Il Premio Nobel per la Fisica 2020 ha celebrato tre scienziati che hanno contribuito in modo decisivo a trasformare i buchi neri da affascinanti ipotesi matematiche a oggetti astronomici la cui esistenza è oggi sostenuta da prove sempre più solide.
La metà del riconoscimento è stata assegnata a Roger Penrose, per aver dimostrato che la formazione dei buchi neri rappresenta una conseguenza della teoria della relatività generale di Albert Einstein. L’altra metà è stata invece attribuita a Reinhard Genzel e Andrea Ghez, premiati per la scoperta di un oggetto compatto e supermassiccio al centro della nostra galassia, la Via Lattea.
Il loro lavoro ha un punto di incontro fondamentale: da una parte la matematica ha dimostrato che i buchi neri possono realmente formarsi; dall’altra l’osservazione astronomica ha fornito le prove dell’esistenza di uno di questi giganteschi oggetti proprio nel cuore della nostra galassia.
Roger Penrose e la dimostrazione matematica dei buchi neri
Quando Albert Einstein elaborò la relatività generale nel 1915, difficilmente avrebbe potuto immaginare quanto profondamente quella teoria avrebbe modificato la nostra concezione dell’Universo.
La relatività generale descrive la gravità non semplicemente come una forza, ma come una conseguenza della deformazione dello spazio-tempo provocata dalla presenza della materia e dell’energia.
Le equazioni di Einstein ammettevano anche la possibilità dell’esistenza di oggetti estremamente compatti, capaci di produrre una curvatura dello spazio-tempo così intensa da impedire persino alla luce di allontanarsi. Quello che inizialmente poteva apparire come una sorta di anomalia matematica nelle soluzioni delle equazioni di Einstein si sarebbe rivelato, con gli sviluppi successivi della fisica, una possibilità concreta prevista dalla relatività generale.
Per molto tempo, tuttavia, i buchi neri rimasero soprattutto una possibilità teorica.
La svolta arrivò con il lavoro di Roger Penrose. Nel 1965 il fisico e matematico britannico dimostrò che la formazione dei buchi neri non era una semplice curiosità derivante da particolari condizioni ideali, ma poteva rappresentare una conseguenza concreta e robusta della relatività generale.
Penrose sviluppò nuovi strumenti matematici per affrontare le situazioni in cui la materia collassa sotto l’effetto della propria gravità. Il suo contributo mostrò che anche in presenza di condizioni non perfettamente simmetriche e di inevitabili irregolarità fisiche, il collasso gravitazionale può portare alla formazione di un buco nero.
Uno degli elementi centrali del suo lavoro è il concetto di superficie intrappolata: una regione dello spazio nella quale anche i raggi luminosi vengono inevitabilmente indirizzati verso l’interno.
Il risultato conduce a una delle caratteristiche più estreme dei buchi neri: la singolarità, una regione in cui le descrizioni fornite dalla relatività generale raggiungono condizioni limite. Non si tratta semplicemente di un’anomalia osservativa: è piuttosto il segnale che, in quelle condizioni estreme, la nostra attuale descrizione fisica dello spazio e del tempo incontra i propri limiti e potrebbe richiedere una teoria più completa, capace di conciliare gravità e meccanica quantistica.
Il lavoro pubblicato da Penrose nel gennaio 1965 è considerato uno dei contributi più importanti alla relatività generale dopo Einstein. La sua ricerca ha fornito una base matematica fondamentale per comprendere la nascita e l’evoluzione dei buchi neri.
Sagittarius A*: il gigantesco oggetto nascosto al centro della Via Lattea
Se Penrose ha fornito la dimostrazione teorica della possibilità che i buchi neri si formino, Reinhard Genzel e Andrea Ghez hanno contribuito in maniera decisiva a dimostrare che nell’Universo esistono realmente oggetti compatibili con questa descrizione.
I loro studi si sono concentrati sul centro della Via Lattea, in una regione denominata Sagittarius A*.
