Una supernova in laboratorio: riprodotta l’esplosione cosmica in miniatura

Dalla parte di chi lotta per essere riconosciuto, dell'essere umano e dei suoi diritti.
Contribuisci a preservare la libera informazione.

DONA

La supernova in laboratorio è stata studiata al Georgia Institute of Technology.




Il cosmo tra quattro mura

Una supernova in laboratorio: macchinario
Una supernova in laboratorio: l’esterno del macchinario che riproduce la supernova (Credit: Georgia Tech / Musci)

Il GeorgiaTech ha riprodotto una supernova in laboratorio. Anche se in miniatura, l’esperimento è in grado di mostrare come questo tipo di esplosione cosmica modelli i materiali dell’universo dando vita ai paesaggi dello spazio. L’esempio su cui si basa l’esperimento è la Nebulosa del Granchio nella costellazione del Toro. Questo spettacolo di gas cosmici vorticanti è lungo una mezza dozzina di anni luce di colori smeraldini e ramati.  Nasce da una supernova, ovvero l’esplosione di una stella gigante, diventando il candidato ideale per la riproduzione in laboratorio.  Per ricreare l’evento i ricercatori hanno utilizzato un macchinario grande circa quanto due porte affiancate.  “La macchina è alta poco più di un metro e ottanta e somiglia per la forma a una fetta di pizza con una base di un metro e venti centimetri” ha detto Ben Musci , uno degli ideatori dell’apparecchio.



Ricreare una supernova

Il macchinario creato al Georgia Institute of Technology è spesso più o meno quanto una normale porta di casa. La punta del “cono” sezionato è rivolta verso il basso. Da questa punta parte una detonazione precisa così che l’onda d’urto viaggi verso l’alto. A metà strada l’onda incontra due strati di gas e li fa mescolare e vorticare in maniera turbolenta così come accade ai grandi ammassi gassosi delle supernovae. Una luce laser illumina i vortici gassosi mentre una fotocamera ad alta velocità si occupa di riprendere il tutto da vicino grazie a una “finestra”. Le immagini rappresentano in centimetri quello che avviene su scala astronomica. Per raggiungere dei risultati attendibili, i ricercatori e gli ingegneri hanno dovuto lavorare per due anni e mezzo tra matematica, fisica e aggiustamenti del macchinario.

Eliminare gli errori

A detta di  Devesh Ranjan, uno dei principali autori dello studio, “siamo passati da uno spazio inerme a una piccola supernova. C’è voluta parecchia ingegneria per contenere l’esplosione e al contempo ottenere del realismo nel momento in cui colpisce il gas nella finestra di visualizzazione”. Per Ranjan, la parte più complessa era escludere le formazioni che non rispecchiavano la fisica delle supernovae. “Ho speso un anno a eliminare cose come rimbalzi in eccesso o aria che penetrava dall’esterno” ha detto Musci, co-ideatore e assistente di Ranjan. “Mi sono assicurato che la gravità, la radiazione di fondo e la temperatura non influissero sulla fisica”. I risultati sono stati pubblicati su The Astrophysical Journal  e il team di ricerca intende collaborare con il Lawrence Livermore National Laboratory per compararli con le vere supernovae.

La grande esplosione nello spazio

Una supernova in laboratorio: nebulosa del granchio
Una supernova in laboratorio: La nebulosa del Granchio si è formata in seguito a una supernova, ed è l’esempio perfetto su cui basare il nuovo macchinario (credit: ESO)

Molte delle nebulose nell’universo sono ciò che resta di una supernova. Tutto inizia con delle stelle massicce, enormi palle di gas organizzate in strati. Quando le stelle esplodono, questi strati vengono lanciati nello spazio in meravigliosi e spaventosi vortici. I gas più esterni hanno una densità minore di quelli interni.  La grande densità degli strati interni comprime i gas e permette di sintetizzare elementi sempre più pesanti, fino a formare il ferro. A questo punto la stella non ha più “carburante” per la sintesi degli elementi e la forza della fusione nucleare (dall’interno all’esterno) non riesce a bilanciare quella gravitazionale (dall’esterno all’interno).

