenza umana, come nella Stazione Spaziale Internazionale, nello Shuttle, in un futuribile veicolo per missioni umane di lunga durata o addirittura all’interno di basi marziane: in certe condizioni si possono formare sulle superfici dei veri e propri “strati” di cellule microbiche, detti “biofilm”, che a volte possono dar luogo a fenomeni di corrosione biologica e quindi alla parziale degradazione dei materiali, cosa che può essere molto rischiosa in un ambiente estremo come quello spaziale”.

Questo è quanto afferma il Professor Canganella, che è uno dei “Principal Investigator”, ovvero degli scienziati capofila dei progetti selezionati.

“E’ per questo che tutto ciò che viene introdotto nei moduli abitati viene sterilizzato o disinfettato, nel caso specifico ne sanno qualcosa i russi, che forti della loro esperienza cosmonautica fin dai tempi della MIR conoscono bene i fenomeni di “biocorrosione”, ovvero corrosione di materiali anche molto resistenti e studiati per lo spazio, da parte di popolazioni di microrganismi che se si insediassero per esempio su sensori, potrebbero addirittura inattivarli”.

Per l’esperimento sono stati impiegati pannelli della stessa speciale lega di alluminio utilizzata per molti moduli della ISS (International Space Station). I pannelli sono stati forniti dalla Thales Alenia Space, da anni leader nella costruzione di strutture spaziali.

I trattamenti antimicrobici che saranno testati sono cinque: il primo, messo a punto dall’Università della Tuscia, è a base di una sostanza naturale prodotta da batteri non transgenici. Il trattamento dovrebbe impedire la colonizzazione delle superfici trattate, con enormi risvolti applicativi in tutti quei contesti spaziali in cui sarà presente l’uomo, quindi nei moduli abitativo, medico, orbitale e persino nelle future serre che garantiranno cibo fresco agli astronauti; il secondo riguarda un condizionamento fisico-chimico a base di silice e argento sviluppato dal Politecnico di Torino, che ha dimostrato di possedere discrete potenzialità antimicrobiche; il terzo è un trattamento chimico ideato dall’Università Statale di Mosca, indirizzato in modo particolare all’inibizione di funghi e muffe, mentre gli ultimi due sono più convenzionali, basati sull’utilizzo di perossido di idrogno al 6% e di sostanze antibatteriche già note, le cui applicazioni spaziali sono state sinora limitate al campo medico.

Esperimento LIFEPLUS – tematica Nutrizione e salute degli astronauti
Anch’esso ideato e sviluppato dallo stesso gruppo di lavoro dell’Università della Tuscia, è stato messo a punto in collaborazione con l’Università di Bologna, l’Università di Firenze, il sopra citato IBMP e l’Azienda Agraria Aboca SpA di Sansepolcro (Arezzo).

L’idea sperimentale è nata dal fatto che gli astronauti sono soggetti a molteplici stress ambientali, dovuti in particolare alla necessità di vivere per periodi più o meno lunghi in ambienti confinati, in cui subiscono notevoli sollecitazioni psico-fisiche.

In vista di future missioni umane su Marte è dunque di fondamentale importanza stabilire delle linee-guida per mantenere la salute ed il benessere degli equipaggi.

Per raggiungere questo obiettivo, oltre a dover fornire agli astronauti la possibilità di coltivare vegetali freschi per la loro alimentazione, bisognerà far sì che possano integrare la loro dieta quotidiana con sostanze funzionali di origine naturale.
Nello spirito di questa strategia è stato sviluppato l’esperimento LIFEPLUS, una indagine microbiologica per studiare la variazione della microflora umana, sia intestinale che salivare, in seguito all’assunzione di probiotici e/o di sostanze nutraceutiche in grado di stabilizzare le condizioni psico-fisiche dei membri dell’equipaggio.

Mentre i cosiddetti “probiotici” sono microrganismi benefici per la salute umana agendo al livello del tratto intestinale, i “nutraceutici” hanno una funzione di tipo sia nutrizionale che farmacologica, poiché contengono molecole utili al nutrimento ed alla prevenzione di alcune patologie, soprattutto di quelle tipiche dell’età avanzata.

Durante l’intera durata dell’esperimento, ovvero 520 giorni, i sei membri dell’equipaggio assumeranno quotidianamente capsule di probiotici, di estratti vegetali e pappa reale per periodi di 30 giorni ciascuno intervallati da 60 giorni di riposo. A questo proposito la Aboca ha formulato appositamente un prodotto ad azione tonico-adattogena e di rinforzo delle difese immunitarie, chiamato “Natura Mix forza&difesa”.

Di particolare importanza è l’analisi della microflora intestinale, ormai scientificamente riconosciuta come un elemento chiave della salute umana e animale, che può essere considerata come un vero e proprio organo a sé. Essa non solo esercita un’azione fondamentale per il benessere dell’individuo, ma risponde prontamente sia in termini quantitativi che qualitativi alle sollecitazioni ambientali (dieta, stress, malattia, assunzione di farmaci, ecc.).

Mars 500 continua ...

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MARS 500 ... GO!

Il 3 giugno è iniziata la simulazione di un intero viaggio su Marte: andata, permanenza e ritorno. L'intera simulazione ha la durata complessiva di 520 giorni e rappresenta la più lunga simulazione della storia.

Sponsorizzata sia dall’Agenzia Spaziale Europea (ESA) che da quella Italiana (ASI), l'intera simulazione è svolta operativamente presso l’IBMP (Institute for BioMedical Problems) di Mosca, il programma rappresenta uno storico passo avanti nel percorso che farà giungere tra qualche decennio l’Uomo su Marte.

Nonostante le strutture che simulano l'astronave, il modulo di discesa e l'habitat marziano siano sulla Terra, gli astronauti esclusi i rischi di un viaggio su Marte, affronteranno tutte le condizioni psicologiche, biologiche e fisiologiche di un reale viaggio nello spazio: l'isolamento, l'habitat ridotto, la necessità di alimentarsi e di creare un ritmo biologico. L'esperimento ha lo scopo di riprodurre in modo quanto più fedele le condizioni fisiche, psicologiche e biologiche che gli astronauti incontreranno durante tutto il periodo della missione.

Tra le università che partecipano alla spedizione "virtuale" c'è anche l'Università della Tuscia con un gruppo di esoagrobiologi diretti dal Prof. Francesco Canganella ordinario di microbiologia. Abbiamo sentito il professor Canganella:

Professore questa non è la prima volta che si effettua una simulazione di un viaggio su Marte?

No in effetti nel 2009 abbiamo già fatto la simulazione di una fase della missione durata 105 giorni, ora però siamo finalmente alla prima simulazione vera e propria di un'intera missione su Marte. La sua durata, 520 giorni, è appunto il tempo necessario con le tecnologie ad oggi teoricamente disponibili per arrivare sul suolo marziano, effettuare alcune operazioni di superficie e tornare sulla Terra.

