Juno, DUNE, ExoMars e Scott Kelly

Buongiorno a tutti,
parto correggendo un paio di sviste della scorsa newsletter. A un certo punto ho detto che il segnale rilevato da LIGO è stato generato da due masse in collisione e in rotazione a circa 150 mila Km orari. Ovviamente sono 150 mila Km al secondo, circa la metà della velocità della luce. In chiusura poi ho scritto che la potenza emessa dalla collisione è stata pari a quella di tutte le stelle dell’universo. In realtà è almeno dieci volte superiore.
Sviste a parte, mi scuso anche per la lunghezza record della mail, ma l’argomento era troppo importante per non essere approfondito. Non ho nemmeno detto tutto, a dire il vero.
Proprio per riposarci un po’ dopo la maratona della settimana scorsa (per chi si è perso e per chi non c’era, ho fatto anche un livetweet della conferenza stampa sulla scoperta delle onde gravitazionali), ho pensato di non mettere in questa mail un argomento di fisica: parliamo invece di varie notizie di questi giorni.
Dalla prossima settimana ripartono però le lezioni. Salvo altre richieste, pensavo di riprendere da un argomento interessante: la dualità onda-particella.

Di cosa parliamo oggi
– la missione Juno
– DUNE, un esperimento per rilevare i neutrini
– il rientro sulla Terra di Scott Kelly
– ExoMars comincia il suo viaggio verso Marte
– un retroscena sulle onde gravitazionali

Giunone e Giove, presto insieme
Juno è una missione della NASA per studiare più da vicino il pianeta Giove. Il nome è evocativo: Giunone (Juno, in inglese) era la dea moglie di Giove nella mitologia romana.
Si tratta essenzialmente di una sonda che orbiterà intorno al pianeta per capire le sue proprietà attraverso la misurazione della massa, delle dimensioni del nucleo, del campo gravitazionale e di quello magnetico. Verrà anche studiata la composizione dell’atmosfera e il suo clima.
Ad oggi la sonda Juno ha viaggiato per più di 2,7 miliardi di Km. Il percorso di una sonda nel Sistema Solare, infatti, è solitamente molto tortuoso e sfrutta la gravità degli altri pianeti come effetto fionda: quando la sonda passa vicino a un pianeta, viene attratta dalla forza di gravità, cambiando la sua direzione e la sua velocità. È un modo pratico per accelerare o decelerare senza consumare carburante, minimizzando quindi il consumo di energia.

Effetto fionda gravitazionale (Credit: Y tambe, CC BY SA 3.0)

Nella figura qui sotto vedete quanto è stato complicato il viaggio di Juno. L’ellisse blu è l’orbita della Terra, quella rossa è Marte, quella gialla è Giove. Il percorso di Juno è quello bianco. Occhio che le date sono storte: mm/gg/aaaa.

(Credit: NASA/JPL)

La sonda Juno si trova oggi a circa 700 milioni di Km da noi e per inviarle comunicazioni ci vuole più di mezz’ora: i segnali che inviamo, viaggiando alla velocità della luce, ci mettono 37 minuti a raggiungerla. Dovrebbe arrivare presso Giove il 4 Luglio di quest’anno.

See the world spin round in DUNE Buggy
Continua la progettazione di DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment), un esperimento all’avanguardia per studiare la fisica dei neutrini e il decadimento del protone.
I neutrini sono particelle molto sfuggenti. Sappiamo oggi, grazie alla scoperta delle oscillazioni del neutrino – per chi sa cosa sono – che i neutrini hanno una massa, anche se molto piccola. Tuttavia interagiscono molto raramente con le altre particelle e lo fanno solo tramite due delle quattro forze fondamentali: la forza debole e la forza gravitazionale. È quindi molto difficile studiarli. Per avere un’idea di quanto sono difficili da rilevare, basta immaginare che ogni secondo passa attraverso il nostro corpo qualcosa come un miliardo di neutrini. Di questi, però, pochissimi interagiscono con le particelle che ci compongono: solamente qualche migliaio durante tutta la nostra vita. Gli esperimenti per rilevarli sono quindi molto complessi e delicati.
Per rilevare i neutrini, DUNE sarà dotato di una camera contenente 70 mila tonnellate di Argon liquido. I neutrini, interagendo con le molecole di Argon, innescano delle reazioni subnucleari che vengono tracciate da dei rilevatori. Più o meno come in questa animazione.

Data la grandezza dell’esperimento, è stato necessario sviluppare nuove e più sofisticate tecnologie rispetto a quelle utilizzate dai rilevatori più piccoli. Proprio per questo, prima di procedere alla costruzione di DUNE, gli scienziati vogliono essere sicuri che il gioco valga la candela. In questi giorni sta cominciando l’acquisizione di dati scientifici utilizzando un prototipo di DUNE, chiamato DUNE Buggy (Il nome, a noi italiani, dovrebbe ricordare qualcosa o quantomeno suonare familiare).
DUNE Buggy ha una camera contenente solo 35 tonnellate di Argon (non 35 mila), ma è comunque uno dei più grandi rilevatori di neutrini all’Argon liquido mai costruiti.
I neutrini per l’esperimento DUNE sono prodotti accelerando dei protoni e facendoli scontrare contro dei pezzi di grafite o di altri materiali. Dallo scontro nascono particelle secondarie che, decadendo, producono neutrini. I neutrini poi viaggiano sottoterra fino a raggiungere il rilevatore. Dato che i neutrini praticamente non interagiscono con le altre particelle, non serve un tunnel. Questo breve cartone animato spiega il processo di produzione dei neutrini. È in inglese, ma è carino.

