Nobel della fisica a Penrose, Ghez e Genzel

Il Premio Nobel per la Fisica è il più serio e credibile dei cinque titoli, con un procedimento lungo, rigoroso e segreto che parte a settembre dell’anno precedente con richieste di nomination ad un paio di centinaia di fonti credibili (Università e grandi centri di ricerca di eccellenza, precedenti nominati o premiati), li riduce man mano fino a una rosa di cinque, sui quali la valutazione è molto “approfondita” (per usare un eufemismo).

Unico difetto-pregio, proprio per evitare conflitti di interesse e interferenze, come si ha invece per i Nobel per la medicina e la chimica: si tende a premiare ricerche di estrema frontiera, dove quasi sempre il collegamento con la realtà tecnologica e applicativa appare remoto. Ma va bene così.

Sul Premio Nobel per la Letteratura si incappa talvolta, fra molte scelte sacrosante, in illustri carneadi di scarso valore scelti dopo che grandi nomi sono stati silurati a vicenda durante la selezione. È notizia dello scorso anno che tre membri su cinque della commissione per il Nobel per la letteratura si sono dimessi, lamentando pastette, corruzione e premi predeterminati.

Il premio Nobel per la pace è pura politica, e anche qui, fra moltissimi riconoscimenti meritati, ci sono scelte tragiche, come Lech Walesa, Kissinger, Rabin, Gorbachev. E candidature oscene, come Silvio Berlusconi qualche anno fa, o addirittura Trump quest’anno. Qualunque gruppo di disagiati può candidare anche il cavallo di Caligola.

È gran soddisfazione – oggi – leggere che quest’anno, il Nobel per la Fisica è andato, per un 25%, ad una ricercatrice donna, Andrea Ghez, per le sue scoperte nel campo dell’astrofisica e in particolare dei buchi neri. Ha diviso il premio con Roger Penrose e Reinhard Genzel.

È un caso raro e notevole: solo quattro donne hanno vinto il premio, Marie Curie nel 1903, Maria Goeppert-Mayer nel 1963, Donna Strickland nel 2018 e ora Andrea Ghez nel 2020.

Assicuriamo, per esperienza personale, che è già difficilissimo essere considerati in quell’agone se sei uomo; se lo vinci e sei donna vuol proprio dire che sei brava: vuol dire che hai vinto le tante difficoltà ambientali che, anche escludendo il maschilismo vero e proprio, ricadono inevitabilmente su una donna scienziato: conciliare vita privata e famiglia con l’impegno totale che implica raggiungere l’eccellenza, la difficoltà di accedere a posizioni di comando, indispensabili per coordinare un gruppo importante: non esistono più gli scienziati solitari che nel chiuso del loro studiolo fanno scoperte eccezionali.

Carlo Rubbia ci ha insegnato che il suo Nobel per la Fisica lo deve a un gruppo di centinaia di scienziati che hanno lavorato con lui e per lui al CERN.

Doppio merito perciò ad Andrea Ghez: un applauso e un brindisi speciale per lei.

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LB-1 – La scoperta inaspettata di un Buco nero oltremisura

Il 27 Novembre 2019 è stato pubblicato su Nature un articolo, con prima firma di Jifeng Liu, dell’Accademia Cinese delle Scienze, che ha fatto molto discutere, poiché annuncia alla comunità scientifica la scoperta di un Buco Nero di 70 masse solari.

Il lavoro è basato su più di due anni di osservazioni del sistema binario denominato LB-1, situato nella costellazione dei Gemelli e distante da noi poco meno di 15.000 anni luce. Esso è costituito da una stella che orbita attorno ad un oggetto compatto oscuro con un periodo di 78,9 giorni. La massa del misterioso componente, determinata dallo studio del moto del sistema e da alcuni parametri orbitali, ha portato a concludere che l’oggetto non può che essere un buco nero.

I buchi neri sono stati osservati innumerevoli volte fino ad oggi, sia in maniera indiretta sia in maniera diretta. Tuttavia, esemplari di tale massa non sono mai stati individuati nella nostra galassia, la Via Lattea, in un ambiente dalla composizione chimica nota, ma solo a centinaia di milioni di anni luce da noi, attraverso un approccio del tutto diverso, basato sulla misura di onde gravitazionali.

