Nobel Fisica 2020 alle scoperte sui buchi neri

Il Premio Nobel per la Fisica 2020 è stato diviso, una metà assegnato a Roger Penrose “per la scoperta che la formazione dei buchi neri è una previsione affidabile della teoria generale della relatività”, l’altra metà va congiuntamente a Reinhard Genzel e Andrea Ghez “per la scoperta di un oggetto compatto supermassiccio al centro della nostra galassia”.

Roger Penrose ha inventato ingegnosi metodi matematici per esplorare la teoria della relatività generale di Albert Einstein, dimostrando che porta all’idea della formazione dei buchi neri, oggetti che catturano tutto ciò che vi entra e dai quali niente, nemmeno la luce, può sfuggire.

Reinhard Genzel e Andrea Ghez guidano ciascuno un gruppo di astronomi che dall’inizio degli anni ’90 hanno concentrato i propri studi su una regione al centro della Via Lattea. Con crescente precisione, hanno mappato le orbite delle stelle più luminose più vicine al centro. Entrambi i gruppi hanno individuato qualcosa che è allo stesso tempo invisibile e pesante. Questa massa invisibile e turbinante è pari a circa quattro milioni di masse solari compresse insieme in una regione non più grande del nostro sistema solare. Cos’è che fa oscillare le stelle nel cuore della Via Lattea a velocità così sorprendenti? Secondo l’attuale teoria della gravità, c’è un solo candidato: un buco nero supermassiccio.

 

Oltre Einstein, nella morsa della gravità

Nemmeno Albert Einstein, il padre della relatività generale, pensava che i buchi neri potessero effettivamente esistere. Tuttavia, dieci anni dopo la sua morte, Roger Penrose ha dimostrato che i buchi neri possono formarsi e ne ha descritto le proprietà.

Per dimostrare che la formazione dei buchi neri è un processo stabile, Penrose aveva bisogno di espandere i metodi utilizzati per studiare la teoria della relatività, affrontando i problemi della teoria con nuovi concetti matematici. L’innovativo articolo di Penrose è stato pubblicato nel gennaio 1965 ed è ancora oggi considerato il contributo più importante alla teoria della relatività generale dai tempi di Einstein.

I buchi neri sono forse la conseguenza più bizzarra della teoria generale della relatività. Quando Albert Einstein presentò la sua teoria nel novembre 1915, sconvolse tutti i precedenti concetti di spazio e tempo, fornendo una base completamente nuova per la comprensione della gravità e la base per tutti gli studi sull’universo.

La teoria di Einstein spiega come la gravità ci tenga sulla Terra, governi le orbite dei pianeti e l’orbita del Sole attorno al centro della Via Lattea. Porta alla nascita di stelle dalle nuvole interstellari e alla fine alla loro morte in un collasso gravitazionale. La gravitazione dà forma allo spazio e influenza il passare del tempo. Una massa pesante piega lo spazio e rallenta il tempo; una massa estremamente pesante può persino tagliare e incapsulare un pezzo di spazio, formando un buco nero.

Quando Albert Einstein pubblicò la teoria generale della relatività, alcune delle soluzioni alle equazioni notoriamente difficili della teoria descrivevano proprio queste stelle oscure. Fino agli anni ’60, queste soluzioni erano considerate speculazioni puramente teoriche che descrivevano situazioni ideali in cui le stelle e i loro buchi neri erano perfettamente rotondi e simmetrici. Ma niente nell’universo è perfetto e Roger Penrose è stato il primo a trovare con successo una spiegazione realistica.

 

I buchi neri determinano i percorsi delle stelle

Anche se non possiamo osservare direttamente i buchi neri, possiamo però dedurne le proprietà studiando come la sua gravità determina i movimenti delle stelle circostanti. Dal nostro punto di osservazione sulla Terra, enormi nuvole di gas e polvere interstellari oscurano la maggior parte della luce visibile proveniente dal centro della galassia, ma grazie ai telescopi a infrarossi e alla tecnologia radio gli astronomi hanno potuto vedere attraverso il disco della galassia e visualizzare le stelle al centro.

Usando le orbite delle stelle come guide, Genzel e Ghez hanno prodotto le prove più convincenti che proprio lì si trovi un oggetto supermassiccio invisibile. Che si tratti di un buco nero è l’unica spiegazione possibile.

 

Ciò che ancora non sappiamo

Roger Penrose ha dimostrato che i buchi neri sono una diretta conseguenza della teoria generale della relatività ma, nella gravità infinitamente forte della singolarità, questa teoria cessa di essere applicata. I fisici teorici di oggi stanno lavorando per creare una nuova teoria della gravità quantistica, che unisca 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 sempre più 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. Queste misurazioni saranno probabilmente anche in grado di fornire indizi per nuove intuizioni teoriche.

Per approfondire

I materiali di approfondimento della Fondazione Nobel: www.nobelprize.org/prizes/physics/2020/press-release/

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