Didattica temporali

Il telescopio spaziale “Fermi” della NASA rileva particelle di antimateria originate dai temporali

Il 10 gennaio 2011 un team di scienziati della NASA, mediante l’utilizzo e l’elaborazione dei dati ottenuti dall’osservazione digitale del telescopio spaziale "Fermi", ha scoperto (e dimostrato) la proiezione di fasci di antimateria nello spazio originati da intense attività temporalesche. Un fenomeno mai visto prima d’ora. La notizia non è recentissima. Ma una corretta traduzione e spiegazione, in lingua italiana, di questa importantissima scoperta scientifica, presumo risalga proprio alla data odierna.

A premessa della lettura dell’articolo sappiate che il Gamma-ray Large Area Space Telescope (GLAST), ovvero “Telescopio Spaziale di Grande Area per Raggi Gamma” (successivamente ribattezzato “Fermi”), è un esperimento approvato nel 2001 dalla NASA, a cui collaborano agenzie francesi, svedesi, giapponesi ed anche italiane (un sincero ed ammirevole plauso ai nostri scienziati dunque). Concepito per studio della radiazione elettromagnetica emessa da corpi celesti nell'intervallo di energie tra 8 keV e 300 GeV (raggi gamma), l'osservatorio comprende due strumenti scientifici:

• il Large Area Telescope (LAT), ovvero Telescopio di grande Area, sensibile alla radiazione gamma tra 20 MeV e 300 GeV;
• il Gamma-Ray Burst Monitor (GBM), o Monitor per i Lampi Gamma, per lo studio dei fenomeni transienti ad energie relativamente più basse (tra 8 keV e 40 MeV).

Il lancio del telescopio è avvenuto l'11 giugno 2008 alle 18:05 CET con il vettore satellitare Delta II dal Kennedy Space Center. Il 26 agosto 2008 la NASA ha ribattezzato l'osservatorio Fermi Gamma-ray Space Telescope, in onore di Enrico Fermi.

Atteso che l’antimateria è un agglomerato di antiparticelle corrispondenti alle particelle che costituiscono le materie ordinarie, allora possiamo fare un esempio pratico per i lettori meno esperti di fisica di Climateobserver: un atomo di antidrogeno è composto da un antiprotone caricato negativamente, attorno al quale orbita un positrone (antielettrone) caricato positivamente. Se particella ed antiparticella vengono a contatto, le due si annichiliscono emettendo radiazione elettromagnetica stabile. Questo fenomeno è particolarmente interessante sotto un certo punto di vista che analizzeremo in seguito: la produzione di energia (teoricamente) sfruttabile.

Per completezza d’informazioni vi riporto tutte le informazioni da me raccolte, tradotte e sviluppate adattandole nel modo più congeniale possibile all’aspetto meteorologico dei temporali inteso anche come interrelazione con l’ambiente esterno, atmosfera inclusa, chiaramente. Preciso dunque che non tratterò assolutamente aspetti di astronomia di cui sono solo un modestissimo conoscitore.

Memento.(immagine strati atmosferici):

La scoperta e la teoria enunciata è quella che le particelle di antimateria si siano formate nei flash di raggi gamma terrestri (TGF), ovvero una delle componenti fisiche delle scariche elettriche. Un rapido “scoppio” particellare associabile dunque ai temporali generati da strutture potenti ed imponenti. Infatti, perché si generi dell’antimateria, come avrò modo di illustrarvi, occorrono valori di energia tali (oltre i 500.000 electron volts) da compromettere il limite di contenimento radioattivo “stabile” e raggiungere livelli di “eccitazione” al di fuori della norma e relativamente alla normale attività energetica e radioattiva nell’atmosfera terrestre.

"Questi segnali costituiscono una prima evidenza diretta che i temporali sono associati a particelle di antimateria proiettate nello spazio" ha affermato Michael Briggs, un membro del Fermi's Gamma-ray Burst Monitor (GBM) Team dell' Università di Alabama in Huntsville. E’ lui il protagonista di quest’affascinante scoperta e di cui ha tenuto una conferenza all’American Astronomical Society di Seattle. Questo è indubbiamente un avvenimento scientifico storico anche dal punto di vista dello studio della meteorologia moderna, più precisamente dei temporali che, come potrete notare, non si sofferma solo su i suoi peculiari aspetti termodinamici o meteorici.

