ANDREA POSSENTI
A
l’alta fantasia qui mancò possa;/ma già volgeva il
mio disio e ‘l velle,/
sì come rota ch’igualmente è mossa,/l’amor che
move il sole e l’altre stelle.
(Dante Alighieri, Paradiso, Canto XXXIII)
Vincitore del Premio Cartesio 2005, il massimo riconoscimento europeo per la ricerca scientifica, un gruppo di ricerca anglo-italiano ha scoperto due anni fa la doppia pulsar PSR J0737-3039, un faro gravitazionale che consente di mettere alla prova la teoria della Relatività Generale di Albert Einstein. Una scoperta importante, pubblicata su Nature nel dicembre 2003, di cui abbiamo parlato con Andrea Possenti, Ricercatore presso l’Osservatorio Astronomico di Cagliari, che insieme al Prof. Nichi D’Amico e a Marta Burgay fa parte del team italiano dell’INAF e dell’Università di Cagliari.
di Simonetta Suzzi
Il vostro gruppo di lavoro ha cominciato a studiare una coppia di stelle molto particolare. Ce ne può parlare?
Si chiamano stelle di neutroni. Sono delle stelle grandissime, con una massa che può arrivare a 25 volte quella del Sole, che al termine della loro fase evolutiva subiscono un’enorme esplosione. Il nucleo della stella, però, non esplode, ma diminuisce il suo raggio che diventa delle dimensioni di non più di 20/30 chilometri di diametro. Dentro ad esso, comunque, è confinata tutta la massa che c’era nel nucleo della stella originale. Questa grande compressione fa sì che le tre particelle di cui essenzialmente è composta la materia (neutroni, protoni e elettroni) di fatto diventino una sola particella, solo neutroni. Da qui il nome, stelle di neutroni. Sono appunto stelle massicce; infatti il Sole non esploderà mai e non diventerà mai una stella di neutroni perché non ha abbastanza massa. In più, per le modalità in cui si formano, queste stelle ruotano vorticosamente. Il Sole fa una rotazione in circa 11 giorni, la Terra in 24 ore intorno al proprio asse nel suo moto diurno. Queste stelle, invece, fanno una rotazione intorno al proprio asse in 8/10 secondi, quelle più lente, fino a 600 giri in un secondo, quelle più veloci. Sono delle vere e proprie trottole, pesantissime, un sorta di volani cosmici, dei quali è estremamente difficile cambiare lo stato di rotazione o, se vogliamo vederla da un altro punto di vista, la cui rotazione è estremamente stabile. Alla base del principio degli orologi c’è il fatto che il meccanismo che sanziona lo scorrere del tempo deve essere il più possibile stabile e non deve essere soggetto a fluttuazioni e interferenze. Ebbene, queste stelle di neutroni rapidamente rotanti sono molto vicine a essere - e nell’arco di qualche anno lo diventeranno - il miglior orologio dell’universo.
È per questo che sono definite come orologi cosmici di precisione?
Esattamente.
Ogni rotazione la possiamo immaginare come il ticchettio di un orologio,
come un impulso che ci dà lo scorrere del tempo. Il conto delle
rotazioni equivale alla misurazione di un intervallo di tempo. È
stato possibile dimostrare che per misurare intervalli di tempo più
lunghi di qualche anno non esiste nell’universo niente di più
preciso - inclusi gli orologi terrestri come quelli al maser (orologi
atomici in cui la base del tempo è determinata dalla frequenza
di risonanza di un atomo, n.d.r.) o al cesio costruiti dall’uomo
- che contare il numero di rotazioni di una stella di neutroni rapidamente
rotante tra l’istante iniziale e quello finale dell’intervallo
di tempo che vogliamo misurare. Se andiamo a misurare un intervallo di
tempo di 10 secondi gli orologi al cesio o quelli atomici sono sicuramente
quelli che assicurano la maggiore precisione, ma se si deve misurare un
intervallo di qualche anno le stelle di neutroni sono il migliore orologio
esistente di fatto, con in più il vantaggio di non dover essere
caricato, perché l’energia è stata impressa al momento
della formazione del sistema stesso. L’unica cosa da fare è
puntare un radiotelescopio verso la stella di neutroni e misurare il numero
di impulsi che ci arrivano.
