Due scienziate calabresi tra scoperte e misteri dell'universo

Messina

Due donne scienziate, due eccellenze calabresi che hanno dato una svolta decisiva nel campo della ricerca contribuendo in maniera determinante all'ampliamento delle conoscenze umane. La prof. Lucia Votano e la prof. Sandra Savaglio sono state nei giorni scorsi ospiti del liceo "Felice Bisazza" di Messina in occasione del convegno organizzato dalla dirigente scolastica prof. Anna Maria Gammeri dal titolo "L'Universo esplosivo".
Un appuntamento che è andato molto al di là del semplice incontro con gli studenti trasformandosi ben presto in un appuntamento culturale di assoluto rilievo al quale ha preso parte anche un qualificato uditorio composto da studiosi del settore ed esponenti del mondo culturale cittadino e regionale appositamente giunti al liceo di viale Annunziata per prendere parte all'evento.
La prof. Lucia Votano, fisica, originaria di Villa San Giovanni, è la prima donna chiamata a dirigere i Laboratori nazionali del Gran Sasso dell'Istituto nazionale di Fisica nucleare. Laureatasi in Fisica con 110 e lode all'Università "La Sapienza" di Roma, ha intrapreso la sua carriera scientifica all'interno dei Laboratori nazionali di Frascati dell'Istituto nazionale di fisica nucleare nel 1976. Ha partecipato alla realizzazione di importanti esperimenti al Cern e al laboratorio Desy ad Amburgo, in Germania. Promossa primo ricercatore nel 1988 e direttore di ricerca dodici anni dopo, è membro del "Peer Review Committee" del coordinamento europeo per la fisica delle astro particelle e del comitato per la roadmap di Aspera che, in tempi passati, ha delineato in un rapporto il futuro della ricerca astro particellare in Europa.
La prof. Sandra Savaglio, cosentina, è una affermata astrofisica italiana. Dopo il dottorato di fisica all'Università della Calabria, è "Fellow e senior Research Scientist" all'European Southern Observatory di Monaco di Baviera. Ricercatrice all'Osservatorio astronomico di Roma, per la sua ricerca ha sempre usato potentissimi telescopi ottici, infrarossi e ultravioletti. Specializzata nell'astrofisica delle galassie distanti, dell'arricchimento chimico dell'universo e dei fenomeni esplosivi, vanta oltre 120 pubblicazioni in riviste internazionali in qualità di autrice o coautrice. Nel 2004 è apparsa sulla copertina della rivista "Time" come simbolo della fuga dei cervelli europei negli Stati Uniti. Ha insegnato astrofisica alla Johns Hopkins University a Baltimora, all'Università della Calabria e presso l'Università Tecnica di Monaco di Baviera.

- Prof. Votano, nel suo intervento ha parlato di onde gravitazionali.

"Ho illustrato la prima osservazione diretta delle onde gravitazionali prodotte nella collisione e fusione di due buchi neri avvenuta nel cosmo profondo più di un miliardo di anni fa.
Si tratta di una pietra miliare nella storia della fisica che può essere definita la scoperta del secolo.
 Le onde gravitazionali portano informazioni sulle loro violente origini e sulla natura della gravità, informazioni che non possono essere ottenute in altro modo. L’argomento trattato si lega quindi con il tema della Professoressa Savaglio​​ che ha illustrato come l’universo, lungi dall’essere con la sua apparente immobilità ispiratore solo di poetiche sensazioni di quiete, sia invece la sede di fenomeni violenti ed esplosivi, con emissione di grande quantità di energia sotto forma di onde elettromagnetiche, di neutrini e di onde gravitazionali.L‘uomo per secoli ha studiato l’universo solo attraverso la luce delle stelle, poi nel secolo scorso ha cominciato ad utilizzare tutto lo spettro elettromagnetico, raggi X, raggi gamma, infrarosso, microonde, etc; recentemente si è sviluppata l’astronomia neutrinica e adesso abbiamo a disposizione anche le onde gravitazionali". 

 - Qual è, dunque, la natura delle onde gravitazionali?

