L’astrofisica e il cambiamento climatico

La California è uno degli stati occidentali degli Stati Uniti e si affaccia sull’Oceano Pacifico. Nell’immaginario collettivo la California significa cinema, tecnologia, vita da spiaggia, le strade e le case di San Francisco; ma anche affitti troppo alti, un numero imprecisato di clochard per le strade, terremoti con magnitudo elevate nella perenne attesa che arrivi The Big One.

Ma non solo. Questo qui sotto è il Golden Gate Bridge di San Francisco, qualche settimana fa.

 

Gli incendi che hanno devastato e che devastano la California ogni anno hanno una matrice principale: il cambiamento climatico. L’aumento globale delle temperature comporta squilibri nelle temperature in quella zona di mondo, come dappertutto. Il risultato è una gran quantità di incendi che imperversano.

La capitale della California è Sacramento, ma probabilmente la prima città che a tutti viene in mente è Los Angeles. Nell’area metropolitana di Los Angeles, a nord-est di Pasadena, c’è Monte Wilson.

Qui, su Monte Wilson c’è uno degli osservatori più importanti della storia dell’astrofisica; anzi, possiamo tranquillamente dire che storicamente è stato un osservatorio fondamentale per tutte le scoperte del secolo scorso.

L’osservatorio di Monte Wilson è stato fondato nel 1904 da George Ellery Hale e il telescopio Hooker da 2,5 metri di diametro fu un telescopio formidabile in quegli anni: nel 1924 Edwin Hubble misurò per la prima volta nella storia la distanza della galassia di Andromeda e nel 1929 sempre Hubble scoprì che l’universo è in espansione. Tutto grazie all’osservatorio di Monte Wilson.

La storia dell’astrofisica americana della prima metà del Novecento è una storia incredibile. Se vi interessa, potete ascoltarla in questa puntata speciale del mio podcast, basta cliccare play qui sotto.

L’osservatorio di Monte Wilson è stato minacciato seriamente dagli incendi in California di quest’anno. Per fortuna le fiamme non sono arrivate fino ai 1740 metri delle San Gabriel Mountains e l’osservatorio si è salvato. Ma c’è mancato davvero poco.

Questa storia che mette insieme gli incendi e Monte Wilson non è altro che una metafora di come gli effetti disastrosi dei cambiamenti climatici sul nostro pianeta siano arrivati a minacciare anche coloro che studiano cose che non si trovano sulla Terra, come fanno le astrofisiche e gli astrofisici.

Non solo infatti la minaccia a luoghi fisici come gli osservatori in California, ma anche una difficoltà maggiore nell’osservare un cielo pulito e limpido e quindi danni e ritardi che ricadono sulla progettazione degli esperimenti scientifici che puntano il naso all’insù.

Ma non è finita. Se da un lato le fiamme che hanno circondato Monte Wilson sono state un problema serio e tangibile del cambiamento climatico sull’astrofisica, d’altra parte potremmo chiederci: viceversa, l’astrofisica influisce sul cambiamento climatico?

La risposta è sì.

 

Non sto scherzando: l’astrofisica ha un certo impatto sul cambiamento climatico. Anzi, per meglio dire, chi fa ricerca in astrofisica.

Ora, voi direte: ma quale potrà mai essere l’impatto di un gruppo di astrofisici sul cambiamento globale?
Per capirlo, devo raccontarvi qual è la tipica vita di un astrofisico o di un’astrofisica.

La maggior parte della ricerca astrofisica si svolge in un istituto di ricerca lavorando al computer, anzi ai supercomputer: quindi, a meno che non ci siano tavolate di pannelli fotovoltaici, l’elettricità derivata dal petrolio incombe sulle tonnellate di CO2 emesse da ciascun ricercatore/ricercatrice. Durante il lavoro, una parte essenziale della vita dei ricercatori è quella dei meeting: diverse volte l’anno masse di ricercatori si muovono su degli aerei per raggiungere posti (molto spesso carini!) per discutere delle ultime novità e soprattutto per discutere delle proprie idee.
Questi meeting coinvolgono ricercatori da tutto il mondo: quindi magari può capitare un meeting, che ne so, a Lisbona, dove arrivano con voli aerei ricercatori provenienti dal Brasile, dal Sudafrica e dall’Australia, oltre che da tutto il resto dell’Europa (chi si trova a Madrid non credo che prenda il treno…).
E poi, ovviamente, il viaggio di ritorno verso il proprio istituto di ricerca.