Il telescopio spaziale “Fermi” è preposto, tra l’altro, ad esaminare la struttura dei raggi gamma, la più elevata forma di energia “fisicamente tangibile” della luce. Quando viene prodotta antimateria ed irradiata nello spazio questa colpisce il telescopio spaziale Fermi collidendo con normali particelle di materia. Come abbiamo già visto entrambe le particelle vengono immediatamente annichilite e si trasformarono in raggi gamma. In pratica il GBM ha rilevato raggi di gamma con un’energia pari a 511.000 Volts (E) , un segnale che sembrerebbe rivelare che un elettrone ha incontrato il suo omologo d’antimateria, un positrone.

Ricordo e preciso che, per definizione, un positrone (detto anche, in maniera etimologicamente più corretta, positone o anche antielettrone) abbiamo già visto essere l'antiparticella dell'elettrone, ha carica elettrica pari a +1, spin di 1/2, e la stessa massa dell'elettrone.

Anche se il telescopio spaziale “Fermi” è progettato per osservare eventi di elevata energia nell'universo, in questo straordinario ed affascinante fenomeno sta offrendo acumi preziosi nel mondo scientifico. Il GBM esamina ininterrottamente l’intera volta celeste e le relazioni con la superficie terrestre. Il Fermi's Gamma-ray Burst Monitor (GBM) Team ha identificato 130 TGFs da quando è stato lanciato nello spazio l'11 giugno 2008.

"In orbita da meno di tre tre anni, il telescopio spaziale “Fermi” ha dimostrato di essere un sistema sorprendente per sondare l'universo. Ora abbiamo imparato che i misteri dell’universo si trovano molto più vicino a casa" riferisce Ilana Harrus, scienziato del Programma Fermi nella sede centrale della Nasa a Washington. A mio avviso si tratta di una dichiarazione di enorme sensibilità ed infinita eticità scientifica che, personalmente, mi ha colpito moltissimo.

Non è stato semplice raccogliere dati precisi. Prima del successo, nel giugno 2009 il telescopio spaziale della NASA fu localizzato sopra un temporale in Messico e raccolse dati approssimativi per la maggior parte dei TGFs osservati, infatti in ben quattro casi i temporali erano troppo lontani da Fermi per raccogliere dati completi e quindi attendibili al 100%. Più tardi, il 14 dicembre 2009 Fermi fu localizzato sull'Egitto. Ma il temporale attivo era in Zambia,  2,800 miglia più a sud. Troppo distante per una corretta analisi. Tuttavia "Anche se Fermi non poteva vedere il temporale,  esso fu tuttavia connesso magneticamente a lui", ha dichiarato Joseph Dwyer del Florida Institute of Technology in Melbourne. "Il TGF produsse elettroni ad alta velocità e positroni che poi cavalcarono il campo magnetico terrestre fino a colpire il satellite”. Bene,vi spiego come accadde:

Durante l’operazione che portò al successo, il fascio di raggi gamma proiettato da un temporale in Zambia non poté investire in pieno il satellite. Per confermare i dati ricevuti ed elaborarli in modo più dettagliato ed attendibile quel fascio fu poi fatto appositamente “slittare” sul campo magnetico terrestre oltre Fermi, arrivando in un determinato punto (ottimale), noto come “mirror point” (un “punto specchio”) nel quale il suo moto fu invertito e diretto verso Fermi. Dopo solo 23 millisecondi il satellite poté raccogliere dati per una seconda volta. In quei preziosi e brevissimi lassi di tempo, positroni ed elettroni collisero nel raggio d’azione del sensore del satellite. Le particelle annichilirono l'un l'altra, emettendo raggi di gamma scoperti dal Gamma-Ray Burst Monitor (GBM) di Fermi. (vedi foto)

Ora andiamo un pò più nello specifico ed entusiasmiamoci dei nostri “miracoli” meteorologici terrestri. Gli scienziati del Fermi's Gamma-ray Burst Monitor (GBM) Team, una delle Agenzie di Ricerca e Studio della NASA, teorizza la genesi dei TGFs nei forti campi elettromagnetici nei pressi del top dei temporali più potenti da un punto di vista di produzione di scariche elettriche. Essi affermano che, in condizioni favorevoli, il campo elettromagnetico diviene così intenso da originare una “valanga” di elettroni verso l’alto.

