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Kilonove, stelle di neutroni e onde gravitazionali. La scienza ha fatto boom

“La capacità di comprendere prima di vedere è il cuore del pensiero scientifico”.

Apro con questa frase che mi colpì subito durante la mia lettura de L’Ordine del Tempo, di Carlo Rovelli, perché quel che è stato annunciato ieri pomeriggio, in una conferenza congiunta tra un bel po’ di enti (ESO, ASI,INAF, INFN, la collaborazione LIGO/Virgo…) è esattamente questo: da quando le onde gravitazionali sono state osservate per la prima volta, nel 2015, stiamo vedendo cose che avevamo solo immaginato, spesso per tanti anni.
Per poter spiegare cosa esattamente è stato visto, occorre la conoscenza delle puntate precedenti. L’optimum sarebbe leggere questo, che fu il mio post al riguardo quando, a febbraio del 2016, venne data la notizia della prima osservazione delle onde gravitazionali, ma mi rendo conto che è lungo, per cui, facciamo così: io provo a riassumere, se vi sfugge qualcosa, dopo aver letto questo, andate a leggere quello. Poi magari non si capisce niente uguale, ma allora me ne prendo la responsabilità :P
Mettiamo in ordine gli antefatti:
- abbiamo tre antenne che rilevano onde gravitazionali (in realtà di più, ma questi sono gli strumenti più sensibili che abbiamo oggi): Ligo, composto da due strumenti che si trovano ai capi opposti degli USA, e Virgo, che sta in Italia, vicino Pisa;
- le onde gravitazionali sono “increspature dello spazio-tempo”: potete immaginare lo spazio-tempo come la superficie di un laghetto. Quando ci tirate dentro un sasso, la superficie si increspa formando le onde. La stessa cosa succede con lo spazio-tempo, che è un po’ l’intelaiatura dell’Universo. Le onde gravitazionali sono increspature, deformazioni dello spazio-tempo. Nella nostra metafora del laghetto, il sasso sono masse (molto grandi) che si scontrano, o che implodono;
- fin qui avevamo osservato solo onde gravitazionali prodotti dalla fusione – coalescenza, si dice – di buchi neri.

Armati di questo vademecum, avventuriamoci nella scoperta del giorno. Per la prima volta, è stata osservata la coalescenza di due oggetti più piccoli, in termini di massa, dei buchi neri, ossia le stelle di neutroni. Urge piccolo excursus sulle stelle di neutroni: si tratta di oggetti che si formano quando stelle più grandi del Sole finiscono il carburante. Come forse saprete, le stelle sono palle di gas così denso e caldo da innescare reazioni di fusione nuclare, ossia due atomi di un certo elemento si fondono per formarne un altro. In questo momento nel sole atomi di idrogeno si stanno fondendo producendo elio ed energia. Ci possono essere anche fusioni di altri elementi chimici, che si innescano a seconda di quanta massa ha una stella e di qual è la sua fase evolutiva (in soldoni: quanto è vecchia). Tutte le fusioni però si fermano alla produzione del ferro; fondere due atomi di ferro richiede più energia di quanto ne venga prodotta, e quindi nelle stelle questo processo non avviene.
C’è un’altra cosa da sapere circa le stelle: sono oggetti in equilibrio. Da un lato c’è la forza di gravità, che tende a farle collassare (quindi a far cadere tutta la materia in un punto), e la pressione della radiazione prodotta dalle reazioni nucleari, che invece tende a farle espandere. L’equilibrio tra queste due forze fa sì che le stelle ci appaiano come grosse palle di gas più o meno sempre delle stesse dimensioni.
Detto questo, a un certo punto, come dicevamo, stelle molto grandi esauriscono il loro carburante trasformandolo in ferro. A questo punto, all’equilibrio di cui dicevo prima viene a mancare una componente: le reazioni termonucleari non riescono più a controbilanciare la forza di gravità, e la stella inizia a collassare. La materia viene pressata così tanto che nei nuclei protoni e elettroni si fondono formando neutroni (da cui il nome). A questo punto il collasso, se la massa non è troppo grande, può essere fermato dalla pressione della materia degenere. È una cosa un po’ complicata legata alla meccanica quantistica; due particelle, in questo caso neutroni, non possono trovarsi entrambi nello stesso stato, ed è questa “resistenza” che contrasta la forza di gravità e tiene in equilibrio la stella. La cosa si può immaginare come un cinema, in cui gli spettatori sono ordinatamente disposti uno per posto davanti allo schermo. Non ci possono essere due spettatori per sedia. Il risultato è che le stelle di neutroni sono piccole (hanno un diametro di qualche decina di chilometri) ma sono densissime (hanno fino a due, tre volte la massa del Sole).
Nel caso della sorgente oggetto della scoperta – che, per la cronaca, si chiama GW170817, ove GW sta per gravitational wave (onda gravitazionale) e 170817 è la data di scoperta – si tratta di due stelle di neutroni che si girano intorno. Lentamente le loro orbite decadono, ossia le due stelle girano su orbite sempre più strette, via via avvicinandosi, finché non si fondono. Si produce così una kilonova, che è tra i fenomeni più violenti che possono verificarsi nell’Universo. L’animazione qua sotto rende molto bene l’idea.

