Misteriosi mostri celesti e satelliti dell’Agenzia Spaziale Italiana

È il 6 ottobre 2020, una telefonata raggiunge Roger Penrose, è l’Accademia di Svezia che gli comunica dell’assegnazione per metà del premio Nobel per la fisica 2020 “per la scoperta che la formazione dei buchi neri è una solida previsione della teoria della relatività generale”. L’altra metà è stata assegnata a Reinhard Genzel e Andrea Ghez “per la scoperta di un oggetto compatto super massivo al centro della nostra galassia”, per l’evidenza osservativa di un buco nero super massivo di circa quattro milioni di masse solari al centro della Via Lattea.

Non ho mai avuto la fortuna di conoscere personalmente Reinhard Genzel e Andrea Ghez ma avuto l’onore di conoscere e collaborare con Roger Penrose. Inoltre, da quando ho iniziato a studiare la relatività generale, ho sempre seguito con grande interesse le geniali intuizioni scientifiche e le innovative teorie di Penrose: credo che sia uno dei più profondi pensatori e “filosofi naturali” viventi.

Lo studio dei buchi neri segnò intorno agli anni Sessanta l’inizio del “rinascimento della relatività generale” considerata fino ad allora una teoria quasi esclusivamente matematica con poche applicazioni astrofisiche.

Il rinascimento della teoria gravitazionale di Einstein iniziò specialmente in tre paesi: Stati Uniti d’America, Russia e Regno Unito. Negli Stati Uniti d’America, nel gruppo di John Archibald Wheeler (mio maestro e coautore di un testo di relatività) il quale ha dato fondamentali contributi alla fisica dei buchi neri e ha coniato il termine “buchi neri” per questi misteriosi oggetti che i fisici russi chiamavano “stelle congelate”. Nel gruppo di Wheeler era Kip Thorne (Nobel della fisica 2017 per l’osservazione e lo studio delle onde gravitazionali emesse dalla collisione di due buchi neri). In Russia con Jakov Borisovič Zel'dovič, Igor Novikov ed altri e nel Regno Unito con Dennis Sciama, Roger Penrose, Steven Hawking ed altri.

La previsione dei buchi neri in relatività generale iniziò nel 1916 con la derivazione di Karl Schwarzschid di una soluzione spaziotemporale della relatività generale, poco dopo la sua pubblicazione ad opera di Albert Einstein nel 1915.

L’esistenza di oggetti così collassati che persino le particelle di luce (i fotoni, le particelle più veloci previste dalla relatività ristretta del 1905) non possano sfuggire da questi oggetti, era stata predetta nel Diciottesimo secolo. Nel 1939 Julius Robert Oppenheimer e Hartland Sweet Snyder dimostrarono l’ineluttabile collasso gravitazionale di un sistema estremamente idealizzato, sferico e di particelle di polvere, così chiamate perché non in grado di esercitare una pressione reciproca.

Il contributo di Penrose allo studio dei buchi neri è stato fondamentale, ricordo qui solo due sue scoperte. Nel 1964 Penrose ha derivato una pietra miliare della relatività ovvero che il collasso gravitazionale è in generale inarrestabile per ogni materia che soddisfi condizioni “naturali”, come la non negatività dell’energia locale e le equazioni della relatività generale. Questo materia collassa fino a formare una singolarità, una regione dove tutte le leggi note della fisica cessano di essere valide poiché la curvatura dello spaziotempo e la densità di massa-energia diventerebbero infinite. In seguito, altri importanti teoremi sulle singolarità furono dimostrati da Penrose e Hawking.

Un altro importante contributo pioneristico del 1969 di Penrose alla fisica dei buchi neri è l’accumulazione e la potenziale estrazione di energia dai buchi neri rotanti, chiamati di Kerr dal suo scopritore. Intorno a questi buchi neri rotanti, un altro fenomeno relativistico, chiamato “trascinamento dei sistemi inerziali” o “frame-dragging”, ha affascinanti conseguenze.

I satelliti dell’Agenzia Spaziale Italiana (ASI) LARES, in orbita dal 2012, e LARES 2, di prossimo lancio, sono stati realizzati per lo studio di questo fenomeno.

Il LARES è stato lanciato con successo dal razzo VEGA mentre il LARES 2 sarà a bordo del nuovo e più potente VEGA C, entrambe i lanciatori sono sviluppati dalla AVIO di Colleferro, ASI e European Space Agency (ESA).

Il “frame-dragging” studiato da questi satelliti produce effetti piccolissimi sui corpi vicini alla Terra ma ha effetti eclatanti intorno ai buchi neri.

Nel 1974 Hawking derivò poi la nota radiazione di Hawking dai buchi neri.

Ho ricordato solo due fondamentali scoperte di Penrose relative ai buchi neri dato che ci vorrebbe un libro per descrivere i suoi importanti contributi, non soltanto alla relatività ma in generale alla fisica e alla matematica (si pensi per esempio ai “Penrose tiles”).

Chiudo questa breve nota ricordando una mia esperienza personale. Sono rimasto impressionato dalla vastità delle conoscenze scientifiche di Penrose. È possibile discutere con Penrose di relatività, di meccanica quantistica, di matematica e persino di logica matematica, dei teoremi di Gödel e di biologia: su ogni argomento ha le sue idee personali e innovative. Una delle ultime affascinanti idee di Penrose consiste nella Cosmologia Ciclica Conforme (CCC) dove espone un’attraente teoria di un universo ciclico in cui vivremmo.

Prof. Ignazio Ciufolini