Lo spazio è dominato da forze elettromagnetiche invisibili che non siamo in grado di avvertire o da bizzarri tipi di materia che non abbiamo mai sperimentato sulla Terra. Ecco cinque stranezze che accadono quasi esclusivamente nello spazio.

Esistono diversi fenomeni che sono comuni soltanto nello spazio. Sebbene alcuni possano essere riprodotti in speciali situazioni di laboratorio, in circostanze normali non possono essere osservati qui sulla Terra. Gli scienziati cercano di studiare questi fenomeni che avvengono nello spazio così che si possa analizzarne le proprietà, fornendo informazioni sulla complessa fisica che sta alla base del funzionamento del nostro universo.

PLASMA

Sulla Terra, la materia assume tipicamente uno dei tre stati: solido, liquido o gassoso. Ma nello spazio, il 99,9% della materia normale è in una forma completamente diversa: il plasma. Costituita da ioni ed elettroni sciolti, questa sostanza si trova in uno stato sovraccaricato ben oltre il gas che si crea quando la materia viene riscaldata a temperature estreme o viene alimentata con una forte corrente elettrica.

Sebbene si interagisca raramente con il plasma, è sempre osservabile. Tutte le stelle del cielo notturno, compreso il Sole, sono per lo più fatte di plasma. Appare anche occasionalmente sulla Terra sotto forma di fulmini o nelle insegne al neon.

In confronto al gas, dove le singole particelle si muovono caoticamente, il plasma può agire collettivamente, come una squadra. Conduce elettricità ed è influenzato dai campi elettromagnetici, che operano sotto la stessa forza che mantiene i magneti sul frigorifero. Questi campi possono controllare i movimenti delle particelle cariche nel plasma e creare onde che accelerano le particelle a velocità immense.

Lo spazio è pieno di campi magnetici invisibili che modellano i percorsi del plasma. Intorno alla Terra lo stesso campo magnetico che fa puntare le bussole a nord dirige il plasma attraverso lo spazio intorno al nostro pianeta. Sul Sole, i campi magnetici causano brillamenti solari ed eruzioni dirette di plasma, note come vento solare, che viaggiano attraverso il sistema solare. Quando il vento solare raggiunge la Terra, può innescare processi energetici, come le aurore, che se abbastanza forti possono danneggiare i satelliti e le telecomunicazioni.

TEMPERATURE ESTREME

Dalla Siberia al Sahara, la Terra sperimenta una vasta gamma di temperature all’incirca dai 57° C a -89 ° C. Ma ciò che consideriamo “estremo” sulla Terra, nello spazio è piuttosto nella media. Sui pianeti senza un’atmosfera che li isoli, le temperature oscillano enormemente tra il giorno e la notte. Mercurio va regolarmente dai 449° C di giorno sino a -171° C di notte. E nello spazio stesso, alcune sonde spaziali sperimentano differenze di temperatura di 33°  C sui lati illuminati dal sole rispetto a quelli in ombra. Sarebbe un po’ come avere un bicchiere d’acqua congelato all’ombra in una calda giornata estiva! La sonda Parker Solar Probe della NASA, quando sarà al massimo avvicinamento al Sole, sperimenterà differenze di oltre 2.000 gradi!

Per questo motivo i satelliti e gli strumenti che vengono inviati nello spazio sono progettati per resistere a queste condizioni estreme. Il Solar Dynamics Observatory della NASA trascorre la maggior parte del suo tempo alla luce diretta del sole, ma alcune volte all’anno la sua orbita passa nell’ombra della Terra. Durante questa congiunzione cosmica, nota come eclissi, la temperatura dei pannelli solari rivolti verso il Sole scende di 158 °C. I riscaldatori di bordo, tuttavia, si accendono per mantenere l’elettronica e gli strumenti al sicuro consentendo una differenza di solo mezzo grado.

Allo stesso modo, le tute degli astronauti sono costruite per resistere a temperature da -157°C a 121°C. Le tute sono bianche per riflettere la luce mentre sono illuminate dal sole e ci sono riscaldatori all’interno per mantenere gli astronauti al caldo quando si trovano al buio. Sono inoltre progettate per fornire pressione e ossigeno costanti e per resistere ai danni di micrometeoriti e delle radiazioni ultraviolette del sole.

ALCHIMIA COSMICA

In questo momento, il Sole sta spremendo l’idrogeno convertendolo in elio all’interno del suo nucleo. Questo processo di unione degli atomi creato sotto un’immensa pressione e temperatura, una vera e propria fucina di nuovi elementi, è chiamato fusione.