Questo fenomeno era stato teorizzato, ma mai osservato prima con tale completezza. Il segnale di onda gravitazionale osservato è, come nel caso della prima detezione di onde gravitazionali, molto simile al modello previsto dalla teoria. Ma c’è di più. Per la prima volta è stato possibile osservare lo stesso fenomeno con tanti telescopi diversi. Non intendo solo strumenti diversi – cioè telescopi posti in luoghi diversi del mondo – ma proprio telescopi che osservano cose diverse. Sono state infatti osservate le onde gravitazionali prodotte dal fenomeno, ma anche i raggi gamma, le onde radio, i raggi X, l’ emissione ultravioletta, infrarossa e inluce visibile. Piccola parentesi, mio marito fa parte della collaborazione che cerca le controparti ottiche delle onde gravitazionali, cioè l’emissione in luce visibile associata alle onde gravitazionali, ed è per questo che io questa storia la conoscevo da un po’ :P . Per chi se la cava con l’astronomia, qui e qui ci sono gli abstract degli articoli che ha firmato assieme al resto del gruppo. Ma torniamo a noi: è la prima volta che di un’onda gravitazionale si vedono le controparti. Anche questa era una cosa prevista, ma mai osservata. Anche perché in generale la coalescenza di buchi neri non produce altra emissione che non sia quella di onde gravitazionali. Anche le emissioni nelle altre bande vanno come previsto dalla teoria, e questo conferma l’esistenza delle kilonovae e la correttezza del modello che ne spiega il meccanismo. Inoltre conferma che sono proprio le kilonovae a produrre una certa categoria di lampi in raggi gamma, chiamati Gamma Ray Bursts (GRB, per gli amici), effettivamente osservati in associazione a questa sorgente. Infine, dall’emissione ottica è venuta anche la conferma che sono proprio questi fenomeni di coalescenza di stelle di neutroni che producono anche gran parte degli elementi pesanti (oro, e minerali più pesanti del ferro) di cui siamo fatti noi, la terra, e tante cose in giro per l’Universo.
Come avrete capito, è una scoperta storica per davvero. Sono tante prime volte tutte assieme, che, per altro, confermano la teoria, dunque ci dicono che stiamo dando una corretta interpretazione di molti fenomeni che avvengono nel nostro Universo. Inoltre, questa scoperta ci dice anche che davvero le osservazioni nelle onde gravitazionali hanno aperto una nuova era dell’astronomia. La prima cosa che è stata osservata di questa sorgente è stato il segnale di onda gravitazionale. Poco meno di due secondi dopo, i telescopi gamma, che si trovano in orbita, hanno osservato il GRB. A quel punto, grazie al fatto che il segnale è stato osservato da tre punti diversi (i due Ligo e Virgo in Italia) e alle osservazione nei raggi gamma, è stato possibile fare la triangolazione, ossia identificare una finestra nel cielo dalla quale il segnale era partito. Quasi immediatamente, gran parte dei telescopi del mondo è stato puntato in quella regione, permettendo di identificare una nuova sorgente in una galassia distante 130 milioni di anni luce da noi, NGC 4993. Incidentalmente, questo ne fa anche il segnale di onda gravitazionale più vicino mai osservato. Le onde gravitazionali sono state come un faro, che hanno guidato i ricercatori alla scoperta.
Inoltre, la scoperta è stata ottenuta grazie allo sforzo congiunto di centinaia di ricercatori da tutto il mondo. Non solo la collaborazione Ligo/Virgo, ma anche tutti coloro che lavorano ai vari telescopi ad alte energie, ottici, radio, infrarossi e ultravioletti. In totale sono circa 3500 persone che hanno lavorato assieme, e io questa cosa la trovo davvero straordinaria. In politica stiamo ancora a parlare di confini, barriere, ma la conoscenza già non ne ha, e la scienza lavora a livello mondiale, mettendo insieme esigenze e standard diversi, in uno sforzo unico che ha come obiettivo solo e soltanto capire le cose. È l’umanità al suo meglio, come qualcuno ha già detto in riferimento a Cassini. Non dovremmo forse prendere esempio?
Lo ripeto ogni volta, ma lo credo davvero: quando lavoriamo insieme, siamo capaci di cose straordinarie. Siamo confinati a un angolo insignificante di un Universo immenso, in quel puntino pallido sospeso nel nulla mostratoci dalla foto della sonda Voyager. Eppure, da qui, possiamo capire eventi lontanissimi, e misteri insondabili, perché siamo pur sempre il modo che l’Universo ha trovato per capire se stesso.

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Trappist-1 e le sette sorelle

Buongiorno :) . Breve post, giusto per condividere anche di qua il video che ho fatto circa la scoperta del sistema stellare Trappist-1. Ho fatto una specie di esperimento: invece di fare un post, ho provato con un video. Non mi sembra la cosa sia granché riuscita, per cui non so se avrà un seguito. Intanto, ve lo beccate comunque :P .
Al momento, non ho altro da dirvi; restate però sintonizzati, perché spring is coming e si porterà dietro un po’ di eventi.
Buona giornata!