Da quanti moduli sono composte le strutture del simulatore e quanti sono gli "astronauti" che partecipano alla simulazione?

Proprio oggi a Mosca (2 giugno 2010) si è svolta la disinfezione dei moduli e di tutto ciò che contengono in vista dell’inizio della missione che avrà luogo domani e vedrà coinvolti 6 scienziati che vivranno completamente isolati all’interno della struttura. Il simulatore è suddiviso in quattro differenti moduli specializzati: Habitable, Medical e Utility, il simulatore di orbita e atterraggio che simulano l'astronave e il simulatore della superficie marziana, su cui gli “astronauti” potranno scendere dopo ben 250 giorni di “viaggio”. L’equipaggio è composto da uno scienziato italo-colombiano, un francese, 1 cinese e 3 russi, e vivrà come già fanno gli astronauti della Stazione Spaziale Internazionale (ISS).

Professore, quali operazioni l'equipaggio dovrà compiere a bordo del simulatore?

In generale l'equipaggio dovrà compiere tutte quelle operazioni che devono essere compiute in una missione vera: mantenimento dei moduli, attività di esercizio fisico alternate ad ore di riposo, esperimenti scientifici ed esercitazioni. Nel loro caso però verranno simulate anche tutte le fasi di una reale missione su Marte: il viaggio, l’orbita attorno al pianeta rosso, l’atterraggio, le operazioni di superficie e infine il ritorno sulla Terra.

Quali sono gli esperimenti scelti per essere simulati?

In realtà gli esperimenti non sono simulati ma sono reali. Per preparare gli esperimenti da inserire nel programma sono state messe insieme competenze che spaziano, è proprio il caso di dirlo, dalla fisica alla chimica, dall’ingegneria (elettronica, meccanica, dei materiali, ecc.) fino alla biologia (botanica, zoologia, microbiologia, ecc.) e all’ecologia, per arrivare alla medicina ed alla psicologia. Dopo mesi di lavoro, bandi e selezioni internazionali sono stati identificati e messi a punto 105 progetti sperimentali specifici, tra cui, oltre a quelli esclusivamente russi, dodici portati avanti in collaborazione con scienziati europei selezionati dall’ESA.

Oltre alla presenza sua e del suo team, qual è il ruolo dell'Italia in questo programma di ricerca?

L’Italia ha un ruolo importante perché partecipa a questo importante appuntamento per una parte significativa dei progetti selezionati. Tra di essi il progetto MICHA (MIcrobiological monitoring in Confined HAbitat) è particolarmente incentrato sulla salute e la sicurezza degli astronauti, poiché si occupa sia di biocontaminazione ambientale con l’esperimento BIOFILM, che di nutrizione e salute dell’uomo nello spazio con l’esperimento LIFEPLUS.

Grazie professore, ci terremo in contatto per aggiornare i lettori sui progressi della simulazione e sui primi risultati degli esperimenti.

LHC: LE NUOVE FRONTIERE

Dopo le sensazionali notizie dei successi di LHC nel portare gradualmente l'energia dei fasci a pieno regime è di ieri la notizia che anche i primi esperimenti sono entrati in funzione. Ad oggi con i suoi 1,18 TeV per fascio LHC è indubbiamente l'acceleratore più potente del mondo, ma alla domanda quali saranno i prossimi obiettivi e soprattutto cosa ci si aspetta dai nuovi esperimenti, oggi alle ore 12 il Prof. Umberto Dosselli, vicepresidente di INFN (Instituto Nazionale di Fisica Nucleare), risponderà in diretta televisiva su RAI News 24. Non mancate.

PIRAMIDI: SCELTA ARCHITETTONICA O NECESSITÀ COSTRUTTIVA?

Solitamente faccio in modo che un viaggio non si esaurisca al solo aspetto turistico o culturale, ma che dal punto di vista scientifico diventi un'occasione per raccogliere materiale per articoli come questo. Questa volta per pura combinazione il mio interesse è ricaduto sulle piramidi, non sui solidi geometrici in senso stretto, ma bensì sulle piramidi egizie, le tombe dei faraoni dell'antico Egitto.

Molto si è scritto e si e detto sulla loro presunta origine e sul perché della loro forma: molti sono seri studi scientifici, altri sono solenni stupidaggini. C'è chi pensa che le piramidi siano state costruite dagli alieni, c'è chi sostiene che le abbia costruite l'antica civiltà che popolava il continente di Atlantide, di vero c'è che è proprio la loro forma, sicuramente inquietante, ad essere un mistero.

Questa volta forse una spiegazione scientifica c'è, ma come ogni teoria dovrà essere criticata e se possibile verificata. Veniamo al dunque. Il problema iniziale non è chi ha costruito le piramidi (perché lo si sa), non è perché sono state costruite (perché si sa anche questo). La questione è perché gli antichi egizi hanno proprio scelto questa forma così particolare?

Mi trovavo alle dieci del mattino sull'altopiano di Giza proprio davanti alle piramidi di Chefren, Cheope e Micerino. Un'esperienza emozionante. Ma il mio carattere curioso e avventuroso non mi ha mai consentito di fare il semplece turista.

Cominciai a scattare un gran numero di fotografie da ogni lato delle piramidi, inizialmente senza sapere perché, ma man mano che le scattavo chiedendomi il perché di quella forma, un'idea si faceva strada.

Da piccolo, sulla spiaggia come tanti altri bambini, mi piaceva fare castelli e costruzioni usando secchiello e paletta ma anche piccoli mattoncini di sabbia costruiti con una formina meccanica. Dopo averla riempita con sabbia umida compressa, si posizionava la formina su una superficie piana e premendo su un pulsante a molla, ecco pronto il mattoncino. Giro dopo giro si potevano costruire muri, torri e piramidi. Quando il muro della torre o della piramide si asciugava al sole, pian piano i mattoncini si disgregavano facendo cadere la sabbia che si disponeva spontaneamente su un piano inclinato con sempre lo stesso angolo.

Andai a Saqqara, li c'è la più antica delle piramidi. Le piramidi della necropoli di El Giza ora appaiono a gradini, ma la loro superficie originale era liscia, ricopera di lastre di una pietra calcarea locale che ben levigata rifletteva sotto la luce del sole riflessi dorati. La piramide di Saqqara invece è fatta a gradoni. L'azione di erosione del vento, le piogge e i salti termici hanno però in molti punti disgregato la pietra dei gradoni, producendo delle cadute di sabbia molto simili a quelle che si producevano nella mia piramide di mattoncini di sabbia. I gradoni della piramide di Saqqara, in alcuni punti frantumandosi si sono addirittura raccordati.
L'angolo formato dal piano di caduta della sabbia con la verticale si chiama angolo di attrito ed è caratteristico della composizione minerale del terreno, delle dimensioni dei suoi componenti e della quantità di umidità. Nel deserto intorno a El Giza, il terreno come in molte altre zone ha una composizione ricca di silicati e calcare, per cui ad eccezione del calcare che in una spiaggia è poco presente, il piano inclinato su cui scivola il materiale di disgregazione è molto simile a quello formato della sabbia di una normale spiaggia che ha col piano orizzontale un angolo di frana costante. Uno dei metodi comunemente ipotizzati per spiegare la tecnica di trasporto dei blocchi che compongono una piramide è quello della rampa.

