domenica 13 marzo 2016

Il raggio della morte, sette miliardi di umani e l'espansione dell'universo.

Misurare l'espansione dell'universo dal semplice fatto che esistiamo.


Il principio antropico nasce dalla constatazione che la nostra esistenza come esseri umani è subordinata a una serie di condizioni a cui l'universo e le leggi fisiche devono sottostare. In altri termini la natura deve essere tale da permettere lo sviluppo, da qualche parte dell'universo (ad esempio  su un anonimo pianeta in un'anonima galassia, che visto da distante appare blu) la comparsa della vita. Non solo, ma ancor prima di ciò la natura deve essere tale da permettere che possa esistere una anonima galassia e che all'interno di essa si formino stelle sufficientemente longeve e stabili con attorno pianeti contenenti una ampia varietà di elementi chimici da permettere alla vita di svilupparsi. No materia, no stelle, no party!

Tutto questo è subordinato ad una precisa scelta, da parte della natura, delle sue leggi e  delle cosiddette costanti fondamentali. Ad esempio se quantità come la carica elettrica dell'elettrone, o la massa del protone, o l'intensità della forza nucleare, fossero anche solo di poco diverse, tanto per citare alcuni parametri più o meno a caso, l'universo sarebbe radicalmente diverso, e non sarebbe possibile la formazione degli atomi, né dei nuclei atomici, né sarebbero possibili le reazioni nucleari che permettono alle stelle di esistere, e quindi non ci sarebbe nulla di ciò che conosciamo, compresi gli eventuali osservatori in gradi di porsi queste domande, la cui esistenza è subordinata a tutto il resto.

Il principio antropico ci dice sostanzialmente che la semplice nostra esistenza impone severe limitazioni sulle leggi fisiche della natura. Il fatto stesso che siamo qui implica una lunga serie di conseguenze sulle leggi della natura anche in campi che apparentemente nulla hanno a che fare con l'uomo, tipo la vita media del neutrone, il tasso di espansione dell'universo, la quantità di materia oscura presente nel cosmo, il valore della velocità della luce, etc. Se queste quantità (e molte altre) fossero diverse, se la natura avesse fatto scelte diverse, adesso semplicemente non saremmo qui a cazzeggiare. Il problema stesso del principio antropico, quindi, esiste solo se la natura ha fatto le scelte "giuste".

Un recente lavoro scientifico, leggibile qui, applica il principio antropico per valutare importanti conseguenze sulle caratteristiche globali dell'universo. Quella che segue è una storia veramente affascinante e sorprendente, che mescola assieme aspetti della conoscenza scientifica tra i più disparati, e che ci ricorda, ancora una volta, come la scienza sappia essere incredibilmente avvincente.

La storia inizia dal fatto che nel cosmo esistono fenomeni astrofisici che si chiamano "gamma ray bursts" (GRB), ovvero "impulsi di raggi gamma". Esistono oggetti celesti che improvvisamente, senza preavviso, e in modo del tutto occasionale, emettono brevissimi impulsi di raggi gamma di altissima energia. Questi impulsi, visibili al meglio dai satelliti fuori dall'atmosfera, possono durare da meno di un secondo ad alcune ore, e sono tra gli eventi con maggiore emissione di energia del cosmo (leggi ad esempio qui). Mediamente se ne osserva uno al giorno.

Osservati per la prima volta negli anni 60 dagli americani con i primi satelliti in orbita, all'inizio furono ritenuti opera dei russi, essendo quello  il periodo della guerra fredda, e la loro scoperta venne tenuta segreta. Verso la metà degli anni 70, capito che i russi non c'entravano proprio, i militari americani consegnarono i GRB agli scienziati.

In questi ultimi anni i GRB sono stati studiati da svariati esperimenti, e si è capito che essi sono associati ad eventi astrofisisici catastrofici, come la caduta di materia all'interno di un buco nero o l'esplosione di una supernova. In queste fasi la materia, "strizzata" in condizioni estreme, si surriscalda e può emettere raggi gamma a manetta. Ovviamente molto resta ancora da capire e da scoprire sui meccanismi responsabili di questi incredibili fenomeni.