Un anno nello spazio
Il primo Marzo torneranno sulla Terra gli astronauti Scott Kelly e Mikhail Kornienko. Kelly e Kornienko hanno passato un intero anno a bordo della Stazione Spaziale Internazionale per permettere agli scienziati di studiare i cambiamenti del corpo umano durante una prolungata permanenza nello spazio.

Scott Kelly (NASA) e Mikhail Kornienko (Roscosmos) (Credit: NASA)

La missione, chiamata One-Year Mission, è uno dei tanti tasselli necessari per riuscire in un prossimo futuro a mandare degli uomini su Marte. Una missione su Marte durerebbe circa tre anni: nove mesi per andare, nove mesi per tornare e il tempo restante per visitare il pianeta. È importante quindi capire come reagisce il corpo durante un viaggio così lungo in condizioni di microgravità e quali contromisure possono essere prese per ridurre i rischi dell’equipaggio. Non è la prima volta che degli esseri umani passano un intero anno nello spazio. Negli anni ’80 e ’90 ben quattro astronauti hanno vissuto per più di dodici mesi sulla Stazione Spaziale russa Mir, che oggi non esiste più. Tuttavia, a differenza di allora, esistono metodi di indagine molto più approfonditi per studiare il comportamento del corpo umano, come ad esempio la genetica.
Un altro aspetto unico di questa missione è che Scott Kelly ha un gemello monozigote, Mark. Mark è un ex astronauta e, dato che ha lo stesso DNA di Scott, verrà utilizzato come campione di controllo per capire meglio cosa è cambiato nel corpo di Scott.

Mark Kelly e Scott Kelly (Credit: NASA)

Missione ExoMars, si parte
ExoMars è un progetto dell’Agenzia Spaziale Europea e dell’ente spaziale russo Roscosmos per esplorare Marte ed è composto da due missioni. Il 14 Marzo verrà lanciata la prima missione, formata da un satellite, il Trace Gas Orbiter (TGO), dotato di strumenti per l’analisi dei gas atmosferici e dal lander Schiaparelli, che servirà per testare la tecnologia necessaria per l’ingresso nell’atmosfera e l’atterraggio sul suolo marziano. TGO e Schiaparelli viaggeranno uniti fino al 16 Ottobre, poi il lander si staccherà e comincerà la sua discesa verso la superficie del pianeta. Nel tweet qui sotto vedete degli operatori che riforniscono i serbatoi di TGO.

Fuelled for #Mars – #ExoMars Trace Gas Orbiter tanks filled ahead of launch in March: https://t.co/1dzppSFBXX pic.twitter.com/E7MERtOfYG

— ESA Science (@esascience) 23 febbraio 2016

Un retroscena sulle onde gravitazionali
L’articolo principale sulla scoperta delle onde gravitazionali – lo trovate qui – è stato preparato in assoluta riservatezza e in maniera impeccabile: è un articolo estremamente chiaro, quasi a livello divulgativo, pensato non solo per gli addetti ai lavori, ma anche per tutti i giornalisti scientifici e i divulgatori che avrebbero dovuto spiegare la notizia al grande pubblico. Penso che la stragrande maggioranza dei fisici, anche quelli che non sono specializzati nel settore, possa capirne l’intero contenuto. Non è una cosa scontata. Solitamente gli articoli scientifici sono molto tecnici e di difficile lettura.
Per dare un’idea di quanto è stato grande l’impatto di questo articolo sulla comunità scientifica – e non solo – basta questo aneddoto. Physical Review Letters, la rivista che ha pubblicato l’articolo, utilizza solitamente quattro server per gestire il traffico sul suo sito. Immaginando che ci sarebbe stato molto traffico, la sera prima della pubblicazione venne deciso di aggiungere altri due server di supporto. Appena l’articolo fu pubblicato, verso le 16:30 ora italiana, gli accessi erano 10 mila al minuto e il sito andò giù. Vennero quindi aggiunti altri quattro server ad alta capacità, ma il traffico era comunque così alto che alle 18:30 furono aggiunti altri dieci server, per un totale di venti. Impressionante.

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Per approfondire
– Un articolo molto bello di Gravità Zero sulle onde gravitazionali
– Le dieci cose da sapere sulla One-Year Mission (inglese)
– Il sito dell’Human Research Program, di cui fa parte il Twins study dei gemelli Kelly (inglese)
– Cosa sono le oscillazioni del neutrino