Si ipotizza che con metodi per il tempo sofisticati, verificati proprio lo scorso anno presso il Politecnico di Torino, i blocchi di 32 tonnellate di cui sono fatte le piramidi venissero trasportati lungo una rampa con pendenza costante. Man mano che la piramide saliva in altezza anche la rampa saliva e si allungava per mantenere costante la pendenza (immagine a fianco). Ora questo metodo può sicuramente essere funzionale ma non spiega il perché della forma delle piramidi. Se ipotizziamo invece che la rampa fosse larga quanto il lato di base della piramide, ecco una possibile soluzione al problema della forma.

Dato che il coefficiente d'attrito del terreno consentiva in sicurezza di salire e caricare le sponde della rampa solo se i pendii a lato della rampa mantenevano un angolo costante col terreno di poco inferiore all'angolo di frana caratteristico di quel terreno, la costruzione funebre del faraone non avrebbe potuto essere diversa, in quanto la forma piramidale è determinata dall'angolo rispetto al terreno con cui i pendii della rampa dovevano essere mantenuti.

Non potendo avere una macchina del tempo per verificare questa ipotesi ho elaborato un modello per verificare almeno la correttezza dell'idea. Per far questo mi servivano delle misure attendibili. Dato che alcuni sostengono che le piramidi di Giza rispettino le proporzioni auree, per prima cosa ho calcolato alcuni parametri che caratterizzano una ipotetica piramide aurea. Perché una piramide sia aurea occorre che il triangolo corrispondente alla sezione trasversale massima della piramide sia tale da avere le seguenti proporzioni

(l+h) : l = l : h

Il rapporto l : h identifica un numero irrazionale F che vale circa 1,618 detto rapporto aureo. Esaminiamo ora il problema da un punto di vista matematico e fisico.

1) Se facciamo cadere naturalmente della sabbia su un piano, questa si dispone a forma di cono. Se consideriamo il triangolo isoscele generato dalla sezione longitudinale del cono di base l e altezza h, il rapporto l : h corrisponde al doppio del reciproco del coefficiente di attrito caratteristico della sabbia. Ora se ci chiediamo che coefficiente d'attrito dovrebbe avere un cono di materiale sabbioso per rispettare la proporzione aurea, invertendo il problema otteniamo che il coefficiente d'attrito deve essere pari a C = 1,236 corrispondente ad un angolo di frana di circa 51°. Applichiamo ora lo stesso principio alle ipotetiche rampe con cui gli egizi secondo la nostra ipotesi avrebbero potuto costruire le piramidi di Giza, anche i lati delle piramidi dovrebbero essere inclinati di 51° come quelli della rampa.

2) Ora chiediamoci di quanto sono effettivamente inclinati i lati delle piramidi di El Giza e Saqqara. Da misurazioni rigorose fatte da archeologi le misure riportano con alcune differenze un valore angolare di circa 52° pari ad un C = 1,280. Le misure fatte da me sulla base di ricostruzioni matematiche e geometriche seppur imperfette, a partire dalle immagini fotografiche scattate, danno come valori dell'angolo di frana e del coefficiente di attrito:

a) piramide di Saqqara 54,73° C = 1,413
b) piramide di Chefren 53,78° C = 1,365

c) piramide di Cheope 57,51° C = 1,570

Per quanto queste tre misure siano state corrette matematicamente dagli errori proiettivi orizzontali, sono tutte affette da distorsione proiettiva rispetto alla verticale. Ovvero l'osservatore (io) si trova a livello della base della piramide e osserva verso l'alto. La misura (b) è quella affetta dal maggior errore perché mi trovavo troppo vicino alla piramide. Accettiamo comunque il valore ufficiale di 52° circa.

Purtroppo non ho potuto mettermi in tasca una manciata di terra per misurare il coefficiente d'attrito del terreno in laboratorio, ma ho potuto esaminare i coefficienti d'attrito di terreni simili a quelli dell'altopiano di Giza e di Saqqara: ebbene i valori dei coefficiente d'attrito oscillano in un intervallo tra 1 e 1,428. Le piramidi che ho esaminato, tranne quella di Cheope, rientrano tutte in questo intervallo, come d'altra parte rientrano anche i valori di coefficiente d'attrito associati all'inclinazione aurea di 51° e quello associato all'angolo di 52° misurato dagli archeologi.

La compatibilità reciproca di queste misure rende appetibile l'ipotesi fatta. Ovvero scientificamente non è possibile escludere che la forma piramidale sia proprio stata dettata dall'esigenza costruttiva di mantenere a valori di sicurezza l'angolo di frana dei pendii laterali di rampe larghe quanto la base stessa della costruzione funeraria. Ora il problema passa agli archeologi e a quanti se ne vorranno interessare.

Fotografia della piramide di Cheope ruotata di 46°. La rotazione è servita per determinare a video l'angolo di inclinazione dello spigolo della piramide. Il valore trattato matematicamente ha fornito le misure dell'angolo che la parete forma col terreno.

MOTO ED ENERGIA NELLA DIDATTICA

La Fisica per quanto possa essere appassionante è indubbiamente una materia non facile. Per i ragazzi poi, quando la incontrano per la prima volta nella scuola superiore, le difficoltà sono ancora di più. Infatti, senza l'aiuto dell'Analisi Matematica o di conoscenze minime della fenomenologia sperimentale, comprendere una moltitudine di principi e formule troppo mnemoniche e poco logiche è realmente un'impresa. Questa non è fisica!

Non di rado nei libri scolastici ho trovato formule da usare prive di qualunque giustificazione. Purtroppo al terzo anno della scuola superiore c'è mancanza di corrispondenza tra i programmi di matematica svolti e i metodi matematici necessari per lo studio della Fisica. Vorrei proporre proprio in occasione della prima edizione del Carnevale della Fisica, un mini percorso teorico per l'introduzione di concetti fondamentali come il lavoro di una forza e l'energia cinetica, dedicandolo soprattutto a chi affronta per la prima volta lo studio della Meccanica. Avviso però che non c'è nulla di innovativo sotto questo cielo, anzi è tutto molto semplificato, in quanto si tratta di elementi di Fisica di base e pertanto chiedo scusa in anticipo a tutti i colleghi che insegnano con passione e dedizione la Fisica.