Quello degli astrofisici è un mondo difficile, vita intensa, felicità a momenti e futuro incerto.

 

Tutto ciò che vi ho appena raccontato si può descrivere in numeri ed è il risultato di uno studio pubblicato su Nature il 10 settembre scorso, con un articolo dall’eloquente titolo “An astronomical institute’s perspective on meeting the challenges of the climate crisis“.

L'”astronomical institute” a cui si riferisce l’articolo è il Max Planck Institute for Astronomy (MPIA) di Heidelberg, in Germania; lo studio analizza l’impatto delle ricercatrici e dei ricercatori dello MPIA non per dare giudizi perentori, ma per capire come ridurre l’impatto del mondo della ricerca.

Per esempio, nel 2018 il 47% di tutte le emissioni di CO2 dei ricercatori dello MPIA è dovuta a voli aerei (1308 voli per la precisione, per i circa 150 tra astrofisiche e astrofisici dello MPIA).

In totale, nel 2018, lo MPIA ha prodotto l’equivalente di circa 2720 tonnellate di CO2. Se lo MPIA fosse uno stato si troverebbe al terzultimo posto, prima delle Isole FaeOer (1953 tonnellate di CO2, circa 50 mila abitanti) e della Groenlandia (1530 tonnellate di CO2, circa 50 mila abitanti).

In media, secondo lo studio, ogni ricercatore/ricercatrice dello MPIA produce l’equivalente di 18 tonnellate di CO2 all’anno; ogni ricercatore/ricercatrice australiano, per confronto, produce l’equivalente di 42 tonnellate di CO2.

Ma fare meglio degli australiani non è un sollievo, il problema è l’obiettivo tedesco per il 2030: ogni tedesco dovrebbe produrre l’equivalente di circa 7 tonnellate di CO2 all’anno.

 

Ecco il senso di questo studio sull’impatto dell’astrofisica sul cambiamento climatico. Le astrofisiche e gli astrofisici in Germania, piaccia o meno, devono ridurre le loro emissioni equivalenti nel prossimo decennio. E naturalmente il discorso si estende a tutti i ricercatori del mondo, poi.

Per ridurre le emissioni bisogna agire proprio sui due problemi principali: le strutture di calcolo (i supercomputer) e i voli aerei per le conferenze.
Per risolvere il primo problema c’è bisogno di passare a fonti rinnovabili o comunque fare in modo di posizionare i centri di calcolo in luoghi in cui le fonti rinnovabili vanno per la maggiore (e poi collegarsi da remoto). Per i voli aerei c’è solo una soluzione: non volare, cioè fare le conferenze online, come fatto finora (purtroppo) a causa dell’epidemia di Covid-19.

Comunque, bisogna secondo me tenere conto di una questione principale: è lodevole che il mondo dell’astrofisica abbia fatto una prima analisi autocritica in questa direzione. È tuttavia abbastanza chiaro che il ragionamento autocritico dovrebbero farlo moltissimi settori della vita umana.

Anche perché, come dicevo all’inizio, se da un lato l’astrofisica deve capire come ridurre l’emissione equivalente pro capite di CO2, dall’altra la ricerca già subisce gli effetti nefasti dell’aumento delle temperature.

 

Il complesso del Very Large Telescope all’osservatorio Paranal nel deserto di Atacama in Cile.

Su Nature Astronomy, sempre il 10 settembre 2020, è uscito anche un articolo dall’altrettanto eloquente titolo “The impact of climate change on astronomical observations“. Questo studio anche riguarda l’aspetto generale della questione, ma prende come esempio l’osservatorio Paranal nel deserto di Atacama in Cile, dove si trova il Very Large Telescope (VLT). I problemi di un aumento delle temperature sono molteplici.

Per esempio, l’aumento dell’umidità dell’aria: il deserto di Atacama è stato scelto per costruirci il VLT proprio perché è uno dei posti più secchi del pianeta. Ma se aumenta l’umidità allora ogni discorso di progettazione iniziale va a farsi benedire e la qualità delle osservazioni astronomiche ne risente.

