Che cos'è il plasma?

Il plasma è il quarto stato di aggregazione della materia.

Dalle nostre esperienze probabilmente conosciamo i classici tre: solido, liquido e gassoso. Molto raramente avremmo sentito parlare di plasma, per un semplice motivo: sulla Terra è molto raro.

Eppure oltre il 99% della materia dell’intero Universo si trova in questo particolare stato di aggregazione! Tutte le stelle sono fatte di plasma, buona parte delle nebulose e tutto lo spazio interstellare e intergalattico è popolato da plasma, seppur estremamente rarefatto.

L’ingrediente fondamentale per creare lo stato di plasma sono altissime temperature.

Mano a mano che un pezzo di materia qualsiasi viene riscaldato diventa prima liquido, poi gassoso. Continuando il riscaldamento a un certo punto la grande energia termica fa spezzare i legami molecolari, trasformando il gas in un miscuglio di singoli atomi.

Aumentando ancora la temperatura, l’energia somministrata al gas atomico è così grande da spezzare anche i legami tra nuclei atomici ed elettroni. Abbiamo raggiunto lo stato di plasma: un gas qualsiasi composto da nuclei atomici positivi ed elettroni, negativi, che non riescono più a legarsi.

Le proprietà del plasma sono particolari. Prima di tutto emette luce, meglio, radiazione elettromagnetica, tanto più intensa quanto maggiore è la sua temperatura.

Poi il plasma, essendo composto da particelle con una carica elettrica, è molto sensibile all’influenza dei campi magnetici.

Se potessimo immergere una potente calamita in una piccola quantità di plasma, vedremo il gas muoversi e a disporsi secondo delle linee ordinate, chiamate linee del campo magnetico.

Un fulmine è plasma

L’esperienza è simile a quella che ogni insegnante di fisica ha proposto, almeno una volta, ai propri alunni utilizzando un magnete e la limatura di ferro.

La polvere di ferro è così leggera che sente il campo magnetico e si dispone in modo piuttosto ordinato intorno alla calamita, facendo vedere le linee del campo magnetico.

Sebbene su scala estremamente più grande, il plasma si comporta in modo simile. Per notarlo basta osservare il Sole durante le sue eruzioni, dette anche brillamenti, e vedere come le fontane di gas espulse dalla superficie somiglino a perfette trame cosmiche modellate dal campo magnetico.

Sulla Terra il plasma esiste ma va cercato attentamente perché, fortunatamente per la nostra vita, rappresenta una componente trascurabile dell’atmosfera.

La bianca luce prodotta da un fulmine è l’esempio più evidente di plasma. La forte scarica elettrica proveniente dalle nubi riscalda l’aria circostante fino a due milioni di gradi, facendola diventare per breve tempo plasma, che poi è il responsabile dell’emissione della tipica luce bianco-azzurra del lampo.

In realtà ogni scarica elettrica produce, per un tempo brevissimo, del plasma, compresa quella dei comuni accendigas. Anzi, è la scarica elettrica in sé che si rende visibile perché l’aria si ionizza diventando plasma e mostrando il piccolo arco elettrico azzurro.

Qualsiasi materiale può diventare plasma, dall’idrogeno al ferro: basta solamente raggiungere la temperatura adatta.

Nuove spettacolari immagini da Plutone!

New Horizons, la sonda della NASA che il 15 Luglio scorso ha effettuato il primo passaggio ravvicinato della storia al pianeta nano Plutone, si trova ora a oltre 70 milioni di chilometri di distanza e si dirige verso il suo nuovo obiettivo, un corpo celeste remoto, facente parte della fascia di Kuiper, denominato 2014 MU69, distante circa un miliardo e mezzo di chilometri oltre l'orbita di Plutone. Questo nuovo corpo celeste, scoperto ben più tardi della partenza della sonda dalla Terra (e questo è un altro record), verrà avvicinato nel Gennaio 2019. Nel frattempo l'attesa sarà riempita con la ricezione dell'enorme mole di dati e immagini ottenuti durante il passaggio ravvicinato con Plutone.

