NOBEL FISICA 2020/ Penrose, Genzel, Ghez: i buchi neri, un’energia “fonte” di domande

- int. Marco Bersanelli

Il premio Nobel per la fisica è andato a Penrose, Genzel e Ghez per i loro studi sui buchi neri. Che cosa abbiamo in comune con loro?

Buco nero
Buco nero, la prima immagine reale (Twitter)

NOBEL FISICA 2020/ Penrose, Genzel, Ghez: quel buco (nero) al centro della Galassia

NOBEL FISICA 2020/ Penrose, Genzel, Ghez: i buchi neri, un’energia “fonte” di domande

I buchi neri (black hole) sono gli oggetti astronomici tra i più suggestivi e che suscitano maggiore curiosità: la loro stessa denominazione ha qualcosa di affascinane e tenebroso al tempo stesso e la loro onnivora capacità di inglobare tutto ciò che li circonda desta una timorosa curiosità. Ora, con l’annuncio del premio Nobel per la Fisica 2020, raggiungono il massimo gradino del podio scientifico mondiale, oltre alla prima pagina di tutti i media.

Non è la prima volta che il loro strano nome circola tra le motivazioni dei premi della Accademia delle Scienze di Stoccolma: se ne parlava quando ha ritirato il Nobel il fisico italiano Riccardo Giacconi, padre dell’astronomia a raggi X che ha permesso di individuare i primi black hole negli anni 70; e sono tornati alla ribalta nel 2017 quando sono stati premiati gli scopritori delle onde gravitazionali, generate nelle profondità cosmiche dalla collisione tra due buchi neri.

Adesso però il black hole ha preso tutta la scena, suddividendo in due l’ammontare del prestigioso premio: metà della somma andrà all’inglese Roger Penrose, dell’Università di Oxford, “per la scoperta che la formazione dei buchi neri è una robusta previsione della teoria generale della relatività”; l’altra parte sarà condivisa dal tedesco Reinhard Genzel, dell’University di Berkeley in California, e dalla statunitense Andrea Ghez dell’University della California di Los Angeles “per la scoperta di un oggetto compatto supermassiccio al centro della nostra galassia”.

Abbiamo chiesto a Marco Bersanelli, professore di Astrofisica dell’Università degli Studi di Milano, di condurci sulle strade dello spazio-tempo relativistico alla scoperta del significato e del valore di questo premio Nobel.

I buchi neri sono i protagonisti di questa edizione del premio Nobel per la fisica. Gli astronomi hanno sempre cercato di descrivere e spiegare i fenomeni e i corpi celesti luminosi, oggetto di possibile osservazione. I buchi neri però non si vedono, neppure con i megatelescopi: come si è arrivati a pensare alla loro esistenza?

L’idea che possano esistere corpi con un campo gravitazionale talmente intenso da impedire persino alla luce di emergere non è nuova, risale alla fine del 1700. Allora si pensava che la luce fosse composta da corpuscoli e sottoposta alle leggi della gravitazione newtoniana. Quando però si scoprì la natura ondulatoria della luce l’idea andò in crisi. È solo grazie all’introduzione della teoria della relatività di Einstein, nel 1916, che questo concetto è stato ripreso e trasformato in una ipotesi credibile, e alla fine consolidata, dal punto di vista fisico. Einstein aveva mostrato che la gravità è l’effetto della curvatura dello spazio nei dintorni di una massa: maggiore è il campo gravitazionale e più pronunciata è la curvatura. Due anni dopo, grazie soprattutto al lavoro di Karl Schwarzschild, fu chiaro che, data una massa qualunque, se questa massa è confinata entro una sfera di un certo raggio critico (il cosiddetto “raggio di Schwarzschild”) la curvatura dello spazio è, per così dire, completa. Lo spazio si chiude su sé stesso intorno a quella massa. E allora nulla, neanche la luce, può sfuggire.

Ma allora, se i buchi neri non rilasciano nessun segnale, come si fa a studiarli?

Non possiamo ricevere nessun segnale dall’interno del buco nero, ma possiamo vedere gli effetti del suo campo gravitazionale nei dintorni. Se ci sono stelle, o del gas interstellare nei pressi di un buco nero, quel materiale verrà accelerato in modo particolare, spesso violento. Studiando quegli effetti gli astrofisici sono così in grado di verificare se si tratta o meno di un buco nero, e talvolta anche di stimare la sua massa.

Qual è stato il principale contributo dato da Roger Penrose alla conoscenza dei buchi neri?

