Anche le pulsar perdono il ritmo

• 1 pallina di polistirolo del diametro a piacere (si consiglia 10 cm)
• 1 foglio di carta colorato
• 1 stuzzicadenti lungo
• 2 faretti (piccoli) da bici
• Animazione + immagini illustrative (link per il download: immagine1, immagine2, immagine3, animazione)
• Telefono/computer per riprodurre l’animazione e le immagini
• Bacinella riempita d’acqua
• Palline di polistirolo (2 o più)
• Stuzzicadenti lunghi
• Nastro adesivo
• Scotch carta

Per la costruzione delle pulsar

• Perline di legno del diametro di circa 2 o 3 cm
• Fogli di carta bianchi e/o colorati
• Pennarelli

Introduzione

1. Come prima cosa accogliete i partecipanti e presentatevi. Introducete brevemente l’attività cercando di favorire una discussione tra voi e il gruppo, piuttosto che una spiegazione a senso unico. Per farlo potete porre delle domande, ad esempio: “Benvenute e benvenuti al laboratorio “Anche le pulsar perdono il ritmo!” Secondo voi cosa faremo? Avete mai sentito parlare di pulsar? Sapete cosa sono?”

2. Passate poi a raccontare che cosa sono le pulsar.
Le pulsar sono piccole stelle (del diametro di circa 20 km) che ruotano molto rapidamente su se stesse. Sono quello che resta di stelle simili al nostro Sole, ma di colore blu e molto più pesanti, che alla fine della loro vita esplodono liberando nello spazio tutto il materiale di cui erano composte. Al centro di queste esplosioni (che astronomi e astronome chiamano supernovae) rimane il “nocciolo” della stella, che non è esploso e continua a ruotare velocemente su se stesso.
(Mostrare le seguenti immagini durante la spiegazione)

Una stella blu più pesante del nostro Sole (Rigel, a sinistra), il residuo dopo la sua esplosione (Nebulosa del Granchio, al centro), e un’immagine ravvicinata della pulsar al centro (a destra).

3. Le pulsar più lente impiegano 20 secondi per fare un giro su se stesse, mentre quelle più veloci e comuni impiegano millesimi di secondo (Far sperimentare quanto sia “piccolo” un millisecondo, provando a far battere le mani il maggior numero di volte in un secondo – non si raggiungeranno mai le mille volte al secondo!).

4. La rapida rotazione delle pulsar fa sì che il gas che le è rimasto attorno venga scagliato lungo dei getti lunghi e potenti, che riceviamo sulla Terra come impulsi ritmici ed estremamente precisi.
Quello che vediamo è l’istante in cui il fascio di luce punta nella nostra direzione. Per fare un’analogia più familiare, pensiamo ai fari che si trovano nei porti: da lontano sembrano delle luci (impulsi) che si accendono e spengono, ma in verità si tratta di una luce che ruota su se stessa. Riusciamo a vedere la luce proveniente dal faro solamente quando, durante la rotazione della luce, essa punta proprio verso di noi.
(Per aiutare nella spiegazione, sfruttare il modellino che avete creato in precedenza, facendolo ruotare a ciascuno dei partecipanti per riprodurre l’effetto “faro”).

5. In particolare, la luce che riceviamo è in realtà invisibile ai nostri occhi, ed è detta luce radio. Essa può essere vista solo grazie all’utilizzo di appositi telescopi, detti radiotelescopi.

Due radiotelescopi che si trovano a Medicina, un piccolo paese in provincia di Bologna.

Prima parte – Laboratorio sonoro

In questa fase, ogni partecipante rappresenterà gli impulsi inviati da una pulsar battendo con una bacchetta su uno strumento improvvisato (ad esempio percussioni, pentolini e contenitori, ma anche una penna che batte su un quaderno). Questa fase funziona bene con massimo 5 persone.

