Astrofisica e cosmologia sbancano il Nobel per la fisica 2019

Il premio Nobel per la fisica di quest’anno è andato a due ricerche astrofisiche. Vi racconto tutto quello che c’è da sapere in questo post.

Beh, due gran colpi quest’anno. Wow.

Il premio Nobel per la fisica 2019 va a James Peebles per i suoi studi teorici sulla radiazione cosmica di fondo e alla coppia Michel Mayor e Didier Queloz per la scoperta del primo esopianeta attorno a una stella diversa dal Sole, l’esopianeta 51 Pegasi b. Tutte robe astrofisiche.

Ma quanto sono belli i ritratti dei Nobel in generale?

Su Quantizzando, in questi anni, abbiamo parlato innumerevoli volte di radiazione cosmica di fondo ed esopianeti. Credo che siano gli argomenti più trattati in assoluto. Quindi per capire un po’ meglio per quali scoperte astrofisiche è stato assegnato il Nobel 2019, tanto vale attingere a mani basse dall’archivio di questo blog, aggiungendo qualche informazione in più vista la giornata di oggi.

Peebles: uno sguardo teorico all’evoluzione dell’universo

Dire che il contributo che James Peebles ha dato alla cosmologia è stato fondamentale è usare un eufemismo. Tutti noi studenti, laureandi e dottorandi, aspiranti cosmologi, abbiamo avuto tra le mani e studiato avidamente il suo libro Principles of physical cosmology.

Peebles ha sviscerato la fisica che c’è dietro la radiazione cosmica di fondo e ampiamente discusso il legame tra le caratteristiche della radiazione cosmica di fondo e la struttura dell’universo.

Come dite? Non avete idea di che cosa sia la radiazione cosmica di fondo? Nessun problema: un riassuntone completo lo trovate qui sotto, in due miei vecchi video su YouTube.

Prima parte…
…e seconda parte.

Il lavoro teorico di Peebles (il quale lavorava all’interno del gruppo di lavoro di un altro importante astrofisico, Robert Dicke) ha permesso di capire meglio i picchi delle correlazioni delle piccole fluttuazioni di temperatura della radiazione cosmica di fondo, cioè quelle che si vedono alla fine del secondo video qui sopra e che ripropongo qui sotto.

Le correlazioni misurate sulla radiazione cosmica di fondo sono spaventosamente ben riprodotte dai nostri modelli teorici…

Questi picchi forniscono informazioni legate al contenuto di materia ed energia che abbiamo nell’universo, come mostrato qui sotto.

…e come Dicke, Peebles e molti altri hanno capito, quei picchi ci danno un sacco di informazioni.

Insomma, direi che il premio Nobel per la fisica a James Peebles è più che meritato. Il lavorone che ha fatto merita ogni riconoscimento. Lo avrebbe meritato anche Robert Dicke, certo, ma purtroppo l’Accademia svedese non consegna Nobel postumi. Certe cose accadono solo per i premi Oscar.

Mayor e Queloz: alla scoperta di nuovi mondi

Voi lo sapete: per me la scoperta degli esopianeti è una delle scoperte astrofisiche più importanti mai fatte (forse seconda solo alla scoperta della radiazione cosmica di fondo). Ne ho parlato praticamente sempre su questo blog, e ogni anno per i premi Nobel speravo tanto che questo tipo di ricerca venisse riconosciuta (insieme al lavoro di Vera Rubin sulla materia oscura, ma purtroppo Rubin ha subito la stessa sorte di Robert Dicke). C’è anche una intera vecchia puntata del podcast Parsec a tema esopianeti.

Per un gioco assurdo di coincidenze, il primo esopianeta scoperto da Mayor e Queloz è stato scoperto proprio all’inizio di ottobre, nel 1995. Per la precisione il 5 ottobre. Io avevo quasi nove anni. Lo dico solo perché voglio ricordare che anche per me c’è stato un breve lasso di tempo in cui non sapevamo se ci fossero pianeti attorno ad altre stelle come il Sole.

Questo primissimo pianeta fu scoperto con il metodo delle velocità radiali. Di che si tratta? Un esopianeta che orbita attorno a una stella farà muovere anche la stella stessa: per colpa della gravità, stella ed esopianeta si attraggono reciprocamente e si muovono di conseguenza. La stella si muove poco perché ha una massa molto più grande dell’esopianeta, ma si muove.

