21.12.2021 – 08.45 – Alla SISSA di Trieste, un edificio rettangolare che si inerpica sul carso, gli ultimi studenti si apprestano a fare ritorno a casa nell’aria rigida di una sera invernale; anche se è già buio e hanno passato molte ore in ufficio, in laboratorio o nel religioso silenzio della library, molti di loro si dirigono verso il bus continuando a chiacchierare concitatamente. Nel miscuglio di lingue, si intuisce che si discute ancora dei progetti di ricerca o di concetti di geometria. Tra matematici, fisici e neuroscienziati, la SISSA accoglie circa 70 professori, 120 assegnisti di ricerca e più di 300 tra PhD e postdoc.
Abbiamo avuto l’opportunità di intervistare un postdoc dell’area di astroparticelle: Nicola Franchini, astrofisico di formazione, si è laureato in magistrale con una tesi sui buchi neri pelosi (traduzione infausta di “hairy black holes“), ci dice. Questo lavoro lo ha portato nel mondo delle teorie alternative della gravità, di cui si è occupato durante gli anni di dottorato all’università di Nottingham, UK. Ora è in SISSA insieme a un gruppo internazionale a continuare la sua ricerca. Abbiamo parlato di buchi neri, di onde gravitazionali, di limiti di una teoria scientifica.
Di cosa ti occupi nel tuo studio sui buchi neri?
“Quello che faccio è prendere soluzioni di buchi neri in teorie diverse dalla relatività standard di Einstein. Sono state proposte un sacco di teorie che differiscono dalla relatività standard”.
Un sacco?
“Sì! La quantità di teorie alternative alla relatività generale è immensa”.
Di cosa si occupa il tuo gruppo di ricerca?
“I dati che abbiamo a disposizione sui buchi neri sono molto rumorosi, per cui non sappiamo precisamente come sono fatti. La relatività generale ne offre una descrizione soddisfacente, ma questo non toglie che ci sia spazio per altre teorie in grado di spiegarli meglio. Dunque, quello che facciamo è studiare quali caratteristiche potrebbero avere i buchi neri in teorie alternative della gravità e paragonare queste potenziali caratteristiche con le corrispondenti in relatività generale. Se viene trovata una nuova teoria, la si sottopone alla prova della realtà: chi si occupa di analizzare i dati verifica se e fino a che punto la teoria è corretta”.
Nei tuoi lavori si parla spesso di oscillazioni di sistemi che descrivono i buchi neri.
“Immagina una bacinella piena d’acqua; se ci butti dentro un sassolino, tutto attorno si formano delle ondine che si smorzano nel tempo. Allo stesso modo, se le si dà una piccola perturbazione, la superficie del buco nero, chiamata “orizzonte degli eventi”, e tutto lo spaziotempo che gli sta attorno iniziano a oscillare; queste oscillazioni sono fenomeni ondulatori chiamati onde gravitazionali. Questo moto ondulatorio compare, ad esempio, nella fusione di due buchi neri: quando due buchi neri si fondono, ne risulta un unico buco nero la cui superficie oscilla fino a quando le oscillazioni non si smorzano al passare del tempo”.
Parlaci di questa fusione
“Quando due buchi neri si fondono, il loro moto è uno spiraleggiamento su un piano. Questo spiraleggiamento diventa sempre più veloce, sempre più veloce, fino a quando non avviene la fusione in un unico buco nero con le onde gravitazionali sulla superficie come risultato di questa fusione. Queste onde si propagano nello spaziotempo come le ondine sulla superficie della bacinella. Questa fusione è stata vista varie volte da noi umani; dal 2016 ad oggi, ci sono state una cinquantina di osservazioni di onde gravitazionali”.
Come le vedono?
“Al momento ci sono tre rilevatori di onde gravitazionali, uno a Cascina, vicino Pisa, che si chiama Virgo, e due negli Stati Uniti; questi strumenti si chiamano interferometri: due tubi della lunghezza identica, di due o tre chilometri, disposti vicini ma in due direzioni diverse, da cui viene fatto passare un laser; tramite uno specchio, questo laser ritorna indietro, dove incontra uno specchio semiriflettente che somma i due fasci luminosi. Se non ci sono particolari rilevazioni, nel ritornare indietro questi due fasci risultano in fase, dunque colpiscono l’ultimo schermo in un modo tale per cui si vede luce. Ora, quando attraversano lo spaziotempo, le onde gravitazionali hanno l’effetto di allungare le distanze in una direzione, e di accorciarle nell’altra; se l’interferometro intercetta un’onda gravitazionale, il laser riproduce un segnale luminoso che si accende e si spegne con una certa frequenza. Certo, per concludere che si sia trattato di un’onda gravitazionale la “forma” di questo segnale deve essere di un certo tipo, e sono tantissimi i profili possibili di un’onda gravitazionale; se il segnale ricade in uno di questi, ecco osservata un’onda gravitazionale. Considera che questi interferometri possono sentire molti altri segnali: un trattore che sta tagliando l’erba, un camion che passa ad alta velocità… sto parlando dell’interferometro di Cascina: due tubi in aperta campagna. Uno di quelli negli Stati Uniti riesce a sentire le onde dell’Oceano Atlantico, o le vibrazioni della terra”.
Sono orecchie molto sensibili
“Sì: tutte vibrazioni che si sommano tra loro. Ma siamo in grado di eliminare questo “rumore” dalle osservazioni degli interferometri perché il segnale restituito da questi altri fenomeni è ben diverso da quello di un’onda gravitazionale”.