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I Manga delle Scienze

Ne ho scoperto l’esistenza un po’ per caso, su Twitter, perché ne hanno parlato Amedeo Balbi e Leo Ortolani; capito di cosa si trattava, non ho potuto fare a meno di comprare il primo numero e poi farmi mettere da parte tutti quelli successivi dall’edicolante. Sto parlando de I Manga delle Scienze, serie di divulgazione scientifica a mezzo fumetto che si può acquistare a partire da venerdì scorso assieme La Repubblica o a Le Scienze. Ieri poi mi sono bevuta il primo numero, che si chiama Fisica ma in linea di massima tratta della meccanica classica, e quindi sono pronta per scatenare su di voi la furia del Piccolo Recensore :P .
Partiamo dal fatto che più che un manga questo è un vero e proprio manuale di fisica. L’intento non è fare divulgazione, ma spiegare, in termini semplici e appassionanti, un argomento invero assai palloso della fisica, ma necessario per capire tutto il resto. Questo non significa che la parte manga sia inutile o un po’ appiccicata là, affatto: significa solo che l’intento è fare didattica. Non divulgazione, didattica proprio. Accanto alla parte manga, infatti, c’è una sezione manualistica nella quale, sempre con un tono abbastanza scanzonato, ma che non manca di rigore, vengono spiegati in termini più approfonditi gli argomenti toccati dal manga, e ci sono anche alcuni esercizi svolti. Insomma, forse sto per dire un’eresia, ma una cosa del genere potrebbe tranquillamente affiancare – in un mondo perfetto direttamente sostituire, se solo toccasse tutti gli argomenti di un corso di fisica 1 – un manuale di fisica delle superiori o delle medie.
Uno dice: ok, vabbè, ma allora sarà una roba pizzosa col manga a fare da contorno. Invece no, perché la parte a fumetti è il cuore dell’opera. Certo, la trama serve più che altro a fare da collante, ma non è assolutamente appiccicata là, e, soprattutto, decide di attaccare la materia con un approccio dialogico, che, lo sapeva pure Galileo Galilei, è il modo migliore per far passare concetti anche complessi.
Abbiamo quindi Megumi, studentessa dedita al tennis negata per la scienza, e Ryota, secchione appassionato di fisica, che decidono di studiare assieme. Il lettore si identifica assai facilmente in Megumi, che condivide un po’ tutti i dubbi che ognuno di noi si è posto la prima volta che ha studiato questa roba, e al contempo Ryota è simpatico a sufficienza per non risultare assolutamente pedante, ma per diventare un ottimo maestro.
Al di là dell’approccio dialogico, c’è un’altra scelta assolutamente vincente: quella di far passare qualsiasi nozione attraverso l’esempio. Ora, questo è il problema della didattica della scienza, e della fisica in particolare, in Italia: che nulla viene mostrato tramite l’esperimento, e la fisica finisce per diventare, e cito Megumi, “memorizzare un sacco di formule”. Ok, lo so che almeno uno di voi avrà avuto il professore illuminato che lo portava in laboratorio; io stessa ne conosco molti che usano questo approccio. Ma è una cosa lasciata all’iniziativa del singolo. La maggior parte degli studenti in Italia il laboratorio lo vede un paio di volte l’anno se va bene, e studia la fisica come un insieme di formule circa cose di cui frega meno di zero nella vita di tutti i giorni: molle che si tirano e punti ideali che si muovono senza attrito, voglio dire…a che pro?
Ecco, Ryota parte sempre dall’esempio di vita reale, mostrando che persino la cinematica e la dinamica, che sembrano tanto avulse dalla realtà, hanno infinite ricadute pratiche.
Dal punto di vista strettamente grafico, nulla di particolarmente sconvolgente; il tratto di Takatsu è piuttosto standard, ma estremamente pulito, e questo è un bene, perché permette di leggere con semplicità l’azione e anche i numerosi schemi che punteggiano il manga.
Insomma, secondo me è un gran prodotto, che innanzitutto consiglio a tutti gli studenti di medie e superiori: la fisica, incredibile, può essere una roba divertente! E poi ne apprezzo soprattutto la capacità di cambiare le regole del gioco. È un modo diverso di intendere la didattica, basato sull’esempio e sul divertimento, che dovrebbe essere applicato più spesso. Mi prenderò sicuramente tutti gli altri, e attenderò con ansia relatività e astronomia. Li voglio vedere, alle prese col tensore di Riemann e le equazioni di campo di Einstein :P .

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Dove Va a Finire il Cielo all’Osservatorio di Roma

Spesso mi avete chiesto di fare eventi a Roma; ebbene, il momento è giunto! :P
Dunque, per chi vuole l’11 Dicembre, alle ore 20.30 sarò all’Osservatorio Astronomico di Roma a Monte Porzio Catone per una serata tutta dedicata alla divulgazione: sarà infatti anche aperto il parco dell’Osservatorio, con osservazioni al telescopio e la visita ai musei. Io, per parte mia, parlerò un po’ delle ultime notizie nell’ambito dell’astronomia, quelle che non sono riuscita a infilare in Dove Va a Finire il Cielo perché sono arrivate dopo la chiusura del libro.
Per partecipare occorre prenotarsi qua. Per me si tratta di una serata speciale, perché è all’Osservatorio di Roma che mi sono laureata e dottorata, e spesso ci lavoro ancora. Già ci ero tornata in passato per due eventi divulgativi, ma questa volta presento Dove Va a Finire il Cielo più o meno dove è nato. Per questo mi farebbe davvero piacere che veniste :) .
Insomma, vi aspetto tutti l’11 Dicembre!

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Prossimi incontri

Oggi sarà una giornata intensa, ma è ora di aggiornare un po’ la lista dei miei prossimi incontri.
Dopo questa pausa invernale, si ricomincia da marzo. Per la precisione l’8 Marzo, ore 20.00, potremo vederci all’Osservatorio Astronomico di Roma per una serata tutta su donne e stelle. Occorre la prenotazione, tutti i dettagli a questo link.
Poi, dal 21 al 24 Marzo torno in Francia, per la Fiera del Libro di Parigi. Tutti i dettagli a breve, e mi toccherà rispolverare il francese :) .
Il 25 Marzo, invece, appuntamento alla Fiera del Libro di Bologna, ore 16.30, per un incontro divulgativo assieme al Prof. Bignami. Anche qui, stay tuned per tutti gli ulteriori aggiornamenti, perché il programma è in via di definizione.
Bon, ci sono svariate altre cose, ma sono più in là e ancora in via di definizione.
A presto!

