domenica 16 luglio 2017

Le “profezie” della scienza

Io è il corpo più geologicamente attivo del
Sistema solare. Nella parte superiore, quasi
al centro, si vede un pennacchio vulcanico.
A volte discutere con i crackpot, i cretini che credono di essere dei geni e di avere scoperto teorie rivoluzionarie, non è inutile come sembra.
Ce n'è uno che imperversa su Usenet (un social network ante litteram) proponendo la sua “teoria” della gravitazione (una revisione delle sfere celesti) che cerca disperatamente di trovare pecche della gravitazione newtoniana. I suoi tentativi si risolvono sempre in fallimenti vuoi perché la pecca è inventata, vuoi perché non ha capito ciò di cui parla, vuoi perché la spiegazione va oltre le quattro operazioni di base, vuoi perché – come in questo caso che voglio raccontarvi – la presunta pecca è tutto il suo opposto.

L'ultima volta che ci ho discusso sproloquiava dell'orbita del satellite Io di Giove e del fatto che, secondo lui, la meccanica newtoniana non spiegherebbe le deformazioni che quel corpo subisce a causa della gravità gioviana (con annesso un immancabile complotto del silenzio da parte della NASA e degli scienziati)...

Un'eruzione vulcanica attiva su Io,
catturata dalla sonda Galileo nel 2000.
L'immagine è in falsi colori. Le aree
bianche e arancioni a sinistra indicano
lava calda appena eruttata.
Grande come la nostra Luna, Io è uno dei quattro satelliti di Giove scoperti da Galileo la prima volta che puntò il suo telescopio verso il pianeta. È stato fotografato da diverse sonde automatiche ed è il corpo del sistema solare geologicamente più attivo, con tantissimi vulcani che eruttano continuamente e laghi di lava. Tale attività non si spiega con meccanismi interni, come per la Terra. Secondo gli scienziati è il mostruoso effetto mareale di Giove a squassare continuamente il suo interno e a mantenerlo fuso.

L'idea è relativamente semplice. La gravità della Luna che provoca le maree sulla Terra [1] non agisce solo sulle acque ma anche sullo stesso pianeta. La deformazione della crosta e dell'interno di un corpo a causa delle forze mareali si chiama “marea solida”.

Se la Terra rivolgesse sempre la stessa faccia verso la Luna le due maree, liquida e solida, si risolverebbero in un “rigonfiamento” fisso, diretto in direzione della Luna (e in uno dalla parte opposta). Ma la Terra gira su se stessa e il rigonfiamento si sposta. La marea liquida rimescola gli oceani e in certe parti del mondo è incredibilmente alta (dipende anche dalla conformazione dei fondali). Quella “solida” è di una ventina di centimetri: impercettibile per gli esseri viventi ma comunque rilevabile: modifica per esempio, le dimensioni del grande anello del Large Hadron Collider di Ginevra e gli scienziati del CERN devono tenerne conto nei loro calcoli [2].

Se la nostra piccola Luna produce effetti tanto evidenti sulla Terra si pensi a cosa fa il gigantesco Giove (318 volte più massiccio del nostro pianeta) sul suo piccolo satellite: la superficie di Io si alza e si abbassa di un centinaio di metri, oltre cinque volte la più alta marea oceanica della Terra [3].

C'è però una differenza sostanziale tra la Terra e Io. La Terra gira su se stessa in 24 ore e le maree si spostano continuamente sulla sua superficie. Io invece volge sempre la stessa faccia verso Giove come fa la Luna con la Terra (blocco mareale). La sua orbita è quasi perfettamente circolare e i rigonfiamenti mareali (uno verso Giove e uno dalla parte opposta), per quanto pronunciati, dovrebbero restare “fermi”. Non ci sarebbe dunque quella continua azione dinamica di attrito dovuta allo spostamento di enormi masse all'interno del satellite che ne determina il riscaldamento [4].

Risonanze orbitali dei satelliti galileiani
Il punto dirimente è quel "quasi" che ho evidenziato nel paragrafo precedente. Le orbite non sono quasi (!) mai dei cerchi perfetti ma delle ellissi, più o meno schiacciate. La misura dello schiacciamento di un'ellissi si chiama eccentricità, un numero che varia da zero per un'orbita circolare fino a 1 escluso per orbite sempre più schiacciate (da 1 in poi abbiamo orbite aperte). Se Io fosse l'unico satellite di Giove la sua eccentricità sarebbe 0,00001: un cerchio praticamente perfetto... Ma Io non è l'unico satellite di Giove: ce ne sono più di sessanta e 3 di questi – Ganimede, Europa e Callisto, gli altri scoperti da Galileo – sono sufficientemente grossi e vicini da modificarne significativamente l'orbita [5].

Questo però non basta. Se i periodi orbitali di questi satelliti fossero distribuiti irregolarmente le influenze reciproche si sommerebbero e sottrarrebbero di continuo perché le posizioni relative sarebbero sempre diverse. Anche l'eccentricità di Io varierebbe di continuo, a volte aumentando, altre diminuendo.