Oltre ad essere rapidamente rotanti, questo tipo di stelle sono anche
altamente magnetizzate. La combinazione di queste due caratteristiche
fa sì che queste stelle emettano onde radio, proprio come un trasmettitore
televisivo. Ma, a differenza di quest’ultimo, che tende a distribuire
il segnale in tutte le direzioni, queste stelle emettono il segnale soltanto
dentro due fasci conici. Un po’ come può essere la luce di
un faro, che non è continua ma pulsata. Allo stesso modo noi riceviamo
il segnale radio dalle stelle di neutroni rapidamente rotanti solo quando
il fascio di emissione conico delle onde radio è diretto verso
di noi; quando è diretto verso un’altra direzione non vediamo
nulla. Se i due coni fossero diametralmente opposti e noi guardassimo
esattamente lungo il loro asse, riceveremmo due impulsi per ogni rotazione,
ma questo capita molto raramente.
Perché?
Perché di solito i due coni sono un po’ “sbilenchi” e noi non guardiamo esattamente lungo il loro asse. Perciò quello che tipicamente si vede di queste stelle è un impulso radio per ogni rotazione. Il numero di impulsi radio corrisponde al numero di rotazioni. E quindi abbiamo la possibilità di avere due orologi, di cui calcolare il ritmo. Invece di leggere su un quadrante il movimento di una lancetta o su un display un numero digitale che corre, contiamo il numero di impulsi. E, come accennavo prima, quando misuriamo intervalli di tempo lunghi qualche anno, nessun orologio terrestre riesce a restare stabile e preciso per tante ragioni, perché il voltaggio cambia, la terra trema, e tante altre cose che, sebbene marginalmente, influiscono sulla precisione di un qualunque segnatempo. Invece, la stella di neutroni è imperturbabile e perciò si può determinare il tempo tra due impulsi successivi con la massima precisione. Questa particolare classe di stelle di neutroni che pulsano in radio ha un nome più specifico: radio pulsar. Non tutte le stelle di neutroni, però, sono radio pulsar, perché magari hanno il fascio di emissione radio che punta altrove e mai nella nostra direzione. Per farle un esempio, se lei va a Genova avvicinandosi dal mare può vedere la lanterna, ma se arriva con un pallone aerostatico dall’alto vedrà che la lanterna non emette luce verso il cielo.
Studiando queste stelle, quindi, che cosa è emerso?
In moltissimi casi queste radio pulsar sono isolate, ruotando senza influssi di altri corpi celesti. In qualche caso più raro succede però che una stella di neutroni si possa trovare in un sistema binario, orbitando cioè intorno ad un’altra stella. Nell’universo sono molte le stelle binarie. Una frazione ancora più piccola di queste stelle binarie è formata da una stella di neutroni che orbita attorno a una normale, ma se ne conoscono poche, meno di una decina. E poi c’è una classe ancora più specifica di stelle binarie che sono formate da una stella di neutroni che ruota attorno a un’altra stella di neutroni. Di queste se ne conoscono ora otto in tutto nella nostra galassia e sono chiamate doppie stelle di neutroni. Fino al 2003 conoscevamo stelle binarie di cui una soltanto era una radio pulsar. E poi il nostro gruppo, formato da me, da Marta Burgay, e dal Prof. Nichi D’Amico, con la collaborazione dei nostri colleghi dell’Università di Manchester e dell’Australian Telescope National Facility (ATNF), ha scoperto il primo sistema di due stelle di neutroni in cui ambedue sono radio pulsar, il primo e unico conosciuto a tutt’oggi.
