La Musica dell’Universo
Scienza e Fisica Quantistica
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Dal ronzio dei buchi neri al suono rarefatto delle onde gravitazionali: cosa può dirci lo studio del suono sull’origine e la fine dell’Universo
Redazione - Scienza e Conoscenza - 28/07/2021
Estratto da Scienza e Conoscenza n.66 - Suono Quantico
Le onde sonore non possono viaggiare attraverso il vuoto dello spazio, ma possiamo riconoscere i suoni dell’Universo osservando le onde elettromagnetiche registrate da dispositivi chiamati spettrografi, installati su potenti telescopi sparsi nel globo. Questo ci consente di ascoltare molte parti dell'Universo, come i rintocchi delle stelle che nascono o muoiono, il coro di un quasar all’interno di una galassia e molto altro ancora.
Che cos’è il suono
Il suono è una forma di energia che a molti potrebbe sembrare scontata. Forse l'impressione prevalente che incoraggia questo atteggiamento è l'accettazione che sia naturale e abbondante come l'aria. Per le persone che subiscono una perdita dell'udito temporanea o permanente, la percezione del suono e dell'acustica hanno implicazioni significative che creano limitazioni e richieste di adeguamenti considerevoli agli altri sensi di percezione e all'ambiente in cui operano. L'acustica, ovvero la scienza del suono, fornisce all’uomo una maggiore consapevolezza del proprio ambiente.
Il suono è vibrazione. Quando una vibrazione è abbastanza veloce, la sentiamo come un tono, piuttosto che una serie di battiti. Il suono, come la luce o il calore, è un'onda. Tuttavia, una distinzione importante è che, a differenza della luce o del calore (radiazioni), il suono ha bisogno di un mezzo per viaggiare. I suoni richiedono la presenza di molecole o particelle per viaggiare da una regione all'altra.
È la vibrazione verso l'esterno di queste particelle vagabonde nella periferia della sorgente che spiega la produzione e la diffusione delle onde sonore. Una particella che gironzola proprio accanto a una corda pizzicata di una chitarra è immersa nel movimento. Questa particella si muove e trasferisce la sua energia cinetica alla particella vicina, che poi la trasferisce alla sua vicina e così via, finché l'onda raggiunge i ricettori nel nostro orecchio e viene percepita come una nota.
Pertanto, la ragione per cui i suoni non viaggiano nello spazio è perché non ci sono particelle. Detto questo, che dire delle particelle di gas, resti di esplosioni di supernova e altre particelle di polvere? Non possono propagare il suono? Stranamente, no. Queste particelle, a differenza di quelle sulla Terra, non sono abbastanza vicine o, per dirla in modo più elegante, non sono abbastanza compresse. Lo spazio è praticamente vuoto, quindi le particelle dell'esplosione vengono disperse immediatamente e di conseguenza non sono abbastanza dense da trasportare il suono.
Suoni spaziali spettrali
Il suono è anche definito in termini di differenza di pressione. Mentre il suono viaggia attraverso l'aria, allunga e contrae la pressione dell'aria circostante. L'aria oscilla su e giù, e la differenza di tempo tra queste oscillazioni è nota come frequenza del suono. Questa frequenza è misurata in Hertz (una oscillazione al secondo).
Il suono, come la luce, ha anche uno spettro. Gli esseri umani possono sentire solo suoni di frequenze tra 20 Hz e 20 kHz: tale intervallo è detto gamma acustica, in analogia con la gamma visibile di luce nello spettro elettromagnetico. Le frequenze inferiori a 20 Hz sono note come infrasuoni, mentre le frequenze superiori a 20 kHz sono gli ultrasuoni.
Anche la percezione è altamente consequenziale. Non possiamo sentire le frequenze al di sopra o al di sotto della gamma acustica a causa dei vincoli dell'apparato uditivo. Ciò che etichettiamo e modelliamo come "suono" è un insieme di frequenze particolari a cui è sintonizzato il nostro orecchio.
I suoni nello spazio possono essere rivelati indirettamente studiando la radiazione elettromagnetica emessa dalle nubi di polveri e gas attraversate dalle onde acustiche. I suoni nello spazio sono stati registrati dalla NASA con l'ausilio di apparecchi altamente sensibili, come l'Osservatorio a raggi X Chandra.
Gli astronomi hanno scoperto un buco nero supermassiccio che “ronza” a 250 milioni di anni luce dalla Terra, risiedendo nell'ammasso di Perseo. Hanno osservato le increspature nel gas che riempivano questo ammasso, producendo la "nota" più profonda rilevata da qualsiasi oggetto nell'Universo. Questo è un milione di miliardi di volte più profondo della più bassa frequenza di suono che possiamo sentire.
Perseo è il gruppo più luminoso di galassie che diffonde raggi X, che lo rende il jukebox perfetto per trovare onde sonore nello spazio che riverberano attraverso il gas nel cluster. Si stima che l'impulso elettromagnetico sia stato generato dal movimento di gas caldo e magnetizzato che ingloba il buco nero.
Il suono delle onde gravitazionali
Possiamo parlare di suoni dell’Universo anche in relazione alle onde gravitazionali "predette" oltre un secolo fa da Albert Einstein sulla base della sua teoria della relatività generale e recentemente confermate nella pratica. Le onde gravitazionali viaggiano alla velocità della luce ed il loro effetto discernibile è una distorsione o un'incrinatura spazio-temporale.
