Astronomia

Cosa accadrebbe se rilasciassimo acqua nello spazio profondo?

Cosa accadrebbe se rilasciassimo acqua nello spazio profondo?

Se andassimo nello spazio profondo con un'astronave e rilasciassimo acqua nello spazio, cosa accadrebbe? L'acqua si congelerebbe in ghiaccio o rimarrebbe liquida?


L'acqua non può esistere nel vuoto. L'acqua nello spazio (atmosfera, assenza di gravità) tende a formare una palla, ma porta via l'atmosfera e si disgregherebbe rapidamente. In realtà non sembrerebbe bollire. Sulla Terra si bolle perché l'acqua è trattenuta in una pentola per gravità. Nello spazio vuoto l'acqua verrebbe rapidamente e in qualche modo esplosivamente erogata

Questo articolo dice che assomiglierebbe a quello che succede quando si getta acqua calda in aria molto molto fredda e si trasforma rapidamente in neve. Questa è probabilmente un'immagine visiva abbastanza buona se immagini l'assenza di gravità e tutto continuerà a volare a pezzi, non rallentato dalla resistenza dell'aria o cade a terra.

In uno spazio freddo l'acqua si congelerebbe, ma anche parte del liquido potrebbe effettivamente evaporare, anche a temperature molto basse, perché il liquido non è stabile nel vuoto. Come ho detto, parte di esso bollirebbe, ma non sembrerebbe bollire, si disgregherebbe più velocemente di quanto si congeli, ma lo vedresti anche congelare abbastanza rapidamente. Se l'acqua fosse racchiusa, il congelamento richiederebbe del tempo, ma nel vuoto e diffondendosi, si congelerebbe rapidamente in neve e cristalli di ghiaccio.

Una percentuale dell'acqua diventerebbe gas e ciò aiuterebbe a portare via un po' di calore dall'acqua rimanente, accelerando il processo di congelamento. Quel gas volerebbe via ad alta velocità e non sarebbe visibile. Se raccogliessi e pesassi i cristalli di ghiaccio dopo che l'acqua è stata lanciata nello spazio, probabilmente scopriresti che una percentuale dell'acqua fuoriesce sotto forma di gas.

Puoi avere un'idea dell'acqua che si trasforma in ghiaccio per trasferimento di calore e sfuggire alla formazione di molecole di gas in un video che mostra cosa succede all'acqua in una camera a vuoto. Una camera a vuoto non può replicare la rapida diffusione a causa della gravità zero, ma dimostra che l'acqua si trasforma in ghiaccio, anche a temperatura ambiente. Ecco un video di questo.


Dove dovrebbe puntare una bussola nello spazio?

Josh Barker del National Space Center arriva in fondo a questa interessante domanda per noi.

Le bussole funzionano utilizzando i campi magnetici. Qui sulla Terra, una bussola punterebbe verso il nord magnetico. Una bussola si allineerà con il campo magnetico più forte della regione. Questo è il motivo per cui se prendi un magnete e lo tieni vicino a una bussola, cambierà la direzione verso cui sta puntando.

Quando lasci la Terra e ti muovi nello spazio, il campo magnetico si indebolisce. Anche se il campo è più debole, la bussola può ancora allinearsi con esso, il che significa che una bussola sulla Stazione Spaziale Internazionale sarebbe comunque una guida affidabile per il Polo Nord.

Se scegli di andare più lontano, le cose diventerebbero un po' più interessanti. Se ti allontani abbastanza dalla Terra, raggiungerai un punto in cui il campo magnetico del Sole sarà più forte di quello della Terra. A questo punto, la tua bussola cambierebbe fedeltà e inizierebbe a puntare verso il polo nord magnetico del Sole.

Naturalmente, se dovessi inviare una bussola direttamente nello spazio intergalattico, lo spazio tra le galassie. Allora la bussola probabilmente non funzionerebbe affatto. Una bussola più potente rileverà campi magnetici più deboli, ma allontanati abbastanza da una sorgente magnetica e la tua bussola non punterebbe da nessuna parte.

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Acqua nello spazio: cosa succede?

La Terra è uno di quei luoghi estremamente rari e speciali nell'Universo dove l'acqua può esistere, stabilmente, come un liquido. Esiste così tanto qui sulla Terra, che se dovessi sommare tutti gli oceani della Terra insieme, peserebbe più di 10^18 tonnellate, più massiccio del più grande asteroide mai esistito e circa quanto la luna gigante di Plutone, Caronte.

Ma l'acqua ha solo una finestra molto piccola in cui può essere un liquido. Ad esempio, se portassi dell'acqua calda fino a un'altitudine molto elevata, comincerebbe a bollire e diventerebbe un gas! Più in alto lo prendevi, più basso sarebbe stato il tuo punto di ebollizione.

Perché? Perché altitudini più elevate sulla Terra significano pressione più bassa. Se non c'è abbastanza forza che spinge l'acqua in una fase liquida, allora non c'è forza che leghi insieme le molecole d'acqua. Se semplicemente permetti loro di diffondersi, lo faranno. E questa è la definizione di gas, che è quello con cui finirai.

D'altra parte, l'acqua non ha nulla a che fare con l'essere un liquido a basse temperature. Puoi vedere - da questo diagramma qui sotto - che se inizi con acqua liquida, puoi girarla in un gas abbassando la pressione, ma puoi anche girarlo in un solido abbassando la temperatura.