In quella minuscola porzione della nostra galassia si concentra una quantità di massa impressionante: circa quattro milioni di volte quella del Sole, racchiusa in uno spazio relativamente piccolo.
Il problema era apparentemente semplice quanto difficilissimo da risolvere: un buco nero, per sua stessa natura, non emette luce che possa essere osservata direttamente. Come si può quindi dimostrarne l’esistenza?
La risposta è arrivata osservando ciò che gli sta intorno.
La gravità di un oggetto così massiccio modifica radicalmente il movimento delle stelle vicine. Se si riesce a misurare con sufficiente precisione le loro orbite, è possibile ricostruire le caratteristiche dell’oggetto invisibile che le influenza.
Ed è proprio questo che hanno fatto per decenni i gruppi guidati da Genzel e Ghez. Le straordinarie velocità e traiettorie delle stelle più vicine al centro galattico rappresentavano infatti un’anomalia soltanto in apparenza: i loro movimenti diventavano comprensibili ipotizzando la presenza di un’enorme massa invisibile concentrata in uno spazio estremamente ridotto.
Quasi trent’anni per osservare la danza delle stelle
A partire dagli anni Novanta, i due gruppi di ricerca hanno seguito sistematicamente le stelle che si trovano nelle immediate vicinanze di Sagittarius A*.
Il gruppo di Reinhard Genzel ha utilizzato inizialmente il New Technology Telescope (NTT) dell’ESO, presso La Silla, in Cile, e successivamente il Very Large Telescope (VLT) dell’Osservatorio del Cerro Paranal.
Andrea Ghez, invece, ha condotto le sue osservazioni utilizzando il Keck Observatory, situato sul Mauna Kea, alle Hawaii.
Il problema osservativo era enorme. Il centro della Via Lattea è nascosto dietro una grande quantità di gas e polveri interstellari che rendono estremamente difficile osservare le stelle che orbitano nelle sue vicinanze.
Gli astronomi hanno quindi dovuto sviluppare tecniche sempre più sofisticate per correggere gli effetti della turbolenza atmosferica e aumentare la precisione delle osservazioni.
Anno dopo anno, le posizioni delle stelle sono state registrate con una precisione sempre maggiore. Le loro traiettorie hanno permesso di ricostruire il campo gravitazionale presente nel cuore della galassia.
Il risultato è stato straordinario: le stelle si muovono come se fossero sottoposte all’attrazione di un oggetto invisibile con una massa di circa quattro milioni di Soli.
La spiegazione più convincente è proprio quella di un buco nero supermassiccio.
La stella S2 e l’orbita intorno al mostro galattico
Tra le stelle osservate dagli astronomi ce n’è una particolarmente importante: S2, conosciuta anche come S0-2.
Questa stella completa un’orbita intorno a Sagittarius A* in circa 16 anni, raggiungendo velocità elevatissime quando passa vicino al centro galattico.
Il dato permette di comprendere quanto sia straordinaria la situazione. Il nostro Sole, infatti, impiega più di 200 milioni di anni per compiere un’orbita completa attorno al centro della Via Lattea.
Seguendo S2 e le altre stelle vicine al centro galattico, gli astronomi hanno potuto studiare in dettaglio gli effetti della gravità estrema generata da Sagittarius A*. Qualunque anomalia significativa rispetto alle orbite previste può inoltre diventare uno strumento prezioso per mettere alla prova la relatività generale e cercare eventuali effetti fisici ancora non spiegati dai modelli attuali.
Queste osservazioni hanno rappresentato una delle prove più convincenti dell’esistenza del buco nero supermassiccio al centro della nostra galassia.
Dalla teoria di Einstein alle osservazioni astronomiche
Il percorso che conduce dal lavoro di Einstein e Penrose alle osservazioni di Genzel e Ghez racconta una delle storie più affascinanti della fisica moderna.
La relatività generale aveva previsto la possibilità di regioni dello spazio-tempo così estreme da impedire persino alla luce di fuggire. Per decenni, però, i buchi neri sono rimasti soprattutto oggetti matematici.