L'aspetto cinematico

Per la legge d'inerzia, proprio dovuta a Galileo Galilei prima ancora che a Newton, un corpo mantiene il proprio stato di moto rettilineo unforme o rimane immobile rispetto ad un osservatore (che può essere considerato il caso particolare a velocità zero del moto rettilineo uniforme) sino a quando non intervengono forze esterne a mutarne lo stato. Per questo il moto rettilineo uniforme di un corpo può essere definito "inerziale" o meglio, solo un moto realmente inerziale (totale assenza di forze esterne) è un vero moto rettilineo uniforme. Ogni qual volta invece nello spazio è presente una risultante non nulla di forze, il corpo si muove di moto accelerato. Per semplificare, se la forza agente è sempre coassiale con la direzione del moto ed è costante nel tempo, il moto è "uniformemente" accelerato.

Ora non potendo utilizzare il calcolo differenziale e integrale, la derivazione delle equazioni del moto è un po' più ardua e meno naturale e solitamente è ottenuta per via grafica e analitica.

Lavorando su un solo asse possimo partire dalla definizione scalare di accelerazione, quindi trascurando il fatto che si tratta di un vettore, si ricava subito la prima delle equazioni che descrive la variazione di velocità in un dato intervallo di tempo:

(1) (v - v₀) = a (t - t₀)

Mettiamo bene in evidenza che:

a) il moto è uniformemente accelerato solo se la forza agente è costante.

b) le accelerazioni media e istantanea nell'intervallo [t, t₀] in questo caso coincidono.

Per ottenere la seconda equazione esistono varie scuole di pensiero. C'è chi non la ottiene ma la enuncia. C'è chi la dimostra per via grafica e sono i più. Per arrivare alla dimostrazione per via grafica, dato che l'area del grafico velocità x tempo rappresenta lo spazio percorso dal corpo durante l'intervallo di tempo considerato, solitamente si usa l'area del trapezio individuato dal grafico velocità-tempo dell'equazione (1) in un intervallo [t, t₀], ottenendo:

(2) S - S₀ = AREATRAPEZIO(v,t) = (t - t₀)(v + v₀)/2

dalla quale difficilmente si riesce ad ottenere in maniera matematicamente intuitiva, specialmente per un adolescente, l'equazione oraria del moto uniformemente accelerato. A mio parere è molto meglio scomporre l'area del trapezio in due componenti distinte (A) e (B):

(A) area del rettangolo associata allo spazio percorso durante il moto inerziale alla velocità iniziale v₀ che aveva il corpo prima di subire l'azione della forza esterna.

(3) S₁- S₀ = v₀ (t - t₀)

(B) area del triangolo rettangolo associata all'incremento di spazio percorso per l'effetto della sola componente di moto accelerato.

(4) S - S₁ = (v - v₀)(t - t₀)/2.

sostituendo l'equazione (1) nella (4) si ottiene:

(5) S - S₁ = 1/2 a(t - t₀)²,

sommando ora i due distinti contributi ecco in modo un po' più intuitivo l'equazione oraria del moto uniformemete accelerato

(6) S - S₀ = (S₁ - S₀) + (S - S₁) = v₀(t - t₀)+ 1/2 a (t - t₀)²

Forze, Lavoro ed Energia

Indipendentemente dal metodo usato, intuitivo o meno, se è sempre possibile ottenere l'equazione oraria del moto uniformemente accelerato (6) in modo corretto, non è altrettanto semplice e immediato ottenere le definizioni di energia e lavoro di una forza.

Cominciamo considerando che le equazioni (1) e (6) sono per così dire "sincronizzate", ovvero descrivono simultaneamente lo spazio percorso e la velocità raggiunta da uno stesso corpo in moto uniformemente accelerato. Accoppiando le equazioni (1) e (6) in un sistema parametrico in cui il parametro tempo viene eliminato per sostituzione, si ottiene:

(7) (S - S₀) = (v²-v₀²)/2a

l'equazione (7) ha molteplici vantaggi:

I) permette agevolmente di ottenere le formule che legano spazio e velocità con l'accelerazione come nel caso di caduta o ascesa di un grave.

II) rappresenta la soluzione teorica generale del "modello" di moto uniformemente accelerato
III) applicando il secondo principio della dinamica newtoniana nella forma scalare a = F/m, la (7) si trasforma immediatamente nel teorema delle forze vive:

(8) F (S - S₀) = 1/2 mv² - 1/2 mv₀²

IV) la simultanea validità delle equazioni del moto (1) e (6) per ogni forza attiva, rende pressocché illimitata la validità dell'equazione (8) che è perciò sempre vera, fornendo così la miglior giustificazione teorica dell'energia cinetica di un corpo.

Definendo il prodotto tra forza applicata e spostamento prodotto come lavoro W di una forza, la conservazione "nel tempo" del lavoro compiuto dalla forza agente è proprio l'energia cinetica K del corpo

(9) K =1/2 mv²,

perciò l'equazione (8) diventa:

(10) W = K-K_{0 .}

Se consideriamo che il corpo prima che intervenga la forza esterna a compiere lavoro è inizialmente fermo rispetto all'osservatore, K = W è il lavoro ma anche l'energia di movimento che il corpo ha acquistato e conserva nel tempo.

Possiamo quindi concludere affermando che non è possibile per un corpo possedere energia cinetica rispetto ad un osservatore senza che in un tempo passato o presente delle forze esterne abbiano prodotto o sul corpo o sull'osservatore, del lavoro meccanico che ne abbia alterato il moto relativo.

Tutto quel che abbiamo visto sembra poco perché si può dire in poche righe e un qualche equazione ma si riferisce a concetti che occupano solitamente pagine e pagine di un libro di testo. Perché complicare le cose?

LA PREVISIONE DEI TERREMOTI

Ogni materiale possiede un carico di rottura: vale a dire che esiste un limite di compressione, o di trazione, oltre al quale la struttura cede rilassandosi, un po' come una noce compressa da uno schiaccianoci.

Se la pressione esercitata cresce lentamente e gradualmente la noce può resistere a carichi enormi, per poi cedere improvvisamente maciullandosi.

Si può prevedere quando questo avverrà? No, non si può prevedere quando ma sappiamo che sicuramente avverrà.

Un terremoto è prodotto dalla lenta e inesorabile compressione di due placche che spingendo l'una contro l'altra comprimono degli strati di materiale a diverse profondità. Se l'azione è sufficientemente lenta, gli strati si deformano caricandosi di energia potenziale e spingendo la parte più superficiale verso l'esterno.

Nel tempo questa lenta opera crea una catena montuosa, ma gli strati più profondi, quelli che non emergono, rimangono in uno stato di compressione sino al loro cedimento. La faglia che si forma si rilassa riemettendo tutta l'energia accumulata sotto forma di forte vibrazione, il terremoto.

Il punto di rottura è l'ipocentro che rappresenta la sorgente di onde elastiche che si propagano attraverso il mezzo materiale sotto forma di onde sismiche.

Ora, la previsione delle coordinate dell'ipocentro e del quando avverrà il cedimento è impossibile anche se è certo che in qualche luogo prima o poi avverrà.