Le sorgenti di GRB sono ovunque nel cielo, e non sono raggruppate nel piano della Via Lattea, a testimoniare il fatto che sono principalmente esterne alla nostra galassia, e quindi anche molto lontane. Sono state identificate sorgenti di GRB distanti oltre 10 miliardi di anni luce. In questo link i GRB rivelati dai vari satelliti vengono mostrati in tempo reale, e per ognuno è possibile visualizzarne le caratteristiche (ci vuole qualche secondo a caricare la mappa).

Ma la cosa veramente peculiare di queste sorgenti è che esse non emettono i loro intensi e improvvisi impulsi di raggi gamma in tutte le direzioni in modo isotropo, come una stella emette la luce, ma soltanto in una direzione ben specifica, che dipende dalla forma e dalla struttura della sorgente, e che dal nostro punto di vista di terrestri appare del tutto casuale. Una specie di fascio impulsato di altissima energia, come un raggio della morte, che all'improvviso fende lo spazio in modo collimato. Pertanto noi vediamo solo quei GRB che sono stati emessi, casualmente, nella direzione della terra. Gli altri vanno in direzioni diverse, e per noi sono invisibili.

Data l'energia emessa in questi fenomeni sotto forma di raggi gamma, qualora un pianeta, metti di colore azzurro se visto dallo spazio e dotato di un'atmosfera che protegge esseri viventi di varia foggia e dimensione, dovesse trovarsi per sfiga nella direzione giusta (che poi sarebbe quella sbagliata...) a distanza "relativamente breve" dalla sorgente emettitrice, quel pianeta sarebbe fottuto.

Infatti i fotoni dei GRB sono di tipo X o gamma, ovvero di alta energia, al contrario di quelli che arrivano dal sole che sono principalmente di luce visibile (quelli che non lo sono e che sarebbero pericolisi ci vengono intercettati dall'atmosfera). Questi fotoni di tipo incazzoso interagiscono subito nella stratosfera, la parte alta dell'atmosfera terrestre, avendo un libero cammino medio piccolo (il libero cammino medio è la distanza media che riescono a percorrere i fotoni senza interagire con la materia, le sue molecole o i suoi nuclei). Nella parte alta dell'atmosfera c'è l'ozono, un gas che è essenziale per schermare i raggi ultravioletti e quindi proteggere gli esseri viventi che vivono sotto di essa. L'ozono verrebbe pertanto largamente distrutto da questo arrivo massiccio di agguerriti raggi gamma, privando gli abitanti del pianeta del suo schermo protettivo. In aggiunta questi fotoni causerebbero tutta una serie di danni aggiuntivi, tipo ionizzare le molecole dell'atmosfera, che a loro volta emetterebbero fotoni ultravioletti, che pure raggiungerebbero in grande quantità la superficie terrestre, aggiungendo danno al danno. I dettagli di questi ed altri processi che verrebbero indotti da un arrivo massiccio di GRB sull'atmosfera terrestre sono elencati ad esempio qui e qui.

E il termine "distanza relativamente breve", quando si parla di emissioni intense di GRB, va inteso in senso astronomico. In questo caso una distanza relativamente breve, al di sotto della quale la terra sarebbe in pericolo, è di qualche decina di migliaia di anni luce, ovvero una distanza grosso modo confrontabile con le dimensioni della nostra galassia. In pratica se uno di questi raggi della morte dovesse, casualente, puntare verso la nostra terra partendo dalle zone vicine del braccio della galassia in cui si trova il sole, o da qualche galassia satellite della Via Lattea, sparando i suoi raggi gamma su di noi, la terra potrebbe avere qualche serio grattacapo.

