Nobel per la Fisica a Penrose, Genzel e Ghez, i tre scienziati che studiano i buchi neri

Dopo il cosmologo canadese James Peebles, e gli astronomi svizzeri Michel Mayor e Didier Queloz, tre scienziati hanno vinto il Premio Nobel 2020 per la Fisica, per aver migliorato la nostra comprensione dei buchi neri.
Metà del premio va al britannico Roger Penrose, l’altra metà se la contendono il tedesco Reinhard Genzel e l’americana Andrea Ghez “per la scoperta di un oggetto compatto supermassiccio al centro della nostra galassia“.

I premi celebrano “uno degli oggetti più esotici dell’universo, i buchi neri, che sono diventati un punto fermo della scienza e dove il tempo sembra addirittura essersi fermato“, hanno detto gli scienziati del Comitato Nobel.

Penrose ha dimostrato con la matematica che la formazione di buchi neri era possibile, basata pesantemente sulla teoria della relatività generale di Albert Einstein. Genzel e Ghez hanno osservato il centro polveroso della nostra Via Lattea, dove stava succedendo qualcosa di strano, e dove diverse stelle si muovevano intorno a qualcosa che non potevano vedere. Era un buco nero supermassiccio, 4 milioni di volte la massa del nostro sole. Ed ora, gli scienziati sanno che tutte le galassie hanno buchi neri supermassicci.

Il prestigioso premio arriva con una medaglia d’oro e un premio in denaro di 10 milioni di corone svedesi (oltre 1,1 milioni di dollari), grazie a un lascito lasciato 124 anni fa dal creatore del premio, l’inventore svedese Alfred Nobel e il cui importo è stato aumentato di recente per adeguarsi all’inflazione.

Lunedì, il Comitato Nobel ha assegnato il premio per la fisiologia e la medicina agli americani Harvey J. Alter e Charles M. Rice e allo scienziato britannico Michael Houghton per aver scoperto il virus dell’epatite C.

Gli altri premi, che saranno annunciati nei prossimi giorni, riguardano lavori eccezionali nei campi della chimica, della letteratura, della pace e dell’economia.

I BUCHI NERI E IL SEGRETO PIU’ OSCURO DELLA VIA LATTEA – Roger Penrose ha mostrato che la teoria generale della relatività porta alla formazione di buchi neri. Reinhard Genzel e Andrea Ghez hanno scoperto che un oggetto invisibile ed estremamente pesante governa le orbite delle stelle al centro della nostra galassia. Un buco nero supermassiccio, l’unica spiegazione attualmente nota.

Einstein stesso non credeva che i buchi neri esistessero davvero, questi mostri super pesanti che catturano tutto ciò che entra nel loro interno. Nel gennaio 1965, dieci anni dopo la morte di Einstein, Roger Penrose dimostrò che i buchi neri possono davvero formarsi e li descrisse in dettaglio; nel loro cuore, i buchi neri nascondono una singolarità in cui tutte le leggi conosciute della natura cessano. Il suo articolo innovativo del 1965 è ancora considerato il contributo più importante alla teoria della relatività generale dai tempi di Einstein.

Reinhard Genzel e Andrea Ghez guidano ciascuno un gruppo di astronomi che, dall’inizio degli anni ’90, si è concentrato su una regione chiamata Sagittarius A*, al centro della nostra galassia. Le misurazioni di questi due gruppi concordano, trovando entrambi un oggetto estremamente pesante e invisibile che attira l’accozzaglia di stelle, facendole correre a velocità vertiginose. Circa quattro milioni di masse solari sono raggruppate in una regione non più grande del nostro sistema solare.

Utilizzando i telescopi più grandi del mondo, Genzel e Ghez hanno sviluppato metodi per vedere attraverso le enormi nubi di gas e polvere interstellari fino al centro della Via Lattea. Allargando i limiti della tecnologia, hanno perfezionato nuove tecniche per compensare le distorsioni causate dall’atmosfera terrestre, costruendo strumenti unici e impegnandosi nella ricerca a lungo termine. Il loro lavoro pionieristico ci ha fornito le prove più convincenti di un buco nero supermassiccio al centro della Via Lattea.

“Le scoperte dei vincitori di quest’anno hanno aperto nuove strade nello studio di oggetti compatti e supermassicci. Ma questi oggetti esotici pongono ancora molte domande che chiedono risposte e motivano la ricerca futura. Non solo domande sulla loro struttura interna, ma anche domande su come per testare la nostra teoria della gravità nelle condizioni estreme nelle immediate vicinanze di un buco nero“, afferma David Haviland, presidente del Comitato per il Nobel per la fisica.

Per più di cinquant’anni, i fisici hanno sospettato che potesse esserci un buco nero al centro della Via Lattea. Da quando i quasar furono scoperti nei primi anni ’60, i fisici pensarono che buchi neri supermassicci potessero essere trovati all’interno della maggior parte delle galassie di grandi dimensioni, inclusa la Via Lattea. Tuttavia, nessuno può attualmente spiegare come si siano formate le galassie e i loro buchi neri, tra pochi milioni e molti miliardi di masse solari.