I suoi fondamentali lavori teorici negli anni 60, in parte realizzati insieme a Stephen Hawking, hanno dimostrato che in certe condizioni la gravitazione relativistica porta inesorabilmente al collasso completo e alla generazione del buco nero. Fu importante perché molti in quel momento dubitavano della realtà fisica dei black hole, ritenendoli un effetto spurio della teoria. Inoltre Penrose ha studiato dal punto di vista fisico-matematico le straordinarie proprietà di buchi neri in rotazione, mostrando come in linea di principio si potrebbe da essi estrarre più energia di quanta ve ne immettiamo.

Se Penrose ha meritato il Nobel per i suoi lavori teorici sulla Relatività di Einstein, gli altri due vincitori, Reinhard Genzel e Andrea Ghez, hanno visto premiata una lunga e accurata attività osservativa. Di che si tratta?

Osservando con estrema cura ciò che accade nei pressi del centro della nostra galassia, hanno scoperto che il movimento di una ventina di stelle risentiva di un campo gravitazionale centrale molto forte. Ma in corrispondenza della sorgente di quel campo, nulla era visibile. Dopo oltre 20 anni di osservazioni, una di quelle stelline aveva compiuto un’orbita completa, e altre avevano traiettorie che passavano molto vicine al punto centrale. Grazie a una analisi rigorosa di quei dati orbitali, Genzel e Ghez hanno dimostrato con sicurezza che all’origine di quel campo gravitazionale si deve trovare un buco nero dalla favolosa massa di oltre 4 milioni di masse solari.

Quali risorse strumentali hanno potuto utilizzare e quali sono stati gli avanzamenti tecnologici che più hanno favorito la loro indagine e la loro scoperta?

Per le loro osservazioni si sono serviti di alcuni dei più potenti strumenti mai costruiti, in particolare del VLT (Very Large Telescope) dell’European Southern Observatory, situato nelle Ande cilene. Ma dal punto di vista tecnologico il passo decisivo è stata l’introduzione della cosiddetta “ottica adattiva”: un sistema sofisticato che permette di ridurre drasticamente l’effetto di turbolenza dell’atmosfera terrestre, rendendole simili in qualità a quelle di un telescopio spaziale.

L’ipotesi che al centro di una galassia ci sia un buco nero inizia a non essere più solo un’ipotesi. Quanto è possibile estenderla a tutte le galassie?

Oggi abbiamo chiara evidenza che la gran parte delle galassie massicce nell’universo ospita nel suo centro un buco nero di grande massa (un “super-massive black hole”, come viene chiamato in gergo). La più spettacolare evidenza è stata l’immagine catturata dall’Event Horizon Telescope, che lo scorso anno ha fatto il giro del mondo, la quale mostra un gigantesco buco nero di 2,4 miliardi di masse solari al centro della galassia M87. Naturalmente, come dicevamo, non vediamo direttamente il buco nero, ma le sue immediate vicinanze!

Quali delle future missioni spaziali scientifiche potranno contribuire alla maggior conoscenza della struttura e della dinamica delle galassie?

Il tanto atteso JWST, successore del glorioso Hubble Space Telescope, promette di fare passi decisivi in questo campo. Speriamo che il lancio, previsto fra un anno, sia confermato…

Ancora una volta il Nobel premia dei risultati scientifici che spiegano come è fatta la realtà; in questo caso si tratta di fenomeni lontanissimi dalla nostra esperienza quotidiana e che in ogni caso non hanno alcuna conseguenza pratica applicativa. Perché è così importante premiare e incentivare questo tipo di ricerche?

Queste ricerche sono il più potente mezzo a nostra disposizione per mettere alla prova alcune delle idee più profonde che abbiamo sul mondo fisico. Certo, sono fenomeni lontani, non solo nello spazio ma anche nella natura che rappresentano, ma proprio per questo assolutamente preziosi: essi ci offrono situazioni che non potremo mai riprodurre in qualunque futuro laboratorio terrestre. E il fatto stesso di poter conoscere e familiarizzare con realtà così estreme ci entusiasma e fa nascere una domanda: che cosa, in fondo, abbiamo in comune con quelle creature così diverse e apparentemente estranee? Il fatto poi che questi studi non sono motivati da applicazioni pratiche non significa che non ne possano avere: già oggi la teoria della relatività generale è fondamentale per far funzionare i nostri sistemi Gps. Domani, non sappiamo.

(Mario Gargantini)

© RIPRODUZIONE RISERVATA