Se portassi un bicchiere d'acqua nello spazio esterno, l'acqua lo farebbe? congelare o sarebbe l'acqua? Bollire?

Questa è una domanda che sembra terribilmente difficile, perché oltre a conoscere l'acqua:

Dobbiamo anche conoscere lo spazio esterno. Lo spazio è tante cose: il freddo, il buio e il vuoto vengono subito in mente. E vengono in mente, più o meno, non appena lasci la Terra.

Ebbene, la temperatura dello spazio è, al suo più freddo, solo la temperatura del bagliore residuo del Big Bang. Questa radiazione, nota come Fondo Cosmico a Microonde, bagna l'intero Universo a una temperatura di soli 2,7 Kelvin. Sono meno di 3 gradi sopra lo zero assoluto, o -455 gradi Fahrenheit! Ma non c'è nemmeno - letteralmente - nessuna pressione nello spazio. Allora, cosa succede? Chi vince? L'acqua si congela o bolle?

Stranamente, la risposta è il primo, e poi l'altro! Si scopre che avere un vuoto a pressione farà bollire l'acqua quasi istantaneamente. In altre parole, l'effetto dell'ebollizione è molto, molto più veloce dell'effetto del congelamento.

Ma la storia non finisce qui. Una volta che l'acqua è bollita, ora abbiamo alcune molecole d'acqua isolate allo stato gassoso, ma un ambiente molto, molto freddo! Queste minuscole goccioline di vapore acqueo ora si congelano (o, tecnicamente, si desublimano) e diventano cristalli di ghiaccio.

Lo abbiamo già osservato. Secondo le osservazioni degli astronauti, dove hanno osservato che la loro urina viene espulsa dalla nave:

Quando gli astronauti fanno una perdita durante una missione ed espellono il risultato nello spazio, bolle violentemente. Il vapore passa quindi immediatamente allo stato solido (processo noto come desublimazione), e ti ritrovi con una nuvola di finissimi cristalli di urina congelata.

Sembra una cosa fantastica da guardare, vero? Bene, abbiamo fatto quasi la stessa cosa sulla Terra. Cosa succede se prendi dell'acqua bollente e, in una giornata molto, molto fredda, la lanci in aria?


Risposta

Ben - Abbiamo ricevuto una domanda via email da Jim Irvin e vuole sapere se puoi comprimere l'acqua in un solido. Ora ovviamente puoi trasformare l'acqua in un solido semplicemente togliendo calore, ma puoi semplicemente premerlo abbastanza forte da trasformarlo in una struttura solida? Davide cosa ne pensi?

Dave - La risposta semplice è, sì, puoi. Avresti bisogno di una quantità ridicola di forza, ma è possibile. Quando ciò accade si forma una diversa forma di ghiaccio, chiamata ghiaccio IV, che è una struttura cristallina diversa dal ghiaccio convenzionale.

Ben - Il ghiaccio convenzionale ha un volume maggiore dell'acqua liquida, quindi comprimendo l'acqua per trasformarlo in ghiaccio convenzionale, avresti bisogno di comprimerlo in qualche modo in un solido e consentirgli di espandersi?

Dave - Sì, quindi non funzionerebbe se provassi a produrre ghiaccio con struttura convenzionale.

Dave - No, ma se il ghiaccio si forma in una struttura cristallina diversa che non ha un volume maggiore, che puoi ottenere con una pressione di circa 2 Gigapascal - o circa 20.000 atmosfere, che è la stessa pressione che ottieni sotto i 20 chilometri di ghiaccio o acqua - quindi puoi produrre ghiaccio a temperatura ambiente normale.

Ben - Ci sono parti del mondo in cui l'acqua è sotto quel tipo di pressione, a 20 chilometri di profondità in alcune delle profonde creste oceaniche? E se sì, perché non forma la struttura del ghiaccio?

Dave - Venti chilometri sono circa il doppio delle parti più profonde dell'oceano, quindi probabilmente non c'è motivo per cui, su altri pianeti con un oceano più profondo, non si possa ottenere questo effetto.

Ben - Quindi l'acqua sembra una cosa così semplice, una cosa così semplice di tutti i giorni, ma in realtà è una cosa affascinante, non è vero?


È possibile la vita su Rogue Planet?

Quando pensiamo alla vita sulla Terra, vediamo ricchi e diversi sistemi di eco alimentati dalla stella ospite che è il Sole. Ogni volta che pensiamo alla vita altrove nell'universo, di solito immaginiamo qualcosa di molto simile. Un pianeta simile alla Terra che orbita a una distanza simile alla Terra da una stella simile al Sole. Ma ora sappiamo che ci sono miliardi di pianeti solo nella nostra galassia che non assomigliano a questo. In effetti ci sono miliardi di pianeti canaglia che non orbitano affatto in nessuna stella. Questi pianeti si formano all'interno di un sistema stellare come i pianeti normali, ma vengono in qualche modo espulsi dalla loro orbita originale e scagliati nello spazio profondo.