Proprio oggi sono state rilasciate alcune spettacolari immagini di quello che si è rivelato subito essere un corpo celeste ben più complesso e spettacolare di quanto chiunque potesse immaginare.
Le nuove immagini mostrano una superficie solcata da montagne e dune, probabilmente fatte di ghiaccio d'acqua, l'unico materiale che può costruire rilievi data la sua estrema compattezza. Il ghiaccio d'acqua su Plutone potrebbe svolgere un ruolo simile a quello del magma che esce dai vulcani terrestri: nelle profondità è liquido, esce dalle spaccature della crosta e riesce a costruire imponenti montagne (al momento si tratta però solo di congetture).

Ma limitarsi a parlare delle strane montagne, fatte forse di ghiaccio, sarebbe riduttivo per un corpo celeste davvero sorprendente. Ecco allora affiorare valli scavate da chissà cosa, scarpate, flussi di azoto ghiacciato che dalle montagne si riversano nelle pianure sottostanti, monti isolati che si pensa siano degli immensi blocchi di ghiaccio d'acqua che in pratica galleggiano su una crosta soffice di ghiaccio d'azoto. Insomma, siamo davvero di fronte a qualcosa che nessuno si aspettava, che rivoluziona molte delle nostre conoscenze sulla geologia planetaria e ci getta verso un mondo tutto da scoprire, senza smettere mai di meravigliarci.

Alla fine è anche questo il bello dela scienza e dell'esplorazione: per quanto possiamo essere preparati, anche noi astronomi, ci saranno sempre delle sorprese che ci faranno restare a bocca aperta e ci proietteranno un po' oltre il confine che avevamo tracciato poco tempo prima, con sudore e tanta fatica. E continuare a meravigliarsi di questo incredibile Universo è il modo migliore per dare un senso a questa straordinaria vita.

 

 

Un'immagine a lunga posa mostra una debole illuminazione oltre il terminatore: questa è una prova diretta della diffusione della luce solare provocata dalla tenue atmosfera di Plutone

L'atmosfera di Plutone vista in "controluce". A sinistra un'immagine quasi grezza, a destra un'elaborazione finalizzata a evidenziare le deboli strutture. Si possono notare diversi livelli di foschia, forse deboli e tenui nubi.

Per approfondire: http://www.nasa.gov/feature/new-pluto-images-from-nasa-s-new-horizons-it-s-complicated

Cosa si prova in assenza di gravità?

Se il moto orbitale produce come effetto la scomparsa della forza di gravità sentita dagli astronauti a bordo, perché sono in caduta libera praticamente eterna, allora non è poi così difficile capire cosa di debba provare nello spazio. 

La sensazione, non proprio piacevole, somiglia molto a quella che si sente su un ottovolante che precipita verso il suolo, su un aereo in picchiata o nei primi secondi di un lancio dal paracadute o da un ponte (naturalmente con un elastico che ci impedisca di schiantarci in terra!). In altre parole, l’assenza di gravità provoca quella sensazione di stomaco in gola e mancanza momentanea di respiro che tanto ci fa divertire e spaventare sulle montagne russe.

Non c’è quindi da stupirsi se diversi astronauti, soprattutto nei primi giorni di missione, avvertano nausee e giramenti di testa, il cosiddetto mal di spazio.

In effetti, non dovrebbe essere proprio piacevole convivere per giorni o mesi con queste sensazioni, ma, personalmente, per osservare il nostro pianeta a bordo della stazione spaziale internazionale, o per una futura missione verso Marte, potrei benissimo sopportare il mal di spazio!

Presso alcuni centri di addestramento degli astronauti o presso strutture specializzate per il pubblico, è possibile sperimentare l’effetto dell’assenza di gravità, volando a bordo di uno speciale aereo che raggiunti i 10.000 metri viene fatto scendere in picchiata, in volo parabolico, per al massimo 30 secondi.

In questa frazione di tempo, l’effetto è esattamente quello dell’assenza totale di gravità: si può galleggiare, nuotare, fare capriole in aria e, ovviamente, capire se il volo spaziale è sopportato dal nostro fisico!

Quante stelle si possono osservare nel cielo?

La domanda ha molte possibili risposte.

Se ci riferiamo al numero di stelle effettivamente osservabili nel cielo, dobbiamo fare i conti con una forma di inquinamento poco conosciuta, ma altrettanto dannosa: l’inquinamento luminoso.