Si tratta perciò di due radio pulsar che orbitano una attorno all’altra.
Sì. È come avere due orologi che orbitano uno attorno all’altro e si può misurare il tempo con uno o con l’altro. Le osservazioni dell’uno sono indipendenti da quelle dell’altro, ma ognuno dei due risente della presenza dell’altro. Tutto ciò è molto importante per indagare la teoria scientifica più famosa, o almeno la più nota al pubblico, che è quella della Relatività Generale di Albert Einstein. Questa teoria non è facilmente verificabile in laboratorio per una serie di motivi legati a difficoltà strumentali. Perciò ci si rivolge al cosmo per cercare di trovare dei laboratori naturali per cercare di verificare se le predizioni della relatività generale trovano riscontro nel comportamento della natura. Sebbene la teoria sia molto interessante e chi l’ha proposta sia un grande genio non c’è certezza che sia quella migliore. Allora bisogna fare prove sul campo. Proprio una misurazione fatta con un tale sistema, in cui però solo una stella era una radio pulsar, ha permesso a Joseph Taylor e Russell Hulse nei primi anni ’90 di rilevare delle onde gravitazionali previste da Einstein. Questo è stato un grande risultato che è valso loro il premio Nobel. Noi abbiamo scoperto un sistema in cui entrambe le stelle sono radio pulsar, che ci permette di fare misure combinate più precise di quelle di Taylor e Hulse. Già solamente a due anni dalla sua scoperta, siamo oggi in grado di dire che, applicando le equazioni di Einstein a questo sistema, queste combaciano con le osservazioni che stiamo facendo entro lo 0,1% e contiamo nei prossimi dieci anni di migliorare ancora di almeno un fattore 10 queste osservazioni, così da poter ad esempio arrivare a dire che la teoria della Relatività Generale è quella giusta entro un errore massimo dello 0,01%.
È stata una grande soddisfazione ricevere il premio Cartesio, il massimo riconoscimento europeo per la ricerca scientifica?
Assolutamente sì. È un premio riservato alla ricerca cooperativa europea e la scoperta della pulsar doppia è stata essenzialmente una collaborazione italo-inglese. Siamo molto contenti di questo riconoscimento, che ha premiato un lavoro durato nel tempo. Non è che abbiamo puntato un radiotelescopio a caso e abbiamo ottenuto subito il risultato. La nostra scoperta è il frutto di migliaia e migliaia di puntamenti, di ore di calcolo e analisi dati, che abbiamo condotto a Cagliari e a Manchester. È un progetto iniziato nel 1997, che ha prodotto la scoperta di circa 800 nuove radio pulsar fino all’ultima, la più interessante, della doppia pulsar.
Che ruolo svolge il tempo nella ricerca scientifica?
Nel nostro tipo di ricerca è stato fondamentale. Chi si occupa di radioastronomia delle pulsar misura intervalli di tempo. Più in generale, è comunque fondamentale in astrofisica e in ogni tipo di scienza avere una precisa nozione delle scale temporali su cui si sviluppano gli esperimenti, perché il tempo entra in modo chiaro e intrinseco - e lo ha spiegato anche Einstein stesso - nelle misure che facciamo. Non è una variabile assoluta e indipendente come pensavano i fisici classici del XVII secolo, da Newton in avanti, semplicemente una freccia per mettere uno dopo l’altro gli accadimenti. Il tempo entra dentro agli esperimenti perché l’universo è fatto da uno spazio/ tempo a quattro dimensioni, e agire in qualunque modo sullo spazio implica dover tenere conto di come il tempo in quel punto dello spazio scorre. Perciò i due aspetti sono del tutto inestricabili.
Che applicazioni pratiche ha l’astronomia?