L'enorme abbondanza di questi pianeti canaglia ha portato gli scienziati a chiedersi se la vita potesse emergere senza una stella. Anche se non abbiamo prove conclusive, in realtà c'è una buona ragione per pensare che potrebbe farlo. È difficile immaginare qualcosa di fiorente senza una stella ospite perché il Sole è così vitale per la vita qui sulla Terra. Ma si scopre che la luce e il calore della stella potrebbero non essere gli ostacoli.

Ad esempio, mentre la vita con cui abbiamo più familiarità è alimentata dalla luce solare, ci sono molti esseri viventi che sopravvivono senza di essa. In effetti, per almeno un bel po' di tempo, nessuna vita sulla Terra ha usato la luce solare come fonte di energia. Gli strumenti molecolari necessari per eseguire la fotosintesi sono sorti solo dopo i primi microbi. E questo è parte del motivo per cui più ipotesi su come la vita è emersa per la prima volta coinvolgono alcuni luoghi piuttosto bui.

Oggi sappiamo di un gran numero di microrganismi che vivono in profondità nel sottosuolo e sopravvivono di reazioni chimiche nelle rocce circostanti. Quindi, un'ipotesi è che la vita sia emersa per la prima volta nella parte sotterranea dell'acqua o che la vita possa essere iniziata in basso a bocche idrotermali che sono luoghi sul fondo del mare dove l'attività vulcanica produce getti di vapore. Una varietà di organismi vive intorno a queste bocche, quindi non è difficile immaginare che la vita inizi lì prima che abbia trovato la strada per la superficie.

Tutte queste storie di origine hanno una cosa in comune che è l'acqua liquida. Questo perché l'acqua è vitale per tutta la vita sul pianeta Terra. Se assumiamo che il periodo della vita ha bisogno di acqua liquida, allora la sua esistenza su un pianeta canaglia è molto meno probabile poiché l'acqua può essere liquida solo in una gamma molto ristretta di temperature e pressioni. Naturalmente non è garantito che l'acqua sia necessaria per la vita in altre parti dell'universo. Anche se la vita può vivere senza acqua, probabilmente ha ancora bisogno di calore. Lo spazio profondo è semplicemente troppo freddo per pensare a qualsiasi interessante biochimica in corso. Non importa se c'è acqua o no, ma senza stelle ospiti per riscaldarli, la maggior parte dei pianeti canaglia sono probabilmente freddi nello spazio profondo, qui stiamo parlando di pochi gradi sopra lo zero assoluto.

Ma ci sono un numero sorprendente di modi in cui potrebbero essere riscaldati quanto basta per sostenere la vita. Ad esempio, i pianeti canaglia potrebbero riscaldarsi dall'interno. Questo è qualcosa che vediamo con molti pianeti, inclusa la Terra. Nel caso della Terra, circa il 10% del calore del nucleo è rimasto dalle collisioni che hanno formato la Terra, mentre il resto proviene dal decadimento radioattivo. È stato suggerito che processi simili potrebbero produrre abbastanza calore all'interno di un pianeta canaglia per riscaldare un oceano d'acqua sotto la superficie per miliardi di anni, il tempo necessario affinché la vita emerga ed evolva.

Anche con questo tipo di calore dal nucleo, però, un mondo come questo avrebbe probabilmente bisogno di uno strato superficiale di ghiaccio spesso circa diversi chilometri per poter agire da isolante. C'è un altro potenziale modo per isolare un pianeta canaglia che sta avendo un'atmosfera super densa. Un'atmosfera ricca di idrogeno circa 10-100 volte più spessa della nostra potrebbe isolare un pianeta canaglia. I pianeti canaglia forse sono più adatti a trattenere queste atmosfere rispetto a quelli nelle cosiddette zone abitabili intorno alle stelle. Questo perché la radiazione solare può spazzare via quel tipo di atmosfera.

È anche possibile che il pianeta canaglia possa ottenere un aumento della temperatura da un meccanismo chiamato riscaldamento delle maree. Essenzialmente la gravità riscalda due corpi orbitanti per lo stesso motivo che causa le maree. Le differenze di gravità percepite dalle diverse parti dei mondi li rendono schiacciati e allungati, il che si traduce in una grande quantità di attrito. Qui il riscaldamento delle maree può essere causato dalle lune vicine che i pianeti canaglia potrebbero avere in orbita attorno a loro.

Prima di essere troppo entusiasti della possibilità della vita su questi mondi erranti, vale la pena notare che è davvero difficile immaginare qualcosa di più complesso dei microrganismi su questi pianeti canaglia. Questo perché questi meccanismi di riscaldamento non danno nemmeno lontanamente tanta energia quanto la luce diretta delle stelle come la Terra riceve dal Sole.


Vedi Bollire l'acqua a temperatura ambiente

Sebbene non sia pratico visitare lo spazio per vedere l'acqua bollire, puoi vedere l'effetto senza lasciare il comfort di casa o in classe. Tutto ciò di cui hai bisogno è una siringa e acqua. Puoi ottenere una siringa in qualsiasi farmacia (non è necessario l'ago) o anche molti laboratori li hanno.

  1. Aspirare una piccola quantità d'acqua nella siringa. Hai solo bisogno di abbastanza per vederlo: non riempire completamente la siringa.
  2. Metti il ​​dito sull'apertura della siringa per sigillarla. Se temi di farti male al dito, puoi coprire l'apertura con un pezzo di plastica.
  3. Mentre guardi l'acqua, tira indietro la siringa il più velocemente possibile. Hai visto l'acqua bollire?