La catastroficità di un terremoto dipende poi dal tipo di materiale sovrastante. Se il materiale in cui si propaga l'onda sismica è particolarmente elastico, il terremoto sarà aggressivo e dirompente.

Se il materiale non è elastico, ma è per esempio un agglomerato, l'energia dell'onda verrà in gran parte assorbita da milioni di microfratture e l'onda raggiungerà la superfice con bassa intensità.

Ora se la domanda è si possono prevedere i terremoti? La risposta è si se per previsione si intende il verificarsi in assoluto di un evento, la risposta è no se si vuol conoscere l'intensità del terremoto, la posizione esatta in superficie, cioè l'epicentro e il quando questo si verificherà.

Al momento non si conoscono segnali premonitori che possano avvisarci di un evento catastrofico perché il terremoto è la normalità. Centinaia di scosse si ferificano giornalmente ovunque, quasi sempre inavvertite dalle persone, ma queste sono indice solo di una normale attività dinamica delle placche continentali.

Per concludere, purtroppo l'unico strumento attuale per evitare disastri come questo è la prevenzione.

In aree montane, sismiche per definizione e in aree a rischio occorre che sia lo stato stesso a farsi carico della messa in sicurezza degli edifici sia quelli pubblici che quelli privati, venendo incontro ai cittadini con strumenti di finanziamento agevolato o a fondo perduto, permettendo così a tutti di vivere in sicurezza.

Non è forse meglio spendere prima per la sicurezza che spendere dopo per la ricostruzione?

GEOMETRIA E NUMERI: LA POTENZA DI UN POLINOMIO

Pochi ricordano lo sviluppo del quadrato di un binomio (a + b)², meno ricordano la terza potenza (a + b)³ e sempre di meno ricordano lo sviluppo della potenza n-esima (a + b)ⁿ.

Penso però di non sbagliarmi affermando che quasi nessuno ricorda lo sviluppo della potenza n-esima di un polinomio qualunque (a1 + a2 + … + am)ⁿ. La formula scoperta da G.W. Leibniz nel 1676, fornisce un semplice e comodo metodo per la scrittura meccanica dello sviluppo.

Parecchi anni fa ormai, ormai ben 24, stavo scrivendo un libro di matematica applicata e provai a pensare ad un metodo semplice per ottenere sia la formula di Newton per lo sviluppo della potenza n-esima di un binomio che per estensione quella di Leibniz. Un modo che mi sembrò particolarmente semplice fu affrontare il problema dal punto di vista geometrico e combinatorio allo stesso tempo.

Per affrontare la dimostrazione, occorre partire dal caso più semplice. Supponiamo di avere due bastoncini di legno di lunghezza a e b generalmente diversa, in modo che la loro somma sia pari alla lunghezza del segmento l = a + b. Dimostrare lo sviluppo dell’area del quadrato

A = l² = (a + b)²

per via algebrica è facile, ma la potenza n-esima lⁿ come si dimostra?

1 - QUADRATO E CUBO DI UN BINOMIO

Per prima cosa definiamo un insieme di due elementi, quello dei bastoncini U = {a, b}. Supponiamo che l’insieme sia un’urna dalla quale estratto un elemento lo si ripone nuovamente nell’urna (reimbussolamento) per poter effettuare una seconda estrazione, una terza, ecc. Ciò comporta che un tizio volendo comporre con i bastoncini a e b il segmento l, dovrà estrarre una sola volta a e una sola volta b. Per poter comporre l’area A dovrà invece effettuare due estrazioni, una per ogni dimensione spaziale (piano = 2 dimensioni): estratto il primo bastoncino questo potrà essere a oppure b, poi dopo averlo reimbussolato, nella seconda estrazione avrà nuovamente le due possibilità a oppure b, ottenendo come sequenza di casi possibili:

aa, ab, ba, bb

Componendo su due dimensioni le coppie di bastoncini estratti, si ottengono due quadrati distinti e due rettangoli uguali, che accostati opportunamente formano l’area di un quadrato di lato l. Potevamo sapere prima quante figure avremmo ottenuto? Certo potevamo, perché estraendo dall’urna due volte gli stessi due bastoncini, si hanno tante possibilità di comporre figure distinte quante sono i modi di disporli, quindi le disposizioni possibili

D’2,2 = 2² = 4.

Dal punto di vista della misura delle aree, mentre i rettangoli ab e ba hanno uguale area, quindi sono equivalenti, i quadrati a² e b² hanno area differente. Potevamo sapere prima quante di ciascuna di queste figure equivalenti avremmo potuto ottenere? Si, basta pensare a quanti modi distinguibili (permutazioni con ripetizione) esistono per sistemare ciascuna forma nel piano:

Quadrati: (aa, bb) 2!/2! = 1
Rettangolo: (ab) 2!/(1!1!) = 2
[si consideri che 0! =1 e n! =n(n-1)(n-2) ... 2 1. es. 3!= 3 2 1= 6]

__________________

1a² + 2a¹ b¹ + 1b²

Per la terza potenza invece si avranno D'2,3 = 2³ = 8 monomi

Cubi: (aaa, bbb) ciascuno con molteplicità 3!/3! = 1
Parallelepipedi: (aab, bba) ciascuno con molteplicità 3!/(2! 1!) = 3
____________________________

1 a³ + 3 a² b¹ + 3 a¹ b² + 1 b³

2 - POTENZA n-ESIMA DI UN BINOMIO: LO SVILUPPO DI NEWTON

Osservando attentamente gli esempi precedenti, se ho potenza 4 avrò tutte le combinazioni con ripetizione dei 4 elementi e per ciascuna avrò un numero di modi distinguibili uguale alle permutazioni con ripetizione:

(aaaa) 4!/(4! 0!) = 1
(aaab) 4!/(3! 1!) = 4
(aabb) 4!/(2! 2!) = 6
(abbb) 4!(1! 3!) = 4
(bbbb) 4!(0! 4!) = 1
____________________________________

1 a⁴ + 4 a³ b¹ + 6 a² b² + 4 a¹ b³ + 1 b⁴

perciò in generale per un termine qualunque di grado n si avrà
(a + b)^n = a^n +…+ P'n,m a^m b^(n-m) + … + bⁿ
con: P'n,m = n!/[m! (n-m)!]

3 - POTENZA n-ESIMA DI UN POLINOMIO: LO SVILUPPO DI LEIBNIZ

Se nell’urna i bastoncini diventano tanti, per esempio un numero r : U = {a1, a2, …, ai, …, ar}, la potenza del polinomio (a1 + a2 + … ai …+ ar )ⁿ sarà formata da uno sviluppo i cui monomi dovranno solo sottostare alla regola che la somma del grado parziale ni di ciascun elemento ai è uguale al grado totale n del polinomio: n = n1 + n2 +… + ni + … + nr .

Estendendo il ragionamento ad un monomio di grado n, il suo coefficiente sarà

P’ n1 + n2 +… + ni + … + nr = n! /( n1! n2!… ni ! … nr!)

