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Particelle cosmiche


A Ginevra si va a caccia di polvere di stelle




Provengono dal Sole o dallo spazio profondo. Le particelle cosmiche, minuscoli granelli di materia carichi d’energia, offrono indizi agli scienziati sull’origine e l’avvenire dell’universo. Due rilevatori – uno internazionale, l’altro cinese – danno loro la caccia direttamente nell’orbita terrestre. Ginevra partecipa allo sviluppo di questi strumenti e analizza una parte dei dati che forniscono. 

AMS-02 è ancorato all'esterno della Stazione spaziale internazionale, che viaggia a 400 km/h sopra le nostre teste.  (NASA)

AMS-02 è ancorato all'esterno della Stazione spaziale internazionale, che viaggia a 400 km/h sopra le nostre teste. 

(NASA)

Il primo si chiama AMS-02 e da cinque anni e mezzo è fissato alla Stazione spaziale internazionale (ISS), una collaborazione fra statunitensi, russi, europei, giapponesi e canadesi. Il secondo, battezzato Polar, è decollato il mese scorso con la stazione spaziale cinese Tiangong 2

Obiettivo: individuare e analizzate le particelle, emesse principalmente dalle stelle, che girano a velocità vertiginose nel cosmo. Funzionano con un principio molto simile ai rilevatori del CERN (il laboratorio europeo per la fisica delle particelle), salvo che in questo caso le particelle non vengono create tramite accelerazioni e collisioni, ma vengono “raccolte” direttamente in natura. AMS e Polar devono molto al CERN, ma anche al Dipartimento di fisica nucleare e corpuscolare (DPNC) di Ginevra.

Per specialisti, ma non solo…

AMS, concepito dal Premio Nobel per la fisica Samuel Ting, è un super-magnete costituito da 6'000 componenti in lega metallica. Forato al centro, ha la forma di una grossa ciambella di 80 centimetri di altezza per poco più di 1 metro di diametro. Separa le particelle a seconda della loro carica elettrica prima di farle passare attraverso una serie di sensori che ne identificano le proprietà.

AMS è capace di captare protoni e atomi d’antimateria permettendo così ai fisici di inoltrarsi sulle tracce della misteriosa materia oscura, la cui relazione con l’antimateria è tuttora molto discussa. Dopo 5 anni e 100 miliardi di particelle “catturate”, però, nessuna grande scoperta è stata ancora fatta grazie a AMS. I suoi risultati sono serviti soprattutto ad affinare i modelli teorici e a fornire quindi ulteriori grattacapi agli scienziati. 

16 anni per ideare e mettere in orbita AMS (in inglese)

Bilancio deludente? No, secondo Sonia Natale, che ha lavorato alla concezione di AMS. Ricorda che, nel mondo della scienza, il successo non si può mai dare per scontato e anche la fortuna può avere un ruolo. Come esempio cita le onde gravitazionali, individuate il giorno della rimessa in funzione dell’osservatorio LIGO, negli Stati Uniti, dopo uno stop tecnico di diversi anni.

“In ogni caso”, sottolinea la ricercatrice del CERN, “AMS farà ciò che non è mai stato fatto prima: un monitoraggio continuo di tutti i flussi di particelle attorno alla Terra, la maggior parte delle quali proviene dal Sole. E questo fino a che l’ISS avrà vita, ovvero fino al 2024, speriamo più a lungo”.

Gli scienziati in questo modo otterranno dati preziosi sulle variazioni dell’attività solare durante un ciclo completo (11 anni), e ciò dovrebbe permettere di prevedere l’influenza del nostro astro sulla vita e sulle attività umane (cambiamenti climatici, comunicazioni radio, eccetera).

“Houston, abbiamo un problema”

I dati raccolti da AMS arrivano a Prévessin, in territorio francese, nel complesso edificato dal CERN negli anni ‘70. Un edificio recente, ricoperto con una lamiera ondulata blu, con un grande affresco rappresentante il cosmo su una facciata che gli conferisce un aspetto sgargiante, in mezzo alle altre costruzioni, spartane e piuttosto vetuste.

Qui, si ha già un piede alla NASA. Anche se non appartiene all’Agenzia spaziale statunitense, AMS è ben ancorato alla “sua” stazione spaziale. “Sono loro che gestiscono la struttura, quindi dobbiamo seguire le loro regole”, spiega Natale.  

“Per riavviare il computer di AMS, bisogna utilizzare un portatile a bordo della stazione, ed è uno degli astronauti che deve attivare la connessione”, racconta la scienziata. Ma non possiamo contattarli direttamente, dobbiamo farlo tramite la NASA. Hanno degli addetti a Houston formati appositamente alla gestione dello stress. Sono gli unici abilitati a parlare con gli astronauti. È una questione di fiducia”.

Riparare AMS è semplicemente una missione impossibile. “Volevamo modificare un componente che non funzionava correttamente”, ricorda Natale.” Abbiamo dovuto inviare un dossier completo e aspettare quasi due mesi prima di farci dire che non sarebbe stato possibile. Si sarebbe dovuto organizzare un’uscita extra-veicolare e AMS ha dei bordi affilati, che rischiano di tagliare la tuta dell’astronauta. Abbiamo dovuto trovare una soluzione tramite modifiche di software.

Disciplina cinese

Con i vincoli di regolamento ha dovuto fare i conti anche Nicolas Produit. Non a Ginevra, non a Houston, ma in Cina. Ex fisico al CERN, lavora attualmente per l’Osservatorio di Ginevra ed è l’ideatore di Polar, primo esperimento non cinese a imbarcarsi su una stazione spaziale del paese asiatico.