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Divulgando…

Ulteriore aggiornamento sui miei spostamenti; la chiacchierata divulgativa di Milano sarà replicata il 12 Ottobre, ore 19.00, all’Osservatorio Astronomico di Roma. Qui la cosa avrà un andamento diverso, perché dopo le chiacchiere ci sarà anche una parte di osservazione del cielo col telescopio (tempo permettendo, ovviamente). È richiesta la prenotazione, che si fa qua, e dato che l’evento è inserito nel contesto dell’attività divulgativa che si svolge presso l’Osservatorio, c’è un prezzo, che è di 5 euro a persona. Come vedete, il mio evento ancora non è calendarizzato, ma lo sarà presto. Fossi in voi, comunque, darei un’occhiata anche alle altre serate.
Rimanendo in ambito divulgazione, per Milano troverete a breve informazioni qui.
Bon, è tutto. Buon week-end, io intanto, per restare in tema, vado a preparare il mio intervento del 6 e del 12 :)

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Astrofisica e astrusità

Venerdì la notizia si è diffusa come il lampo tra noi ricercatori. Ce la passavamo sui social network, nel parlavamo durante la pausa caffè, e qualcuno, molto più bravo di me, ne ha poi parlato in modo chiaro e persino non astioso. Perché, credetemi, da incazzarsi c’era, e un sacco.
Sto parlando del promo della puntata di ieri sera di Report. Si parla di banche, si parla dei Monti dei Paschi di Siena. Dopo un cappelletto introduttivo, si passa a parlare anche dell’omonima Fondazione, che finanzia progetti di vario genere. Tra questi, alcune “astrusità”, come vengono definite dal commentatore con un tono ironico del tipo “guarda come buttano i soldi”. E la prima astrusità è lo studio delle popolazioni stellari di Omega Centauri. Che è sostanzialmente roba mia, nel senso che si tratta di un progetto di fisica stellare, e per altro io ho un’amica e collega che ha passato metà della sua vita lavorativa a studiare Omega Centauri, che, vi assicuro, è un oggetto particolarissimo (un ammasso globulare, ossia un insieme di qualche milione di stelle, di forma più o meno sferica, molto antico). Soldi stanziati, 20 000 euro. Lo speaker inserisce questo finanziamento tra gli altri sprechi, tra aragoste e amanti. Come fossero la stessa cosa. Come se studiare l’universo, la sua storia e la sua formazione fosse la stessa cosa che pagarsi una cena di lusso.
Ora, prima di continuare metto i puntini sulle i. In molti hanno scritto a Report per far presente lo scivolone, chiamiamolo così, e Report ha avuto il gusto e l’educazione di rispondere, e, in seguito, di tagliare il riferimento. Onore al merito. In una società in cui non si ammette di aver fatto una cazzata neppure sotto tortura (pensiamo all’infelicissima sparata di Grillo sulla mafia), è bello vedere qualcuno che emenda i propri errori. Il problema però è sintomatico. Report non è una qualsiasi altra trasmissione di intrattenimento. Report è un programma serio che ha fatto della propria precisione nei reportage la base per la sua autorevolezza, il marchio di fabbrica, diciamo. Ora, io l’ho beccato anche altre volte a dire cose non esattamente vere, piegando evidentemente i fatti all’interpretazione che si stava cercando di provare. Però c’è un abisso tra Report è moltissime altre trasmissioni di approfondimento giornalistico. Ecco, che proprio Report mi sia caduto su una cosa del genere significa che siamo davvero alla frutta: significa che la cultura scientifica in Italia sta esalando gli ultimi respiri, e che anche i più illuminati considerano la ricerca pippe mentali per sociopatici. Altrimenti non mi spiego la cosa.
Comunque, non ho visto il servizio ieri, indi per cui non ho idea se Report abbia semplicemente espunto il riferimento a Omega Centauri (che mi sembra la cosa più semplice e probabile), o abbia invece proprio spiegato perché quei 20 000 euro non solo non sono uno spreco, ma sono quel per cui la Fondazione è nata. Nel dubbio, ve lo spiego io.
Cosa sono quei 20 000 euro? Sono una borsa di studio per un dottorando o un ragazzo appena dottorato. Fatevi due conti: 20 000 euro bastano per un’anno di stipendio a circa 1000 euro lordi al mese. Servono al mero sostentamento di un ragazzo che fa il ricercatore. E vi assicuro che è il minimo indispensabile, soprattutto se questo ricercatore è magari anche un fuori sede. Per altro, la borsa di studio ha prodotto tre articoli su riviste scientifiche referate. Per chi non lo sapesse, nella ricerca la qualità di un lavoro si misura anche dal numero di articoli che produce, e dal numero di citazioni che quell’articolo riceve. Tre articoli sono una gran cosa. I 20 000 euro sono stati tutt’altro che buttati. Per inciso, la Fondazione ha questo scopo: finanziare progetti di rilevanza culturale, oltre ad attività di mera beneficenza. E direi che uno studio scientifico su uno degli oggetti più enigmatici del cielo, almeno se restiamo nell’ambito della fisica stellare, mi sembra coerente con questo obiettivo. Per altro, credo di aver usufruito anch’io di una borsa del genere; 6000 euro per sei mesi, per una breve collaborazione che ho avuto con l’Università di Pisa.
Ora, visto che ci siamo, perché Omega Centauri? Cos’è ve l’ho già detto. Ma Omega Centauri è un oggetto un po’ strano, per essere un ammasso globulare: è molto massiccio, e poi ha una cosa strana. Dentro ci sono varie “generazioni” di stelle (in termine tecnico popolazioni stellari), ossia stelle che si sono formate in epoche differenti. Questa è una cosa un po’ rara nel caso degli ammassi globulari, le cui stelle tipicamente si sono formate tutte nello stesso periodo e hanno più o meno tutte la stessa composizione chimica (ci sono eccezioni, ma questa è la regola). Questa e altre evidenze inducono a credere che Omega Centauri non sia un ammasso globulare, ma il nucleo di una galassia nana che ha perso tutte le stelle intorno. Stop. Cos’è una galassia nana: è una galassia, ossia un insieme di stelle, più piccola delle altre. Intorno alla nostra, la Via Lattea, ce ne sono svariate che le girano intorno, come satelliti. Girando, se sono molto vicine, perdono stelle per la strada per via dell’attrazione gravitazionale della nostra galassia. Ecco, forse ad Omega Centauri è successa una cosa del genere. Ora, poiché alcune teorie prevedono che le galassie nane siano i primi oggetti che si sono formati dopo il Big Bang, la grande esplosione che ha dato inizio alla formazione dell’universo, è interessante capire come si sono formate, che fine hanno fatto, come sono. Considerate anche che gli ammassi globulari, al contempo, sono oggetti molto antichi, che ci danno informazioni sulla composizione dell’universo primordiale. Voilà, ecco perché studiare Omega Centauri è tutt’altro che uno spreco.
Ora, possiamo stare a discutere del fatto che se i Monti dei Paschi di Siena è vicina alla bancarotta forse sarebbe meglio ridurre al minimo le spese. Io poi non sarei d’accordo, perché è proprio nei tempi di crisi che occorre spendere in ricerca e sviluppo, altrimenti vorrei capire come si fa ripartire l’economia. Comunque, sarebbe un discorso sensatissimo. Poi però nessuno si venga a lamentare della fuga dei cervelli, dell’Italia che non cresce e della ricerca trattata come la figlia della serva. Cosa che, se non erro, Report farà domenica prossima.

