Così da un temporale si forma antimateria

Scoperta! Nei temporali succedono cose incredibili: enormi esplosioni, raggi X, radiazioni come quelle della bomba H. E c'è perfino antimateria, una sostanza uguale e opposta alla...

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Immaginate un pianeta sul quale i temporali producono fasci di antimateria, la sostanza speculare, con cariche opposte, della materia. L’antimateria è una sostanza straordinaria, capace di trasformarsi al 100% in energia e propellere le astronavi del futuro, come già si immaginava nei telefilm della serie Star Trek.

 


Se gli astronomi trovassero un pianeta del genere, sarebbe già una scoperta straordinaria. Ma se poi venisse fuori che quel pianeta è la Terra... ci sarebbe da non crederci! Eppure è così. Lo ha dimostrato un satellite artificiale, che il 14 dicembre 2009 è stato investito da un fascio di antimateria generato da un temporale a 5 mila km di distanza (vedi disegno sotto). Com’è stato possibile? Per capirlo bene, è necessaria una lunga premessa.

 

Come un buco nero. Già da diversi anni, gli scienziati sanno che alcuni temporali, soprattutto nelle regioni tropicali, possono produrre lampi di radiazioni energetiche come quelle generate dalle bombe atomiche: i raggi gamma. Queste radiazioni sono le più penetranti in assoluto, ben più dei raggi X che si usano per le radiografie. E sono emesse dai corpi celesti più estremi, come i buchi neri.

 


Infatti, i lampi gamma terrestri generati dai temporali sono stati scoperti per caso, negli anni ’90, proprio dai satelliti artificiali che scrutavano la volta celeste a caccia di buchi neri divoratori di materia e altri fenomeni cosmici altrettanto violenti.

 


All’inizio nessuno si aspettava che nella nostra atmosfera si verificassero fenomeni così estremi, e da allora molti scienziati e vari satelliti - tra cui l’italiano Agile - si sono dedicati alla ricerca.

 

Alcuni sì, altri no. Pare che questo affascinante fenomeno fisico, che per molti aspetti resta ancora misterioso, cominci con un flusso di elettroni accelerati verso l’alto dai campi elettrici del temporale, fino a raggiungere velocità prossime a quella della luce nel vuoto. Questi elettroni iperveloci, scontrandosi con gli atomi dell’atmosfera, liberano energia e producono raggi gamma.

 


Restano, comunque, ancora molti aspetti da chiarire: «I lampi gamma terrestri sono prodotti da temporali di tutte le forme e dimensioni» spiega Joseph Dwyer docente di fisica negli Usa «ma ancora non sappiamo perché alcuni temporali producono lampi gamma e altri no».

Uguali e opposti. Qualunque sia la loro origine, pare che tutti i lampi gamma terrestri producano antimateria. I raggi gamma, infatti, sono pacchetti molto concentrati di energia. E, quando urtano un atomo, possono materializzarsi in due particelle uguali e opposte: un elettrone e un positrone (o antielettrone). Un positrone è come un elettrone allo specchio: stessa massa e carica elettrica di segno opposto (l’elettrone ha carica negativa, il positrone positiva). Elettroni e positroni, se fossero sempre separati, vivrebbero ciascuno di vita propria, all’infinito... ma, se si incontrano, si disintegrano all’istante, liberando energia: in pratica, svaniscono e al posto loro restano i raggi gamma. Un “miracolo” reso possibile dalla celebre formula di Einstein E=mc2, in base alla quale l’energia (i raggi gamma) si può trasformare in materia (particelle e antiparticelle) e viceversa.

Particelle con la bussola. Anche i raggi gamma che si formano durante i temporali, scontrandosi con gli atomi dell’atmosfera, producono coppie di elettroni e antielettroni. Così creano una nuvoletta di materia, e una uguale e opposta di antimateria. Queste particelle e antiparticelle, però, non stanno ferme dove sono, ma - come se dovessero seguire una bussola - sono indirizzate dal campo magnetico terrestre verso il Polo Sud o il Polo Nord, a seconda della loro carica elettrica e della loro velocità.
Fatte queste premesse, possiamo finalmente ricostruire fase per fase quanto è successo il 14 dicembre 2009, quando è stato registrato il primo flusso di antimateria generato da un temporale.