Per esempio nel caso

(a + b + c )⁵ = a⁵ + b⁵ + c⁵ + … + P’2+3+1 a² b³ c¹ + … + P’0+2+3 b² c³ + …

con P’2+3+1 = 5!/(2! 3! 1!) = 10 e P’0+2+3 = 5!/(0! 2! 3!) = 10.

Vi sembra complicato? Provate a scrivere lo sviluppo di (a + b + c + d)⁷ algebricamente e cambierete idea!

UNA COSTELLAZIONE AL MESE ...

In occasione del 2009 Anno Internazionale dell'Astronomia, Skylive e UAI organizzano "La costellazione del mese". Una imperdibile occasione per imparare in diretta a usare i telescopi a controllo remoto collegandosi con il software Skylive-NG. Questa iniziativa offre l'opportunità unica di approfondire la conoscenza, mese dopo mese, di tutte le costellazioni.

Il 6 febbraio 2009 (questa sera) dalle 21:00 alle 23:00 è la volta della costellazione del "LEONE". Per l'evento e' stata messa on-line una nuova versione del software di controllo dei telescopi in remoto, con l'aggiunta di tante nuove funzioni utili alla divulgazione scientifica. Per partecipare al meglio e' necessario quindi scaricare o aggiornare il vostro software con l'ultima versione presente nel sito : http://www.skylive.it/skylive-new/download.php e se non lo si è ancora fatto occorre registrarsi sul sito di Skylive.

UNA NUOVA INIZIATIVA DI SKYLIVE: PLANETARIO ITINERANTE

Ricorderete Skylive, ne abbiamo parlato in un articolo il 21 settembre dello scorso anno. Bene, Skylive non ha finito con le sorprese. Oltre a ben sei telescopi a controllo remoto on line di cui quattro in Italia e due in Australia, con i quali è sempre possibile scattare ed elaborare splendide fotografie, proprio in occasione dell'Anno Internazionale dell'Astronomia Skylive ha realizzato nella provincia di Catania un planetario itinerante. Si tratta di una struttura a cupola che puo' ospitare fino a 35 persone, nella quale come in ogni planetario che si rispetti vengono proiettate a 360 gradi le immagini della volta celeste e filmati educativi in campo astronomico. Questo strumento completa il servizio Skylive nel settore astronomico amatoriale ed educativo, nel tentativo di far avvicinare sempre di più il pubblico alla scienza e alle meraviglie della natura attraverso l'astronomia.

La sede che ospita il planetario a partire da Gennaio 2009, quindi da domani e in pratica da questo fine settimana (Happy Family), è aperta al pubblico tutte le domeniche mattina dalle 9:30 alle 12:30 e si trova in Via Ciro Menotti 12 a Mascalucia in provincia di Catania. Nello stesso luogo è attivo anche un osservatorio astronomico solare e una ludoteca per intrattenere i più piccini. La pagina dedicata al planetario è visitabie al seguente indirizzo:

http://www.skylive.it/skylive-new/planetario.htm

Durante la settimana sarà aperto per le visite scolastiche. A richiesta è comunque possibile organizzare proiezioni e lezioni didattiche anche in luoghi differenti, come scuole o altre strutture, in quanto il Planetario itinerante è facilmente trasportabile e può essere collocato all'interno di sale, capannoni ma anche all'aperto.

Qui di seguito una elaborazione digitale di una fotografia di CNGC 884 che ho scattato con un telescopio Skylive.

CAMBIAMENTI CLIMATICI O ... QUASI NORMALITA'

Innumerevoli volte mi è capitato di parlare o di scrivere di evoluzione stellare, pianeti in formazione e di evoluzione del Sistema Solare, ma mai prima d'ora ho trattato un tema così attuale e spinoso come quello dei mutamenti climatici del nostro pianeta.

Confesso che i mutamenti climatici non sono mai stati in testa ai miei interessi scientifici. Non che prima d'ora non abbia mai pensato ai problemi del nostro strapazzato pianeta, ma è che di formazione non sono un climatologo o un meteorologo, anche se come appassionato di mare proprio a digiuno di meteorologia non sono.

Premesso che i fenomeni meteorologici che stiamo osservando in questi anni, mesi e giorni, sono estremi e tutt'altro che da sottovalutare, personalmente trovo poco etico l'uso che alcuni organi di informazione fanno delle disgrazie meteorologiche e climatiche del nostro pianeta, trasformandole in una sorta di real TV catastrofista, ripetitiva, ansiogena e molto poco scientifica, solo per far audience.

Vorrei per questo, ma non solo per questo, affrontare il discorso dei mutamenti climatici da un punto di vista non meteorologico ma planetologico, considerando l'evoluzione del clima del nostro pianeta come una naturale conseguenza della genesi del nostro sistema planetario e della succesiva evoluzione della sua stella: il Sole.

C'è bisogno di fare dell'astroclimatologia e partire dalla genesi del Sole? Si, credo che sia opportuno. Ai tempi dei miei studi scolastici che ormai risalgono al secolo scorso, capitava, ma capita anche oggi, che alcuni libri di testo fossero inadeguati e contenessero teorie scientifiche e idee tutt'altro che innovative, concetti appartenenti più alla storia della filosofia che alla scienza.

Ecco, questo è proprio lo scopo di questo post, esporre in diretta un'idea sull'evoluzione climatica non solo del nostro pianeta, ma di tutti i pianeti del nostro universo, ottenuta da fatti incontrovertibili; se volete, questo è il risultato di un brain-storming ottenuto a partire da elaborazioni personali di argomenti scientificamente complessi che non coinvolge direttamente e solo l'atmosfera terrestre ma l'intero Sistema Solare.

In questi ultimi quindici-vent'anni anni, le scoperte sulla genesi stellare hanno minato alla base alcune credenze che innalzavano il nostro sistema planetario a "pezzo" unico nell'universo. L'osservazione ripetuta della formazione di nuove stelle e del modo in cui una stella in formazione accrescendo il proprio disco di gas e polveri che la circonda contribuisce alla preparazione della materia prima con cui si formeranno i suoi futuri pianeti, ha permesso di raggiungere una solida consapevolezza che gli eventi che hanno contribuito a formare il Sistema Solare non sono unici nell'universo, ma in ogni luogo che abbia le condizioni fisiche adeguate la formazione di un sistema planetario è una routine.

Quando in una protostella (cioè in una stella in formazione) le condizioni di pressione gravitazionale e temperatura interna sono sufficienti ad innescare le reazioni di fusione nucleare dell'idrogeno, la pressione di radiazione prodotta della luce emessa nelle reazioni di fusione termonucleare e dal vento stellare è tale da "soffiare via" il disco di gas e polveri che la circonda. La protostella a questo punto diventa una stella e si colloca con questo primo atto della sua esistenza in una particolare regione di un diagramma cartesiano HR colore - luminosità (HR dalle iniziali di Hertzsprung-Russell) che caratterizza tutte le giovani stelle.