La scoperta del buco nero LB-1 merita sicuramente un approfondimento, per comprenderne la portata e per capire come essa possa mettere in crisi gli attuali modelli di evoluzione stellare.

Dalle stelle alla formazione dei buchi neri

Il fatto che accomuna alcuni oggetti celesti sotto la definizione di stelle è la presenza al loro interno di reazioni di fusione nucleare che, tipicamente, provocano la graduale trasformazione di idrogeno, l’elemento più abbondante dell’universo, in elio.

Per la maggior parte della loro vita le stelle sono corpi in equilibrio idrostatico. Ciò vuol dire che sono rette da un bilanciamento di forze. Una è la gravità, che tende a concentrare tutta la massa gassosa che le compone in un punto, l’altra è la pressione interna, fornita dal gas e dalla radiazione emessa, frutto a sua volta delle reazioni nucleari, che invece cerca di spingere l’inviluppo gassoso verso l’esterno, disperdendolo.

Questo gioco di forze determina l’intera storia di formazione ed evoluzione stellare: a seconda di quale delle due prevale possiamo avere episodi di espansione o contrazione. Finché le reazioni nucleari sono attive, la gravità è tenuta sotto controllo e le stelle trascorrono un periodo di relativa stabilità. Quando si interrompono, la situazione cambia bruscamente; la gravità vince nel braccio di ferro con la pressione e la stella subisce un improvviso collasso.

Il destino ultimo di una stella dipende dalla massa. Le stelle più grandi infatti raggiungono temperature più alte nel nucleo e possono quindi innescare, in fase di contrazione, fusioni nucleari successive a quella dell’idrogeno, che implicano la produzione di elementi più pesanti, come carbonio ed ossigeno. Ciò consente di liberare nuova energia, ristabilendo così stadi sempre più brevi e precari di equilibrio.

Tralasciando i dettagli evolutivi, possiamo delineare due scenari, rappresentati schematicamente in figura. Nel caso in cui la massa dell’intera stella sia inferiore ad 8 volte la massa del Sole, al cessare delle reazioni nucleari gli strati esterni semplicemente si disperdono e rimane un nucleo molto piccolo, delle dimensioni paragonabili a quelle del nostro pianeta, ma estremamente denso e concentrato (contiene fino a 1,44 masse solari!). Tale struttura, denominata nana bianca, deve la sua esistenza ad effetti puramente quantistici: sono infatti gli elettroni a fornire una pressione sufficiente a sostenere il tutto.

Oltre le 8-12 masse solari questo meccanismo non funziona più. Tramite una variegata sequenza di eventi si ha una colossale esplosione, detta supernova, ed il collasso del nucleo della stella, che è troppo massiccio per essere sorretto dalla pressione elettronica. A seconda della massa coinvolta nel processo, è possibile la nascita di una Stella di Neutroni o di un Buco Nero[1].

Nell’ultimo caso, in modo assai intuitivo, possiamo affermare che maggiore è la massa iniziale della stella, maggiore sarà la massa finale del buco nero. Tuttavia, ci sono dei limiti alle condizioni di partenza.

Come affermato precedentemente, è la pressione interna (del gas e della radiazione) a contrastare l’effetto della gravità. Ma più una stella è massiccia, più è calda. La pressione di radiazione è fortemente dipendente dalla temperatura, e cresce all’aumentare di essa. Quindi maggiore è la temperatura dell’astro, maggiore è la sua pressione di radiazione. Esiste un limite, denominato limite di Eddington (in onore dell’omonimo astrofisico britannico) oltre il quale la gravità è vinta da questa spinta interna e la stella riduce la propria massa, espellendo i suoi strati più periferici con un vento impetuoso, per poter tornare in una situazione di equilibrio.

Non potendo avere stelle di massa infinita, non si osservano neppure buchi neri stellari di massa infinita. Così, gli attuali modelli evolutivi delle stelle prevedono che i buchi neri di natura stellare abbiano masse comprese tra 2,5 e 50 masse solari[2].