Altro problema, il fatto che l’atmosfera sia più turbolenta e quindi aumenti quello che si chiama seeing. Più è alto il seeing, minore è la risoluzione dei telescopi, cioè la capacità di un telescopio di distinguere due sorgenti vicine (anche solo apparentemente) in cielo. Il grafico qui sotto mostra come si peggiorato il seeing all’osservatorio Paranal negli ultimi anni.

Questi studi hanno l’intento di sensibilizzare la comunità astrofisica a considerare questi problemi come non più rinviabili, anche per la scienza stessa.
Sicuramente, le maxi-conferenze astronomiche vanno avanti da meno tempo dello sfruttamento senza ritegno dei combustibili fossili. Ma non è una gara di virtuosismi. È bello piuttosto vedere che gli scienziati non si limitano a indicare il problema e proporre soluzioni, ma siano consapevoli e pronti ad affrontare anche questioni che richiedono, potenzialmente, un cambio radicale nelle abitudini del mondo della ricerca.

Nella vicenda del cambiamento climatico in atto c’è da ripensare un mondo intero e non c’è molto tempo a disposizione. La colpa principale resterà sempre sulle spalle di un modello di sviluppo che non ha avuto alcun freno negli ultimi 150 anni e che ha plasmato una società, quella di cui facciamo parte, che fa davvero fatica ad affrontare il problema in tackle scivolato.

L’astrofisica ha fatto grandi scoperte che hanno rivoluzionato la nostra concenzione dell’universo in cui viviamo. Tutto questo però è stato possibile solo grazie alle condizioni di evoluzione ambientale del nostro pianeta e che hanno permesso all’homo sapiens di arrivare dov’è oggi, a gettare lo sguardo verso i confini dell’universo per cercare di capirne i segreti.

Non sciupiamo tutto ciò ora: è in gioco il destino della nostra curiosità. Ci sono ancora molte pagine di storia della scienza che possiamo scrivere: se ci daremo il tempo per farlo, le riempiremo.

L’esperimento più bello di sempre: la piuma e il martello di Galileo

Immaginate di inventarvi una teoria secondo cui dentro le zucche ci sono delle reazioni chimiche in grado di produrre banconote da cento euro. Per quanto bizzarra, un’ipotesi teorica del genere può essere verificata scientificamente? Sì, prendiamo una zucca qualsiasi, la spacchiamo in quattro e ci guardiamo dentro.

Nella zucca c’è la banconota da cento euro? Purtroppo no, allora la nostra teoria è sbagliata. Magari abbiamo preso una zucca sbagliata? Magari dobbiamo cambiare terreno?

Alt, fermi tutti. Stiamo facendo un errore molto grosso.

Non stiamo davvero facendo scienza. Infatti, nell’esempio della zucca siamo partiti prima da una nostra teoria e poi abbiamo verificato con un esperimento; e dopo aver scoperto che la nostra teoria era sbagliata, ci è venuta la tentazione di cambiare teoria, vero?

Con la zucca, siamo partiti dalla teoria per arrivare all’osservazione. Ecco, la scienza, quella fatta bene, funziona al contrario: il metodo scientifico parte dall’osservazione e poi arriva alla verifica di una teoria.

Il metodo scientifico funziona così:
(1) osserviamo un fenomeno;
(2) formuliamo una teoria in grado di spiegare ciò che abbiamo osservato;
(3) verifichiamo con degli esperimenti se la teoria è sbagliata.

Tre semplici passaggi logici. Il terzo passaggio è quello fondamentale: tutte le idee che abbiamo in testa devono, a un certo punto, essere verificate. Altrimenti restano solo idee, speculazioni non dimostrate.
Attenzione però: possiamo solo verificare se la teoria è sbagliata. Voglio dire, se facciamo un esperimento è ciò che otteniamo non torna con la nostra teoria, allora sicuramente la teoria è sbagliata e dovremo tornare di nuovo al punto (2) del metodo scientifico e formulare una nuova teoria.