Questo moto della stella può essere misurato con lo stesso principio con cui funziona l’autovelox per le automobili. La luce che noi osserviamo provenire dalla stella cambia frequenza a seconda che si avvicini o si allontani da noi lungo la nostra linea di vista: questo cambio di frequenza della luce è misurabile e ci permette di stimare la velocità della stella. Se l’effetto è grande, allora sarà grosso anche l’esopianeta che lo causa. Ma soprattutto, se vediamo un effetto del genere da una stella, beh, allora vuol dire che abbiamo beccato un esopianeta. E così è andata per 51 Pegasi b.

Ecco come funziona il metodo delle velocità radiali, metodo con cui Mayor e Queloz hanno scoperto l’esopianeta 51 Pegasi b e vinto il premio Nobel per la fisica 2019 (Crediti: NASA).

Dal 1995 a oggi abbiamo scoperto più di 4000 esopianeti e ormai siamo pronti a studiare le atmosfere e, perché no, gli oceani di questi esopianeti lontani. In 25 anni c’è stato un balzo incredibile di conoscenze, di telescopi spaziali in orbita, di articoli scientifici con ogni tipo di idea. L’obiettivo, resta sempre quello: scovare un pianeta simile alla Terra. Quando accadrà, se accadrà, saremo di fronte a una scoperta così notevole ed emozionante che forse il Nobel non avrà neanche più importanza, proiettati come saremo tutti a fantasticare.

Comunque sia, la spinta iniziale di tutto questo viaggio è arrivata proprio quel 5 ottobre 1995 grazie a Mayor e Queloz.


E ora si riparte: la comunità astrofisica che lavora su questi campi riceverà sicuramente molti più fondi di prima, data la ribalta guadagnata con il premio Nobel per la fisica. Inutile nascondersi, tutto questo fa ovviamente parte del gioco monetario della ricerca scientifica. Ma al netto di tutti questi discorsi, restano l’ingegno di persone che hanno avuto una visione lungimirante su temi teorici complessi e soprattutto distanti dalla nostra vita quotidiana e la caparbietà di trovare puntini luminosi lontani e, chissà, potenzialmente abitabili.

È possibile trovare oceani su esopianeti lontani?

Trovare esopianeti con oceani sarebbe la svolta nella ricerca di nuovi mondi abitabili. Per farlo ci vogliono i modelli e i telescopi giusti.

Il sogno di tutti gli appassionati di astrofisica è uno solo: scovare nuovi esopianeti simili alla Terra nella speranza che siano abitabili.

Un buon indicatore è sicuramente la presenza di oceani. Vi immaginate se scoprissimo un esopianeta pieno di oceani? Beh, non potremmo fare a meno di notare una certa somiglianza con la Terra, chiaro, oltre al fatto, per ora imprenscindibile, della presenza di acqua liquida in superficie.

Ma la domanda è: come si fa a scoprire se su un esopianeta lontano anni luce ci sono gli oceani?

Per beccare un oceano devi studiare la luce

Partiamo da un aspetto banale: sarebbe bello fare la foto a un esopianeta e capire se è un pallino blu come la Terra.

Dobbiamo però capire che, se tutto va bene (e non è detto), al massimo ci aspettiamo una roba tipo questa nella foto qui sotto.

La Terra vista da Saturno, in uno scatto della (fu) sonda Cassini (Crediti: NASA)

Quella indicata nella freccia qui sopra è la Terra.

Si vede che è blu? Bah, insomma. Ma non importa in realtà. La cosa interessante è che noi sappiamo benissimo che è blu e quindi possiamo fare così: possiamo studiare la luce della Terra da quella distanza e capire quali sono i tratti distintivi che caratterizzano la presenza di oceani visti da lontano.

Infatti la luce di un esopianeta è in realtà la luce che l’esopianeta riflette e diffonde dalla stella attorno a cui orbita. L’eventuale presenza di acqua si può riconoscere subito dall’analisi della luce misurata tramite un telescopio che magari ha a bordo pure uno spettroscopio.

Tre metodi classici

C’è un articolo scientifico del 2012 che fa un riassunto dei metodi che potremmo usare per scovare gli oceani sugli esopianeti lontani, tramite l’analisi della luce che i pianeti riflettono dalla stella attorno a cui orbitano.