Il primo punto che dobbiamo comprendere è che il nostro pianeta, la Via Lattea e il resto delle galassie esistono tutti in un sistema in cui né lo spazio né il tempo sono costanti. Entrambi costituiscono un tessuto che può essere modificato dalla materia e dall'energia; maggiore è la massa, maggiore è la deformazione. Infatti, gli oggetti più grandi deformano il tempo nello spazio e fanno sì che altri oggetti più piccoli sperimentino una forza di attrazione e orbitano intorno a loro.
In ogni caso qualsiasi oggetto in rapido movimento produce queste onde gravitazionali o increspature, che poi si propagano deformando il tessuto spazio-temporale; ma la gravità è molto debole, quindi queste onde sono rilevabili solo se prodotte da corpi enormi che si muovono a grande velocità.
Esempi potrebbero essere rappresentanti da fenomeni come i momenti che precedono la fusione di due buchi neri o l'esplosione di una supernova; ad oggi, tuttavia, sono stati prodotti così lontani da noi che sono impercettibilmente deboli nel momento in cui raggiungono il nostro sistema solare.
Prova diretta della loro esistenza è stata acquisita per la prima volta dall’interferometro LIGO, uno strumento ottico statunitense ad alta precisione che sta impegnando oltre un migliaio di ricercatori a livello mondiale. L'interferometro VIRGO europeo e il rivelatore di onde gravitazionali Geo600 in Germania sono altri esempi dei pochi strumenti di precisione attualmente in funzione. Questi moderni rivelatori decodificano i segnali ricevuti da queste onde di energia in suono; per questo motivo alcuni fisici li hanno soprannominati mormorii spazio-temporali.
Ciò che questi rivelatori sono riusciti a misurare nel 2015 erano onde da 10 Hz a 1000 Hz. Allo stesso tempo, ESA sta realizzando un progetto per rivelare onde gravitazionali nell'intervallo da 0.1mHz a 1Hz, attraverso la missione LISA (Laser Interferometer Space Antenna), un'iniziativa congiunta ESA-NASA che costituirà la prima stazione spaziale a lavorare come un dispositivo di misurazione dell'onda gravitazionale a bassissimo raggio. L'anno di lancio programmato è il 2034 e le conclusioni che ne trarranno aiuteranno a completare il puzzle del Big Bang, a chiarire la composizione dell'Universo e a far luce sul suo futuro.
Nel frattempo, il 3 dicembre 2015, dallo spazio spaziale europeo di Kourou nella Guiana francese, un missile Vega è esploso per mettere in orbita la missione LISA Pathfinder per il test in volo di questa tecnologia di rivelazione delle onde gravitazionali. Questa fase precedente della missione LISA si è conclusa nel luglio 2017, data in cui il trasmettitore di bordo è stato spento. Ma in soli due mesi di test scientifici sono state tratte le prime conclusioni, presentate nel Centro spaziale europeo di astronomia (ESAC) nella capitale spagnola. Oltre a provare l'esistenza di questo disturbo gravitazionale, secondo Fabio Favata, Capo dell'Ufficio di Coordinamento per la Direzione della Scienza, la missione di LISA Pathfinder è stata un successo clamoroso, inaugurando una nuova era di innovazione.
In questa missione di validazione, il banco di prova di LISA Pathfinder è stato messo in orbita nel marzo 2016 attorno al punto Terra-Sole L1 a circa 1,5 milioni di chilometri dalla Terra, per un periodo di 16 mesi. L'astronave, seguendo l'orbita di Lissajous, è rimasta in caduta libera.
Il cuore di questa navicella si trova in una capsula centrale cilindrica, il LISA Technology Package (LTP) da 150 chilogrammi, progettato da Airbus Defence & Space Ltd. Questo contiene due masse di test identiche che pesano meno di due chilogrammi, costituite ciascuna da un cubo di 46 mm di lato composto da una lega platino-oro, e separate da una distanza di 38 centimetri. Un fascio di luce (laser interferometrico) misura continuamente la posizione e l'orientamento di queste masse di test, con precisione del picometro (10-12m). Qualsiasi onda gravitazionale passante si rivelerebbe quindi come un cambiamento nella posizione relativa dei cubi.
Conclusioni
Si stima che siano passati 14 miliardi di anni dalla nascita dell'Universo e che qualsiasi suono prodotto dall'evento si sia da tempo scomparso. Gli scienziati ritengono, tuttavia, che l'espansione dell'Universo abbia prodotto massicce ondate sonore che hanno risuonato attraverso il plasma e l'idrogeno, modellando la radiazione di fondo cosmica in modo che alcune aree rimangano più calde e altre restino più fredde. In tutto questo molte onde gravitazionali si sono prodotte in seguito a vari eventi astronomici, come la fusione di buchi neri. Lo studio del suono ci porterà a individuare nuove teorie dell’Universo e, perché no, nuove forme di vita con le quali comunicare.
L' autore
Chi è Maurizio Di Paolo Emilio
Dottore di ricerca in Fisica, Ingegnere delle telecomunicazioni e Giornalista pubblicista, ha lavorato in esperimenti per la rivelazione di onde gravitazionali (LIGO/VIRGO: Premio Nobel per la Fisica) e come progettista software e hardware per diverse aziende nel campo dell’elettronica. Attualmente collabora come Editor/Technical Writer per vari magazine, è Direttore Responsabile della rivista Firmware e EOS-Book e gestisce i contenuti del blog Elettronica Open Source. Con l'Università degli Studi dell'Aquila collabora con attività di ricerca nel campo dei raggi X e sistemi ad alta tensione come professionista. È autore di vari libri editati dalla Springer e dalla LAP Lambert (http://amazon.com/author/maurizio ), oltre a numerose pubblicazioni scientifiche e tecniche (https://it.linkedin.com/in/mauriziodpe). Per informazioni mdipaolo21@gmail.com
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