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11 minuti di letturaBuchi neri e premi Nobel per la fisica 2020

Quest’anno mezzo premio Nobel per la fisica va a Roger Penrose, celebre fisico teorico che tra le varie cose che ha fatto ha prodotto alcuni risultati interessanti sulla teoria della relatività generale e per questo gli è stato assegnato il Nobel. L’altra metà è stata assegnata a Reinhard Genzel (professore e ricercatore del Max Planck Institute di Garching, in Germania) e a Andrea Ghez (professoressa e ricercatrice della University of California). I gruppi di ricerca guidati da Genzel e Ghez hanno studiato, dal 1990 in poi, il moto delle stelle attorno al centro della Via Lattea e hanno concluso che la sorgente al centro della nostra galassia (chiamata Sagittarius A*) fosse un oggetto compatto supermassiccio di qualche milione di masse solari – praticamente, a quanto ne sappiamo, un buco nero.

Prima di entrare nel dettaglio, due veloci considerazioni. Prima considerazione: anche quest’anno il Nobel della fisica finisce all’astrofisica. Più che essere una cosa di cui vantarsi o speciale, in realtà credo sia la semplice constatazione di come ormai l’universo sia sempre più diventato un grande laboratorio a disposizione di tutti coloro che fanno ricerca, dalla biologia alla chimica, passando per la fisica fondamentale. Seconda considerazione: un’astrofisica ha vinto il premio Nobel per la fisica, finalmente. In generale, questo premio Nobel era stato vinto finora solo da Marie Curie nel 1903, Maria Goeppert-Mayer nel 1963 e Donna Strickland nel 2018. Andrea Ghez entra in un club finora esclusivo ma la frequenza di premi Nobel per la fisica assegnati in quest’ultimo decennio fa ben sperare per i prossimi anni.

E adesso, cerchiamo di capire che cosa hanno fatto Penrose, Genzel e Ghez per meritarsi il premio Nobel per la fisica 2020.

La storia del collasso gravitazionale

La storia parte dal 1916. Poco dopo la pubblicazione da parte di Albert Einstein della teoria della Relatività Generale, subito la gente nel mondo si mette a fare dei conti. Per esempio, Karl Schwarzschild, proprio nel 1916, calcola una soluzione alle equazioni della Relatività Generale che, appunto, si chiama soluzione di Schwarzschild. La Relatività Generale dice che la gravità è la manifestazione della curvatura dello spaziotempo a causa della presenza di una massa: ovvero, se c’è una massa da qualche parte, la misura di distanze e intervalli di tempi sarà diversa rispetto a una parte di un universo in cui non c’è massa. La soluzione che trova Schwarzschild risponde alla domanda: com’è fatto lo spazio tempo attorno a una massa a forma di sfera e che non ruota affatto?

È il caso più semplice possibile, vero, ma in realtà ci sono un sacco di rogne nella soluzione di Schwarzschild. Per esempio, sembrano esserci due punti, uno dove la distanza dal punto in cui si trova la massa è zero e uno in cui la distanza dalla massa ha un certo valore che dipende solo dalla massa (distanza chiamata poi raggio di Schwarzschild) in cui alcune quantità fisiche diventerebbero infinite. Urca: che significa? Hanno un significato fisico questi valori infiniti oppure sono solo artefatti matematici?

No, non stiamo parlando di questo tipo di collasso, anche se più o meno con questi argomenti questa è la fine che facciamo tutti.

Già, perché la Relatività Generale, come tutte le teorie fisiche, richiede la scelta di un sistema di coordinate. Per esempio, una cosa è vedere le cose fermi in piazza, un’altra è vedere le cose mentre si è a bordo di un auto che sfreccia in curva. Se l’auto va veloce in curva, per esempio, tutti gli oggetti sul cruscotto sono buttati via verso l’esterno della curva. Ma non è magia: è solo che stiamo considerando la fisica da un sistema di riferimento diverso rispetto a chi è fermo in piazza e guarda tutto da fuori.

Allora si potrebbe dire: magari le robe infinite della soluzione di Schwarzschild dipendono dal sistema di coordinate scelto? Purtroppo la risposta è no. Sono rogne fisiche, non solo matematiche. Qualche anno dopo, nel 1963, il fisico Roy Kerr studia una soluzione della Relatività Generale in cui la massa sferica stavolta ruota. Ci sono sempre le robe infinite, però.

Voi direte: va bene, ma qual è il problema? Se ho una massa molto grande, o almeno più grande del suo raggio di Schwarzschild il problema non si pone. Infatti per esempio, il Sole ha un raggio di Schwarzschild pari a 3 km, ma le dimensioni effettive del Sole sono quelle di una stella con un raggio di 700 mila km, quindi chissene del raggio di Schwarzschild.