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Una settimana fa

Sono tornata al lavoro. In verità non mi sento poi tanto bene, ma le tesi hanno questo brutto difetto di non riuscire a sciversi da sole, per cui…
Visto lo scartamento ridotto, e considerato che tutte le energie rimaste le sto impegnando sulla benedetta tesi, oggi post fotografico. Qui sotto, un po’ di foto della Notte della Ricerca, venerdì scorso. Le foto sono state scattate sia all’ESRIN che all’Osservatorio. Quella scattata all’ESRIN, ossia la prima, è di Maria Rosaria D’Antonio, le altre le ha invece scattate Simone Mattana, un mio collega quando lavoravo in Osservatorio che è insieme a me nell’ultima foto. Grazie mille a tutti quelli che sono venuti, per me è stata proprio una bella serata. Spero vi siate divertiti anche voi :)

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Superman neutrino

Un giorno – ero ancora una studentessa di laurea – una mia collega venne da me e da Giuliano con una pagina di un noto quotidiano gratuito, di quelli che ti danno sotto la metro. Si parlava di una tempesta solare – niente più che un’eruzione di materiale sulla superficie del sole, che in genere ha come effetto un aumentato flusso di particelle verso la terra – e c’era scritto che le particelle emesse viaggiavano a 300 000 milioni di km/s. Ci facemmo una grassa risata sull’ignoranza del giornalista, che o non sapeva che la luce nel vuoto viaggia a 300 000 km/s, o ignorava che nessuna particella dotata di massa può viaggiare non solo più veloce della luce nel vuoto, ma neppure alla stessa velocità.
Vi cito quest’aneddoto perché è significativo: che niente possa andare più veloce della luce nel vuoto, e che a 300 000 km/s ci vanno solo i fotoni è una cosa che sanno in genere anche quelli che di fisica non sanno niente. È una di quelle poche cose che ti resta in testa dalla scuola, e una delle poche certezze sulle quali uno scienziato metterebbe la mano sul fuoco, assieme alla terra che gira intorno al Sole e un altro paio di cose. Questo per farvi capire perché questa notizia – per una volta – ha ben ragione di essere sparata in prima pagina sui giornali a caratteri cubitali.
Ora, vediamo se ci riesce di capire perché fino ad ora tutti eravamo convinti che c – da qui in avanti indicherò con c la velocità della luce nel vuoto – fosse una costante.
Cominciamo con le cose semplici. Immaginiamo che io sia su un treno che va a 80 km/h. Se mi metto a camminare in questo treno, diciamo ad una velocità di 5 km/h, per un omino fermo in stazione, e che misuri da terra la mia velocità, io andrò a 80+5=85 km/h, ossia alla velocità con cui mi muovo insieme al treno, più la mia velocità rispetto al treno stesso. Immaginiamo adesso che a muoversi da un capo all’altro del treno sia un raggio di luce. Lo stesso osservatore di prima, fermo in stazione, misurerà che il mio fotone – le particelle di cui la luce è composta si chiamano fotoni – va a 300 000 km/s x 3600 s (in un’ora ci sono 3600 secondi) = 1 080 000 000 km/h più la velocità del treno, ossia 1 080 000 000 km/h + 80 km/h = 1 080 000 080 km/h. Siete d’accordo? Vi immagino annuire. E invece no. È predetto dalle equazioni di Maxwell (le equazioni che spiegano i fenomeni elettromagnetici) – e in seguito è stato sperimentalmente provato – che se l’osservatore in stazione e quello sul treno misurano la velocità del fotone, trovano la stessa cosa: per entrambi, il fotone viaggia a 1 080 000 000 km/h, ossia 300 000 km/s. Ovviamente, è una cosa controintuitiva, ma è così, la natura funziona così. Su questo dilemma si ruppero la testa in molti, a cavallo tra la fine dell’800 e l’inizio del ’900. Finché non arrivò Einstein, che fece la cosa più semplice e più rivoluzionaria: disse che ok, la velocità della luce è uguale in tutti i sistemi di riferimento, in moto o fermi, ce ne dobbiamo fare una ragione. Ma se c è invariate, cioè appunto non cambia col sistema di riferimento, allora cambia tutto il resto: le misure di spazio e tempo fatte dall’omino sul treno e da quello in stazione saranno diverse. Ossia, spazio e tempo sono relativi, dipendono dal sistema di riferimento. In particolare, saranno diversi in un sistema a riposo e in uno che si muove invece a velocità costante rispetto al primo. Complimenti, avete appena capito cos’è la teoria della relatività ristretta, il primo pezzettino della rivoluzione di Einstein. Il grande vantaggio della relatività di Einstein era che spiegava le trasformazioni di Lorentz. Le trasformazioni sono semplicemente equazioni che permettono in passare da un sistema di riferimento all’altro. Nel nostro esempio, per passare dalla misura di velocità fatta dall’omino in treno a quella dell’omino fermo in stazione abbiamo applicato una trasformazione: nello specifico abbiamo sommato la velocità del treno. Ebbene, le trasformazioni di Lorentz sono formule matematiche che permettono di passare da un sistema di riferimento all’altro tenendo presente che le misure di spazio e tempo non sono più le stesse in tutti i sistemi di riferimento, che siano in moto o siano fermi. Non erano state introdotte a questo scopo, ma per permette di modificare correttamente le equazioni di Maxwell passando da un sistema di riferimento all’altro, ma è Einstein che le ha spiegate. Comunque, non vi sto a tediare con le formule, vi dico solo che in esse compare un termine piuttosto importante, il fattore di Lorentz