Il contributo di Penrose ha dimostrato che il loro processo di formazione è compatibile con condizioni realistiche di collasso gravitazionale. Le osservazioni di Genzel e Ghez hanno poi portato il problema dal piano teorico a quello astronomico: studiando il movimento delle stelle è stato possibile individuare un oggetto invisibile, estremamente compatto e dotato di una massa enorme.
Nel 2019 la collaborazione Event Horizon Telescope ha prodotto la prima immagine dell’ombra di un buco nero, quello situato al centro della galassia M87. Successivamente la stessa collaborazione è riuscita a ottenere anche l’immagine di Sagittarius A*, annunciata nel 2022, fornendo un’ulteriore e spettacolare conferma della presenza del buco nero supermassiccio al centro della Via Lattea.
I numeri e la storia del Nobel per la Fisica
Il Premio Nobel per la Fisica ha una lunga storia, caratterizzata da scoperte rivoluzionarie e da una progressiva crescita della partecipazione internazionale alla ricerca scientifica.
Tra i casi più particolari c’è quello di John Bardeen, l’unico scienziato ad aver ricevuto due volte il Nobel per la Fisica.
Il primo riconoscimento arrivò nel 1956 per il lavoro sul transistor, condiviso con William Bradford Shockley e Walter Brattain. Il secondo arrivò nel 1972 per la teoria della superconduttività ordinaria, insieme a Leon Neil Cooper e John Robert Schrieffer.
Anche la presenza delle donne nella storia del Nobel per la Fisica è particolarmente significativa, sebbene per lungo tempo sia rimasta estremamente limitata.
Marie Curie fu premiata nel 1903 e successivamente ricevette anche il Nobel per la Chimica nel 1911. Nel 1963 il riconoscimento andò a Maria Goeppert-Mayer, mentre nel 2018 fu la volta di Donna Strickland, premiata per le sue ricerche nel campo dell’ottica laser.
Quando il Nobel passa da padre a figlio
La storia del Nobel per la Fisica comprende anche diversi casi in cui la passione e il talento scientifico sono stati trasmessi da una generazione all’altra.
Nel 1915 il premio fu assegnato a William Bragg e Lawrence Bragg, padre e figlio, per le loro ricerche sulla struttura dei cristalli attraverso i raggi X.
Un’altra celebre famiglia scientifica è quella dei Bohr. Nel 1922 Niels Bohr ricevette il Nobel per i suoi studi sulla struttura degli atomi e sulla radiazione da essi emessa. Nel 1975 anche suo figlio Aage N. Bohr ottenne il prestigioso riconoscimento, condividendolo con Ben Roy Mottelson e Leo James Rainwater.
La stessa tradizione scientifica si ritrova nella famiglia Siegbahn. Manne Siegbahn vinse il Nobel nel 1924 per le sue ricerche sulla spettroscopia a raggi X, mentre suo figlio Kai M. Siegbahn ricevette il premio nel 1981 per il contributo allo sviluppo della spettroscopia elettronica ad alta risoluzione.
Anche J. J. Thomson e suo figlio George Paget Thomson furono entrambi premi Nobel per la Fisica. Il primo fu premiato nel 1906 per le sue ricerche sulla conduzione dell’elettricità nei gas; il secondo ricevette il Nobel nel 1937, insieme a Clinton Joseph Davisson, per la scoperta sperimentale della diffrazione degli elettroni attraverso i cristalli.
La storia del Nobel per la Fisica mostra quindi come la ricerca scientifica possa attraversare generazioni, discipline e strumenti diversi.
Nel caso del Nobel 2020, il filo conduttore è particolarmente affascinante: dalla matematica di Penrose alle osservazioni astronomiche di Genzel e Ghez, i buchi neri sono passati dall’essere una delle conseguenze più estreme della teoria di Einstein a diventare autentici laboratori cosmici nei quali mettere alla prova le leggi fondamentali della fisica.
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