Questa cascata di elettroni esplose verso lo spazio producendo una ragguardevole mole di raggi gamma e combinando elettroni e positroni al di fuori dell'atmosfera terrestre. Queste particelle giunsero fino all'orbita di Fermi.

Nell’occasione ricreo un altro importantissimo memento. I tipi di fulmini. Se ne possono fare varie classificazioni ma per un lineare prosieguo di lettura dell’articolo tornerà utile menzionare la tipologia in base all’aspetto che, solitamente, è molto meno popolare di quella in base alla direzione e/o polarità della scarica elettrica:

1. Gigantic jet (Getto gigante): circa l’80% dei temporali produce scariche all’interno delle nubi.  Se la parte più alta di una nube possiede carica positiva, la scarica avviene verso l’alto e, solitamente, con un elevata intensità a causa dell’elevato potenziale elettrostatico che rappresenta il valore dell'energia potenziale rilevato da una carica elettrica positiva di prova posta in quel punto per unità di carica, ossia è il lavoro che deve compiere una forza (interna o esterna) per spostare una o più cariche dall'infinito ad un punto finale. L'energia potenziale della carica è il livello di energia che la carica possiede a causa della sua posizione all'interno del campo elettrico.

Pertanto il potenziale elettrico della carica di prova è il rapporto tra l'energia potenziale e il valore della carica stessa (V=U/q).

(Il potenziale è dunque una quantità scalare e non dipende dal valore della carica di prova.
L'unità di misura del potenziale elettrico è il "volt" (simbolo V). Si dice che tra due punti A e B di una regione di spazio sede di un campo elettrico c'è una differenza di potenziale di 1 V se la forza elettrica compie il lavoro di 1 J per portare una carica di 1 C dal punto A al punto B.) Mi sono soffermato particolarmente sulle caratteristiche fisiche di questo tipo di fulmine perché proprio esso, acor più di altre, costituisce quella tipologia di fulmine potenzialmente capace di “sparare” verso l’alto cascate di elettroni. E questo era un fatto già noto. Ma che proiettasse verso l’alto anche positroni costituisce l’ultima scoperta per eccellenza.

Gli altri tipi di fulmine in base al loro aspetto sono:

2. Bolt from the blue (Fulmine a ciel sereno): è ormai noto che alcune scariche elettriche possono uscire lateralmente dalle nubi per molti chilometri fino a uscire del tutto dalla zona temporalesca in una parte in cui il cielo è sereno.

3. Spider (Ragno): queste scariche si propagano ad una velocità di oltre 100 chilometri al secondo per notevoli distanze, si possono muovere lateralmente attraverso strati orizzontali.

4. Beaded (Collana di perle): alcuni segmenti delle zone di aria ionizzate dal fulmine sembrano formare delle zone più luminose se viste sotto un angolo particolare.

 5. Forked (Forcuto): quando alla fine del fulmine si accumulano troppe cariche negative, il canale ionizzato in cui si propaga si può separare in due o più diramazioni.

6. Ribbon (Nastro): le scariche multiple, a volte, si propagano attraverso lo stesso canale ionizzato. Se il vento sposta il canale lateralmente, l’occhio percepisce una banda di luce nei microsecondi che intercorrono tra le scariche.

7. Zigzag (presumo rimanga invariato in italiano.. Zigzag): Quando un temporale volge al termine, l’aria tra le nubi presenta delle sacche di carica elettrica. Ciò determina il fatto che un eventuale fulmine viaggi tra una sacca e l’altra.

8. Ball (Fulmine globulare): Sono di piccole dimensioni, con un diametro che va da qualche centimetro al metro. Queste sfere di energia elettrica sono state segnalate in prossimità di molti temporali. Ma non solo. Su un numero imprecisato della rivista mensile “Focus” i numerosi avvistamenti, da parte dei lettori e testimoni, di fulmini globulari prima di una scossa tellurica hanno portato alla teoria della genesi di queste forme di elettricità globulare a causa della ionizzazione dell’aria in prossimità del suolo per opera degli effetti meccanici della crosta terrestre originati dall’attività sismica.

9. Energetic bipolar narrow (Spiraglio energetico bipolare): questi flash tra le nubi sono una delle più potenti sorgenti naturali di emissioni radio. Durano solo 10 milionesimi di secondo.

