2005: l'anno internazionale della Fisica

Sono tempi duri per poeti e scienziati! Del resto, il prototipo dello scienziato non è certo legato a uno stile di vita elegante e ricco: è comprensibile che nella nostra società abbia perso gran parte del suo appeal! È vero anche, però, che la fisica e i fisici hanno peccato di un certo isolazionismo nei confronti della società; come, d’altra parte, occorre riconoscere che, almeno in Italia, nei decenni passati non sono stati fatti gli sforzi sufficienti per rafforzare il curriculum scientifico in età scolare. Non si è riusciti a far percepire il fascino della scienza nel senso più profondo: la comprensione razionale della Natura si accompagna a una carica poetica appassionante!

Oggi in Europa e negli USA si sta registrando un calo notevole degli iscritti a facoltà scientifiche pure, come matematica e fisica. E si sta assistendo anche a un minor coinvolgimento del pubblico.

È una tendenza, fra l’altro, che ha del paradossale, se si pensa che la fisica o i prodotti ottenuti da scoperte nel campo della fisica, permea la nostra vita quotidiana come mai nella storia dell’uomo: dal funzionamento della moka a quello dei telefoni cellulari, dei personal computer, delle videoconferenze o dei lettori di DVD.

Quest’anno si è presa al volo l’opportunità di celebrare il centenario dell’anno che viene definito l’annus mirabilis dello scienziato più celebre del XX secolo e la persona che forse ha cambiato radicalmente anche il modo di guardare la fisica da parte dei non addetti ai lavori.

E oggi, bisogna riconoscere che anche in astronomia, viviamo in un periodo di scoperte scientifiche che ci mostrano la teoria della relatività elaborata da Einstein nel pieno del suo funzionamento.

Una delle evidenze più interessanti che riguardano le proprietà dello spazio-tempo proviene dallo studio dei buchi neri. Ma che relazione hanno i buchi neri con la teoria della relatività?

Si è soliti dire che Einstein ha scoperto che i corpi dotati di energia indicano allo spazio-tempo come piegarsi, mentre lo spazio-tempo indica ai corpi dotati di energia come muoversi.

Un buco nero è un corpo la cui attrazione gravitazionale è talmente intensa che nessun corpo portatore di energia riesce a sfuggirne. Una frase del genere può dare luogo a un’ambiguità di questo genere: nessun corpo dotato di energia riesce a fuggire dal campo gravitazionale di un buco nero, perché tale campo di forza è infinito. Oppure, ed è l’alternativa che ci indica Einstein, nessun corpo dotato di energia può sfuggire dal campo gravitazionale di un buco nero, perché esiste una velocità massima che nessun corpo dotato di energia può superare. Questa velocità è la velocità della luce.

L’ipotesi che la velocità della luce fosse una velocità limite fa parte della relatività ristretta.

Ma in che modo si può studiare un buco nero?

Il gas che cade in un buco nero, per effetto dell’attrazione gravitazionale, si scalda, si ionizza e, accelerando, emette luce, in particolare raggi X, che possono essere raccolti attraverso telescopi come XMM-Newton dell’ESA. In definitiva osservare un buco nero significa studiare gli effetti che il buco nero determina nella materia e nello spazio-tempo che lo circondano.

Sono stati osservati sia buchi neri di milioni di masse solari, che si annidano nei centri di molte galassie, ma anche buchi neri cosiddetti “stellari”, prodotti dalla morte di una stella, che esplode come una supernova. In certi casi, gran arte degli strati esterni espulsi non acquista la velocità sufficiente per sfuggire all’attrazione del nucleo centrale e vi ricade: l’accrescimento successivo del nucleo può essere tale da indurre la formazione di un buco nero. Questo accade quando la struttura del materiale che compone il nucleo non è più sufficiente a sostenere la pressione degli strati esterni.

La cosa interessante è che in questo processo si conserva una grandezza che si chiama momento angolare: se la stella esplosa ruotava, il buco nero, di dimensioni molto più piccole, ruoterà a velocità ancora maggiore. Se un buco nero ruota, inoltre, può distorcere il tessuto dello spazio-tempo trascinandolo nella rotazione, come se la materia che gli orbita intorno si trovasse su un tapis-roulant che si muove nella stessa direzione. In realtà, per quanto sia difficile da capire veramente, è la struttura stessa dello spazio-tempo che viene trascinata: come se una giostra in movimento tendesse a trascinasse con sé il Luna Park che gli sta intorno.

E fenomeni di questo genere sono stati effettivamente osservati?

Fino a qualche anno fa erano state osservate nei buchi neri supermassivi, ma recentemente sono state osservate le conseguenze di questo di fenomeno anche in un buco nero con una massa circa 10 volte maggiore di quella del Sole.

I dati di XMM-Newton si riferiscono a un buco nero ruotante che si trova a circa 26mila anni-luce dalla Terra, in direzione della costellazione dell’Ara, nell’emisfero meridionale del pianeta.

La luce emessa dal gas caldo che sta cadendo nel buco nero ruotante presenta due evidenti effetti relativistici: da una parte i fotoni possiedono meno energia di quanto ci aspetta, dato il meccanismo di emissione. Questo è un fenomeno noto come “spostamento verso il rosso” gravitazionale.

D’altra, però, la rotazione trasferisce parte dell’energia del buco nero alla materia che emette la luce: per cui il buco nero appare più brillante di quanto non sarebbe se non ruotasse.

E queste sono conseguenze del comportamento dello spazio-tempo intorno a un buco nero ruotante e sono straordinariamente coerenti con le previsioni della Relatività Generale.

Nota:

Le interviste

Dal maggio 2000, con cadenza settimanale, RAI NEWS 24 - canale televisivo digitale della RAI dedicato all'aggiornamento in tempo reale - riserva all'ESA uno spazio di approfondimento di 5 minuti: un'intervista su una notizia di attualità legata alle attività nello spazio.

I servizi vengono ritrasmessi ulteriormente su RAI International e RAI 3. Si va dagli approfondimenti sulla Stazione Spaziale Internazionale, alle scoperte scientifiche dei satelliti dedicati all'astronomia, alle applicazioni concrete legate alle osservazioni della Terra dallo spazio.

Il giornalista della Rai, Lorenzo di Las Plassas, passa cinque minuti con il rappresentante dell'ESA, Stefano Sandrelli, per dare un'idea dell'argomento e per approfondirne un aspetto, in modo che, leggendo di seguito le interviste relative a uno stesso settore se ne abbia uno spaccato sempre più ampio, venendo a conoscenza di cose sempre nuove.

Per ulteriori informazioni, rivolgersi a: Simonetta.Cheli@esa.int.