"Le onde gravitazionali hanno una natura totalmente diversa, essendo generate dal moto dei corpi celesti e riuscendo a trasportare intatta l’informazione sul fenomeno che le ha originate. L'osservazione delle onde gravitazionali fornisce così informazioni significative e complementari all'osservazione di onde elettromagnetiche (luce, onde radio, raggi X e gamma) e di particelle elementari (raggi cosmici, neutrini) di origine astrofisica. Saranno così svelati aspetti dell'universo finora inaccessibili: i processi più drammatici del cosmo sono sorgente di onde gravitazionali, e l'osservazione di tali onde ci consente di ottenere informazioni sulle masse e sui meccanismi coinvolti nell’emissione.  Inoltre, contrariamente ai telescopi, che possono osservare solo una piccola porzione del cielo alla volta, i rivelatori di onde gravitazionali sono per loro natura non direzionali e sono quindi in ascolto di un grande volume di universo, il cui raggio è ovviamente determinato dalla sensibilità dei rivelatori. Inoltre, la misura del fondo stocastico gravitazionale, che può essere originato da sorgenti cosmologiche oltreché astrofisiche, porterà informazioni sull’universo primordiale a un tempo molto prossimo al momento del Big Bang".
 
- Come è stato ottenuto questo risultato?

"L’importante risultato è stato ottenuto grazie ai dati dei due rivelatori LIGO negli Stati Uniti, dalle collaborazioni scientifiche Ligo e Virgo, che fa capo allo "European Gravitational Observatory (EGO)", fondato dall’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) italiano e dal Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) francese".

 - Quando sono state rivelate le onde gravitazionali?

"Le onde gravitazionali sono state rivelate il 14 settembre 2015, alle 11:50:45 ora italiana (09:50:45 UTC, 05:50:45 am EDT), da entrambi gli strumenti gemelli Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO), negli Stati Uniti, a Livingston, in Louisiana, e a Hanford, nello stato di Washington. Gli osservatori LIGO, finanziati dalla National Science Foundation (NSF) e operati da Caltech e MIT, hanno registrato l’arrivo delle onde gravitazionali entro una finestra temporale di coincidenza di 10 millisecondi. Grazie a questi strumenti, per la prima volta al mondo, gli scienziati hanno osservato in modo diretto le onde gravitazionali previste dalla Relatività Generale di Albert Einstein nel 1915, aprendo uno scenario di scoperte senza precedenti sul cosmo". 

- Ci parla della teoria della relatività di Einstein?

"La teoria della Relatività Generale di Albert Einstein descrive la gravità come una manifestazione della curvatura dello spazio-tempo. Lo spazio-tempo è come un tessuto, ma a quattro dimensioni: le tre spaziali note, più il tempo. Secondo la Relatività Generale esso permea tutto l’universo, è deformato dai corpi e perturbato da masse in movimento. Queste perturbazioni sono appunto le onde gravitazionali che, dalla loro sorgente si diffondono in modo analogo alle increspature sulla superficie di uno stagno, viaggiando alla velocità della luce.
I fisici hanno determinato che le onde gravitazionali rivelate sono state prodotte nell’ultima frazione di secondo del processo di fusione di due buchi neri, di massa equivalente a circa 29 e 36 masse solari, in un unico buco nero ruotante più massiccio di circa 62 masse solari: le 3 masse solari mancanti al totale della somma equivalgono all’energia emessa durante il processo di fusione dei due buchi neri, sotto forma di onde gravitazionali. I due buchi neri, prima di fondersi, hanno spiraleggiato, per poi scontrarsi a una velocità di circa 150.000 km/s, la metà della velocità della luce. E’ un evento accaduto quasi un miliardo e mezzo di anni fa, quando sulla Terra facevano la loro comparsa le prime cellule evolute in grado di utilizzare l’ossigeno".
 
- Onde gravitazionali, che significa rivelarle?

"Rivelare le onde gravitazionali è un’impresa complessa perché l’interazione gravitazionale è la più debole dell’universo. I fisici hanno così progettato speciali rivelatori, la cui realizzazione ha richiesto nuove soluzioni tecnologiche d’avanguardia. Sono gli interferometri laser: costituiti da due bracci perpendicolari lunghi chilometri (4 km in LIGO e 3 km in VIRGO) al cui interno sono fatti propagare fasci laser, riflessi da specchi per allungarne il percorso, e quindi ricombinati a formare una figura di interferenza. Quando un’onda gravitazionale attraversa l’interferometroproduce una variazione nella lunghezza dei bracci: uno si allunga mentre l’altro si accorcia. Queste variazioni di lunghezza, che sono molto più piccole del diametro del nucleo di un atomo, producono uno sfasamento della luce laser che viene osservato dal rivelatore".