Ma se invece una stella collassa? Se tutto il gas di cui è fatta una stella inizia a cadere verso il centro della stella? In questa situazione di collasso, se niente frena il meccanismo, allora tutta la materia oltrepassa il raggio di Swarzschild e, qualunque cosa accada, dobbiamo fare i conti con il fatto che secondo la Relatività Generale la densità diventa infinita.

Quindi alla fine il raggio di Schwarzschild è un indicatore che stiamo entrando in una regione al cui centro c’è una densità infinita: questo punto è detto singolarità e la regione che circonda la singolarità è detta buco nero.

La scoperta dei quasar: c’entrano i buchi neri?

Nel 1959 viene pubblicato il Third Cambridge Catalog of Radio Sources, chiamato 3C, e alla posizione 273 c’è un oggetto celeste, nominato appunto 3C 273 che è una sorgente di onde radio. A quanto pare però poi si scopre che 3C 273 può essere osservata anche nell’ottico (alle lunghezze d’onda della luce visibile) e in un primo momento associata a una non ben definita sorgente stellare.

Una foto d’annata di 3C 273. Scommetto 10 pallotte cacio e uova che chiunque l’avrebbe classificato come una stella, o quasi una stella.

Nel 1963 però, dallo studio delle righe di luce di 3C 273, gli astrofisici Maarten Schmidt e Bev Oke si rendono conto che quell’oggetto non appartiene alla nostra Via Lattea. Per questo 3C 273 fu classificato come QUASAR, cioè QUasi StellAR object, una stella che non lo era, insomma. Questo quasar 3C 273 è estremamente luminoso e poi emette anche una gran quantità di onde radio (poi anche di raggi-X, si scoprirà nel 1970…): che sta succedendo lassù o laggiù come preferite?

A qualcuno venne in mente questa idea: può essere che una gran quantità di massa sia collassata, dove per gran quantità di massa si intende milioni o centinaia di milioni di volte la massa del Sole. Questo collasso, fino alla scala del raggio di Schwarzschild di quella massa, produrrebbe una quantità di energia stratosferica che verrebbe emessa sotto forma di radiazioni.

Sembra una buona idea, ma c’è un problema. La soluzione di Schwarzschild funziona solo per un problema ideale, cioè per una massa sferica non rotante. Risulta difficile pensare che una situazione reale e complessa come sarebbe quella di un quasar sia proprio una situazione ideale. Ovvero magari quando la situazione è realistica entrano in gioco dei processi fisici per cui un collasso non porta alla formazione di un buco nero e di una singolarità; magari quindi tramite il collasso gravitazionale non si riesce a produrre abbastanza energia per alimentare i quasar.

Non è un dubbio nuovo: lo stesso Einstein e anche i fisici Oppenheimer e Snyder (tutti e tre nel 1939) pensavano questa cosa. Infatti se si prende una distribuzione sferica di massa, si usa la soluzione di Schwarzschild e la si fa collassare, ecco la singolarità. Ma in una situazione non simmetrica, chi ci dice che la massa sia in grado di collassare fino a concentrarsi in un unico punto di singolarità? Infatti, nel 1963 Evgeny Lifshitz e Isaak Khalatnikov, due fisici sovietici, pubblicarono un articolo in cui trovano soluzioni alle equazioni della Relatività che non porterebbero necessariamente a un collasso gravitazionale. Quindi se si vuole un collasso gravitazionale in circostanze reali e poco simmetriche è possibile, ma non è per forza detto che avvenga.

E qui che entra in gioco Roger Penrose.

Sono Mr. Penrose e risolvo problemi (con i buchi neri)

Il 18 dicembre 1964, a 33 anni Roger Penrose invia un articolo alla rivista scientifica Physical Review Letters. L’articolo si intitola “GRAVITATIONAL COLLAPSE AND SPACE-TIME SINGULARITIES” cioè “Collasso gravitazionale e singolarità dello spazio-tempo”. L’articolo verrà pubblicato un mese dopo, il 18 gennaio 1965: sono 3 pagine, o meglio 6 colonne e un disegno. Che cosa scrive Penrose in questo articolo? Affronta il problema del possibile uso della teoria del collasso gravitazionale per spiegare come funzionano i quasar.

Penrose dice: vogliamo pensare che l’energia emessa dai quasar sia il risultato di un qualche processo che coinvolge il collasso gravitazionale di una grandissima massa? Bene, però non siamo nel caso ideale e simmetrico del collasso di Schwarzschild e nemmeno in quello ideale e simmetrico di Kerr tutto sommato.