Se invece il nostro esperimento è in accordo con la teoria (entro gli errori di misura che facciamo, sempre presenti), allora possiamo solo dire che la teoria potrebbe essere giusta. Per esserne sicuri dovremmo fare un numero infinito di esperimenti simili e controllare che ogni volta la teoria ci dia il risultato aspettato. Siccome non è possibile fare un numero infinito di esperimenti, allora dobbiamo accettare il fatto che il metodo scientifico possiamo solo dire che una teoria non si può scartare o, se volete, che è provvisoriamente accettabile.

Questo status provvisorio vale per tutte le teorie, anche per la teoria della relatività: se un giorno (più di) un esperimento dovesse contraddire palesemente la relatività, allora toccherà cercare una nuova teoria o comunque toccherà modificare la teoria di Einstein. Non c’è nulla di certo nella scienza.
L’unica certezza che abbiamo è il dubbio perenne.

Torniamo ora al nostro esempio delle zucche e usiamo il metodo scientifico stavolta come si deve: quindi prima apriamo una zucca e vediamo che cosa c’è dentro. Niente, purtroppo neanche una banconota.

Il metodo scientifico è una procedura con cui possiamo fare scienza: si parte dall’osservazione e si arriva alla teoria. Se volete, questo è il modo più chiaro possibile per distinguere l’attività scientifica vera da quella pseudo-scientifica, la quale invece parte dalla teoria e poi osserva.
L’idea che sta dietro al metodo scientifico è tanto semplice quanto rivoluzionaria.

Ma andiamo avanti.

Supponiamo di aver osservato un fenomeno, per esempio il fatto che se ho una penna in mano a una certa altezza dal pavimento, quando apro la mano la penna cade. Osservo dunque una penna che cade: perché cade?

Usiamo il metodo scientifico: dopo l’osservazione devo formulare una teoria.

Intorno al 350 a.C. filosofo greco Aristotele provò a spiegare la caduta dei corpi. La teoria di Aristotele fu questa: tutti i corpi sono fatti di uno degli elementi principali (terra, acqua, aria, fuoco). Quelli fatti di materiale di terra tendono ad andare dove c’è tanta terra. Cioè, appunto, per terra. Ecco perché, secondo Aristotele, se scocco una freccia verso l’alto essa poi torna giù: torna verso la terra, verso la zona dove c’è gran parte della sostanza di cui è fatta. Il fumo invece, fatto di aria, tende a salire in alto, dove c’è tanta aria. Semplice e lineare.
Ma non solo: secondo Aristotele, poi, se abbiamo due corpi fatti di terra, quello più grosso e massiccio cade più velocemente per terra rispetto all’altro, cioè arriva prima a terra.

Queste teorie di Aristotele hanno resistito anni prima di essere scalfite, sono rimaste in piedi per più di 1800 anni.

La cosa bizzarra non è che siano rimaste in piedi così a lungo, facile per noi dirlo ora che sappiamo come stanno le cose. Il fatto curioso è che per 1800 tutti si siano fermati ai passi (1) e (2) del metodo scientifico, senza mai azzardarsi a fare il passo (3), cioè verificare le teorie con un esperimento. Per questo motivo Aristotele non può essere definito uno scienziato, perché non applicava il metodo scientifico odierno in modo completo.

Fino al 1638, quando qualcuno capì che era giunto il momento di verificare che le teorie di Aristotele fossero giuste.

Quel qualcuno fu Galileo Galilei.

Galileo Galilei è stato un grande scienziato, forse il primo personaggio storico che possiamo davvero definire scienziato. Questo perché Galileo ha prima osservato e poi formulato teorie (come Aristotele, certo), ma poi non si è fermato e ha verificato le teorie con degli esperimenti.

Aristotele dice da 1800 anni che i corpi più massicci arrivano prima a terra? Beh, verifichiamolo seriamente allora. Prima di tutto, facciamo un esperimento mentale, cioè logico, dice Galilei.

Prendiamo un martello e una piuma e lasciamoli cadere. Il martello è più massiccio della piuma, quindi dovrebbe arrivare prima a terra secondo Aristotele. Però, fa notare Galilei, la caduta avviene nell’aria. Se fossimo invece nel vuoto?

