Il redshift

Ciao a tutti! Dopo una pausa estiva Space break ricomincia e ci sono delle novità.

Primo. Al famoso sondaggione ha risposto circa il 30% dei lettori delle newsletter. Seguendo le indicazioni che mi avete dato, le newsletter usciranno ogni due settimane, anziché ogni settimana. Questo probabilmente vi darà più tempo per leggerle e anche io avrò più tempo per scriverle. Prometto però di non allungarle, che sennò non funziona.
 Per quanto riguarda il giorno, invece, quasi il 60% le vorrebbe ricevere nella seconda parte della settimana, il giovedì, venerdì o sabato. Considerando che le newsletter erano di giovedì, direi che non c’è un particolare motivo per cambiare. Poi come al solito non ci formalizziamo: se qualche volta sono costretto a mandarle di lunedì o sabato, io faccio finta di niente e voi non vi arrabbiate.
 Terrò anche conto dei vostri suggerimenti sugli argomenti. Per chi avesse proposte o domande l’indirizzo è sempre spacebreak [at] francescobussola.it

Secondo. Space break si allarga con il podcast Storie.
 Una volta al mese intervisterò dei giovani ricercatori in fisica. Parleremo di un po’ di tutto, dall’astrofisica alla fisica medica.
 Storie comincia la prossima settimana. Metterò il link ai podcast direttamente nella newsletter. Fatemi sapere che ne pensate.

Terzo. Abbiamo un nuovo compagno di viaggio. Si chiama Alessandro Toffali, ha studiato fisica e, ogni tanto, disegna fumetti. Gli ho chiesto se avesse voglia di regalarci delle strisce legate agli argomenti delle newsletter. Ha detto di sì, per cui troverete i suoi lavori in fondo alla mail, prima degli approfondimenti. Su internet, lo trovate qui.

Di cosa parliamo oggi
 — le onde e la luce
 — la frequenza
 — il redshift
 — pillole

Le onde e la luce
 Quasi sei mesi fa — come passa il tempo — mentre stavamo parlando della dualità onda particella, avevamo studiato un po’ il comportamento delle onde. Avevamo visto, tra le altre cose, che anche la luce — che è un fenomeno elettromagnetico — si comporta spesso come un’onda: avete presente le onde elettromagnetiche? Ecco, la luce è una di quelle.
 Cerchiamo però di capire come funzionano le onde. Per farlo, immaginiamo le onde del mare, oppure le onde che possiamo creare dando dei colpi a una corda, come nell’animazione qui sotto.

Queste onde si propagano, cioè si muovono, creando delle creste e delle conche. La velocità con cui le creste si muovono in avanti è la velocità dell’onda. La distanza tra due creste consecutive è chiamata lunghezza d’onda. E poi c’è la frequenza.

La frequenza
 Per capire cos’è la frequenza di un’onda guardiamo questa animazione di un’onda che si propaga.

Fissate ora un punto dell’animazione — ad esempio fissate il margine destro. Ogni volta che in quel punto ripassa una delle creste dell’onda, il pallino sulla circonferenza a sinistra ha fatto un ciclo completo. La frequenza di un’onda è il numero di cicli compiuti in un secondo. L’unità di misura della frequenza è dunque il “numero dei cicli” per secondo, ed è chiamata Hertz (abbreviata in Hz), in onore del fisico tedesco Heinrich Hertz.
 Perciò se diciamo che un’onda ha una frequenza di 12 Hz, significa che, fissando un punto al suo passaggio, in un secondo vedremmo l’onda fare 12 cicli completi, ossia vedremmo passare 12 creste.
 Pensate anche alle onde radio. Vi siete mai sintonizzati sulla frequenza 102.5 MHz? Significa che il segnale radio che trasmette quel canale è modulato su un’onda di frequenza 102 milioni 500 mila Hz. Quell’onda dunque, fa più di 102 milioni di cicli in un solo secondo.Esiste poi una legge che lega la velocità di un’onda alla sua frequenza e alla lunghezza d’onda. Questa legge, quando la velocità dell’onda è costante, dice una cosa importante: se aumenta la frequenza diminuisce la lunghezza d’onda e viceversa. Perciò generalmente onde con un’alta frequenza — ossia che fanno tanti cicli al secondo — hanno una piccola lunghezza d’onda e le creste molto vicine tra loro. Onde a bassa frequenza hanno invece delle lunghezze d’onda maggiori e le creste sono più distanziate.