10. Red sprite (Folletto rosso): la carica positiva tra nube e terra rende i fulmini della nube più negativi. Questo campo negativo si dirige verso l'alto, al di sopra della nube, dove la densità di aria più bassa determina meno energia per produrre una scarica, per questo motivo il fulmine si illumina di rosso.

11. Blue jet (Getto blu): la carica negativa tra nube e terra rende la nube più positiva; il temporale espelle l’eccesso di carica positiva verso l’alto ad alta energia. Ciò fa esplodere l’aria ionizzata con un lampo di colore blu.

12. Columns (Colonne): inutile cercare ulteriori informazioni su Google. "Columns" è il nome con cui ho voluto battezzare questa tipologia di fulmini e su cui ho svolto qualche ricerca e modesti studi. Finora non è stato incluso in una cassificazione ufficiale e perciò avrò la presunzione di farlo io e nel modo più sintetico e corretto possibile. Il Columns si origina dal top di una nube fino a raggiungere la base di un’altra nube. Nel caso illustrato in foto si origina dal top di una torre dell’updraft della flanking line di una supercella raggiungendo la base del Back Sheared Anvil, ma non è l’unico caso accadibile. A volte, in un temporale a multicella la torre di updraft più giovane, ovvero un cumulo congesto in fase di sviluppo, può originare, al top, una scarica elettrica diretta verso la base dell’incudine del cumulonembo della cella più matura. Dal top della nube parte la scarica di ritorno, luminosissima ed a elevata intensità. Questa scarica trasporta le cariche positive del top della nube alla base di un altra, utilizzando un canale ionizzato nel quale neutralizza le cariche negative in esso contenute.

Uno schema fotografico illustrato chiarirà ancor più le idee:

 (Nella prossima immagine un TGF produce raggi gamma (magenta), elettroni HE (giallo) e positroni (verde). Questa simulazione materializza un TGF e le sue particelle radioattive dalla loro altitudine di origine di 9.3 miglia (15 km) a 373 miglia (600 km), oltre l'orbita di Fermi. Fonte immagine: Joe Dwyer / Florida Inst. of Technology)

La scoperta dei positroni originati dal top dei temporali (probabilmente si tratta di supercelle) hanno quindi dimostrato che molte particelle HE (High Energy) vengono emesse nello spazio dall'atmosfera terrestre. Ad onor del vero gli scienziati della NASA ora credono senza troppe ombre di dubbio che tutti i TGFs emettano raggi particellari di elettroni e positroni. Un prezioso documento formale del Gamma-ray Burst Monitor (GBM) Team su tali scoperte ed i successivi studi dimostrativi, anche sulla base dei dati raccolti ed elaborati, è stato accettato per la pubblicazione su Geophysical Research Letters dell’Unione Americana di Geofisica, e non stiamo parlando di “Novella 2000”…

Dopo aver guardato questa immagine andrò a descriverne gli steps:

1. I campi elettrici nei pressi del Top del temporale originano una “valanga” di elettroni verso l’alto.

Quando il suo percorso viene deflesso da alcune molecole presenti nell'aria, gli elettroni emettono raggi gamma (highestenergy) forma di luce. Queste immagini sono basate su una simulazione di TGF elaborata da Joseph Dwyer dell’Istituto di Tecnologia della Florida. Nella foto vengono raffigurati raggi gamma e particelle in partenza da un TGF. 0.2 millisecondi dopo l’esatto momento della sua origine ad un'altitudine di 9.3 miglia (15 km).

2. Quando le particelle sei raggi gamma collidono con gli elettroni, questi ultimi accelerano fino a giungere in prossimità della velocità di luce. Alcuni raggi gamma effettuano un “passaggio” vicino il nuclei di atomi di materia ordinaria. Quando accade questo, il raggio gamma trasforma l’elettrone nella sua corrispondente antiparticella, un positrone.

Questi elettroni  e positroni si irradiano in modo esplosivo nello spazio muovendosi a spirale lungo il campo magnetico terrestre. Nell’immagine n.2 il TGF viene raffigurato nel suo sviluppo dopo 1.4 millisecondi dall’origine.

3. Nella terza ed ultima immagine il TGF viene raffigurato nel suo sviluppo dopo 1.98 millisecondi dall’istante in cui si origina ed il suo raggio formato da elettroni e positroni sta giungendo ad altitudini intercettabili da un satellite, come Il NASA Fermi Gamma-ray Space Telescope.