L’astronomia è la più antica delle scienze in assoluto. I nostri predecessori della preistoria facevano un’astronomia diversa dalla nostra, perché usavano solamente l’occhio nudo e avevano scopi di sopravvivenza. Era un’astronomia ciclica, tesa a studiare il ripetersi degli eventi per stabilire delle scale temporali sulle quali costruire l’agire umano. Ad esempio, la semina nell’antico Egitto doveva svolgersi entro un certo numero di giorni prima che arrivasse la piena del Nilo, altrimenti non c’era il raccolto. I calendari antichi si basavano sul ripetersi degli eventi del cielo. Fare astronomia storicamente era una necessità per fare le cose al momento giusto per sopravvivere. La domanda come funziona il cosmo è molto posteriore ed è prettamente culturale, nasce con Galileo e Newton. Da allora in poi l’astronomia diventa “culturale”, più che utile alla pratica quotidiana. È stato osservando la spettroscopia del Sole, ad esempio, che si è scoperto qual è il secondo elemento chimico più abbondante nell’universo, l’elio, che fino alla meta dell’800 era sconosciuto. A tutt’oggi lo studio dell’astronomia è uno studio di carattere culturale. è una scienza che ha il pregio di avere a disposizione un laboratorio che è l’universo stesso, che non ci costa niente in termini di denaro e nel quale possiamo sondare tante teorie che in un laboratorio terrestre sarebbe difficile indagare. Possiamo considerare sempre più l’astronomia come una branca della fisica, tanto che oggi si preferisce parlare di astrofisica. Si tratta di un modo per indagare come funziona la natura utilizzando un laboratorio particolare, più grande e gratis, rispetto a quello che potremmo costruire noi.
La parola “gratis” ci fa pensare ai problemi di fondi che ha tuttora la ricerca…
Sicuramente. I fondi dobbiamo utilizzarli solo per costruire dei rivelatori in grado di percepire i segnali che arrivano dal cosmo. Poi, per mettere a punto questi rivelatori che ci permettono di captare le onde elettromagnetiche che arrivano dal cosmo, i macchinari in grado di rilevare le onde radio infrarosse ottiche con alta efficienza, focalizzarle e via dicendo, c’è bisogno di un grande sviluppo tecnologico. E in questo campo gli astronomi si sono distinti parecchio nei decenni scorsi. Parte del loro expertise è stato poi “riciclato” anche in altri campi più vicini alla pratica quotidiana. Fra i progetti dell’Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF), l’ente italiano che coordina l’attività degli osservatori, c’è la possibilità di utilizzare parte delle conoscenze che gli astronomi hanno acqisito nel ricevere onde e focalizzarle e costruire telescopi, per realizzare apparecchiature ottiche da utilizzare ad esempio in oftalmologia. Recentemente è stato siglato un accordo per mettere a disposizione le conoscenze di questi campi per migliorare aspetti legati all’indagine del bulbo oculare e alla sua cura, e così via. Comunque, l’astrofisica è e rimane principalmente un’attività culturale che ha lasciato segni sulla conoscenza umana, e ne lascerà ancora di più in futuro.
E qual è invece il suo rapporto personale con il tempo?
Io sono una persona che tende a fare le cose all’ultimo momento, anche se ciò mi causa stress inutile, un po’ per attitudine personale, un po’ per i vari aspetti del nostro lavoro, in cui c’è una parte di analisi dati, di osservazione, di interazione con gli studenti, oltre a una parte burocratica come le richieste di fondi per portare avanti la ricerca, con una dead-line precisa. Tutto questo crea a volte difficoltà nella programmazione del lavoro: per esempio, succede sempre che quando dobbiamo fare domanda per richiedere osservazioni dai principali telescopi del mondo, ci riduciamo sempre all’ultimo, sebbene tutte le volte ci si programmi per cercare di finire in tempo. Invece dobbiamo sempre fare nottate intere per finire di scrivere e inviare la proposta 20 secondi prima della scadenza dell’ora utile…