Metodo 1: colori cangianti. La luce riflessa e diffusa dagli oceani è meno intensa e forma più colori rispetto alla luce riflessa dai continenti. Se si guarda un esopianeta ruotare per un tempo sufficiente allora queste caratteristiche dovrebbero essere ben visibili.

Metodo 2: polarizzazione. La luce è un’onda elettromagnetica, cioè un insieme di campi elettrici e magnetici che oscillano. Un’onda elettromagnetica polarizzata è un’onda i cui campi elettrici e magnetici oscillano in una particolare direzione precisa (così, per farla semplice). L’acqua degli oceani è in grado di polarizzare di più la luce a differenza dei continenti. C’è da dire che questo effetto potrebbe essere mascherato, in una certa misura, dalla presenza dell’atmosfera dell’esopianeta.

Metodo 3: riflessione speculare. L’acqua degli oceani potrebbe rendere l’esopianeta più brillante a causa della riflessione speculare, cioè il fenomeno per cui la luce è riflessa con lo stesso angolo con cui incide sull’acqua degli oceani. Quindi man mano che l’esopianeta orbita attorno alla sua stella ci possono essere delle variazioni della luminosità dell’esopianeta che indicherebbero la presenza di oceani. Questo metodo può essere in qualche modo ingannevole: la presenza di neve e ghiaccio nelle zone attorno ai poli di un esopianeta potrebbero simulare questo tipo di riflessione della luce. Ciò non vuol dire che questo metodo non si può usare, ma vuol dire che per usarlo bene bisogna sapere interpretare i dati bene (e si può fare, per esempio, studiando che cosa accade con la Terra vista da lontano).

Usiamo la Terra come se fosse un esopianeta

Come vi dicevo, la Terra è un ottimo esempio (anzi, è l’unico che conosciamo!) di pianeta nell’universo con oceani in superficie.

Quindi studiare come la Terra riflette la luce del Sole vista da lontano può essere utilissimo per creare un modello teorico di pianeta con oceani da confrontare poi con altri esopianeti sparsi nella galassia.

Per esempio, la Terra non ha solo gli oceani, ma anche i continenti: come cambia la luce riflessa dalla Terra durante un giorno? La risposta a questa domanda è stata cercata in un articolo scientifico del 2019.

E la risposta è questa.

Ecco come cambia la luce riflessa dalla Terra durante la rotazione del nostro pianeta, a seconda della frequenza della luce (Crediti: Lustig-Yaeger, 2019)

Ma non solo. Immaginate di osservare per un bel po’ di ore la Terra (magari senza nuvole) a circa 15 anni luce di distanza con un telescopio che ha uno specchio principale di 15 metri circa; e immaginiamo di misurare la Terra in diversi periodi dell’anno. Che cosa misureremmo? La risposta è sempre nello stesso articolo scientifico ed è questa qua.

La Terra vista da 15 anni luce di distanza, a frequenze di luce infrarossa, in due diverse posizioni mentre orbita attorno al Sole. Notate le barre d’errore come sono diverse nei due casi (Crediti: Lustig-Yaeger, 2019)

Con questi modelli in mano abbiamo la possibilità di iniziare la ricerca degli oceani su esopianeti lontani in modo molto concreto.

Il futuro è quindi azzurro?

Ma i telescopi che abbiamo a disposizione sono in grado di misurare queste variazioni in un esopianeta lontano?

Protagonisti dei prossimi anni saranno molti telescopi spaziali NASA: c’è il James Webb Space Telescope (JWST) quasi in rampa di lancio, e poi se tutto va bene anche i telescopi spaziali LUVOIR, Origins Space Telescope e HabEx. Ce la faranno questi telescopi a scovare gli oceani? Beh, James Webb, Origins, HabEx hanno tutti specchi sotto i 6 metri; però LUVOIR, dovrebbe avere proprio uno specchio con 15 metri di diametro e quindi possiamo aspettarci probabilmente grandi cose.

Capire come studiare l’eventuale presenza di oceani su esopianeti è quindi fondamentale per programmare al meglio le future missioni scientifiche spaziali. Certo, la presenza di nuvole su un esopianeta potrebbe complicare i modelli, ma una cosa è sicura: scovare un esopianeta con oceani sarebbe il vero grande salto di qualità verso la ricerca di nuovi mondi abitabili.