Nel 1994 chiesi a un mio autorevole collega e amico che studiava e simulava al computer i processi di nucleosintesi stellare, se ci fossero degli studi atti a rivelare delle differenze tra stelle di popolazione I causate dalle diverse percentuali degli elementi presenti nel nucleo stellare. Mi guardò come se avessi detto un'eresia e mi disse: "... ma no! Le differenze di composizione non sono sufficienti a produrre variazioni misurabili o osservabili ...".

Mi spiego meglio. Le stelle più antiche, le prime stelle che si sono formate a partire dalla materia primordiale, erano formate esclusivamente da grandissime quantità di idrogeno ed elio. Queste stelle classificate come di popolazione II o a volte anche di pololazione III, si sono oggi ormai estinte finendo verosimilmente la loro vita in gigantesche supernove o in Black-hole estremamente massivi che ora governano gravitazionalmente i nuclei di tutte le galassie compresa la nostra. Le stelle più recenti (di popolazione I), per capirci, quelle che si sono formate per attrazione gravitazionale da residui di idrogeno ed elio già contaminato in misura variabile dalla materia più pesante dell'elio, prodotta per nucleosintesi in generazioni e generazioni di stelle di popolazione II e I, contengono elementi pesanti come carbonio, ferro e tutti gli altri elementi della tavola periodica in grandi quantità e soprattutto in differenti proporzioni.

Ora, se una stella si forma a partire da una frazione consistente di elementi pesanti, oltre ad una buona dose di idrogeno ed elio indispensabile per la fase iniziale di combustione, in base alle proporzioni degli elementi che la formano dovrebbe avere un ciclo di combustione che sfrutta maggiormente gli elementi pesanti (ciclo C-N-O), sicuramente competitivo con quello dell'idrogeno (ciclo H). Ciò dovrebbe comportare, data la minor energia prodotta, una maggiore instabilità gravitazionale e di conseguenza la stella in base alla sua massa potrebbe abbandonare più rapidamente delle altre la sequenza principale del diagramma di Hertzsprung-Rassell che, in un certo senso, rappresenta il giardino di infanzia delle stelle. Proprio a queste differenze evolutive mi riferivo allora.

In generale l'evoluzione di tutte le stelle è caratterizzata da fasi successive di contrazione gravitazionale e successiva riespansione: una vera e propria pulsazione necessaria a innescare il bruciamento nucleare di elementi via via più pesanti che si formano quando l'idrogeno residuo diminuisce e si avvicina al novanta per cento della massa totale della stella. In stelle nascenti già con una marcata presenza di elementi pesanti, questo processo dovrebbe essere più marcato e violento, avvenendo prima che in altre stelle più pure. Durante queste fasi si verificano sempre forti rimescolamenti della massa interna, un po' come in una pentola in ebollizione. Il rimescolamento ha la funzione di portare gli elementi più pesanti verso la superficie e l'idrogeno verso il nucleo stellare. Può capitare non raramente che eccessi di energia diano vita a emissioni nello spazio di materia ionizzata e a sbuffi di materia più pesante dell'idrogeno. In una prima fase la materia emessa circonda la stella orbitando per poi ricadere sulla sua superficie solo se la velocità di eiezione è inferiore alla velocità di fuga dall'astro. Questo fenomeno di "inquinamento" dello spazio interstellare è sicuramente più frequente in stelle in cui la percentuale degli elementi pesanti è fortemente anomala, quindi più alta che in altre stelle.

La materia emessa, dispersa nel vuoto circostante, si va a sommare con l'eventuale materia residua che non è stata attratta dalla stella durante la sua formazione ed è ancora in orbita intorno all'astro formando dei veri e propri dischi di polveri e gas, detti dischi protoplanetari. La materia orbitante inizialmente diffusa intorno all'intera sfera dell'astro, tende nel tempo a concentrarsi sul piano equatoriale stellare ed è visibile da osservatori esterni sotto forma di pulviscolo più o meno denso. Proprio questo inquinamento di elementi pesanti è la causa della formazione di un sistema planetario. Stelle pure, che non contengono elementi pesanti, non hanno sufficiente materia prima, quindi si potrebbe supporre che solo stelle nate dalla materia modificata da numerose generazioni stellari successive possono originare un sistema planetario e proprio questa potrebbe essere la loro caratteristica distintiva.

La teoria di Sofronov (detta anche di accrescimento dei planetesimi) descrive la formazione dei pianeti per mezzo di un processo di accrescimento gravitazionale; una specie di bombardamento reciproco tra corpuscoli di materia che a partire dal pulviscolo orbitante, aggrega polveri e frammenti trasformandoli prima in granuli sempre più grandi, poi in meteoriti, fino ad arrivare a planetesimi: degli abbozzi degli attuali pianeti. Ai giorni nostri questo processo è osservabile sotto forma di caduta di meteoriti e asteroidi sui pianeti del Sistema Solare. Insomma, i crateri che osserviamo sulla superficie lunare e il fenomeno delle stelle cadenti, sono la prova visibile di questo processo che per il nostro sistema planetario è durato poco più di cento milioni di anni.

Il processo di accrescimento coinvolge principalmente la materia che si trova sulla fascia equatoriale della stella, mentre la materia che si trova fuori da questa fascia, cioè quella più spostata verso i poli stellari non prende parte immediatamente al processo, ma si avvicina gradualmente e più lentamente ai pianeti in formazione, in parte venendo catturata in orbita, in parte, specialmente per i pianeti privi di atmosfera, ricadendo sulla superficie sotto forma di micrometeoriti.

Ora, questo processo dovrebbe essere sufficientemente lento da avvenire anche quando i pianeti sono strutturati e hanno iniziato il loro cammino evolutivo. Il pulviscolo che si avvicina ai pianeti, inquina lo spazio esterno circostante, assorbendo e riflettendo la radiazione stellare e riducendone l'illuminazione superficiale. Questo processo può avvenire a ondate successive, in quanto la materia che circonda la stella si compatta disponendosi su dischi sovrapposti, stratificati e separati, con differenti velocità orbitali e differente velocità di avvicinamento alla fascia equatoriale principale della stella. Ad ogni arrivo di un nuovo disco di polveri, corrisponde un aumento della densità di materia che si interpone tra stella e pianeta con una conseguente riduzione dell'irraggiamento globale.

Tre possibili indizi di questo processo sono:

(a) l'andamento a fasi alterne successive del riscaldamento e raffreddamento del nostro pianeta (vedere grafico delle temperature qui sotto) che potrebbero essere correlate con le fasi di ricaduta periodica del pulviscolo orbitale;

(b) la presenza contemporanea durante o subito dopo le fasi di raffreddamento di tracce di elementi tipici della composizione stellare nei ghiacci polari. La loro presenza può essere giustificata solo con il fatto che il pulviscolo principalmente formato da micrometeoriti è ricaduto sulla superficie del pianeta, specialmente ai poli, dove la forza centrifuga tipica dei processi orbitali è pressoché nulla;

(c) le immagini attuali di altri sistemi planetari in formazione scattate dal telescopio orbitale Hubble, che mettono in evidenza come i pianeti già formati siano immersi in nubi di polveri non solo sul piano orbitale.