Pianeti ghiacciati che amano ruttare

C'è la possibilità che il calore non venga rilasciato dall'interno a un ritmo costante ma arrivi invece a "rutti". "Potremmo vedere Urano in un periodo di quiescenza, mentre Nettuno ha ruttato più di recente", ha detto Tollefson. "I rutti sono convezione, che possono verificarsi in episodi discreti separati da lunghi periodi di tempo, ma potremmo non sapere se funziona in questo modo con certezza a meno che non vediamo accadere uno di questi episodi convettivi".

Potrebbe anche essere un problema di Urano che è un veterano e Nettuno un cucciolo più giovane. "Quanto calore irradia un pianeta dipende principalmente da quanti anni ha e da quanto velocemente o lentamente rilascia quel calore", ha detto Amy Simon, scienziata senior della NASA per Planetary Atmosphere Research presso il NASA Goddard Space Flight Center. "Un pianeta più vecchio sarebbe più freddo. La velocità con cui vengono rilasciati dipende dalla struttura interna e dalla composizione, dagli strati di nuvole, dalla convezione e così via e questo può essere piuttosto complicato".

"Sui giganti gassosi potrebbero esserci quantità significative di pioggia di elio, che modificano la quantità di calore rilasciato. Per Urano e Nettuno è possibile che abbiano età diverse o, più probabilmente, l'evento che ha ribaltato Urano potrebbe aver confuso le sue struttura interna e/o il calore rilasciato più velocemente", ha detto Simon.

E allora che dire di quei venti? Sono innegabilmente feroci e questo potrebbe avere qualcosa a che fare con la temperatura.

"Abbiamo ipotizzato a lungo che il freddo di Nettuno e Urano potrebbe portare a condizioni quasi senza attrito e quindi consentire venti più veloci", ha detto Heidi Hammel, un'astronoma planetaria che ha studiato a lungo entrambi i pianeti e che faceva parte del team di imaging Nettuno da Voyager 2.

Con questo intende che non ci sono montagne, colline o altre forme nel paesaggio nettuniano che rallentano i venti. Ma c'è qualche relazione tra i temporali e la fonte di calore interna? "Probabilmente", disse Hammel, "ma c'è anche un delicato equilibrio tra il calore interno e la luce solare in arrivo".

È difficile quantificare questi effetti a causa dei lunghi tempi coinvolti. "Un anno su Nettuno è 165 anni terrestri, quindi non abbiamo avuto la possibilità di studiare il pianeta con strumenti moderni per gran parte del suo ciclo stagionale", ha detto Hammel. "Ci vuole molta pazienza - e fiducia nelle generazioni passate e future di scienziati planetari - per studiare le atmosfere dei pianeti esterni".

"Immagino che la teoria avrebbe dovuto essere la maggiore quantità di energia solare, più energia eolica, ma sulla Terra sappiamo da molto tempo che la quantità di energia ricevuta dal sole e convertita in energia cinetica nell'atmosfera... cioè, il vento - è una frazione minuscola", ha detto Del Genio.

La Terra è un motore termico molto inefficiente e non ti dà molto da fare. Una ragione è che ha una superficie solida che dissipa l'energia eolica per attrito, mentre i giganti gassosi non lo fanno, quindi questa è una delle ragioni per cui tutti i pianeti giganti hanno venti molto più forti della Terra.


Le fiamme sono sfere

Sulla Terra si alzano le fiamme. Nello spazio, si muovono verso l'esterno dalla loro fonte in tutte le direzioni. Ecco perché:

Più ti avvicini alla superficie terrestre, più molecole d'aria ci sono, grazie alla gravità del pianeta che le trascina lì. Al contrario, l'atmosfera diventa sempre più sottile man mano che ci si sposta verticalmente, causando un graduale calo della pressione. La differenza di pressione atmosferica su un'altezza di un pollice, sebbene lieve, è sufficiente per modellare la fiamma di una candela.

Questa differenza di pressione provoca un effetto chiamato convezione naturale. Quando l'aria intorno a una fiamma si riscalda, si espande, diventando meno densa dell'aria fredda che la circonda. Mentre le molecole di aria calda si espandono verso l'esterno, le molecole di aria fredda respingono contro di esse. Poiché ci sono più molecole di aria fredda che spingono contro le molecole calde nella parte inferiore della fiamma rispetto alla parte superiore, la fiamma sperimenta meno resistenza nella parte superiore. E così galleggia verso l'alto.

Quando non c'è gravità, però, l'aria calda in espansione sperimenta la stessa resistenza in tutte le direzioni, e quindi si muove sfericamente verso l'esterno dalla sua sorgente.


Non ancora pronto per la velocità della luce completa

"Infrangere la velocità della luce significa infrangere le leggi della fisica", ha affermato Stephen Holler, professore associato di fisica alla Fordham University. “In questo momento, siamo limitati da queste leggi, ma potrebbe esserci una nuova fisica che non abbiamo ancora scoperto.” Attraversare vaste distanze interstellari richiederebbe una manipolazione dello spazio-tempo - piegare lo spazio e saltare - piuttosto che il metodo facile da visualizzare per accelerare da un punto all'altro a una velocità superluminale, ha detto.