6. Consegnate ad ogni partecipante uno strumento e una bacchetta per suonarlo. Come un direttore d’orchestra, chiedete loro di scegliere il ritmo che preferiscono ed iniziate a farlo eseguire uno alla volta (aggiungendo gli strumenti uno alla volta). Non importa che sia veloce o lento, basta che siano in grado di mantenerlo sempre costante. In questo modo, ognuno simulerà una pulsar diversa.
Ricordate loro che l’operazione che stanno facendo (tradurre un segnale luminoso in un segnale sonoro) è solo una metafora. Nella realtà, le pulsar non emettono suoni, ma luce radio.

7. Una caratteristica fondamentale delle pulsar è l’estrema precisione della loro rotazione. Grazie alla loro precisione, le pulsar vengono usate per rilevare dei fenomeni quasi impercettibili che avvengono nel Cosmo, come le onde gravitazionali.
“Sapete cosa sono le onde gravitazionali? Mostriamolo con un semplice esperimento!”

8. Prendete la bacinella piena d’acqua e raccontate che la superficie dell’acqua rappresenta lo spazio: nella situazione iniziale l’acqua è calma (lo spazio è vuoto).

9. A questo punto, prendete la struttura a “T” costruita in precedenza e fatela ruotare a pelo d’acqua. Le palline di polistirolo attaccate rappresentano due stelle, che però girano una attorno all’altra. Far osservare che la loro rotazione causa delle increspature sulla superficie dell’acqua: sono le onde gravitazionali, che si osservano realmente anche nello spazio (mostrare l’animazione seguente, se ritenuto utile).

10. Dire che le pulsar risentono di questo fenomeno, e che da Terra osserviamo una variazione nel periodo/ritmo delle pulsar stesse, perché il segnale impiega più o meno tempo per raggiungerci seguendo le onde generate come le boe seguono quelle del mare. Si tratta di cambiamenti impercettibili per noi, ma grazie ai radiotelescopi estremamente sensibili che vengono utilizzati dagli scienziati e dalle scienziate è possibile rilevare anche le più piccole variazioni del loro ritmo!

11. È il momento di simulare il passaggio di un’onda gravitazionale, che abbiamo simulato nell’esperimento precedente. Mostrate al gruppo cosa succede quando le pulsar vengono attraversate da un’onda: simulate un ritmo cadenzato per qualche secondo, all’improvviso alzate le braccia più in alto, e poi tornate a suonare il vostro ritmo (come se foste investiti da un’onda del mare, che alza e poi riabbassa la mano con cui state suonando).

12. Ora far provare tutti insieme: ognuno inizia con il proprio ritmo e, al segnale del facilitatore, arriva l’onda che modifica i ritmi delle pulsar.

13. A questo punto, chiedete tra il gruppo la partecipazione di una persona volontaria che farà l’astronomə, e cercherà di capire da quale direzione sta arrivando un’onda gravitazionale. Bendatela, chiedetele di aprire le braccia (come un’antenna radio!), e chiedete al resto dei partecipanti di disporsi a raggiera attorno a lei.

14. Le pulsar iniziano a inviare i propri impulsi, una alla volta. Tramite un segnale concordato in precedenza (ad esempio un cenno o una mano sulla spalla) segnalate il passaggio di un’onda gravitazionale attraverso una singola pulsar. Aspettate circa 10 secondi sia prima di far partire l’onda sia dopo. Quando lo ritenete opportuno, fermate le pulsar, togliete la benda all’astronomə, e chiedete di indovinare da che direzione è arrivata l’onda.

15. Alternate la persona al centro, in modo che tutti i partecipanti del gruppo impersonifivhino l’astronomə almeno una volta. Se c’è abbastanza tempo, potete fare anche più turni (o un livello più difficile, in cui simulate il passaggio di due onde gravitazionali).

Seconda parte – Costruzione delle pulsar

L’ultima fase del laboratorio consiste nella costruzione di una pulsar per ogni partecipante, in modo che ognuno abbia un ricordo dell’attività da portare a casa.

16. Predisponete sul tavolo diversi fogli bianchi e/o colorati tagliati in striscioline di (circa) 7.5 cm x 5.5 cm, e lasciate che ogni partecipante ne scelga due del colore che preferisce (personalizzandoli eventualmente con dei pennarelli).