 

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Tutto è cominciato in Zambia, dove infuriava un temporale. Mentre a terra scoccavano i fulmini, in quota si liberava un lampo di raggi gamma, che a sua volta ha generato una nuvoletta di materia (elettroni) e una di antimateria (positroni).
L’antimateria, almeno in parte, si è incanalata lungo il campo magnetico terrestre, dirigendosi verso nord. E, quando è passata sopra l’Egitto, ha investito il satellite Fermi della Nasa ed è stata registrata dai suoi strumenti. In pratica, l’antimateria della nuvoletta e la materia del satellite si sono scontrate e si sono annichilite, generando energia e attivando gli strumenti di misura. Se le quantità di materia e antimateria fossero state uguali, il satellite si sarebbe completamente disintegrato. Ma l’antimateria prodotta da un temporale è pochissima: «Appena un nanogrammo (cioè un millesimo di milionesimo di grammo)» stima Michael Briggs . Cioè meno di un granello di polvere: quanto basta a liberare 360 mila Joule, cioè a far brillare una lampada da 100 W per mezz’ora. Nell’urto, dunque, solo una piccolissima parte del satellite si è disintegrata.

Come una molla. La storia non finisce qui. Perché la nube di antimateria, anche dopo essersi scontrata (e parzialmente annichilita) una prima volta con il satellite, ha continuato il suo cammino lungo il campo magnetico terrestre. Fino a raggiungere un punto dell’atmosfera “speculare” a quello in cui è avvenuto il temporale e rimbalzare indietro. Il satellite Fermi, infatti, ha registrato una seconda ondata di antimateria 23 millesimi di secondo più tardi: una specie di eco del segnale principale.

 


Come mai è avvenuta questa riflessione? Joseph Dwyer risponde: «Le particelle cariche (elettroni e positroni) si muovono lungo le linee del campo magnetico terrestre seguendo una traiettoria a spirale. Quando le particelle si avvicinano alla Terra, il campo magnetico si intensifica, con la conseguenza che le particelle spiraleggiano più velocemente ma avanzano più lentamente. Fino a tornare indietro».

 


In pratica, spiega Briggs, la traiettoria a spirale delle particelle assomiglia a una molla, che all’inizio si allunga (quando l’antimateria si allontana dal temporale di origine) e poi si comprime (quando, superato l’equatore, si riavvicina alla Terra)… fino al punto in cui “la molla rimbalza”, e le particelle sono riflesse indietro.

C’è pericolo per noi? Rimane un dubbio: quando c’è un temporale, oltre ai fulmini, dobbiamo temere di essere tempestati da radiazioni penetranti e perfino da antimateria? Per chi si trova sulla superficie terrestre la risposta è certamente no, non c’è d’avere paura, perché tutti questi fenomeni si verificano in quota... E per gli aeroplani e i satelliti artificiali?

 


«L’antimateria generata dai temporali è talmente poca e diluita che non dovrebbe danneggiare i satelliti» spiega Briggs. «Secondo alcuni calcoli , però, se un aeroplano passasse nei pressi di un lampo gamma terrestre, i passeggeri potrebbero ricevere una dose significativa di radiazioni. Questa, tuttavia, è un’eventualità statisticamente molto remota».
Le ricerche, in questo campo, d’altronde, sono appena cominciate. «Oltre all’interesse scientifico» conclude Dwyer «questi studi sono importanti per determinare il tipo e la quantità di radiazioni presenti nei temporali alle quote in cui volano gli aeroplani». E per ribadire, comunque, che, nel dubbio, da un forte temporale è sempre meglio stare alla larga.

 

Abbiamo intervistato Michael Briggs, docente di astronomia dei raggi gamma all’Università dell’Alabama (Usa) e principale autore della ricerca.

 

Ecco alcuni estratti dell'intervista raccolta da Andrea Parlangeli.

I lampi gamma terrestri sono collegati ad atri processi che avvengono a quote elevate, come sprite, elfi ecc… ?
I lampi gamma terrestri sono stati scoperti nello stesso periodo degli sprite, e inizialmente gli scienziati pensavano che i due fenomeni fossero collegati. Ora sappiamo che sono fenomeni diversi. L’accelerazione di elettroni che sono l’inizio di un lampo gamma terrestre avviene dentro un temporale o nei suoi pressi. Gli sprite avvengono dopo che un fulmine molto intenso ha colpito il suolo. Il grande trasferimento di carica elettrica del fulmine crea una differenza di potenziale tra la nuvola e l’alta atmosfera che genera una scarica elettrica ad altitudini elevate: uno sprite.