Quando l’universo è nato, conteneva principalmente idrogeno ed elio, più un pizzico di un paio di altri elementi leggeri. Da allora, la fusione di stelle e supernove ha fornito al cosmo più di altri 80 elementi, alcuni dei quali rendono possibile la vita.

Il Sole e le altre stelle sono eccellenti macchine per la fusione. Ogni secondo, il Sole fonde circa 600 milioni di tonnellate di idrogeno: questa massa è pari a 102 volte quella della grande Piramide di Giza!

Insieme alla creazione di nuovi elementi, la fusione rilascia enormi quantità di energia e particelle di luce chiamate fotoni. Questi fotoni impiegano circa 250.000 anni prima di risalire i 700.000 chilometri dal nucleo e raggiungere la superficie visibile del Sole. In seguito la luce impiega solo otto minuti per percorrere i 150 milioni di chilometri verso la Terra.

La fissione, la reazione nucleare opposta che divide gli elementi pesanti in elementi più piccoli, è stata dimostrata per la prima volta nei laboratori negli anni ’30 ed è utilizzata oggi nelle centrali nucleari. L’energia rilasciata nella fissione può creare esplosioni catastrofiche, ma per una data quantità di massa è ancora parecchie volte inferiore all’energia creata dalla fusione. Tuttavia, gli scienziati non hanno ancora capito come controllare il plasma in modo da produrre energia dalle reazioni di fusione.

La Terra è circondata da una gigantesca bolla magnetica chiamata magnetosfera. Credits: NASA

ESPLOSIONI MAGNETICHE

Ogni giorno, lo spazio intorno alla Terra è pervaso da gigantesche esplosioni. Quando il vento solare, il flusso di particelle cariche proveniente dal Sole, spinge contro l’ambiente magnetico che circonda e protegge la Terra – la magnetosfera – aggroviglia i campi magnetici del Sole e della Terra. Alla fine, le linee del campo magnetico si spezzano e si riallineano, espellendo le particelle cariche più vicine. Questo evento esplosivo è noto come “riconnessione magnetica”.

Mentre non possiamo osservare la riconnessione magnetica a occhio nudo, possiamo vederne gli effetti. Occasionalmente alcune delle particelle perturbate si riversano nell’atmosfera superiore della Terra, innescando le aurore.

La riconnessione magnetica avviene in tutto l’universo, ovunque ci siano campi magnetici che si aggrovigliano. Le missioni della NASA come la missione Magnetospheric Multiscale misurano questi eventi intorno alla Terra, per aiutare gli scienziati a capire come funziona la riconnessione e comprenderla poi dove è più difficile da studiare: nei brillamenti sul Sole, nelle aree circostanti i buchi neri e intorno ad altre stelle.

SHOCK SUPERSONICI

Sulla Terra, un modo semplice per trasferire energia è dare una spinta a qualcosa. Questo accade spesso attraverso collisioni, come quando il vento fa ondeggiare gli alberi. Ma nello spazio esterno, le particelle possono trasferire energia senza nemmeno toccarsi. Questo strano trasferimento avviene in strutture invisibili note come “bow shock” (dette anche onda di prua o onda d’urto).

Nei bow shock, l’energia viene trasferita attraverso onde di plasma e campi elettrici e magnetici.

Se immaginiamo le particelle come uno stormo di uccelli che volano insieme, quando si alza il vento in coda che li spinge, essi volano più veloci anche se non sembra che nulla li stia spingendo in avanti. Le particelle si comportano più o meno allo stesso modo quando incontrano improvvisamente un campo magnetico: il campo magnetico può essenzialmente dare loro una spinta in avanti.

Le onde d’urto possono formarsi quando gli oggetti si muovono a velocità supersoniche, cioè più veloci della velocità del suono. Se un flusso supersonico incontra un oggetto fermo, forma ciò che è noto come “bow shock”, un po’ come l’onda che si crea a prua di una barca ancorata in un fiume che scorre veloce. Uno di questi bow shock viene per esempio creato dal vento solare mentre penetra nel campo magnetico terrestre.

I bow shock si manifestano in diversi luoghi nello spazio, come intorno a supernove attive che emettono nuvole di plasma. In rari casi, anche sulla Terra si possono sviluppare degli shock. Questo accade per esempio quando gli aerei superano la velocità del suono.

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