Holler ha aggiunto: "Le distanze sono così vaste che anche a dieci volte la velocità della luce, ci vorrebbero comunque più di 10.000 anni per andare da un'estremità all'altra della Via Lattea, per non parlare del viaggio intergalattico".

Tuttavia, scienziati e ingegneri persistono, soprattutto in teoria. Come osserva Holler, le molte idee alla base del viaggio interstellare sono tutte teoriche. Ma vale comunque la pena esaminarli. Una nozione popolare è quella di utilizzare la tecnologia ramjet per "raccogliere" l'idrogeno nello spazio e usarlo come combustibile, ha detto Holler. Un altro concetto ha la tecnologia della vela solare che utilizza la pressione delle radiazioni da forse un potente laser per spingere il veicolo spaziale. “Nel migliore dei casi, questi otterrebbero da qualche parte tra il 10 e il 50 percento della velocità della luce,”, ha detto. A quel ritmo, ci vorrebbero decenni prima che un'astronave raggiunga un altro sistema spaziale.

Secondo il professore di fisica dell'Università di Richmond Jack Singal, le velocità più elevate sostenute a lungo termine delle sonde dello spazio profondo sono quelle di Pioneer 11 (lanciato nel 1973 e ancora in viaggio ma non invia più informazioni), Voyager 1 e 2, (entrambe lanciate nel 1977 e ancora raccogliendo dati) e New Horizons (lanciato nel 2006 e la prima sonda per studiare Plutone, il pianeta che non è più un pianeta). Queste sonde si stanno attualmente muovendo tra 16.000 e 32.000 miglia all'ora di distanza dal sole mentre escono dal sistema solare, ha detto. Questo, ha aggiunto Singal, è "meno dello 0,01 percento della velocità della luce". "Se stai leggendo questo sulla Terra, la velocità della luce è 186.282 miglia al secondo.)

Forse le future sonde che si avventurano nello spazio profondo non saranno grandi quanto le navi Voyager o la Parker Solar Probe, ma saranno qualcosa su cui uno scienziato potrebbe accidentalmente calpestare. Secondo Batcheldor, del Florida Institute of Technology, gli scienziati stanno esaminando la possibilità di utilizzare micro-satelliti delle dimensioni di un chip di computer per condurre raccolte di piccoli dati nello spazio. "Potrebbe essere in grado di restituire alcuni dettagli su un altro sistema spaziale che potremmo non ottenere con i nostri telescopi", ha detto.

Tuttavia, anche un micro-satellite viaggerebbe a non più di un quarto della velocità della luce, ha stimato Batcheldor. Ci vorrebbero decenni per raggiungere il prossimo sistema spaziale a quella velocità, ha detto.


Maser astrofisici, megamaser e il loro ruolo importante in astronomia

Un'illustrazione del perché la radiazione maser è altamente amplificata, coerente e ha una frequenza ristretta. Credito Junying Chen

Cosa sono i maser e i megamaser astrofisici?

I maser astrofisici (noti anche come maser cosmici) e i megamaser sono maser che si trovano naturalmente nello spazio.

I maser sono oggetti che emettono radiazioni amplificate dall'emissione stimolata. Il loro nome è un acronimo che sta per Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation.

I maser astrofisici si formano a causa di determinate densità, temperature e capacità del materiale di amplificare la radiazione. Ciò significa che possiamo usarli per studiare le composizioni chimiche e le condizioni fisiche dell'oggetto che produce il maser.

La luminosità dei maser cosmici, insieme alla loro singola frequenza e alle piccole dimensioni, li rende utili anche per sapere come si muovono le diverse parti di un oggetto.

Un esempio di ciò sono i dischi di accrescimento attorno a buchi neri supermassicci che creano megamaser. I megamaser sono maser astrofisici centinaia di milioni di volte più luminosi dei normali maser cosmici. Tali maser cosmici sono spesso attorno a nuclei galattici attivi e regioni di formazione stellare massicce.

I megamaser ci hanno permesso di determinare le masse dei buchi neri supermassicci, le dimensioni dei loro dischi di accrescimento e la loro distanza. Questo ci ha permesso di utilizzare tali oggetti per confermare il valore della costante di Hubble.

Il ruolo dell'emissione stimolata nei maser cosmici

Gli elettroni in atomi, molecole o ioni possono esistere in diversi stati energetici. Un elettrone passa a uno stato eccitato quando assorbe un fotone con un'energia pari alla differenza tra lo stato eccitato e lo stato fondamentale.

Le collisioni tra gli atomi possono anche far sì che i loro elettroni passino a stati eccitati.

Nello stato eccitato, l'elettrone è instabile e scende rapidamente allo stato fondamentale rilasciando un fotone. Questo fotone ha la stessa energia e frequenza del fotone originale. Questa è emissione spontanea.

Perché avvenga l'emissione stimolata, un elettrone deve essere già in uno stato eccitato quando il fotone si scontra con esso. Il fotone deve avere un'energia pari alla differenza tra lo stato eccitato e lo stato fondamentale.

Quando questo fotone si scontra con l'elettrone, fa cadere l'elettrone allo stato fondamentale rilasciando un secondo fotone. Questo secondo fotone ha la stessa energia e frequenza del primo fotone.