Nel vostro studio, l’antimateria prodotta dal temporale in Zambia ha raggiunto l’Egitto ed è stata riflessa indietro. Perché?
Gli elettroni si muovono lungo il campo magnetico seguendo percorsi a spirale, propriamente chiamati elicoidali. Possiamo pensare i cammini come composti da due parti, un movimento parallelo lungo una linea del campo magnetico e uno circolare attorno alla stessa linea. Quando il campo magnetico si rafforza, avvicinandosi alla Terra, il raggio dell’orbita attorno al campo magnetico diminuisce e una percentuale maggiore dell’energia delle particelle va a finire nel moto orbitale: le eliche della traiettoria si avvicinano, come quando si comprime uno “slinky”. Nel punto speculare al temporale, il movimento lungo il campo magnetico si annulla e si inverte.

Quanta antimateria è prodotta da un singolo evento?
Approssimamene un nanogrammo, cioè un miliardesimo di grammo.

Quali sono le applicazioni di questi studi? L’antimateria è pericolosa per i voli aerei e i satelliti?
L’antimateria è abbastanza poco densa da non disturbare i satelliti. Per quel che riguarda gli aeroplani, invece, secondo alcuni calcoli, se un velivolo è molto vicino a un lampo gamma terrestre, i passeggeri potrebbero ricevere una dose significativa di radiazioni. Questo, però, è improbabile, considerando il ritmo con il quale avvengono i lampi gamma terrestri e che il pericolo dipende dall’essere molto vicini alla sorgente di lampi gamma (vedi la notizia sul sito della Nasa).

L'intervista a Joseph Dwyer, esperto di fulmini e docente al Florida Technology Institute. È tra gli autori della ricerca.

Quali temporali producono lampi di raggi gamma?
Non lo sappiamo. I lampi gamma terrestri si vedono provenire da temporali di tutte le forme e dimensioni; ma non sappiamo ancora perché alcuni producono lampi gamma e altri no.

Può descrivere il processo fisico il processo che porta alla produzione di antimateria?
Il processo è certamente il seguente: i raggi gamma interagiscono con gli atomi e si trasformano in elettroni e positroni (antielettroni). Questo processo è chiamato “produzione di coppie”. Siamo molto confidenti che questo sia ciò che avviene. Come i temporali producano raggi gamma, però, è un’altra questione.

Nel vostro studio, l’antimateria prodotta dal temporale in Zambia ha raggiunto l’Egitto ed è stata riflessa indietro. Perché?
Le particelle cariche (elettroni e positroni) spiraleggiano attorno alle linee di campo magnetico nello spazio. Quando si avvicinano alla Terra, il campo magnetico aumenta, con la conseguenza che le particelle spiraleggiano maggiormente, ma si muovono più lentamente in avanti. Alla fine, quando il campo magnetico è abbastanza intenso, le particelle tornano indietro. Si dice che il campo magnetico si comporta come uno specchio. Poiché le particelle sono uscite dall’atmosfera in un punto (sopra il temporale, ndr), esse tornano indietro e colpiscono nuovamente l’atmosfera, quindi è improbabile che avvenga un’ulteriore riflessione. Una parte delle particelle, però, potrebbe subire urti durante il tragitto e rimanere intrappolata, rimbalzando avanti e indietro.

Quali sono le applicazioni di questi studi? L’antimateria è pericolosa per i voli aerei?
Oltre a essere una ricerca interessante dal punto di vista scientifico, è anche importante sapere quale ambiente di radiazioni ci sia nei temporali alle quote alle quali volano gli aerei.

In passato si è parlato della possibilità che i fulmini potessero scatenare reazioni nucleari. È davvero così?
I fulmini producono raggi X accelerando elettroni ad alte energie. I temporali possono fare la stessa cosa a energie ancora maggiori. Alcuni di questi raggi gamma possono interagire con i nuclei ed emettere neutroni, come è stato riportato. E questo potrebbe creare una piccola quantità di isotopi. Gli articoli che qualche anno fa parlavano di grandi quantità di reazioni nucleari probabilmente non erano corretti, almeno ci sono poche prove o teorie che lo facciano pensare.

 

22 febbraio 2011