Si stima che la frequenza di eventi del genere che avvengano nelle prossimità della terra tanto da essere potenzialmente letali, ovvero eventi che puntano nella nostra direzione, sono per fortuna rari, ma non troppo: mediamente un paio ogni miliardo di anni. La nostra terra esiste da circa 5 miliardi di anni, e quindi è probabile che in passato abbia dovuto "sopportare" più di un evento simile. Infatti alcuni ipotizzano che almeno una delle grandi estinzioni di specie viventi che hanno caratterizzato la storia della terra potrebbe essere stata scatenata da un GRB (fonte). Si tratta della grande estinzione dell'Ordoviciano, avvenuta circa 450 milioni di anni fa, un evento che ha causato la scomparsa dell'85% delle specie viventi, per la quale le caratteristiche dell'estinzione delle varie specie sono consistenti con quello che si pensa avverrebbe a seguito di un GRB.

Per inciso l'estinzione più catastrofica nella storia della terra si è verificata 250 milioni di anni fa, con la scomparsa del 95% delle specie viventi. In pratica un evento che ha obbligato la terra a ripartire quasi da zero. Il lavoro di tre miliardi di anni spesi a produrre specie viventi buttato praticamente nel cesso da un giorno all'altro. Una cosa difficile da spiegare per i sostenitori del disegno intelligente che starebbe dietro l'evolversi della natura. Ma qui si rischia di andare fuori tema.

Comunque, se pensate che tutto questo sia un'invenzione strampalata degli scienziati tanto per spaventarci, il 27 dicembre del 2004 un impulso gamma  proveniente dall'altra parte della Via Lattea, a 50mila anni luce da noi in direzione della costellazione del Sagittario, è arrivato sulla terra. E' durato solo un paio di decimi di secondo (i peggiori in genere sono quelli più lunghi, e questo era decisamente corto), ed era un impulso di quelli fiacchi, non certo di quelli di cui temere, ma nonostante questo e nonostante la distanza ha comunque mostrato i suoi effetti nell'atmosfera terrestre disturbando per più di un'ora le comunicazioni (fonte). L'energia emessa dalla sorgente, che per l'appunto non era di quelle tremende, è stimata comunque essere pari a quella che il sole emette in qualche centinaia di migliaia di anni di onesto funzionamento. Insomma, tutto sommato l'abbiamo scampata bella, nonostante i Maya non ci avessero informato per tempo. Peccato anche per Giacobbo, che non ha potuto scriverci un libro per tempo, né dedicarci quelle due dozzine di puntate di Voyager che sarebbero state necessarie per far vendere il libro.

L'evento GRB più energetico mai osservato è stato visto il 27 aprile 2013, proveniente da un punto nella costellazione del Leone. I fotoni che hanno raggiunto la terra avevano un'energia di circa 100 GeV, pari alle energie raggiunte nei moderni acceleratori di particelle, e l'evento è durato per alcune ore. La sorgente si trovava a circa 3,6 miliardi di anni luce dalla terra (fonte). L'evento permise di prevedere l'esplosione di una supernova, che fu osservata un paio di settimane dopo (fonte).  Se invece che così distante fosse stato dalle nostre parti, adesso i problemi tipo se restare o meno nell'euro o l'abolizione delle provincie sarebbero di secondaria importanza.

Quindi, ritornando al nostro raggio della morte, il principio antropico ci dice che, per il semplice fatto che siamo qui, eventi di questo tipo devono essere poco frequenti. Se coi non fosse, sarebbe impossibile garantire le condizioni per sviluppare la vita, per lo meno nella forma a noi nota (ma probabilmente in qualunque altra forma, perché la vita ha bisogno di complessità, e la complessità, per formarsi, richiede tempo).

E qui entra in gioco l'espansione dell'universo. Sappiamo che l'universo si espande, e che quindi in passato le galassie erano molto più vicine fra loro. La densità della materia era maggiore in passato rispetto ad oggi. Non solo, ma sappiamo che il tasso di espansione dell'universo "accelera" nel tempo. Oggi l'universo si espande più velocemente che in passato. Questo viene parametrizzato matematicamente da una quantità che si chiama Costante Cosmologica. Una cosa che Einstein aveva trovato dalle sue equazioni, ma che decise di togliere con la forza bruta, di nasconderla sotto il tappeto, perché non la riteneva credibile. Un errore che egli in seguito definì "il più grande errore della mia vita". Anche i geni a volte si lasciano fregare dai pregiudizi.