Tuttavia, fa notare Penrose nel suo articolo, per il problema dei quasar alla fine a noi le simmetrie come punto di partenza interessano poco. Penrose fa solo un’assunzione fondamentale: parliamo di materia che energia non-negativa, come per esempio la materia ordinaria. Quando il collasso prosegue fino ad arrivare a scale molto piccole, tipo (ma non per forza nel caso generale) il raggio di Schwarzschild, Penrose fa vedere nel suo articolo che si può determinare una superficie – chiamata da lui trapped surface – che circonda la materia collassata da cui i raggi di luce anziché uscire, entrano e si muovono verso il centro della sfera. Praticamente il contrario di ciò che succede con una sfera, diciamo così, normale, ovvero tempo e spazio invertono i loro ruoli. Questo accade, lo sottolineo, perché qua stiamo spingendo con la matematica della Relatività: quindi non preoccupatevi se vi sembra strano, è perfettamente normale che sia strano.

Ecco come funziona, più o meno, una trapped surface (praticamente un buco nero): fuori un raggio di luce va avanti nello spazio, dentro va avanti nel tempo verso il centro. E al centro…il tempo finisce, ma vi rendete conto SBAAAAM! [Crediti: Nobel Prize]
Comunque sia, Penrose arriva poi a dimostrare che anche senza troppe simmetrie se in un collasso gravitazionale a un certo punto si forma una trapped surface, allora la singolarità è inevitabile. Signore e signori, abbiamo la soluzione al problema dei quasar. E, 55 anni dopo Penrose ha vinto il premio Nobel per la fisica con questo risultato.

Anche la Via Lattea ha un buco nero al centro

Questo ha portato a diversi sviluppi nel mondo dell’astrofisica. Si è capito, per esempio, che diverse oggetti classificati in modi diversi, quasar, radiogalassie, galassie di Seyfert e altri, erano tutti lo stesso fenomeno: galassie con buchi neri molto grossi al centro.

Queste galassie, chiamate attive, però emettono tutte un sacco di radiazioni: questo perché c’è della materia che si scalda poiché cade sul buco nero ed emete quindi luce a varie frequenze.

Anche la nostra Via Lattea ha un buco nero molto grosso al centro. Però, la Via Lattea non è una galassia attiva (e meno male, probabilmente!). Questo rende più difficile dimostrare che effettivamente questo buco nero, detto supermassiccio, in realtà ci sia. E qui veniamo alla seconda metà del premio Nobel per la fisica 2020, quello assegnato a Genzel e a Ghez.

I gruppi di ricercatrici e ricercatori guidati da Genzel e Ghez hanno osservato il moto delle stelle attorno al centro della Via Lattea e hanno osservato ciò che vedete in questo video.