Produit aveva tutti gli accrediti necessari per assistere al lancio, avvenuto lo scorso 15 settembre dalla base di Jiuquan, nel deserto del Gobi. Ma alla vigilia del “giorno J” è stato impedito a lui e a due suoi colleghi di andarvi. Ha dovuto assistere alla partenza del razzo dal tetto del suo albergo. Il motivo: i tre uomini avevano passeggiato in un quartiere della citta nel quale non avrebbero dovuto essere poiché un ministro era di passaggio in quella zona. E i militari cinesi – che hanno molto potere sui voli spaziali con equipaggio – non scherzano con la disciplina.

Il decollo del razzo Long March che ha messo Polar in orbita, il 15 settembre 2016. Il sensore è ancorato alla seconda versione della stazione spaziale cinese.  (Reuters)

Il decollo del razzo Long March che ha messo Polar in orbita, il 15 settembre 2016. Il sensore è ancorato alla seconda versione della stazione spaziale cinese. 

(Reuters)

Nicolas Produit tende oggi a scherzare su questo “incidente”, ed è comunque molto soddisfatto per essere riuscito a convincere i cinesi a mettere in orbita il suo rilevatore. “C’è una grandissima concorrenza per inviare oggetti nello spazio. Sono delle competizioni, e ne ho fatte molte. Mi sono rivolto all’ESA, ai russi, agli indiani e non ho mai vinto, fino a che non sono andato dai cinesi.

AMS e Polar: due progetti con una forte componente ginevrina, due competizioni vinte. È più di un caso. Lavorare o aver lavorato al CERN aiuta a creare dei buoni contatti, visto che, a livello globale, praticamente un fisico delle particelle su due vi ha a che fare.

Prima di Polar, il DPNC aveva peraltro già costruito DAMPE, una replica semplificata di AMS (senza magnete), lanciato nel dicembre del 2015, sempre con un satellite cinese.

Polar, dal canto suo, non è una versione “light” di AMS. È una scatola in alluminio di 40 centimetri per 40 contenente 1'600 scintillatori, ovvero cristalli che reagiscono al bombardamento di fotoni (da cui è composta di luce) ad alta energia. Se AMS è un rilevatore a tutto campo, Polar è concepito per rispondere a una sola domanda: “I fotoni emessi durante la fase più intensa dei lampi gamma sono o non sono polarizzati?”

Cataclismi galattici

Cosa vuol dire? I lampi gamma sono i fenomeni più violenti e più luminosi osservabili nell’universo. In un arco di tempo che varia da pochi secondi a qualche minuto, una massa enorme di particelle, che può raggiungere quella della Terra, è proiettata nello spazio alla velocità della luce. L’ipotesi più diffusa è che questo cataclisma galattico provenga dal collasso di una stella gigante – centinaia di volte più grande del Sole – che termina in questo modo la sua vita trasformandosi in un buco nero. 

100 milioni di volte più luminoso di una supernova ! (in inglese)

“Ci inoltriamo in campi della fisica non esplorabili in laboratorio. Le energie di queste particelle hanno valori che non potranno essere mai raggiunti al CERN. È qualcosa di completamente ignoto e su cui si lavora per estrapolazione”, spiega Produit.

Questi flash titanici – capaci di illuminare una galassia intera – sono molto rari. Si ritiene che, in una galassia, se ne produca uno ogni 100 milioni di anni. Ma dato che le galassie sono moltissime, in media ogni giorno si presenta la possibilità di osservarne uno. Polar è studiato per “guardare” costantemente un quarto del cielo e dovrebbe dunque riuscire a percepirne uno ogni quattro giorni.

E la polarizzazione? Molto schematicamente, possiamo dire che la luce “normale” si sposta con una traiettoria a forma di onda verticale, come quelle del mare. Se la luce è polarizzata, l’onda subisce una rotazione e non si propaga verticalmente, ma è piatta.

Come si propagano dunque le onde dei lampi gamma? “Dopo 50 anni che li si sta studiando, non sappiamo ancora nulla”, dice lo scienziato. “Le ipotesi variano dallo 0% di polarizzazione fino al 100%. Affinché la luce sia polarizzata, ci vuole un campo magnetico organizzato e una zona di emissione non troppo grande. I dati che raccoglieremo ci aiuteranno a comprendere cosa sono veramente i lampi gamma”.

Morte dal cielo

I lampi gamma si verificano in altre galassie, a milioni, miliardi, di anni luce dal nostro pianeta, “fortunatamente per noi”, sottolinea Produit. “Se si verificassero nella nostra Via Lattea, non sarebbe proprio il massimo per la vita sulla terra”.

Un eufemismo. Secondo un articolo pubblicato nel 2013 su Nature, se un lampo gamma colpisse la Terra potrebbe distruggere in qualche secondo un terzo della fascia d’ozono. I raggi UV del Sole diventerebbero mortali per la maggior parte delle piante e per il plancton, che è alla base della catena alimentare oceanica. Fino al 60% della produzione alimentare scomparirebbe in qualche settimana con il caos che ne scaturirebbe per le società umane.

Per aggiungere un po’ di “colore” a questo quadro apocalittico, la nuova composizione dell’atmosfera porterebbe alla formazione di uno strato di nuvole tossiche di ossido d’azoto, che coprirebbe il Sole, renderebbe il cielo giallo-arancio e annaffierebbe il pianeta di piogge acide. 


Traduzione dal francese, Zeno Zoccatelli

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