Succede invece che queste orbite sono “sincronizzate”: Europa fa 2 orbite per ognuna di Io mentre Ganimede ne fa 4. I loro contributi gravitazionali sono costanti. Questo fenomeno si chiama “risonanza” [6]. È un po' come quando spingiamo qualcuno sull'altalena: non lo facciamo a caso, in varie posizioni, un po' spingendo e un po' frenando. Lo facciamo sempre dalla stessa posizione in modo che l'effetto si accumuli. Sommando le perturbazioni (e tenendo conto dello schiacciamento ai poli di Giove) si ottiene per Io una eccentricità di 0,0043: piccola ma non piccolissima.

Librazioni lunari

Il risultato di questo schiacciamento è che Io in effetti non rivolge sempre la stessa faccia verso Giove, così come del resto non fa la Luna con la Terra. La percentuale di superficie lunare visibile dalla Terra è sul 59% perché la sua orbita non è circolare (l'eccentricità è 0,055, parecchio più alta di quella di Io). A ogni giro riusciamo a dare una sbirciatina più a est e più ad ovest (e in realtà anche qualcosa a nord e a sud) sulla sua superficie perché girando si mette per così dire un po' di lato. Questi scostamenti si chiamano "librazioni". Quelle di Io sono più piccole - per ogni orbita di Io (42 ore) il centro del rigonfiamento orbitale si sposta di un centinaio di metri - ma la forza mareale di Giove è spaventosamente Grande...

È questo il ragionamento che hanno fatto nel 1979 tre ricercatori, S. J. Peale, P. Cassen, R. T. Reynolds. Quando il Voyager 1 stava ancora viaggiando verso Giove hanno pubblicato uno studio su Science [7]. Traduco alla meglio alcune parti discorsive dell'articolo.
“L'eccentricità libera dell'orbita di io è all'incirca 0.00001. Se questa eccentricità rendesse conto di tutte le variazioni nella separazione Giove-Io, la dissipazione di energia dovuta alle maree sollevate da Giove sul satellite sarebbe trascurabile visto che ruota in modo sincrono.

Ma il sistema risonante dei satelliti galileiani porta a delle eccentricità forzate che sono sensibilmente superiori a quelle dei valori liberi. Ancorché modeste secondo molti standard, queste eccentricità forzate, associate alle enormi maree indotte da Giove, portano a una dissipazione mareale che è sicuramente importante e potrebbe essere dominante nella storia termica dell'interno del satellite Io.

[...]

[I] calcoli suggeriscono che Io possa essere l'oggetto di tipo terrestre più intensamente riscaldato del Sistema Solare. La superficie di un corpo come quello che abbiamo qui postulato non è stata ancora osservata direttamente. Sebbene la sua morfologia non possa essere prevista in alcun dettaglio, si potrebbe azzardare la presenza di un vulcanesimo ricorrente e diffuso, con una superficie notevolmente differenziata ed emissioni di gas.”

[...]

“Le conseguenze di un interno ampiamente fuso potrebbero essere evidenti nelle fotografie della superficie di Io che saranno restituite da Voyager I.”
L'articolo, del gennaio 1979, veniva pubblicato su Science il 2 marzo dello stesso anno: tre giorni dopo Voyager I doppiava Giove.

Nelle immagini di Io spedite dalla sonda automatica gli autori della ricerca ebbero la gioia di vedere la conferma puntuale delle loro ipotesi: un mondo di vulcani attivi, con enormi laghi di lava, pennacchi di gas e polveri e una superficie continuamente rinnovata dalla ricaduta di materiale eruttivo.

Questi signori – alla luce della meccanica newtoniana, della termodinamica e della geologia – avevano previsto con precisione cosa sarebbe apparso nelle foto dei Voyager prima che arrivassero. Lo trovo semplicemente fantastico. È la dimostrazione plastica di cosa permette di fare la scienza.

Quelli che non credono alle affermazioni scientifiche perché "sono solo teorie" e magari si affidano ad oroscopi, tarocchi, fiori di bach, cromoterapia, talismani, channeling o ai video su youtube sugli UFO dovrebbero tenere a mente questo aneddoto per farsi un'idea di cosa sono le teorie scientifiche e della capacità predittiva che possono avere... alla faccia di astrologi, guru, medium, sensitivi e cazzari da feisbùk (o usenet).



Note:
  1. Un contributo importante lo da anche il Sole ma lo escludiamo per semplicità.
  2. “LHC è così grande che la forza gravitazionale esercitata dalla luna non è uguale in tutti i punti, il che crea delle piccole distorsioni nel tunnel. E la macchina è così sensibile da rilevare le piccole deformazioni create dalle minuscole differenze nella forza gravitazionale attraverso il suo diametro.” [https://home.cern/about/updates/2012/06/full-moon-pulls-lhc-its-protons]
  3. In realtà la deformazione è ben più ampia, addirittura 10 km, ma Io non ruota su se stesso per cui il rigonfiamento si sposta poco. Come vedremo sotto, data la non circolarità dell'orbita, l'entità di queste maree è “solo” di un centinaio di metri [https://sos.noaa.gov/Da...?id=244, http://adsabs.harvard.edu/full/...8C].
  4. https://en.wikipedia.org/wiki/Tidal_heating,
    http://tobyrsmith.github.io/Astro150/Tutorials/TidalHeat/,
    http://iopscience.iop.org/article/10.1088/0067-0049/218/2/22
  5. High tide on Io!
  6. https://en.wikipedia.org/wiki/Orbital_resonance
  7. Science, New Series, Vol. 203, No. 4383 (Mar. 2, 1979), pp. 892-894 [https://websites.pmc.u...-892.pdf]

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