Assumendo che questi processi possano aver causato una successione di abbassamenti e innalzamenti della temperatura sulla superficie terrestre correlati con l'alternarsi della comparsa e scomparsa dell'effetto schermo prodotto dal pulviscolo di materia stellare, notiamo che l'alternarsi delle fasi di raffreddamento e riscaldamento sono soggette ad una marcata periodicità e proprio in corrispondenza di un massimo del riscaldamento, l'ultimo verso destra del grafico (che corrisponderebbe alla scomparsa del pulviscolo stellare in ricaduta), si nota la sovrapposizione di una fase di riscaldamento anomala sicuramente prodotta per effetto serra dall'inquinamento industriale globale attuale.

Con buona volontà e una necessaria stretta coperazione tra le nazioni per combattere le cause del surriscaldamento globale, in circa cinquanta-cento anni si potrebbe rientrare forse in una certa normalità, soprattutto bloccando lo scioglimento anomalo delle calotte polari, ma la temperatura che in questo caso (basta guardare il grafico e seguirne la periodicità) si raggiungerebbe, non potrebbe corrispondere alla temperatura che ci farebbe comodo, ma a quella tipica di un periodo di riscaldamento simile al periodo medioevale o al periodo che va da 7000 a 4000 anni fa. L'effetto durerebbe sino all'arrivo di una successiva era glaciale prodotta dal transito di un disco di pulviscolo stellare.

Se fosse veramente così, il nostro pianeta forse ora non corre un rischio terribile come si teme, perché che ci piaccia o no il disco di polveri interstellari prima o poi transiterà abbassando la temperatura del nostro pianeta sino alle temperature tipiche di una piccola era glaciale forse simile a quella da cui siamo appena usciti (1300-1850 d.c.): comunque sia, il riscaldamento attuale è anomalo e rischia di produrre dei danni irreversibili sull'ambiente che mettono a rischio la sopravvivenza di molte specie animali compresa la nostra, una responsabilità troppo grande con la quale non dobbiamo assolutamente abituarci a convivere.

CHIARE FRESCHE E DOLCI ACQUE ...

... direbbe Petrarca, invece no è metano liquido di uno "stagno" di Titano. L'immagine catturata dalla sonda Huygens dopo essersi separata da Cassini ed essere atterrata su Titano, una delle lune di Saturno, rappresenta la prima osservazione diretta di liquidi nel sistema solare, ovviamente oltre alle chiare fresche e dolci acque terrestri.

Fino ad ora si pensava che su Titano la presenza di liquidi non fosse possibile, anche se l'osservazione di due strati di nubi di etano suggeriva la possibilità di piogge, quindi di una meteorologia simile alla nostra però con piogge ed evaporazioni di etano e metano.

La fotografia (visibile qui sotto) con tanto di ciotoli levigati da effetti orogenetici, mette invece in evidenza che la presenza di liquidi è possibile.

Nonostante sulla superficie di Titano la temperatura sia di soli 94 K, neanche 100 gradi sopra lo zero assoluto e la presenza di acqua allo stato liquido e gassoso non sia possibile, come nemmeno la sublimazione che porterebbe vapore nell'atmosfera, da analisi delle variazioni del campo gravitazionale di Titano fatte alcuni mesi fa dalla sonda Cassini-Huygens, sembra che sotto lo spesso strato di ghiaccio di acqua liquida ne esita davvero tanta. Un oceano molto profondo, 100-200 chilometri, composto da acqua al 99%. Un oceano che potrebbe nascondere chissà quali sorprese. Infatti l'attuale scoperta di metano liquido di origine meteorica, insomma su Titano piove metano, potrebbe essere un indizio della possibile presenza di vita.

Il metano infatti è una molecola organica che sulla Terra è cibo per microrganismi. Dato che Titano sembra essere un pianeta con un habitat simile a quello che dovrebbe aver avuto la Terra all'epoca in cui si sono sviluppati i primi microorganismi. Forse questa scoperta rappresenta un passo avanti nella ricerca della vita extraterrestre.

LA TEORIA DI BRIDGE: IL NOSTRO AUTORE MASSIMO AUCI INTERVISTATO A CACCIA AL FOTONE

A Gravità Zero teniamo in seria considerazione il lavoro di ogni bravo professionista e ricercatore. E di Massimo Auci, autorevole fisico, che è anche nostro autore, non possiamo che aspettarci grandi successi internazionali!

Con nostra grande soddisfazione oggi è stato intervistato a "Caccia al Fotone".

Massimo Auci è docente di Fisica e Matematica, vicepresidente di OdisseoSpace, e soprattutto, padre di una teoria chiamata "Bridge Theory". I suoi lavori li potete leggere periodicamente qui su Gravitazero, dove potrete richiedere gratuitamente l’e-book “Oltre la frontiera Quantistica” .

L'audio con l'intervista a Massimo Auci gentilmente fornita da Caccia al Fotone è disponibile qui e qui.


Vediamo quali sono le novità!

Due suoni che interferiscono fra loro generano un nuovo suono. Immaginiamo per un attimo che essi siano prodotti da due strumenti musicali: una chitarra ed una batteria. Se quella chitarra si chiama “relatività“, e se quella batteria si chiama “meccanica quantistica“, la traccia musicale risultante altro non è che un “ponte” (brigde) che li unisce. Ma se invece di suoni fossero sorgenti elettromagnetiche bipolari, e se invece di una traccia musicale spuntasse fuori un fotone, ecco che la Teoria di Bridge (link) sarebbe pronta sul vostro tavolo per essere letta.

La teoria di bridge è una teoria formalizzata dal nostro Massimo nel 1999 tramite un lavoro dal titolo molto ambizioso: “An approach to unifying classic and quantum electrodynamics [Auci, DeMatteis]” (link ADS) pubblicato sull’ International Journal of Modern Physics.

L’approccio ha del rivoluzionario! Vedere i fenomeni quantistici dal punto di vista dell’elettromagnetismo classico, guardandoli con gli occhi di un osservatore locale in scala microscopica. Risultato inaspettato: la previsione della cosiddetta costante adimensionale di “struttura fine“, un ponte che mette in relazione le principali costanti fisiche dell’elettromagnetismo.

QUANDO e DOVE
Sabato 13 dicembre 2008 - Ore 10:30 - Caccia al Fotone -
Radiocitta’fujiko - 103,1fm - Bologna

http://caccialfotone.wordpress.com/2008/12/12/un-bridge-che-unisce/

Qui la scheda di Massimo Auci su Wikipedia