La costante cosmologica ha un valore "piccolo" ma positivo. Questo vuol dire che tanto più spazio si produce con l'espansione dell'universo, tanto più l'espansione aumenta di velocità. E quindi in passato, miliardi di anni fa, l'espansione procedeva più lentamente di adesso. Ora, cosa c'entra l'espansione dell'universo con i nostri raggi della morte e il fatto che noi siamo qui a parlarne, e che quindi i raggi della morte devono essere rari?

C'entra perché se l'universo si espandesse più lentamente, la densità delle galassie, e la densità delle galassie satelliti attorno alla Via Lattea, ovvero proprio quelle galassie dove sono più probabili le sorgenti di GRB, sarebbe sufficientemente alta da rendere troppo frequenti gli eventi catastrofici di GRB per gli eventuali pianeti in giro per la galassia. Troppo frequenti da impedire ad un pianeta che da distante appare azzurro di sviluppare con la dovuta calma le complesse forme di vita capaci di scrivere questo blog, tanto per fare un esempio interesato.

E quindi, il semplice fatto che state leggendo questo imperdibile scritto implica che l'universo deve espandersi in modo sufficientemente veloce da rendere abbastanza rari questi eventi catastrofici per la vita. Questo semplice fatto implica anche che la costante cosmologica non può essere zero, e deve essere positiva. Se così non fosse, non saremmo qui.

Non solo: sempre a causa dell'espansione dell'universo, e grazie al valore della costante cosmologica, soltanto in tempi relativamente recenti le condizioni dell'universo sono diventate tali da rendere sufficientemente improbabili gli eventi distruttivi di GRB. Questo è dovuto sia al diminuire della densità della materia, ma anche al fatto che i GRB avvengono  più facilmente in galassie in cui scarseggiano elementi chimici pesanti. Per produrre stelle con elevato contenuto di elementi pesanti (si chiama "metallicità", in gergo), occorre dare tempo alla natura di fare il suo lavoro.  Si stima che per tempi più antichi di circa 5 miliardi di anni (un redshift delle galassie > 0.5) , gli eventi di GRB a cui un pianeta veniva sottoposto erano troppo frequenti per garantire lo sviluppo della vita in modo duraturo. Soltanto negli ultimi 5 miliardi di anni questi eventi catastrofici sono diventati in media sufficientemente rari. E guarda caso 5 miliardi di anni è proprio l'età della nostra terra. La vita, insomma, ha dovuto aspettare prima di prendere il sopravvento, fino a quando i GRB sono diventati sufficientemente rari. Prima di allora solo che provavi a far nascere un'ameba da qualche parte che subito arrivava un raggio gamma che ti distruggeva tutto.

Ma sappiamo anche che, sempre per il semplice fatto di essere qui, la costante cosmologica non può essere nemmeno troppo grande. Lo sapevamo già, questo, dagli studi sull'universo primordiale. Se la costante cosmologica fosse più grande di quello che è, l'universo si espanderebbe più velocemente. Troppo velocemente! Troppo velocemente tanto da non dare tempo alle strutture complesse come le galassie e gli ammassi di galassie, e all'interno di esse di pianeti che da distante appaiono azzurri, di formarsi.

Insomma, il semplice fatto di essere qui, di esistere e di porci queste domande, impone severe limitazioni all'ampio catalogo di scelte che la natura avrebbe potuto compiere nel selezionare i parametri che entrano nelle leggi fisiche. E per quello che riguarda l'espansione dell'universo, essa non deve procedere troppo lentamente, perché altrimenti la frequenza di eventi letali dovuti ai GRB sarebbe stata troppo elevata da impedire alla vita di prendere campo, e nemmeno troppo velocemente, perché in tal caso le galassie non avrebbero avuto il modo e il tempo di formarsi. In entrambi i casi noi non saremmo qui, e guarda caso i valori ammessi da questi studi sul tasso di espansione dell'universo coincidono con quello che viene effettivamente misurato.