Affinché gli elettroni rimangano in stati eccitati abbastanza a lungo da creare maser, lo stato eccitato deve essere uno stato metastabile. Gli stati metastabili sono quelli in cui gli elettroni possono esistere per molto più tempo rispetto ai normali stati eccitati.

Nelle nuvole di atomi, molecole e ioni che si trasformano in maser, gli elettroni vengono prima energizzati fino ai normali stati eccitati. Quindi scendono in questi stati metastabili dove possono esistere abbastanza a lungo da consentire a un fotone di provocare un'emissione stimolata.

Un'illustrazione di come funziona l'emissione stimolata. Credito: Junying Chen

Il ruolo dell'amplificazione nei maser cosmici

Un fotone creato da un'emissione stimolata non solo ha la stessa frequenza del fotone originale. È anche in fase e viaggia nella stessa direzione. Entrambi i fotoni sono quindi coerenti. Pertanto, la radiazione maser risultante è altamente amplificata.

Questo suona molto simile ai laser. In effetti, sono più o meno la stessa cosa. L'unica differenza è che i maser sono microonde. I laser d'altra parte possono essere luce visibile, infrarossi, ultravioletti o persino raggi X.

I maser si formano solo quando c'è un'inversione di popolazione. Questo è quando più atomi sono nello stato eccitato rispetto allo stato fondamentale. Quando ciò accade, è più probabile che i fotoni colpiscano un atomo già eccitato piuttosto che un atomo dello stato fondamentale e causino un'emissione stimolata. In questo modo, la radiazione del maser viene amplificata in modo esponenziale.

Una nuvola di gas che è in equilibrio termico (cioè nessun flusso netto di energia termica in entrata o in uscita) ha più atomi nello stato fondamentale che nello stato eccitato. Quella nuvola di gas ha bisogno di una fonte di energia esterna per ottenere l'inversione della popolazione.

Chiamiamo fonti di energia che creano maser, meccanismi di pompaggio.

I fotoni prodotti dall'emissione stimolata colpiscono altri atomi in stati eccitati. Questo crea più fotoni con la stessa frequenza e fase. Questo serve a creare una fonte di luce altamente amplificata e coerente a una singola frequenza. Come vedremo, questo è davvero importante per studiare la velocità e la forma degli oggetti in astronomia.

Dove trovare i maser astrofisici?

Lo spazio ha molte cose che producono molta energia. In presenza di nubi di gas, queste cose potrebbero fungere da meccanismi di pompaggio necessari per creare maser astrofisici. Tali cose possono essere radiazioni di stelle, collisioni tra particelle ad alte temperature o interazioni con campi magnetici.

Un'illustrazione di oggetti nello spazio che contengono più sorgenti maser cosmiche. In questa immagine, gli oggetti sono il disco circumstellare attorno a una giovane stella massiccia e i getti bipolari che produce. In tali sistemi, è disponibile energia sufficiente per creare inversioni di popolazione in molte parti di questi oggetti. Tale energia potrebbe provenire dalla radiazione di stelle vicine, supernova o collisioni tra nubi di gas. Credito: Yvonne Kei-Nam Tang (Cornell University)

I maser astrofisici sono stati rilevati per la prima volta da Weaver et. al. 1965. Questi maser si trovavano all'interno di nubi molecolari e venivano creati da molecole idrossiliche energizzate. Da allora, i maser cosmici sono stati trovati in una varietà di oggetti.

Nello spazio, l'acqua (H2O), monossido di silicio (SiO) e idrossile (OH) spesso come parte del metanolo (CH3OH) sono responsabili della maggior parte delle emissioni maser. Altri composti tra cui ammoniaca (NH3), formaldeide (CH2O), metano (CH4) e cianuro (CN-X) possono anche creare maser astrofisici ma molto meno spesso.

Una nube di metanolo lunga 463 miliardi di km nota come W3(OH) situata in una regione di formazione stellare. L'area in rosso mostra che la luce proveniente da quella regione ha un'intensità elevata ed è molto amplificata. Ciò significa che la regione è diventata un maser. Credito: Osservatorio Jodrell Bank

L'importanza dei maser astrofisici in astronomia

Come detto in precedenza, la radiazione maser è molto amplificata, ha una frequenza ed è in fase. Ciò significa che la luce ha uno spettro prevedibile distinto e ristretto. Una caratteristica molto importante che permette di rilevare gli spostamenti verso il rosso e verso il blu causati dalla velocità del maser.

Queste proprietà insieme al fatto che i maser astrofisici sono generalmente piccoli e hanno alte luminosità li rendono molto utili per capire la struttura e le velocità degli oggetti di cui sono parte.

Un esempio di uno spettro maser OH prodotto da gas metanolo. La linea tratteggiata mostra lo spettro di un maser a metanolo stazionario. Si noti che questo spettro ha un singolo picco a una sola frequenza. Al contrario, la linea continua mostra lo spettro di un maser cosmico a metanolo in una nuvola di gas nota come IRAS 20126+4104. Questa nube di gas sta formando una stella. Lo spettro ha più picchi a frequenze diverse da una regione relativamente piccola. Questo mostra che parte del gas si sta muovendo verso la Terra e gli altri si stanno allontanando. Questo può accadere se c'è un disco di accrescimento all'interno della nuvola di gas. Credito: Edris et. al. 2005

Come accennato in precedenza, i maser astrofisici si formano a causa di determinate temperature, pressioni e dimensioni del gas che produce il maser. Ciò significa che la presenza dei maser consente anche agli scienziati di indovinare l'ambiente presente in parti degli oggetti che studiano.