Il redshift
 Capire come funzionano le onde — e in particolare le onde elettromagnetiche, tra cui la luce — è importante quando si vuole osservare l’universo. Tutto ciò che possiamo sapere della volta celeste è infatti legato a quello che possiamo vedere con i nostri occhi — la luce — e con gli strumenti tecnologici come le antenne o i telescopi. Ma che siano raggi luminosi, raggi ultravioletti, segnali radio o infrarossi, si tratta sempre di onde elettromagnetiche, con una velocità costante (la velocità della luce), una frequenza e una lunghezza d’onda.

Cosa succede quando osserviamo un corpo celeste
 Quando osserviamo un corpo celeste, come una stella o una galassia, i nostri telescopi ricevono onde elettromagnetiche di ogni frequenza: onde radio (frequenze minori di 250 MHz), microonde (da 250 MHz a 300 GHz), infrarossi (300 GHz — 428 THz), luce visibile dal rosso al viola (428 THz — 749 THz), ultravioletti (749 THz — 30 PHz), raggi X (30 PHz — 300 EHz) e raggi gamma (frequenze maggiori di 300 EHz). Ovviamente il corpo celeste non emette con la stessa intensità ad ogni frequenza: corpi estremamente freddi emettono quasi esclusivamente onde radio o microonde, mentre corpi estremamente caldi emettono soprattutto raggi X e raggi gamma. Come vedete dall’elenco di prima, a temperature intermedie vengono emessi principalmente infrarossi, luce visibile e ultravioletti. Non è un caso che gli occhi degli animali sulla Terra si siano sviluppati per percepire questi tre tipi di segnali.
 Capire quindi quali onde elettromagnetiche vengono emesse con più intensità da un corpo celeste, permette di stabilire la sua temperatura superficiale, un dato molto importante.
 La distribuzione con cui una stella emette a varie frequenze con varie intensità è chiamata spettro di radiazione del corpo nero. Ne parleremo la prossima volta.

L’effetto Doppler
 Ma c’è un però. Determinare la temperatura superficiale di un corpo celeste non è così facile se il corpo si muove rispetto a noi. Per capire qual è il problema, pensate a cosa succede quando passa un’ambulanza con le sirene accese. Il suono delle sirene viaggia verso di voi attraverso un’onda sonora e ha una certa frequenza, così come le note musicali. Mentre l’ambulanza si avvicina il suono è molto acuto, ma quando l’ambulanza vi sorpassa e comincia ad allontanarsida voi, il suono si fa improvvisamente più sordo, come in questo video.
 Cosa accade? Siccome la sorgente dell’onda — in questo caso l’ambulanza — si sta muovendo, cambia la distanza tra le creste dell’onda. Se la sorgente si muove verso di voi la distanza tra le creste si schiaccia, diminuisce la lunghezza d’onda, aumenta la frequenza e il suono si fa più acuto del normale. Se la sorgente invece si allontana, la distanza tra le creste si allunga, aumenta la lunghezza d’onda, diminuisce la frequenza il suono si fa più sordo.

La stessa cosa accade alle onde elettromagnetiche quando un corpo si avvicina o si allontana da noi. Se il corpo si avvicina, si dice che c’è uno spostamento verso il blu del segnale (a frequenze più alte vediamo colori più freddi). Se il corpo si allontana, si dice che c’è uno spostamento verso il rosso del segnale. Il primo è chiamato blueshift. Il secondo redshift.

