Il premio Nobel 2011 all'astrofisica

Il Sesa intento nella sua
seconda passione: la cucina

Lo sapete vero che ieri sono stati assegnati i Premi Nobel per la fisica 2011? Quest'anno se lo dividono tre astrofisici che si sono occupati di studiare come il nostro universo si stia espandendo. L'astrofisica non è decisamente il mio mestiere e perciò ho chiesto ad Alberto, per gli amici Sesa di raccontarci un po' la fisica dietro a questo premio. Alberto ha una laurea e un dottorato in astrofisica entrambi ottenuti all'università dell'Insubria di Como, si definisce un cervello scappato di casa e un astrofisico nomade che gira per il mondo seguendo binarie di buchi neri super-massivi. Un anno a Birmingham (UK), due anni a State College (Pennsylvania) e ora, da due anni, all'Albert Einstein Institute di Potsdam (Berlino). Se volete ringraziarlo per la bella spiegazione che segue, come certamente farò io, di sicuro gradirà una chiacchierata accompagnata da una buona birra! 


Buona lettura!

E' stata scoperta l'espansione accelerata dell'Universo! Bello... cosa vuol dire? In realtà è concettualmente molto semplice (anche se tecnicamente molto complesso), e come per i neutrini e per mille altre cose in fisica, tutto si riduce a misurare una velocità; il che, alla fine, significa misurare una distanza e un tempo.

Facciamo un passo indietro, agli anni 20. Edwin Hubble misura righe di assorbimento in spettri di galassie. Per i lettori meno ferrati in materia: la radiazione continua emessa dalle stelle viene assorbita dagli elettroni degli atomi del gas interstellare in una galassia. Dato che gli elettroni possono assorbire solo energie ben precise per saltare da un livello all'altro, se si prende uno spettro (energia emessa a diverse lunghezze d'onda) di una galassia, risaltano chiaramente le righe di assorbimento prodotte dagli elementi più comuni. Gli spettri osservati da Hubble sono dei veri rompicapo, perché le lunghezze d'onda delle righe di assorbimento sembrano non corrispondere a nessun elemento conosciuto in natura. Ma ecco la scoperta: se prendi lo spettro di una galassia 'lontana' e lo sposti un po' verso sinistra, ecco che tutte le righe si sovrappongono perfettamente a righe note. Lo spettro di una galassia lontana è REDSHIFTATO , ovvero spostato verso il rosso rispetto agli spettri di emissione degli elementi conosciuti in natura. Per dirla in simboli:

dove è la lunghezza d'onda osservata, è la lungezza d'onda emessa, è il redshift. Hubble trovò una relazione lineare tra questo 'redshift' e la distanza (misurata un po' a muzzo) delle galassie. L'interpretazione del risultato è che l'Universo si espande.

Per capirlo, rispolveriamo l'inflazionatissima, ma sempre utile, analogia del palloncino che si gonfia. Prendiamo un palloncino, e disegnamoci sopra due punti E (emissione) ed O (osservatore), e mettiamoci nel sistema di riferimento di E. Se il palloncino si espande a velocità costante v, visto da E, O si allontana nel  tempo di una quantità . Supponiamo che al , E emetta un fotone. Il fotone lo disegnamo proprio come una sinusoide con lunghezza d'onda sul palloncino. Se il palloncino si espande, dopo un tempo t, la lunghezza d'onda che abbiamo disegnato è diventata . Il fotone è stato 'redshiftato', e il redshift è proprio . Ora, se la natura vuole, i fotoni viaggiano ancora alla velocità della luce c, direi che questa e` una tautologia in effetti :).

Se la distanza tra E ed O è uguale a D, nel tempo impiegato dal fotone per percorrere D, l'osservatore O si e` allontanato di . Questo significa che lo spazio si è espanso di un fattore , e cioè che la lunghezza d'onda del fotone è aumentata di (qui il lettore più sgamato noterà che siccome la distanza nel frattempo è aumentata, il fotone non verrà osservato da O al tempo , ma un po' dopo, però trascuriamo i dettagli tecnici).

Se la distanza è 2D, nel tempo , l'osservatore O si e` allontanato di , e la lunghezza d'onda è aumentata di , e così via.  Il fatto che la lunghezza d'onda aumenti è quindi dovuta al fatto che il fotone viene 'stirato' dall'espansione dell'Universo, e il livello di stiramento z è una misura di tempo.