dove β²=v²/c². v è semplicemente la velocità con cui si muove il sistema di riferimento. E già qui capiamo l’inghippo. Se v=c, γ diventa infinito. Peggio mi sento se v>c: abbiamo addirittura la radice di un numero negativo, che matematicamente ha un senso, ma fisicamente no. La famosa legge E=mc² vale solo per velocità piccole (cioè molto minori di c; piccolo e grande sono termini che non hanno senso in fisica, occorre sempre specificare rispetto a cosa siano grandi o piccole). La sua versione generale è

E=γmc²

dal che si capisce che se γ è infinito (cioè v=c) anche l’energia diventa infinita. Questo significa che ci vuole un’energia infinita per far arrivare alla velocità della luce un oggetto dotato di massa m, indipendentemente da quanto questa massa sia piccola. È un modo complicato per dire che un oggetto con massa m non può andare alla velocità della luce.
Sento alcuni di voi dire: ma come, la luce va alla velocità c, e la luce è fatta di fotoni! Già, ma i fotoni non hanno massa.
Fin qui, tutto chiaro.
Veniamo all’esperimento.
Innanzitutto, cos’è un neutrino. È una particella piccolissima, elementare (cioè non è composta da altre particelle e sua volta) che riveste un ruolo importante anche in molti processi astrofisici. Inoltre, i neutrini sono particelle buffe. Innanzitutto, per un sacco di tempo è stato incerto se avessero o meno una massa. L’esperimento Super-Kamiokande ha provato che sì, ce l’hanno, molto piccola, ma ce l’hanno. Inoltre, i neutrini sono praticamente inarrestabili; mentre state leggendo, miliardi di neutrini vi stanno attraversando da capo a piedi, e non si fermano al pavimento, penetrano qualsiasi materiale, attraversano la terra. Si dice che interagiscono debolmente con la materia. Ossia, è rarissimo che un neutrino “urti” un’altra particella o un nucleo di atomo generandone altre, e dato che gli urti e i loro effetti sono l’unico modo che abbiamo per capire come sono fatte le particelle (gli acceleratori fanno questo, fanno urtare le particelle facendole accelerare a velocità prossime, ma non uguali per quanto detto prima, a quelle della luce), capirete bene che scovare un neutrino e capire com’è fatto non è semplice. Ma si fa.
Ora, l’esperimento Opera produceva un certo numero di neutrini al CERN, a Ginevra, e li sparava ai laboratori INFN del Gran Sasso. Dato che i neutrini interagiscono pochissimo con la materia, penetrano tutto il penetrabile tra Ginevra e il Gran Sasso, procedendo in linea – più o meno – retta senza tener conto di tutti gli ostacoli che ci sono in mezzo.
Ora, sincronizzando gli orologi a Ginevra e al Gran Sasso, se si fanno partire i neutrini al tempo t0 da Ginevra e arrivano al tempo t1 al Gran Sasso, e la distanza tra i due punti di partenza e arrivo è ben nota e pari a d, allora la velocità con cui i neutrini hanno viaggiato è presto calcolata:

v=d/(t1-t0)