17. Con ogni strisciolina, fate creare (o create voi prima, se avete poco tempo a disposizione) un piccolo cono con una punta molto stretta, usando eventualmente dello scotch per fissarlo. I due coni (che rappresentano i fasci di luce) vanno infilati nei buchi di una perlina di legno (che rappresenta la pulsar). Avete così creato una personalissima pulsar!

Esempio di una pulsar da lasciare come gadget (qui con fogli bianchi, a scopo illustrativo).

Supernovae

Una supernova è un evento spettacolare che segna l’esplosione di una stella molto massiccia, oltre otto volte il nostro Sole. La luce che viene emessa è paragonabile a quella che il nostro Sole è in grado di emettere in un miliardo di anni.
Le supernovae sono cruciali nella formazione degli elementi chimici dell’Universo. A eccezione di idrogeno, elio e litio, formatisi nel Big Bang, tutti gli altri elementi, come il carbonio e l’ossigeno, sono fabbricati all’interno delle stelle. In seguito all’esplosione delle supernovae, il materiale stellare ricco di elementi chimici viene rilasciato nel Cosmo, dando poi vita a nuove stelle e pianeti (come la Terra): in questo senso, siamo davvero “figli delle stelle”!

Due esempi di supernovae, in cui i diversi colori corrispondono a diversi elementi chimici rilasciati nell’ambiente a seguito dell’esplosione.

Pulsar

Una pulsar (dall’unione delle parole inglesi “pulsating star”, ovvero “stella pulsante”) è una piccola stella (del diametro di circa 20 km) che ruota molto rapidamente su se stessa, fino a migliaia di volte al secondo. Le pulsar sono il residuo di stelle più pesanti del nostro Sole (da circa otto a dodici volte la sua massa), che al termine della loro vita esplodono come supernovae (si veda sopra): al centro di queste ultime rimane il “nocciolo” della stella, estremamente compatto, che continua a ruotare velocemente su se stesso, la pulsar.

La rapida rotazione delle pulsar fa sì che il gas attorno venga scagliato lungo dei getti lunghi e potenti. A causa di tali getti, le pulsar emettono degli intensi fasci di luce, che riceviamo sulla Terra come impulsi ritmici ed estremamente precisi.

Onde radio

Le onde radio sono un tipo di onde elettromagnetiche (il nome fisico che viene dato al fenomeno della luce) non visibili dall’occhio umano. L’essere umano le sfrutta per le comunicazioni: qualsiasi dispositivo wireless (telefoni, modem wi-fi, computer, telecomando della macchina, radio, etc) è progettato per emettere e ricevere onde radio, che poi vengono tradotti in suoni o immagini (ad esempio chiamate o messaggi).
In astrofisica le onde radio, come tutti gli altri tipi di luce visibili e invisibili, vengono emesse da alcuni oggetti celesti. Per riceverle è necessario utilizzare i radiotelescopi, un tipo particolare di telescopi progettati per “vedere” le onde radio.

L’insieme delle onde elettromagnetiche conosciute.

Spazio-tempo

In fisica con il termine “spazio-tempo” si indica la struttura 4-dimensionale dell’Universo, teorizzata da Einstein nella sua teoria della relatività.
Secondo questa tesi, l’Universo ha una struttura con 4 dimensioni: 3 spaziali (lunghezza, profondità e larghezza) e una temporale. In questo modo è inoltre possibile spiegare il concetto di forza di gravità, come ci spiega questo breve video (link)

Onde gravitazionali

Le onde gravitazionali sono delle oscillazioni (onde) dello spazio-tempo che viaggiano alla velocità della luce. Vengono generate quando due corpi orbitano uno intorno all’altro. Maggiore è la loro massa, più grande è l’onda che creano.
Ad oggi le uniche onde gravitazionali che siamo riusciti a rilevare sono quelle generate dall’unione di buchi neri, come spiegato in questo breve video (link).

Link utili:
Le pulsar ci svelano il respiro dello spazio-tempo – MEDIA INAF
Onde gravitazionali: le pulsar ci svelano il calmo respiro dell’Universo