Osservando nuovamente la figura, si nota che ad un certo punto della loro vita, le stelle entrano nella fase di gigante e supergigante rossa. Subiscono cioè una notevole espansione degli strati più esterni di gas che, come conseguenza, divengono più freddi e rarefatti. Per la radiazione emessa dal caldo nucleo centrale, è pertanto molto facile spazzarli via. Così, in tarda età, molte stelle subiscono delle perdite di massa che, nel corso di millenni e millenni, possono diventare molto vigorose, riducendo pertanto la quantità di materia disponibile per il collasso finale.

Questo effetto è tanto più accentuato, quanto maggiore è la metallicità della stella, ovvero la quantità di elementi diversi da idrogeno ed elio, che rendono il gas più opaco alla radiazione, quindi più facilmente disperdibile. Per stelle con composizione chimica paragonabile a quella del Sole, il limite superiore alle dimensioni del Buco Nero finale è di circa 25 masse solari[3].

Si capisce quindi che la scoperta di un Buco Nero di 70 masse solari in un ambiente di alta metallicità, come quello di LB-1, è una grossa sfida per i modelli esistenti. Come trovare una soluzione?

Gli autori dell’articolo prospettano due possibilità alternative di formazione, nessuna delle quali è, ovviamente, definitiva:

– collasso diretto di una stella di grande massa, senza cioè passare per l’esplosione di supernova, che disperde materia nel mezzo interstellare.

– sistema a progenitore binario, costituito da due stelle molto massive, poi degenerate in un unico buco nero finale, attorno a cui orbita la stella attualmente visibile.

Saranno ovviamente necessarie molte ulteriori osservazioni prima di dar credito ad una delle due ipotesi o, eventualmente,per formularne di ulteriori. Per il momento, a chi è al sicuro sulla Terra, non resta che continuare ad interrogarsi e scrutare i cieli.

Note:

[1] La massa limite, che separa lo stato degenere di Stella di Neutroni dal collasso completo di un Buco Nero, è assai incerta e dipende da complesse relazioni matematiche che legano la pressione alla densità della stella. Ciò è dovuto alla nostra scarsa conoscenza del comportamento della materia in condizioni di densità e pressione così estreme.

[2] R. Kippenhahn, A. Weigert, A. Weiss, Stellar Structure and Evolution, 2012, Springer, p. 515.

[3] J. Liu et al., A wide star–black-hole binary system from radial-velocity measurements, 2019.

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Buchi neri - La foto di M87: scoperta scientifica o conferma di idee consolidate?

All’inizio c’era il “Big Bang”. Sappiamo che non si trattava di caos disorganizzato, perché abbiamo trovato che ha avuto luogo secondo leggi della natura molto ben definite. L’energia è stata convertita in materia e radiazioni elettromagnetiche secondo modelli matematici che sono stati sviluppati solo in tempi più recenti.

Le leggi della natura non sono cambiate dal momento del “Big Bang”, ma noi abbiamo solo scoperto di recente questi meccanismi. Fino a circa un secolo fa l’umanità non era riuscita ad avere un’idea chiara sul collegamento tra energia, materia e radiazioni. Tramite l’utilizzo di esperimenti mentali (Gedankenexperiment) Albert Einstein pose finalmente le basi per capire il “Big Bang”, cioè che energia e materia sono la stessa cosa.

Teorie di questo tipo erano tuttavia così lontane dal senso comune da risultare completamente strane, così strane che relativamente pochi specialisti erano e sono anche oggi in grado di seguirle. Einstein era convinto che la natura stesse seguendo una sola equazione universale, passò l’intera sua vita a cercarla senza riuscirvi.

La teoria delle onde gravitazionali, dei fotoni, della loro deviazione nel campo gravitazionale e altro ancora sono diretta conseguenza dei suoi studi, cioè della sua descrizione matematica del comportamento della natura. Einstein ha descritto tutto questo e ha cercato l’aiuto dei colleghi per simulare e sperimentare in modo molto dettagliato le conseguenze di queste teorie.

Fa parte delle sue scoperte anche la “lente gravitazionale” ossia l’incurvamento della radiazione elettromagnetica nell’attraversare campi gravitazionali eccezionalmente forti come quelli che si formano intorno ai buchi neri.