È fisica elementare. Ora, l’esperimento non funziona proprio così, e tra l’altro non era neppure nato per misurare la velocità del neutrino, ma diciamo che concettualmente si fa questo. Fatta la misurazione, è venuto fuori che v>c. In particolare, i neutrini ci hanno messo 0.00000006 s meno di quanto ci avrebbero messo i fotoni nel vuoto a fare lo stesso percorso. Se ci pensate, non è così poco.
Ora, quando si trova un risultato come questo, che evidentemente mette in dubbio una teoria collaudatissima – ci arriveremo – come la relatività il primo pensiero non è “cavoli, ho vinto il Nobel”, ma “dannazione, dov’è l’errore?”. Un errore ovvio – e molto, molto marchiano – può essere questo: ma il mio strumento ha la precisione necessaria per rilevare una differenza del genere, oppure la mia misura ha un’incertezza più grande? Esempio: misuro un tavolo con un metro da sarta, che ha le tacche ogni millimetro. Potrò misurare un’altezza di 100,1 cm, ma difficilmente potrò misurare 100,01 cm. Il mio metro non ha tacche da un decimo di centimetro. Sgombriamo il campo: 0.00000006 s è ampiamente sopra l’errore della misura. Altre due fonti di errore: sono sicuro che gli orologi a Ginevra e al Gran Sasso sono sincronizzati bene? E conosco con la dovuta precisione la distanza tra questi due posti? Sono domande che ovviamente i ricercatori si sono posti e le risposte sono state: sì, sono sincronizzati per bene, sì, sono sicuro delle distanze. Pensate che hanno anche tenuto presente lo spostamento della crosta terrestre dovuto al terremoto de L’Aquila.
Si passa quindi allo strumento: non è che ha qualche errore di progettazione e/o è successo qualcosa che ha falsato la mia misura? Oppure: ho tenuto presente tutti gli effetti che potrebbero influire sulla mia misura? E ho ripetuto la misura abbastanza volte da escludere che sia un errore?
La ricerca è durata tre anni, i neutrini di cui è stata misurata la velocità sono stati 16111, e i ricercatori non sono stati in grado di evidenziare né errori sistematici né altri effetti che possano spiegare questa misurazione. Così, dopo tre anni, hanno fatto quel che fa lo scienziato serio: hanno pubblicato i dati e hanno detto “qualcuno ripeta l’esperimento altrove, o misuri la velocità dei neutrini in altro modo e vediamo se le nostre misure vengono confermate”.
La storia finisce qui. O meglio, comincia qui. La teoria della relatività è una delle teorie meglio supportate dai dati sperimentali: ha fatto molte previsioni che si sono dimostrate corrette, è stata verificata in centinaia di modi diversi, e fin qui ha spiegato in modo egregio il funzionamento della gravità. Fin qui, appunto. Se le misure di Opera venissero confermate, dovremmo concludere che si è aggiunto al quadro un elemento nuovo. Del resto, non è la prima volta che succede. Fino alla fine dell’800, Newton basava e avanzava a spiegare il moto di stelle e pianeti. C’era solo un piccolo particolare che non tornava nel quadro generale: l’orbita di Mercurio aveva delle particolarità che apparivano inspiegabili nel quadro della legge di gravitazione universale di Newton. Einstein le ha spiegate. E, beninteso, la relatività generale non ha spazzato via la gravità di Newton. Sotto precise condizioni, la relatività generale si riduce alla formulazione di Newton. Ma alcune cose che succedono nel nostro universo, Newton non le spiega, Einstein sì. La relatività ingloba e completa la legge di gravitazione universale di Newton, che infatti ancora si insegna nelle scuole.
Ora, è possibile che ci sia un errore, è possibile che non sia affatto vero che abbiamo trovato una particella dotata di massa che va più veloce della luce. Ma può anche essere invece che la Natura ci ha fregati una volta di più: quando (più o meno) tutto sembrava tornare, ci ha messo i bastoni fra le ruote, facendoci scoprire che avevamo dimenticato qualcosa, che c’è dell’altro, là fuori. La verità ce la diranno i prossimi anni. A me piace credere che la misura fatta al Gran Sasso apra nuovi orizzonti alla fisica, piace credere che abbiamo trovato qualcosa di nuovo intorno al quale arrovellarci, per cercare di dare un senso a questo puzzle complesso e indecifrabile che è l’universo nel quale viviamo. Ma è, appunto, una semplice speranza, che al momento non è supportata da nessun fatto concreto.
Intanto, mi diverto a vedere una notizia di fisica in prima pagina sui quotidiani, per una volta a ragione.

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Titani

Ieri ho assistito ad un workshop in cui si illustravano le attività di ricerca del dipartimento di fisica. In verità confesso di aver seguito la sessione di astrofisica, perché era quella che mi interessava di più. S’è parlato di tante cose interessanti, ma in particolare una mi ha colpita, perché mi affascina da quando seguii un corso di dottorato al riguardo: le onde gravitazionali.
Facciamo un passettino indietro. Ci sono le onde del mare, come tutti sappiamo: diciamo che sono increspature della superficie dell’acqua, più nello specifico sono modificazioni della densità e della pressione dell’acqua. Quel che si propaga è il “movimento” (energia e quantità di moto, per usare una terminologia fisica), ma non la materia, almeno nel caso delle normali onde che fanno ballare il pedalò quando andiamo al largo, al mare. Onde simili si propagano anche nell’aria: ad esempio i suoni sono esattamente delle variazioni periodiche della densità dell’aria. Questi due tipi di onde hanno bisogno di un mezzo per propagarsi: no acqua, no onde, no aria, no suoni, come sappiamo (quelli che fanno i film di fantascienza lo sanno un po’ meno ma sorvoliamo).
Esistono però anche onde che non hanno bisogno di un mezzo fisico per propagarsi: è il caso delle onde elettromagnetiche. Infatti, se nel vuoto i suoni non possiamo sentirli, la luce, che è l’onda elettromagnetica con cui abbiamo più a che fare ogni giorno, la vediamo benissimo. In quel caso, ad oscillare periodicamente è il campo elettromagnetico, ossia, per metterla giù facile, la direzione e l’intensità delle forze elettromagnetiche.
Ora, come voi sapete esiste la gravità. Noi la conosciamo nella forma classica lasciataci da Newton, ossia