Avete notato la stella S2? Si è riusciti a misurare un’orbita completa attorno al centro galattico.
Perché questa è la pistola fumante che indirizza gli astrofisici ad affermare l’esistenza di un buco nero al centro della Via Lattea? Perché le stelle sembrano orbitare attorno ad un punto particolare e inoltre una delle stelle (come si può vedere alla fine del breve filmato) addirittura chiude un’orbita.
Questo fatto permette di calcolare tutti i parametri del sistema e di trovare la somma totale delle masse della stella e dello sconosciuto oggetto al centro. Pensate alla Terra e al Sole: se conosciamo la distanza Terra-Sole (150 milioni di km), il tempo che la Terra impiega a fare un giro (365 giorni circa) e mettiamo tutto nelle equazioni della gravità di Newton (non c’è bisogno di scomodare Einstein) troviamo la massa della Terra più la massa del Sole. Ma la massa della Terra è un milione di volte più piccola della massa del Sole e quindi trascurabile in questo caso: praticamente in questo modo abbiamo determinato la massa del Sole, cioè del corpo celeste che causa l’orbita della Terra.
Nel caso del centro della Via Lattea e della stella S2 si trova una somma delle masse pari a qualche milione di volte quella del Sole. Ma siccome una stella, bene che va può avere una massa di circa un centinaio di volte quella del Sole allora l’unico altro oggetto che possiamo trovare compatibilmente con le dimensioni spaziali del sistema può essere solo un buco nero supermassiccio.
Supermassiccio? Ecco, qui veniamo a un punto che ho volutamente trascurato finora. Di norma, per quanto ne sappiamo buchi neri si possono formare dalla morte di una stella molto grande oppure dalla collisione di due buchi neri più piccoli, ma insomma sempre là stiamo. Però una stella può raggiungere al massimo un centinaio di masse solari e quindi ci aspetteremmo di osservare solo buchi neri con una massa più o meno di quell’ordine di grandezza.
Ma i dati della stella S2 mostrano che al centro della galassia sembrerebbe esserci un buco nero di qualche milione di masse solari.  Cioè vuol dire che in uno spazio molto compresso ci devono essere una massa pari a quella di qualche milione di stelle come il Sole. Ecco perché l’unica possibilità è un buco nero. Solo questo tipo di oggetti si formano a seguito di un collasso gravitazionale che a sua volta genera una singolarità con densità potenzialmente infinita e che quindi permette che ci sia così tanta massa in uno spazio ristretto.
Per la cronaca, la sorgente al centro della Via Lattea si chiama Sgr A* – si legge “Sagittarius A star”. Il comitato del Premio Nobel 2020 ha cautamente detto che il premi va a Genzel e Ghez per la scoperta di un oggetto compatto supermassiccio. Va bene, ma a quanto ne sappiamo oggi, l’unico oggetto compatto supermassiccio che conosciamo è un buco nero supermassiccio. Nell’attesa di ottenere un’immagine anche di Sgr A* nei prossimi mesi, come già fatto con l’oggetto al centro della galassia M87.
Bisogna infine sottolineare che le osservazioni della stella S2 sono andate avanti per parecchi anni. Tutto questo non sarebbe mai potuto accadere se non avessimo avuto computer, strumenti ottici e telescopi sempre più sofisticati in grado di memorizzare direttamente dati e di “aggiustarsi” a seconda delle turbolenze e dei capricci della nostra atmosfera. Questi “aggiustamenti” delle ottiche sono stati possibili solo grazie agli sviluppi recenti dell’ottica adattiva.
Con questa tecnica, lo specchio di un telescopio è formato da varie unità più piccole in grado di deformarsi a seconda della turbolenza atmosferica. Ciò permette di avere misure ultra-precise del moto delle stelle attorno al centro della Via Lattea. Sgr A* dista da noi 25 mila anni luce e quindi, sulla volta celeste, è una piccola regione di cielo da scrutare. Se non otteniamo una risoluzione abbastanza elevata, non otteniamo dati di buona qualità. Ciò è stato possibile solo grazie alle ottiche adattive montate sul telescopio Keck alle Hawaii e sul complesso del VLT in Cile, gli strumenti usati dai gruppi di Genzel e Ghez.
Come funziona l’ottica adattiva. [Crediti: Nobel Prize]
Ma cosa ne faremo di questi buchi neri supermassicci?
Il premio Nobel per la fisica 2020 è quindi il risultato di un complesso intreccio di storia, teoria, osservazioni e sviluppo tecnologico.
E adesso? La domanda è malposta: in realtà, come spesso accade (tranne in rari casi) i Nobel sono assegnati in differita, ovvero quando ormai la comunità scientifica già da anni ha accettato le scoperte e le conseguenze delle ricerche premiate. Basti pensare alle scoperte di Penrose del 1965 che a loro volta hanno guidato le scoperte di Genzel e Ghez.
I buchi neri di piccola massa sono ora studiati anche attraverso le onde gravitazionali e un giorno, quando per esempio l’interferometro spaziale LISA sarà in orbita, anche quelli supermassicci verranno studiati anche con le onde gravitazionali. Ma è ancora presto per questo. Di sicuro, non abbiamo idea del perché al centro delle galassie ci siano questi buchi neri con masse così elevate. Probabilmente tutto ciò a che fare con la formazione delle galassie e quindi in ultima analisi con la formazione dei sistemi planetari e della (eventuale) vita. Non lo sappiamo, non sappiamo mai niente noi astrofisici.
L’unica cosa certa è che la storia di questi premi Nobel del 2020 per la fisica ci insegna quanto sia importante mettere sempre tutto in discussione e andare a cercare risposte ovunque, forse anche dove ancora non ci sono domande. Prima o poi le domande salteranno fuori comunque.
La storia di questo premio Nobel del 2020 è soprattutto una storia che parte dalle domande e i dubbi che si pose Galileo nel 1610, poi Einstein nel 1905 e infine Penrose nel 1960, fino a giungere allo sviluppo di una tecnologia abbastanza sofisticata con cui i gruppi di ricerca guidati da Genzel e Ghez hanno potuto osservare il cuore della Via Lattea per continuare a mettere in discussione tutto ciò che era stato pensato fino ad allora.

C’è un filo che lega i secoli e le menti che hanno avuto dubbi e messo in discussione lo stato delle cose con idee ed esperimenti continui, senza mai dare nulla per scontato e con collaborazioni vaste. E il premio Nobel di quest’anno rinforza sempre più quel filo.

 

— Suggerimenti di lettura

Buchi neri – Viaggio dove il tempo finisce, un libro di Elisa Nichelli

Comunicato stampa dell’assegnazione del Premio Nobel per la fisica 2020

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