La lettera di Einstein a Hale
(Zurigo, 11 agosto 1913)

Nel 1913, in una sua breve lettera indirizzata al collega astronomo statunitense George Hale [1], Einstein ipotizza la possibilità di provare gli effetti curvanti della forza di gravità esaminando le posizioni di stelle in vicinanza del perimetro del sole: se il campo gravitazionale del sole avesse deviato la luce proveniente da quelle stelle, queste si sarebbero trovate, relativamente a tutte le altre stelle, in posizioni leggermente diverse rispetto alla posizioni osservate di notte.

La verifica sperimentale di questa ipotesi è avvenuta solo successivamente, durante un’eclissi di sole. Einstein ha quindi il diritto di considerarsi a tutti gli effetti come lo scopritore della lente gravitazionale. Come è noto, è anche e soprattutto l’inventore della teoria della relatività. All’epoca non aveva a disposizione computer per calcoli pesanti, internet con le banche dati, né l’elettronica ad alte prestazioni, perciò non aveva la possibilità di confermare integralmente le sue teorie.

Oggi l’uso di elettronica avanzata e di computer ad alta potenza permette di fare queste verifiche. Ma si può chiamare scoperta l’osservazione di fenomeni previsti da altri ? Al più la si potrebbe definire applicazione di altissima tecnologia, ma questo è tutto.

Eppure in questi giorni abbiamo subito il bombardamento mediatico sulla prima foto realizzata in assoluto di un buco nero. L’immagine della ciambella rossa e storta ha fatto il giro del mondo.

I buchi neri sono neri e le onde radio non hanno colore. Quindi una foto a colori di un buco nero non può essere l’immagine reale di un buco nero. In realtà si tratta dell’osservazione della deviazione di onde radio nel campo gravitazionale di un buco nero, cioè della conferma del fenomeno già previsto e verificato all’epoca di Einstein. A proposito, quanti buchi neri avremo incluso nel campo visivo dell’immagine l’ultima volta che abbiamo puntato la nostra fotocamera verso il cielo durante la notte? Forse non li abbiamo visti perché sono rimasti neri sul fondo nero.

Ma c’è del nuovo in questa osservazione? I buchi neri sono noti da molto tempo, come è noto da molto tempo che la risoluzione angolare di qualsiasi rivelatore per le onde elettromagnetiche dipende solo dal rapporto tra la lunghezza d’onda e l’apertura finale del dispositivo. E’ del tutto equivalente usare due rivelatori, come per esempio i nostri occhi, disposti sul perimetro dell’apertura.

Per rendere la visione ancora migliore (in gergo si dice aumentare la risoluzione angolare) basta quindi aumentare l’apertura o, in modo equivalente, la distanza ed eventualmente anche il numero dei rivelatori. I grandi progetti di ricerca, quelli della “Big Science”, che sono grandi anche per i finanziamenti richiesti, fanno proprio questo mettendo i rivelatori a distanze fino a 12.000 km, il diametro della terra, e ci permettono di risolvere meglio la posizione della radiazione deviata da buchi neri come l’M87 e il Sagittarius A*[2].

Il prossimo “avanzamento” per aumentare la risoluzione potrebbe richiedere l’utilizzo di satelliti geostazionari, distanti fino a 84.000 km. Tutto molto impressionante, ma niente di veramente innovativo nella sostanza, soprattutto se pensiamo che vengono utilizzati fenomeni noti e tecniche ben collaudate da decine di anni, come l’interferometria a lunga base.

Mettere i dati di un’osservazione astronomica in una bella veste grafica, anche se sono il risultato di anni di elaborazioni di immagini e di conti con i super-computer, non può essere quindi una motivazione sufficiente per meritarsi premi, notorietà e futuri finanziamenti. Anche la forma a ciambella storta era stata prevista nel 1979 [3]. La grande scienza è data dalle grandi idee e a volte per spiegarle basta uno schizzo a matita (monocolore).

Note
[1] https://history.aip.org/

[2] Black hole pictured for first time — in spectacular detail, https://www.nature.com/

[3] https://blogs.futura-sciences.com

Fonte