Credit: Tkarcher, improved by Tatoute GFDL , CC-BY-SA-3.0, via Wikimedia Commons

Di blueshift non ce n’è
 Osservando gli oggetti celesti, ci si è accorti che la maggior parte dei loro segnali elettromagnetici hanno uno spostamento verso il rosso. Questo significa che quasi tutte le stelle, i sistemi solari e le galassie che osserviamo si stanno allontanando da noi. Fanno eccezione la galassia di Andromeda, il lato che ruota verso noi quando osserviamo delle galassie a spirale e alcune stelle vicine che si muovono verso di noi.
 Il fatto che la quasi totalità dei corpi celesti, in qualsiasi direzione del cielo guardiamo, presenti redshift è considerata una delle prove a favore della teoria dell’espansione dell’universo: i corpi non si allontanano perché “si muovono allontanandosi da noi”, ma perché tutto l’universo è in espansione e dunque aumenta la distanza tra i corpi.Il redshift gravitazionale
 L’allontanamento della sorgente o l’espansione dell’universo non sono gli unici fattori che possono causare il redshift o il blueshift. Lo stesso effetto si può ottenere se lo spaziotempo tra due corpi nell’universo è curvo a causa della gravità. Abbiamo visto — parlando della Relatività Generale — che lo spaziotempo, la struttura su cui “poggia l’universo” è come un tappeto elastico che si deforma quando ci sono dei corpi massivi. Questa deformazione modifica anche il modo con cui si calcolano le distanze tra due punti dell’universo: se la deformazione è molto grande, la distanza tra i corpi cambia sensibilmente dando origine a uno spostamento molto sensibile delle frequenze delle onde elettromagnetiche. Il redshift dovuto alla deformazione gravitazionale dello spaziotempo è chiamato anche Einstein shift.

Pillole
 Alcune notizie di questi giorni, brevi.

Proxima centauri b
 È stato scoperto, fuori dal nostro sistema solare, un nuovo pianeta: si chiama Proxima centauri b, ruota intorno alla stella Proxima centauri ed è il pianeta in una zona abitabile più vicino a noi. Ecco il video di presentazione. Qui un articolo più che completo di Emanuele Menietti.

Superconduttori
 Nell’ultima newsletter abbiamo parlato di superconduttori. Nel frattempo è stata presentata per la prima volta la struttura cristallina di un superconduttore ad “alte” temperature. Il solfuro di idrogeno (H2S) diventa superconduttore a soli -70°C. È il materiale che diventa superconduttore alla temperatura più alta, per ora. Non ci si può distrarre un attimo.

La scienza e il terremoto
 Dopo il terremoto che ha colpito il centro Italia, il satellite europeo Copernicus è stato utilizzato per assistere le squadre di intervento nelle operazioni di ricerca e salvataggio.

Il fotone oscuro
 L’Istituto nazionale di fisica nucleare ha dato il via all’esperimento Padme, dedicato alla ricerca del “fotone oscuro”. Il fotone oscuro è un’ipotetica particella, simile al fotone delle onde elettromagnetiche, ma con una piccola massa. La sua esistenza è prevista da alcuni recenti modelli teorici che provano a descrivere la materia oscura. (Cos’è un fotone?)

Un anno su Marte, alle Hawaii
 Sei persone hanno partecipato per un anno a una missione per simulare le condizioni di vita degli astronauti su Marte. L’esperimento si è svolto alle Hawaii, ma non in spiaggia.

La fisica di Ale
 La striscia di oggi. I fumetti di Alessandro sono su Vuoto Comico.

[Credit: Redshift, di Alessandro Toffali (Vuoto Comico), CC-BY-NC-ND 4.0]

Per approfondire
 — Come fa il redshift a misurare l’espansione dell’Universo?
 — Il redshift in un video (in inglese, con sottotitoli)
 — Come funziona il forno a microonde


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