Ogni stella, anche la più splendente, a causa dell’enorme distanza appare estremamente più debole di qualsiasi lampadina. Di conseguenza, l’elevatissima quantità di luci artificiali spegne letteralmente il cielo, facendolo somigliare a un luogo noioso e ben diverso dallo spettacolo che in realtà si dimostra essere.

L’inquinamento luminoso è il testimone più evidente dell’enorme spreco energetico della nostra società: tutta la luce diretta verso il cielo, infatti, oltre a spegnere le stelle, si perde nello spazio, non illuminando assolutamente nulla, se non l’aria.

L’Italia in questo ambito detiene un triste primato: è la nazione al mondo, probabilmente a pari merito con il Belgio, che spreca maggiori risorse per illuminare il cielo.

Uno sguardo dalla stazione spaziale internazionale ci rivela in modo molto evidente come il nostro Paese sia di gran lunga il più illuminato.

La conseguenza più grave è sorprendente quanto deprimente: in Italia non esiste più un luogo dal quale ammirare un cielo non disturbato dalle luci artificiali.

Il numero di stelle effettivamente visibili a occhio nudo, quindi, varia tra le poche decine dei grandi centri abitati, alle poche migliaia dei luoghi più scuri, ma che non saranno mai perfettamente bui.

Da un cielo non contaminato dalle luci artificiali, il numero di stelle che è possibile vedere a occhio nudo può superare le 5000.

Con un piccolo telescopio, il valore aumenta esponenzialmente, superando abbondantemente il milione.

Se questo numero sembra astronomico è ben poca cosa rispetto alla quantità di stelle effettivamente presenti nella nostra isola di stelle, la Via Lattea.

Recenti studi affermano che il numero di astri possa essere compreso tra 200 e 400 miliardi.

Ogni galassia dell’Universo possiede in media circa 100 miliardi di stelle. Quale sarebbe il numero di stelle di tutte le galassie esistenti?

La mineral Moon: i colori sono veri, o no?

Molti lettori si sono spesso chiesti se le immagini della Luna che nel passato ho postato sotto il nome di "mineral Moon", lettereralmente Luna minerale, fossero vere o no. Su alcuni forum si è accesa la discussione liquidando le mie foto come false. Ma, esperienza insegna, non c'è peggior consiglio sulla fotografia astronomica di quello dato un fotografo (professionista o amatoriale) che non è abituato a capire i fenomeni fisici dietro una fotografia astronomica ma ha, purtroppo, l'arroganza di valutare la realtà solo in base alla sua limitata conoscenza delle tecniche fotografiche (e non dell'astronomia).

Bene, veniamo a noi rinfrescandoci la mente. Le seguenti foto mostrano una Luna con colori molto diversi da quelli che vediamo.

Perché questi colori? E sono reali anche se non li vediamo con i nostri occhi?
Il primo errore che si fa è considerare reale solo quello che gli occhi riescono a vedere. Questi sono strumenti formidabili per farci sopravvivere ma sono del tutto inaffidabili per indagare a fondo la realtà. Volete un esempio? Bene, di che colore vedete le ali della nebulosa di Orione nella foto sottostante?
 

Se la vostra risposta è rosa, arancio, giallo o qualsiasi colore diverso dal grigio, vi siete sbagliati.

Abbiamo imparato una importante lezione: la realtà non sempre è quella limitata e a volte ingannevole che ci mostrano i nostri occhi, altrimenti noi astronomi non avremmo neanche inventato telescopi potenti e macchine fotografiche super sensibili.