Insomma, l'ingenua convinzione che a volte sentiamo dire, che con tante galassie e tante stelle nell'universo vuoi che non ci siano anche tanti pianeti a ospitare la vita, è tutt'altro che scontata. Per una decina di miliardi di anni l'universo è stato un luogo estremamente ostile alla formazione della vita, e gran parte dell'universo, come ad esempio le parti centrali delle galassie, dove la densità di stelle è molto elevata, lo è anche adesso, e probabilmente per sempre lo sarà. E i meccanismi che ci hanno permesso di essere qui a parlarne sono in realtà il risultato di una incredibile gimcana a ostacoli. Perché e come questo sia avvenuto è un argomento altrettanto affascinante su cui la scienza si interroga e prova a rispondere. Stay tuned.



4 commenti:

  1. Ottimo post, quello che non mi convince molto però è il principio antropico che in certe interpretazioni dà supporto a teorie "finaliste" o vari tipi di "disegno intelligente". Non sono un fisico e potrei anche sbagliare adesso ma dire che se le costanti universali fossero diverse la vita così come la conosciamo non ci sarebbe, oltre ad essere un ovvietà, mi sembra un argomento troppo antropocentrico. Non ci sarebbe la vita e l'universo come lo conosciamo e allora? potrebbe esserci benissimo un altro universo con altre forme di vita o di materia e di qualche tipo di esseri intelligenti ad osservarlo e studiarlo. Forse esagero e sto facendo discorsi da bar, comunque bel post, io l'argomento dei GRB e degli asteroidi lo uso con i miei studenti per passare il concetto di casualità dell'evoluzione della vita sulla Terra.

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  2. Il principio antropico è spesso usato in modo antropocentrico, ma sbagliando. Il principio antropico dice che SICCOME esiste l'uomo, ALLORA le leggi della natura devono avere certe caratteristiche, e non il contrario. E' sbagliato affermare che il principio antropico dice che siccome la natura ha certe caratteristiche, ALLORA deve esistere l'uomo. Sono due cose che sembrano simili ma sono molto diverse. Il principio antropico esiste solo se qualcuno puo' porsi il problema. E' l'esistenza dell'uomo, o meglio della vita, intesa come esistenza di materia complessa, che impone limitazioni alle possibilità delle "scelte" della natura, e non il contrario. Ovvero l'ovvietà che siccome siamo qui, la natura non poteva essere diversa tanto da non farci essere qui. Come dici giustamente, i GRB e gli asteroidi mostrano appunto la casualità dell'evoluzione, e quindi l'assenza di un disegno "intelligente".

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  3. A proposito dell'ipotesi che vuole le grandi estinzioni di massa causate dai GRB va però detto che le recenti ricerche geologiche hanno portato ad acclarare che queste furono provocate dalle cosiddette "large igneous provinces". E dopo la coincidenza anche il meccanismo è "abbastanza " chiaro. Purtroppo questi è chiaro per i geologi ma non per gli astronomi ;-), a ognuno il suo mestiere e che la scienza trionfi. Ad esempio è ormai certo che con l'estinzione più famosa, quella dei dinosauri, il meteorite non c'è mai entrato!
    Lo spazio qui è poco anche per pochi dettagli e rimando al recentissimo libro del bravo Aldo Piombino, "Il meteorite e il vulcano. Come si estinsero i dinosauri".

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  4. Ringrazio Stefano Marcellini per tutti gli articoli scientifici, scritti in maniera comprensibile e divertente.
    I fotoni di tipo 'incazzoso' :)

    Saranno gli stessi che girano a me quando litigo con mio marito dato che gli dico sempre: "quando fai così mi fai venire i fotoni' :)
    Peccato che non riesco a produrre i GRB dalle mani per disintegrare anche certe persone :)

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