Maser astrofisici dovuti alle comete

Ci sono oggetti nel nostro sistema solare che creano maser astrofisici. Uno di questi oggetti era il pianeta Giove dopo il suo impatto con i frammenti della cometa Shoemaker-Levy 9 nel 1994. Questa è stata la prima volta che i maser cosmici sono stati rilevati nel nostro sistema solare.

L'analisi di tre dei siti di impatto su Giove rivela emissioni maser a una frequenza di 22 GHz. Tale frequenza può essere prodotta solo da molecole d'acqua che sono state eccitate dall'energia termica degli impatti.

Le macchie scure sul pianeta Giove sono i lati di impatto dei frammenti della cometa Shoemaker-Levy 9’s. In tre di questi siti sono state rilevate emissioni di acqua maser. Credito: Team del telescopio spaziale Hubble e NASA

Secondo alcuni scienziati, maser come questi potrebbero essere usati per rilevare l'acqua sugli esopianeti in altri sistemi solari.

Maser astrofisici sono stati rilevati anche dalle comete stesse. Un esempio è la cometa Hale-Bopp.

Su Hale-Bopp, il calore del sole vaporizza le molecole d'acqua dalla sua superficie. La radiazione del sole rompe quindi l'acqua in radicali OH. Più radiazioni energizzano questi radicali e fanno sì che emettano radiazioni maser alle frequenze di 1665 MHz e 1667 MHz.

Una foto della cometa Hale-Bopp. Credito: E. Kolmhofer, H. Raab/ Osservatorio Johannes-Kepler

Maser cosmici e presenza di acqua atmosferica

I pianeti e le comete non sono le uniche cose nel sistema solare ad ospitare i maser.

A quanto pare, anche le lune di Saturno Encelado, Titano, Atlante e Iperione hanno maser. Questi maser hanno una frequenza di 22 GHz e sono quindi dovuti alle molecole d'acqua. Ciò non dovrebbe sorprendere poiché i pennacchi di vapore acqueo sono stati trovati dallo spettrometro di imaging a raggi ultravioletti di Cassini.

Due immagini dei geyser di ghiaccio di Encelado scattate dalla sonda Cassini. Dato l'alto contenuto di acqua dei geyser, sarebbe quasi certamente la fonte delle emissioni maser rilevate. Credito: NASA/JPL/Istituto di scienze spaziali

C'è ancora dibattito su cosa causi le emissioni maser sulle lune di Saturno. La maggior parte degli scienziati pensa che le collisioni tra molecole d'acqua le abbiano energizzate e abbiano creato un'inversione della popolazione.

Tuttavia, altri pensano che anche le interazioni con il plasma del vento solare, il campo magnetico di Saturno o gli shock generati dal vento solare potrebbero giocare a parte.

Come nell'esempio precedente, maser come questi possono essere utilizzati per rilevare l'esistenza di acqua su esopianeti ed esolune. La loro natura altamente amplificata insieme alla forma distinta che creano nel loro spettro rende facile identificarli da lontano.

Maser astrofisici nelle regioni di formazione stellare

I maser possono esistere all'interno delle atmosfere di stelle, nebulose e resti di supernova che interagiscono con le nubi molecolari. L'esistenza di maser in questi oggetti ha aiutato gli astronomi a raccogliere maggiori informazioni su di loro.

I maser nelle regioni di formazione stellare hanno permesso agli scienziati di studiare come il movimento del gas nelle nubi molecolari forma le stelle. Ha anche permesso agli scienziati di studiare come tali gas influenzano le stelle nella loro prima infanzia.

An image of a water maser emission coming from a protoplanetary disk and bipolar jets from a young star within a molecular cloud. To get a sense of the size of this object, the outline of the orbit of the outermost planet, Neptune, is superimposed on the picture. Credito: NRAO/AUI and Jose M. Torrelles, et al.

By analyzing the red and blue shifts of maser radiation created by hydrogen recombination, scientists were able to determine the shape and properties of the disk of material around the young massive star MonR2-IRS2. They were also able to confirm the existence of a fast ionized wind coming from the star.

Mapping the Milky Way with cosmic masers

As previously stated, maser radiation is highly amplified. On top of that, dust and gas scattered throughout the Milky Way do not block microwave radiation. These properties make astrophysical masers great for studying objects on the far side of the Milky Way.

With the ability to take advantage of these properties, scientists used these objects to create a map of their positions along with their velocities. This allows scientists to study how objects move around the Milky Way. It also allowed scientists to discover that our own solar system is orbiting faster and closer to the Milky Way’s center than previously thought.

A map of the position of masers and their velocities (speed and trajectory). This allows scientists to map how the galaxy is rotating. It also allows us to know how our solar system is moving in relation to other objects. Credit: National Astronomy Observatory of Japan

Astrophysical masers in old stars

Oxygen rich stars with low surface temperatures have maser emissions in their atmospheres. Such stars include asymptotic giant branch (AGB) stars.