Torniamo allora alla nostra foto. Ci sono due modi per capire se il metodo con cui è stata ottenuta è corretto e quindi porta a risultati che, sebbene invisibili a occhio nudo, corrispondono effettivamente alla realtà.
Il primo metodo si basa sulla filosofia stessa di fotografia astronomica, che è ben diversa dalla fotografia artistica. Chi fa fotografia astronomica raccoglie ed elabora dati scientifici e non dovrebbe creare capolavori artistici tipici di chi invece interpreta la realtà con la fotografia naturalistica. In altre parole, tutte le fotografie che ho mostrato sono state ottenute mediando decine di immagini scattate al fuoco di un telescopio con una reflex digitale, riprendendo in formato raw e intervenendo, in elaborazione, unicamente su due impostazioni: dapprima si è bilanciato il bianco in modo da correggere la tonalità dominante giallastra della luce lunare, dovuta alle proprietà della luce riflessa dal Sole e dalla nostra atmosfera. In questo modo togliamo di mezzo qualsiasi effetto non intrinseco alle eventuali proprietà del suolo lunare. E' un processo valido scientificamente, purché sia fatto bene.
A questo punto l'unica cosa rimasta da fare è aumentare la saturazione dei colori, in modo identico per tutti e tre i canali colore, e gradualmente, fino ad arrivare al limite in cui i colori diventano saturati e/o compaiono gli artefatti dovuti alla camera di ripresa. Nient'altro: nessuna correzione selettiva né zonale, né tantomeno alcun filtro di contrasto o di colore. Questo, quindi, è un metodo che non altera nemmeno le diverse tonalità ma enfatizza solo quello che è stato catturato. E' sufficiente ciò per dire con ragionevole certezza che la foto mostrerà sempre colorazioni reali? Naturalmente no, servono altre conferme, perché potremmo aver enfatizzato delle differenze di colori che dipendono dalla scarsa qualità del sensore del dispositivo usato per la ripresa.

Un'altra conferma, allora, arriva da uno dei cardini del metodo scientifico, che è utilissimo anche e soprattutto nell'affrontare la realtà di tutti i giorni: la ripetibilità. Se i dettagli che vediamo sono artefatti del sensore, non si ripeteranno mai uguali in due riprese ottenute in serate differenti. In altre parole: se quei colori sono davvero della Luna, li posso riprendere quante volte voglio, con qualsiasi strumentazione che sia idonea allo scopo. Ecco allora che un bel confronto con le mie foto ci mostra una corrispondenza elevatissima, nonostante siano state scattate a distanza di un anno, con strumenti ben differenti (a sinistra un telescopio da 35 cm, a destra uno da 23 cm) ed elaborate in modo indipendente. A parte qualche naturale differenza nella quantità di saturazione dei colori e nel loro bilanciamento, le zone rosse e blu corrispondono in modo perfetto tra di loro.

Se non siamo ancora convinti, possiamo girare il web e scrivere dapprima le parole "Mineral Moon" per trovare centinaia di riprese amatoriali che mostrano circa le stesse sfumature di colore. Se vogliamo esagerare, possiamo scrivere anche "Mineral Moon Galileo" e scoprire, con una certa sorpresa e soddisfazione, che questo metodo non l'ha di certo inventato quel poveraccio che sta scrivendo questo post, ma è stato usato addirittura nei primi anni 90 niente di meno che dalla NASA, che fece fotografare i veri colori della Luna dalla sonda Galileo che si sarebbe poi diretta verso Giove.

Direi a questo punto che il nostro processo di acquisizione, elaborazione e validazione dei dati sia piuttosto forte. Il metodo non altera il peso dei singoli canali né la loro tonalità, è ripetibile e mostra colori compatibili con quanto si vede in giro anche da sonde automatiche. Detto questo, spero di aver ben chiarito che i colori che si fotografano con la tecnica della "mineral Moon" siano assolutamente reali, anche se il nostro occhio non li vede. Facciamoci una ragione: siamo molto lontani dall'essere creature perfette e infallibili con il solo aiuto dei nostri sensi, per questo abbiamo inventato la scienza!

In conclusione, mi piace ricordare cosa significano questi colori, che seppur reali ancora non ho detto da cosa siano prodotti. Non c'è problema, la spiegazione è semplice. Il suolo lunare non ha la stessa composizione chimica ovunque, come qui sulla Terra il suolo australiano, rossissimo, appare ben diverso dalle rosate distese sabbiose del deserto del Sahara. I diversi colori, quindi, indicano differenti composizioni chimiche. Certo, la precisione nel determinare gli elementi prevalenti non è elevatissima ma possiamo dire, ad esempio, che le zone rosse sono povere di ferro e in generale più antiche, mentre quelle blu rivelano zone ricche di titanio. Chissà che un giorno anche queste nostre foto non servano ai primi minatori lunari come indicazione su dove trovare maggiori quantità dei minerali che cercheranno di estrarre!