Questi tubi, dunque, sentono delle onde che fanno luce su dei fenomeni lontanissimi da noi nel tempo e nello spazio. Ad esempio, a quando risaliva la fusione di buchi neri intercettata da Virgo e LIGO nel 2016?
“Circa 400 mega Parsec, ovvero più di un miliardo di anni luce. La cosa davvero incredibile è che possiamo intercettare queste onde, che sono l’eco di questa fusione di buchi neri lontana anni luce da noi, grazie alla natura stessa delle onde gravitazionali, che non vengono assorbite da nulla. Pensa alla luce: la luce è un’onda elettromagnetica; se spari un fascio di luce contro un blocco di atomi come può essere un muro, le onde luminose non passano oltre quel blocco, vengono assorbite dal muro. Questo non accade nel caso delle onde gravitazionali, perché sono di altra natura. Presumiamo che queste onde riescano ad attraversare ogni genere di “blocco”; è la grande fortuna di poterle intercettare anche a grandi distanze spaziotemporali”.
Ma quando parliamo di oscillazioni di onde gravitazionali, cos’è che oscilla?
“Lo spaziotempo stesso, cioè lo spazio in cui viviamo, nelle sue tre dimensioni, a cui si aggiunge la dimensione temporale. Immagina di fissare un cubo dentro lo spazio: al passaggio di un’onda gravitazionale, quello che vedrai è che questo cubo si allarga e si restringe nel tempo. E non sono gli atomi del cubo ad allontanarsi o ad avvicinarsi, ma proprio i punti fisici in cui si trova il cubo”.
Che tipo di strumenti matematici usi nel tuo lavoro?
“Equazioni che descrivono sistemi di buchi neri, ma anche metodi statistici. I metodi statistici vengono usati nella parte in cui ci confrontiamo con i dati effettivi sui buchi neri: inizialmente le nostre equazioni contengono dei parametri che si dicono “liberi”, cioè non identificativi di nessuna specifica teoria; mettendo le equazioni alla prova dei dati, riusciamo a “riempire” quei parametri inizialmente liberi e a generare nuove configurazioni teoriche dei buchi neri, nella speranza che queste risultino più fedeli alla realtà di quanto non siano quelle della relatività generale”.
Nel tuo lavoro ti scontri quindi con gli eventuali limiti di una teoria. Come avviene il processo di selezione delle teorie scientifiche? Quando una teoria prevale sull’altra e come lo scegliete?
“Alla fine dell’Ottocento c’era un astronomo francese, Le Verrier, che era stato così forte da scoprire Nettuno semplicemente notando che il moto di Giove era leggermente diverso da quello che ci si aspettava dai conti; l’unica spiegazione che gli sembrò plausibile per questo fenomeno fu l’esistenza di un pianeta che non era ancora stato osservato; con pazienza, facendo i conti all’indietro, a partire dai dati a disposizione su Giove è riuscito a stimare la posizione di questo supposto pianeta, poi ha puntato il cannocchiale e ha visto quello che poi abbiamo chiamato Nettuno. Vent’anni dopo, si è accorto che anche Mercurio presentava un ritardo minuscolo che si accumulava nei secoli; ha quindi supposto che dovesse esserci un altro pianeta tra Mercurio e il sole; eppure, provando a cercarlo sperimentalmente sembrava non ce ne fosse traccia. Alcuni anni dopo, Einstein che ha spiegato che Mercurio tardava non per via di un altro pianeta tra questo e il sole, ma perché la teoria della gravità di Newton quando si fanno osservazioni molto vicine al sole fallisce; in quest’area ha senso considerare una nuova teoria, la relatività generale”.
Quindi una nuova teoria nasce quando quella vecchia non è sufficiente a spiegare con i suoi soli strumenti i fenomeni fisici osservati?
“Quando qualcosa non torna in una teoria, le possibilità sono due: o all’interno della teoria c’è una soluzione che ancora non è stata pensata, come la presenza di Nettuno, oppure è necessaria un’estensione della vecchia teoria. Tornando alla storia di Le Verrier, la teoria di Newton funziona perfettamente nel descrivere il moto dei pianeti, ma funziona a precise condizioni, come basse velocità e bassi campi gravitazionali. Quando la forza gravitazionale aumenta e le velocità in gioco aumentano, la teoria smette di dare predizioni accurate. Allo stesso modo, nell’ambito della relatività generale noi stiamo cercando di capire se è possibile trovare cose che la teoria di Einstein non può spiegare”.
In un certo senso lavorate sotto l’ipotesi che la teoria della relatività sia migliorabile, anche se per ora funziona bene. Cosa ti spinge a fare questo tipo di ricerca?
“Penso che i buchi neri vengano descritti molto bene dalla relatività generale. Ma questo va dimostrato. Quello che mi spinge è tentare di dimostrare la correttezza o la falsità delle alternative proposte dai fisici teorici negli anni. E poi mi affascina tantissimo, e mi diverte”.
Sei di fronte ad un ragazzo o una ragazza che vuole avvicinarsi a questa parte della ricerca della Fisica. Tre parole per descrivere quello che troverà?
“Attrazione, ignoto e asintotico. Attrazione per la mia passione verso questa materia e per il concetto stesso di forza che sta alla base della fisica e della gravità; ignoto e asintotico rappresentano la mia visione del perché si fa fisica, ovvero per esplorare l’ignoto: ignoto che possiamo aspirare a conoscere solo approssimativamente, in maniera asintotica.”
r.m