dove M e m sono le due masse che si attraggono, r la loro distanza e G la costante di gravitazione universale. Solo che questa formula va bene solo sotto certe approssimazioni. La forma più esatta che esprime il funzionamento della forza di gravità è la teoria della relatività generale di Einstein, da lui proposta nel 1916. Già, sono quasi cento anni; come passa il tempo. Potrei scrivervi le formule, ma hanno un aspetto decisamente meno amichevole di quella della gravità di Newton, e richiedono conoscenze avanzate di matematica per essere spiegate, per cui mi esimo. Vi basti sapere che la teoria della relatività generale prevede che anche il campo gravitazionale possa oscillare e produrre dunque onde, le onde gravitazionali. Sostanzialmente, le onde gravitazionali sono modificazioni dello spazio-tempo: è come se lo spazio fosse un tessuto che viene increspato da queste onde. E già questo l’ho sempre trovato fighissimo. Comunque. La parola chiave di tutto il discorso è: previsto. Le onde gravitazionali sono state previste, ma nessuno le ha mai viste. Perché sono estremamente elusive, ossia producono effetti minuscoli.
Si suppone vengano prodotte da qualsiasi interazione tra masse. In teoria anche battere le mani produce onde gravitazionali. Dov’è il busillis? Presto detto.
Suppongo saprete che la forza di attrazione tra voi e lo schermo sul quale state leggendo esiste, ma è minuscola. Questo perché la vostra massa e quella dello schermo è piccola, e al contempo anche G è molto, molto piccola. Invece, l’attrazione tra voi e la terra è significativa, tanto da tenervi ancorati al pavimento coi piedi. Dunque, perché la forza di gravità abbia effetti significativi occorre avere a che fare con grandi masse. E infatti, le onde gravitazionali che si cerca di misurare sono prodotte dallo scontro o dalla variazione di oggetti dotati di grandi masse: buchi neri che vibrano, stelle di neutroni che si fondo, e cose del genere. Il problema però è che anche prendendo in considerazione masse grandissime (quelle quelle stelle, di un buco nero o di una galassia) ugualmente l’effetto che le onde gravitazionali generate producono è minuscolo. Se prendiamo il caso, che so, di due stelle di neutroni che si fondono (coalescono, si dice), l’effetto dell’onda gravitazionale prodotta è quello di spostare due masse di prova di 0,000000000000000000001 m per ogni metro che le separa. Una cosa ridicola, come vedete.
Nonostante questo, sono 50 anni che le si cerca. Perché trovarle sarebbe una bella conferma della relatività generale (una delle molte), e soprattutto aprirebbero un’intera nuova branca dell’astrofisica: perché ogni segnale che proviene da una sorgente di dice tantissimo sulla struttura che l’ha prodotta, e le onde gravitazionali non fanno eccezione.
Ecco, io questa cosa l’ho sempre trovata eroica. Immaginate un ricercatore che trascorre tutta la sua vita a cercare una cosa. Sa che esiste, ma sa anche che trovarla è difficilissimo, e che, prima ancora di tentare, deve possedere lo strumento giusto. Altrimenti è come cercare di misurare una cosa lunga 10 cm con un metro che ha tacche solo ogni 50 cm. Impossibile. La storia del nostro ipotetico ricercatore è quella di affinare di continuo il suo strumento, senza sosta, fino a spingerlo a limiti di sensibilità letteralmente impensabili. Senza vedere niente.
Io, come fisico stellare, le stelle le vedo tutti i giorni. Il mio problema, anzi, è che certe volte ho troppe misure. Uno che studia le onde gravitazionali non ha mai fatto una misurazione di onda gravitazionale in vita sua. Ha misurato tante altre cose, in compenso, ma mai quella che cerca. Attende da sempre di vedere sullo schermo del suo computer quel segnale, quell’unico segnale che gli dice che ce l’ha fatta.
Io li ho visti i rivelatori di onde gravitazionali. Uno è all’INFN di Frascati. Ho visto l’enorme involucro di metallo verde, e ho visto lo schermo collegato, fisso sempre sulla stessa immagine. E ho pensato che una persona che fa questo nella vita è un eroe. Voglio dire, è una situazione à la Deserto dei Tartari. I barbari ci sono, dannazione, ma appena dietro l’orizzonte. E tu rimani lì, anche se non li hai visti mai, e continui a guardare con la stessa attenzione. Senza contare il fatto che nel frattempo sei riuscito a realizzare l’impensabile: uno strumento dotato di una precisione allucinante. E considerate che ci sono infinite fonti di rumore (in fisica il rumore è tutto ciò che “sporca” il tuo dato, segnale che non è dato di rilevanza scientifica, quindi, che so, le luci della città quando guardi le stelle) per strumenti del genere: le nuvole che si muovono, le onde del mare. I terremoti.
Un giorno il nostro professore di fisica 2 venne a lezione un po’ sbattuto. Ci disse che Nautilus, il rivelatore verde di cui sopra, quella notte aveva rilevato qualcosa. S’erano tutti eccitati, si erano messi lì a controllare i dati, solo per scoprire che aveva rivelato un terremoto che c’era stato non so dove.
A me piacerebbe chiudere questa storia di Titani con un bel “ma tra dieci anni le becchiamo di sicuro”. Purtroppo la ricerca non dà di queste sicurezze. Sono allo studio nuovi rivelatori, ancora più sensibili, uno è addirittura composto da tre satelliti che si spareranno l’uno verso l’altro dei laser potentissimi; si chiama LISA, ed era l’oggetto del mio esame di onde gravitazionali, appunto. Le speranze di riuscire a beccare questo elusivo fenomeno fisico aumentano, ma chissà. Resta la grandezza di chi continua a cercare: l’essenza di questo lavoro strano e tremendo sta tutta là, in quella persona che guarda quello schermo fisso da cinquanta anni a questa parte. Qualcuno ha detto: “Non è vero che il ricercatore insegue la verità, è la verità che insegue il ricercatore.” E forse è vero.

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