Cento anni fa, l’astronomo americano Harlow Shapley fu il primo a identificare il centro della Via Lattea, in direzione della costellazione del Sagittario. Con osservazioni successive gli astronomi hanno trovato lì una forte sorgente di onde radio, a cui è stato dato il nome Sagittarius A*. Verso la fine degli anni ’60, divenne chiaro che Sagittarius A* occupasse il centro della Via Lattea, attorno alla quale orbitano tutte le stelle della galassia.

I TELESCOPI – L’astronomo tedesco Reinhard Genzel e il suo gruppo hanno usato inizialmente NTT, il New Technology Telescope sul monte La Silla in Cile. Alla fine hanno spostato le loro osservazioni nella struttura del Very Large Telescope, VLT, sulla montagna del Paranal (sempre in Cile). Con quattro telescopi giganti grandi il doppio di NTT, il VLT ha gli specchi monolitici più grandi del mondo, ciascuno con un diametro di oltre 8 metri.

Negli Stati Uniti, Andrea Ghez e il suo gruppo di ricerca utilizzano il Keck Observatory, situato sulla montagna hawaiana di Mauna Kea. I suoi specchi hanno un diametro di quasi 10 metri e sono attualmente tra i più grandi al mondo. Ogni specchio è come un nido d’ape, composto da 36 segmenti esagonali che possono essere controllati separatamente per focalizzare meglio la luce delle stelle.

LE STELLE INDICANO LA STRADA – Per quanto grandi siano i telescopi, c’è sempre un limite ai dettagli che possono risolvere perché viviamo sul fondo di un mare atmosferico profondo quasi 100 chilometri. Grandi bolle d’aria sopra il telescopio, che sono più calde o più fredde dell’ambiente circostante, agiscono come lenti e rifrangono la luce nel suo percorso verso lo specchio del telescopio, distorcendo le onde luminose. Questo è il motivo per cui le stelle brillano e anche perché le loro immagini sono sfocate.

L’avvento dell’ottica adattiva è stato cruciale per migliorare le osservazioni. I telescopi sono ora dotati di un sottile specchio extra che compensa la turbolenza dell’aria e corregge l’immagine distorta.

Per quasi trent’anni, Reinhard Genzel e Andrea Ghez hanno seguito le loro stelle nel lontano miscuglio stellare al centro della nostra galassia. Continuano a sviluppare e perfezionare la tecnologia, con sensori di luce digitali più sensibili e migliori ottiche adattive, in modo che la risoluzione dell’immagine sia migliorata di oltre mille volte. Ora sono in grado di determinare con maggiore precisione la posizione delle stelle, seguendole notte dopo notte.

TEORIA E OSSERVAZIONI SI SUSSEGUONO – L’accordo tra le misurazioni delle due squadre è stato eccellente, portando alla conclusione che il buco nero al centro della nostra galassia dovrebbe essere equivalente a circa 4 milioni di masse solari, racchiuse in una regione delle dimensioni del nostro sistema solare.

Presto potremmo dare uno sguardo diretto a Sagittarius A*. Questo è il prossimo della lista perché, poco più di un anno fa, la rete astronomica Event Horizon Telescope è riuscita a fotografare l’ambiente più vicino a un buco nero supermassiccio nella galassia Messier 87 (M87), a 55 milioni di anni luce da noi.

Il nucleo nero di M87 è gigantesco, più di mille volte più pesante del Sagittarius A*. Come i buchi neri, le onde gravitazionali esistevano solo come calcoli della teoria della relatività generale di Einstein, prima di essere catturate per la prima volta nell’autunno del 2015 dal rivelatore LIGO negli Stati Uniti (Premio Nobel per la fisica, 2017).

QUELLO CHE NON SAPPIAMO – Roger Penrose ha mostrato che i buchi neri sono una diretta conseguenza della teoria della relatività generale ma, nella gravità infinitamente forte della singolarità, questa teoria cessa di essere applicata. È in corso un intenso lavoro nel campo della fisica teorica per creare una nuova teoria della gravità quantistica. Questo deve unire i due pilastri della fisica, la teoria della relatività e la meccanica quantistica, che si incontrano nell’estremo interno dei buchi neri.

Allo stesso tempo, le osservazioni si stanno avvicinando ai buchi neri. Il lavoro pionieristico di Reinhard Genzel e Andrea Ghez ha aperto la strada a nuove generazioni di test precisi della teoria generale della relatività e delle sue previsioni più bizzarre. Molto probabilmente, queste misurazioni saranno anche in grado di fornire indizi per nuove intuizioni teoriche. L’universo ha ancora molti segreti e sorprese da scoprire.