Dobbiamo però anche misurare una distanza, che in cosmologia non è mai facile. Il modo più 'semplice' è usare la relazione flusso/luminosità. Se un oggetto ha una luminosità intriseca L, il flusso a distanza D sarà

F lo misurano i telescopi, ma L? Bisogna affidarsi alle cosiddette 'candele standard' e cioè a oggetti di cui si abbia una buona stima della luminosità intrinseca L. Le supernovae Ia sono esattamente questo. Sono stelle nane bianche in sistemi binari che accrescono lentamente massa da una stella compagna al punto di arrivare molto vicine al limite di Chandrasekhar (1.4 masse solari). Avvicinandosi a questo limite, la pressione di degenerazione degli elettroni (che tiene su le nane bianche constrastando la loro stessa gravità che tenderebbe a farle implodere), inizia a cedere, il nucleo si contrae, la temperatura aumenta, e si attiva la fusione del carbonio.
Questa attivazione è così rapida e l'energia rilasciata così elevata, che è sufficiente a far esplodere completamente la stella. La luminosità dell'esplosione, per alcuni secondi, è circa cinque miliardi di volte quella del sole, ed è quindi visibile a 'distanze cosmologiche' (cioè in galassie molto lontane). Siccome il limite di Chandrasekhar è lo stesso per ogni nana bianca, possiamo assumere (e confermare osservativamente, entro certi limiti) che la luminosità di questa esplosione sia sempre la stessa: abbiamo quindi una candela standard. Queste esplosioni vengono accompagnate da molte righe di assorbimento legate al gas presente intorno alla stella, le quali danno una misura accurata del redshift a cui avvengono.

Ecco cosa hanno fatto Saul Perlmutter, Brian Schmidt e Adam Riess, coadiuvati da due folti gruppi di collaboratori. Hanno preso un campione di 42 Supernovae Ia, hanno misurato il redshift z dalle righe di assorbimento, e stimato la distanza D dal flusso misurato dai telescopi. Hanno quindi costruito un grafico con z in ascissa e D in ordinata. Se l'espansione dell'universo fosse a velocità v costante, i punti dovrebbero cadere su una retta. Se la velocità di espansione diminuisse nel tempo, la curva dovrebbe flettere verso il basso. Ma quello che questi due gruppi (indipendentemente) hanno trovato è che la curva piega verso l'alto! Questo implica che, la velocità di espansione dell'Universo sta aumentando! Il plot (da Perlmutter et al 1999) mostra su scale bilogartimiche il redshift in ascissa e la magnitudine (una misura di distanza, in pratica, se L intrinseca è fissata, come visto sopra) in ordinata. E' evidente che i punti in alto a destra deviano verso l'alto rispetto alle linee nere che rappresenterebbero
un'espansione a velocità costante.

Questa cosa è rivoluzionaria perché, dato che la materia su grande scala è neutra (ci sono tanti protoni quanti elettroni) e che l'interazione forte e debole sono a breve raggio, l'unica forza rilevante su grande scala dovrebbe essere la gravità. Quindi in un modello di Big Bang, dopo 'l'esplosione' iniziale, l'Universo dovrebbe al più decelerare sotto l'azione della sua stessa forza di gravità. Questa scoperta ci dice che c'è qualcosa che genera una forza repulsiva su grande scala, che fa accelerare l'Universo (una sorta di antigravità). Che cos'è?

E chi lo sa? Non ne abbiamo idea. Il modo piu` semplice per 'fittare' i dati è riesumare la cara vecchia costante cosmologica di Einstein, che a tutti gli effetti introduce un termine di accelerazione nelle equazioni che governano l'espansione. Ma i cosmologi si sono sbizzarriti ad inventarne di tutte: dark energy, quintessenza, e chi più ne ha più ne metta. Ci tengo a far notare che sono tutte ipotesi ad hoc, senza un solido fondamento teorico.

Vorrei quindi a mettere in guardia i lettori da dichiarazioni trionfalistiche fatte anche da gente teoricamente esperta, tipo quel grand'uomo che (inspiegabilmente) l'Italia si ritrova come presidente dell'INAF, Bignami, che dichiara: "E' un premio profondamente meritato che va a ricercatori che hanno svolto ricerche determinanti nel campo dell'astrofisica e che ci hanno permesso di capire meglio il nostro Universo". Falso. Semmai, come un amico mi ha commentato su Facebook ieri, è tutto l'opposto. La scoperta ha un valore 'Socratico': ci ha fatto capire, direi al caro Bignami, che dell'Universo non abbiamo proprio capito nulla.

E riguardo al merito? Certamente è stata una scoperta sensazionale quanto inaspettata, tuttavia, come fa notare, tra gli altri, Margherita Hack (sempre pragmatica e lontana da facili entusiasmi), è forse un po' presto per parlare di rivoluzione. Le misure vanno confermate. L'assunzione che le supernovae Ia siano candele standard è tutta da verificare, e come ben sapete, il fatto che due gruppi abbiano ottenuto gli stessi risultati indipendentemente, non vuol dire nulla, percé se le supernovae Ia si rivelassero non essere candele standard, entrambe le misure sarebbero soggette alle stesse sistematiche. Inoltre, premesso che mi fa sempre piacere che un Nobel vada all'Astrofisica, e che la potenziale portata di questa scoperta è immensa, da teorico ci terrei, anche a beneficio del dibattito, a fare una riflessione. In fondo questi ricercatori hanno fatto una misura. Non c'è un'interpretazione teorica convincente, non ci abbiamo di fatto capito nulla. Come spesso accade in Fisica, una buona misura vale molto di più di una buona teoria agli occhi del comitato di Stoccolma.... ma questa è un'opinione personale, buona per aizzare un po' di discussione.