Il Fermi’s Gamma-Ray Burst Monitor scoprì alcuni segnali caratteristici di annientamento dei positroni. Quando un il positrone collise con un elettrone sul satellite, le due particelle vennero trasformate in raggi gamma.

"I risultati di Fermi ci hanno permesso di compiere un grande ed importante passo nella comprensione dell’attività dei TGFs", ha commentato Steven Cummer della Duke University ed aggiunge: "Dobbiamo ancora dedurre cosa c’è di speciale in questi temporali e quale ruolo gioca di preciso il fulmine in questo processo”.

Dunque, abbiamo ormai compreso che una parte di antimateria si annichilisce a contatto con della materia ordinaria, tutta la massa delle particelle ed antiparticelle annichilite viene convertita in energia. Questo processo, teoricamente, permetterebbe di ottenere enormi quantità di energia da quantità molto piccole di materia ed antimateria, al contrario di quanto avviene invece per le reazioni nucleari e chimiche, dove a parità di massa di combustibili utilizzati viene prodotta una quantità di energia molto più piccola. La reazione di 1 kg di antimateria, con 1 kg di materia produce 1,8×10¹⁷ J di energia (in base alla famosa equazione E=mc²). Per contro, bruciare 1 kg di petrolio fornisce 4,2×10⁷ J, mentre dalla fusione nucleare di 1 kg di idrogeno si otterrebbero 2,6×10¹⁵ J. In altre parole, l'annichilazione della materia con l'antimateria produce circa 70 volte l'energia prodotta dalla fusione nucleare dell'idrogeno in elio e quattro miliardi di volte l'energia prodotta dalla combustione del petrolio.

Data la scarsità dell'antimateria in natura, l'antimateria non è una valida fonte di energia. Generare un singolo atomo di antimateria è immensamente difficile e dispendioso. Sono necessari acceleratori di particelle ed enormi quantitativi di energia, enormemente superiori a quella rilasciata dopo l'annichilazione con la materia ordinaria, rendendo di fatto l'impresa non conveniente. La cifra per produrre 10 milligrammi di positroni è stata stimata in 250 milioni di dollari, equivalenti a a 25 miliardi di dollari per grammo. La NASA fece una stima di 62.500 miliardi di dollari per produrre un grammo di antidrogeno, considerandolo quindi il materiale più costoso da produrre. Secondo le stime del CERN, la produzione di un miliardesimo di grammo di antiparticelle (il quantitativo utilizzato negli esperimenti) è costato alcuni milioni di Franchi svizzeri.

A meno che non vengano individuati validi metodi di sfruttamento delle “fonti naturali” di antimateria il suo possibile sfruttamento rimarrà più che altro una mera curiosità scientifica.

Finora la NASA aveva valutato “soltanto” (si fa per dire) la possibilità di raccogliere nei campi elettromagnerici l'antimateria che si forma spontaneamente nelle fasce di van Allen attorno alla terra o attorno ai grandi pianeti come Giove.

A livello teorico, dato che l'energia prodotta dall'annichilimento materia/antimateria è nettamente superiore a quella prodotta da altri sistemi propulsivi, il rapporto tra peso del carburante e spinta prodotta sarebbe estremamente vantaggioso. L'energia ottenibile dalla reazione di pochi grammi di antimateria con altrettanti di materia sarebbe sufficiente a portare una piccola navicella spaziale sulla Luna.

Le scoperte effettuate dalla NASA mi hanno anche fatto riflettere molto sull’eticità dell’argomento. La stupefacente sinergia tra tecnologia, scienza e meteorologia, di concerto con le meraviglie e i misteri che circondano il vastissimo mondo della fisica, arricchisce ancor più il prezioso patrimonio culturale dell’umanità e custodisce serenamente la speranza di risultati ancor più concreti ed utili al prosieguo di vita di Gaia, sempre più minacciata dall’ignorante operato di interessi ecomonici distruttivi ed invadenti.

Da oggi in poi quei temporali che abbiamo sempre (legittimamente) odiato a causa dei suoi negativi effetti collaterali, potrebbero rivelarsi generosi debitori della loro naturale potenza distruttiva e potremo guardarli da un punto di visto più ampio e, seppur soggettivamente, diverso.

Roberto Viccione

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