Ora, se Aristotele avesse potuto ascoltare Galileo avrebbe avuto una sincope: secondo il filosofo greco il vuoto non esiste – il celebre horro vacui – secondo Aristotele la natura fa di tutto per non avere situazioni in cui esiste il vuoto.

Galileo non la pensava allo stesso modo e ritiene invece che si debba far cadere due corpi di massa diversa nel vuoto. Secondo Galileo è la presenza dell’aria che rallenta la piuma e fa arrivare il martello per primo a terra. Secondo Galileo, se ripetessimo l’esperimento nel vuoto, piuma e martello arriverebbero insieme.

Del resto, non ci vuole molto a capire che Aristotele avesse torto marcio: se mi lancio da un aereo con il paracadute ci metto più tempo rispetto al caso in cui mi lanciassi senza paracadute. Oltre a non morire, con il paracadute sono evidentemente più massiccio (perché ho un peso in più addosso). Ecco che capiamo subito che la teoria di Aristotele è falsa, non è vero che i corpi con massa maggiore cadono più velocemente. Piuttosto, come dice bene Galileo, è l’aria che determina queste differenze: nel vuoto invece tutti i corpi cadrebbero alla stessa velocità.

L’apertura mentale e l’onestà scientifica di Galileo sono incredibili. Galilei non pensa di avere ragione, piuttosto Galilei pensa che sia il caso di controllare l’effetto dell’aria per quanto riguarda la caduta dei corpi. Ma c’è di più.

Il ragionamento di Aristotele è puramente qualitativo: il filosofo osserva la caduta dei corpi e prova a spiegare ciò che vede.
L’atteggiamento di Galileo è invece quantitativo: lo scienziato pisano osserva, spiega e verifica la teoria con un esperimento, cioè misurando qualcosa (in questo caso i tempi di caduta dei corpi). Questa è la svolta, qui nasce la scienza moderna.

Galileo ha mai fatto cadere due corpi per verificare la sua teoria? La leggenda narra che Galileo abbia fatto cadere delle palle dalla torre di Pisa, ma appunto sembrerebbe essere solo una leggenda. Galileo voleva fare le cose per bene e secondo la sua teoria l’esperimento andava fatto in assenza di aria, ma nel 1638 era un po’ difficile realizzare un simile apparato sperimentale. Però Galileo ebbe un’idea: i corpi che cadono diritti da una certa altezza acquistano una velocità elevata; se però li facciamo rotolare lungo un piano sufficientemente inclinato, i corpi comunque cadano ma si può studiare la caduta in modo più calmo. Genio.

In questo modo Galileo non eliminò l’aria dai suoi esperimenti, ma ne ridusse l’impatto. Così, alla fine dei suoi esperimenti, Galileo formulò la legge di caduta dei gravi, secondo cui tutti i corpi cadono con la stessa accelerazione. Aristotele si sbagliava e il filosofo lo avrebbe magari pure capito alla sua epoca, se solo avesse usato il metodo scientifico e verificato le sue teorie.

Tuttavia, anche dopo il 1638 e gli studi sperimentali di Galileo, il suo esperimento mentale della piuma e del martello è rimasto impresso nella testa di tutte le generazioni successive di scienziate e scienziati.

Come diceva Carl Sagan, “affermazioni straordinarie richiedono prove straordinarie” e questo è senz’altro vero per la teoria di caduta dei gravi nel vuoto di Galileo.

L’occasione veramente buona per svolgere l’esperimento ci fu il 2 agosto 1971. David Scott, astronauta dell’Apollo 15, durante l’ultimo giorno di missione sulla Luna decide che è giunto il momento di mostrare al mondo intero che Galileo aveva ragione a contraddire Aristotele. In realtà, Scott e i suoi compagni Worden e Irving erano già arrivati dalle parti della Luna grazie ai precedenti tre secoli di metodo scientifico galileiano. Tuttavia quello di Scott fu un omaggio bellissimo allo scienziato pisano.

Beh, com’è andò? Lo potete guardare voi stessi, con i vostri occhi, in questo video qui sotto.

“Mr Galileo was correct in his findings”, ovvero “Galileo aveva ragione” dice felice Scott, che ha appena verificato una teoria del 1638 con l’esperimento più bello di sempre.

Buchi 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