Così, la gravità fa collassare la stella. Nel suo centro si forma un’esplosione violentissima, la supernova. L’onda d’urto di questa esplosione viaggia a circa un decimo della velocità della luce e spazza via i gas, lanciando gli strati l’uno contro l’altro.I gas più pesanti degli strati interni affiorano e colpiscono gli strati leggeri esterni come delle colonne. Dietro la scia dell’onda d’urto la pressione cala, allungando i gas e creando un secondo momento di mescolamento vorticante. Come la descrive Musci, “è una potente spinta seguita da un violento strattone o allungamento”.

Simulazioni esplosive

La supernova in laboratorio ha necessitato di detonatori che permettessero esplosioni precise e quindi onde d’urto ottimali da far passare attraverso i gas di diversa densità. In natura l’onda d’urto si espande sfericamente e in tutte le direzioni. Musci ha creato un macchinario che ottiene una rappresentazione parziale della curvatura dell’onda d’urto. In entrambi i casi gli incontri tra i gas sono pieni di piccoli “disturbi” chiamati perturbazioni che l’onda “spara” ad angolazioni inclinate. Riprodurle è stato essenziale, perché le perturbazioni e le irregolarità fanno da “torchio” ai movimenti di contatto tra i due strati di gas. Convoluzioni e arricciamenti permettono la formazione dei “rimasugli” che formeranno le nebulose.

“Una delle cose più interessanti delle supernovae sono protrusioni di gas denso chiamate ‘lapilli’ che vengono sparate all’esterno e potrebbero aiutare a formare nuove stelle”. ha aggiunto Musci. “Abbiamo visto alcuni di questi lapilli nella riproduzione in laboratorio quando il gas denso si è propagato oltre quello rarefatto”. I resti delle supernovae continuano a espandersi a migliaia di chilometri  al secondo. Il nuovo macchinario aiuterà a quantificare esattamente questa velocità e a comprendere meglio la formazione di questi ammassi gassosi spettacolari. Sappiamo quando è esplosa la Nebulosa del Granchio grazie agli astronomi cinesi che la documentarono nel 1054, ma per tutte le altre date di nascita cosmiche potremmo aiutarci con questo apparecchio all’avanguardia.

Meccanismi stellari a nostra disposizione

Il macchinario può aiutare anche con il processo inverso, dandoci nuove informazioni sulla fusione nucleare. Questo ci aiuterebbe a costruire nuova tecnologia in grado di darci energia dalla fusione. Il processo chiamato fusione a confinamento inerziale applica una forza e un calore estremi dall’esterno all’interno ordinatamente su un’area molto piccola. Qui si trovano due isotopi di idrogeno uno sopra l’altro, uno più denso dell’altro. Il processo “forza” l’unione tra i nuclei dei due atomi di idrogeno, provocando il rilascio di energia. Il problema sono proprio le turbolenze. Per gli scienziati ciò che rende bellissime le supernovae è anche ciò che rende la fusione un processo complesso e, per ora, inefficiente.




Daniele Tolu

Stampa questo articolo

2 Thoughts

  1. Ottimo articolo, veramente interessante.. Per non creare confusione negli inesperti, vorrei precisare che, Al posto di dire: Quando le stelle esplodono… sarebbe più corretto dire: Prima che esplodano la grande densità degli strati interni comprimono gli elementi fino a formare il ferro. A quel punto mancando il carburante, la stella implode, poi esplode.

    1. Ciao Stefano! Grazie per il tuo commento! Quello che dici è corretto, proprio per quello ho spiegato subito dopo come funziona questa “esplosione”. Ho riportato le parole del professor Musci a riguardo, seguendo una linea di “approfondimento” crescente. Al prossimo articolo!

Lascia un commento

Il tuo indirizzo email non sarà pubblicato.