These stars are so big that they don’t hold on to their atmospheres very well. On top of that, they experience pulsations caused by unstable nuclear fusion in their cores.

This serves to slowly eject the star’s outer layers into space forming a cloud of material around it.

Shockwaves from pulsations in the star’s core act as a pumping mechanism causing population inversion which results in maser emissions from silicon oxide, hydroxyl, and water molecules.

An illustration of a kind of AGB star called a Mira variable. Silicon monoxide (SiO) masers can only be found at distances where the heat isn’t enough to breakdown SiO molecules. Further out from the star, the density of SiO molecules is too sparse to create masers. H2O and OH masers dominate instead. Credit: Junying Chen

Megamasers

The most luminous astrophysical masers are thousands of times brighter than the Sun. We call these megamasers. Most of them are outside our Milky Way.

These megamasers are hundreds of millions of times brighter than cosmic masers found within our galaxy. Most of them are hydroxyl masers. Although others can be water, formaldehyde, or methane masers.

Hydroxyl megamasers are often due to high rates of star formation in luminous infrared galaxies. Such galaxies become what they are due to collisions with other galaxies. These collisions cause gas clouds to become unstable and collapse leading to mass star formation.

Photos of 9 luminous infrared galaxies taken by the Hubble Space Telescope. Credit: NASA, Kirk Borne , Luis Colina, Howard Bushouse and Ray Lucas

Water Megamasers are often around the center of active galactic nuclei. Material near the center of these galaxies fall into their supermassive black holes. As they do so, most of the material settles into a fast spinning disk.

In the disk, shockwaves travel throughout and act as pumping mechanisms imparting energy into water molecules. This results in population inversion.

Radiation from hotter parts of the disk cause stimulated emission in these water molecules creating bright astrophysical masers.

A photo of the supermassive black hole and it’s disk of material at the center of the giant elliptical galaxy M87. Shockwaves in the disk likely creates masers many times brighter then those found in the Milky Way. Credit: The Event Horizon Telescope (EHT).

Using megamasers to find the earliest signs of water

The luminosity of megamasers has allowed scientists to look at distant objects and find out if water was present in the early universe.

This happened with MG J0414+05534 a distant quasar that is 11.1 billion light years from Earth. At that distance, the quasar appears to us as it was when the universe was only 2.5 billion years old.

MG J0414+05534 is located behind a massive galaxy that is closer to us. This is a good thing as the gravity of the massive galaxy causes a gravitational lensing effect that bends the quasar’s light and magnify it. This makes MG J0414+05534 easier to see and study.

The detection of a water megamaser from the quasar by Impellizzeri et. al. 2008 confirmed that water was already present in the universe when it was only 2.5 billion years old.

By that point, stars would have produced enough oxygen for the existence of water.

A photo of the quasar MG J0414+05534 (in red). Light from this quasar is being lensed by the gravity of a galaxy in the foreground (in yellow-green). Credit: Ros et. al. A&A 362. 845 2000

Measuring distances with megamasers

When studying the centers of active galactic nuclei, we can measure the red and blue shifts of megamasers in the disks around their super massive black holes.

This gives us the velocities of those masers and how they change over time. With this information, we can find the gravitational acceleration that keeps these masers in their orbits.

With this acceleration, velocity and the angular separation between the maser and the center of the disk known, we can find the distance between the AGN and Earth.

Using this distance, we can find the actual radius of the maser’s orbit around the center of the disk. This along with the velocity of the maser allows us to find the mass of the object at the center of the accretion disks of multiple AGNs and confirm that they are indeed supermassive black holes.

One particular galaxy that this method has been applied to was NGC 4258.

An illustration of how we use the narrow spectrum of water megamasers to get their distance from Earth. This also leads to us finding the mass of the supermassive blackhole at the center of the galaxy hosting the maser. Credit: Junying Chen

The great thing about this method is that it does not rely on the distance ladder where errors in previous methods would affect the results. On the contrary, using megamasers to measure distances could be used in correcting those methods improving their accuracy on intergalactic scales.

Finding the Hubble constant with megamasers

There is one other benefit of using megamasers to find distances. That is that it can be used to find Hubble’s constant. This was demonstrated by Pesce et. al. 2020.

With this method, Pesce’s team got a Hubble constant of 73.9±3.0 km/s/Mpc. This is almost the same as the value obtained with earlier methods using cephid variables and type Ia supernova. However, it is different from the one obtain using the Planck CMB data. That last method gave a Hubble constant of 66.9±0.6 km/s/Mpc.

As a result, this unfortunately adds more mystery to the current “Hubble tension” or “Crisis in Cosmology”.

Previously, it was possible that the Hubble constant obtained from type Ia supernovae may not be accurate. This was because of the possibility of incorrect assumptions in the nature of type Ia supernovae. Now, the results from the megamaser distance method has dispelled that idea making the discrepancy between the two results likely to be real.

Conclusioni

Astrophysical masers are an example of how nature could produce coherent and amplified radiation with extremely narrow frequencies.

As the examples in this article has shown, this makes them very helpful to scientists when studying other objects and to uncover the mysteries of the universe.

Over to you now. What other things do you know about astrophysical masers and megamasers that interests you?