- Prof. Savaglio ci parli delle stelle più grandi che esistono nell'universo...

"A causa della loro grande massa (si parla di qualcosa tra 10 volte e 100 volte la massa del nostro Sole) tali stelle hanno una vita breve che termina con una gigantesca esplosione, che chiamiamo supernova. La causa principale e’ la forza di gravita’: la stella brucia nelle fusioni nucleari principalmente idrogeno. Quando l’idrogeno nel nucleo della stella si esaurisce, inizia un meccanismo a catena che si conclude con un gigantesco collasso sulla stella causato dalla gravita’ che la stella non riesce piu’ a bilanciare con le fusioni nucleari. Nell’esplosione gigante generata, la radiazione prodotta (dai raggi gamma alle onde radio) arriva a superare in alcuni casi quella di un’intera galassia. Per fortuna sono rare e durano poco, e lasciano nudo il nucleo della stella, molto compatto, che chiamiamo stella di neutroni o, per le esplosioni piu’ catastrofiche, buco nero".

- Le esplosioni sono fenomeni frequenti?

"Dicevo che queste esplosioni sono molto rare, perche’ le stelle cosi’ grosse sono molto poche rispetto alle stelle normali come il nostro Sole. Tuttavia grazie al fatto che di stelle ce ne sono tante in una galassia e di galassie nell’universo anche quelle sono tante, da qualche parte in ogni momento in qualche angolo del cielo, magari molto lontano da noi, c’e’ una stella che muore in maniera catastrofica. Le esplosioni che chiamiamo gamma-ray burst (GRB) sono ancora piu’ rare delle supernovae normali perche’ coinvolgono stelle molto grandi che girano su se stesse molto rapidamente, e che riescono a scaricare la grande energia attraverso dei jet di particelle veloci e di raggi gamma".

- Ma noi essere umani stiamo tranquilli quando questi bolidi celesti esplodono?

"Non sempre… ma per fortuna la maggior parte delle volte sono anche totalmente innocui, anche grazie alle grandi distanza a cui si trovano. Nella nostra Galassia, la Via Lattea, nell’ultimo millennio sono stati documentati storicamente 6 eventi sicuri, tra cui una delle ultime esplosioni, quella illustre scoperta da Keplero nel 1604. Da allora, quasi piu’ niente. Oggi, le teorie e gli studi piu’ avanzati ci dicono che le supernove nella Via Lattea dovrebbero avvenire con una frequenza abbastanza incerta, che va da una a tre volte per secolo. Quindi e’ possibilissimo che ci siano state altre esplosioni dopo quello scoperta da Keplero, di cui non ci siamo accorti perche’ probabilmente la radiazione viene schermata dal gas e dalla polvere che si trovano tra le stelle".

- Cosa potrebbe accadere oggi?

"Oggi, grazie all’avanzamento della scienza e della tecnologia, se dovesse avvenire una esplosione stellare nella Via Lattea di sicuro ce ne accorgeremmo, indipendentemente da dove si trova e da quanto gas e polvere c’e’ tra noi e lei. Questo perche’ la maggior parte dell’energia va a finire nell’immensa quantità di neutrini generati, particelle elusive, difficili da rivelare ma fondamentali nel processo. Oggi ci sono abbastanza laboratori che hanno come obbiettivo il rilevamento e lo studio dei neutrini cosmici. Negli ultimi trent’anni, dei neutrini cosmici generati dall’esplosione di una stella, sono stati scoperti solo una volta, nel 1987 quando e’ stata osservata una supernova nella vicina galassia chiamata Grande Nube di Magellano, a quasi 170 mila anni luce di distanza dal Sole. Una esplosione molto brillante e visibile ad occhio nudo, ma non particolarmente energetica. La vera incognita e’: ci sono stelle nella nostra Galassia che preannunciano una fine catastrofica? In verità si’. Parlo della stella con il nome di Eta Carinae. Ad una distanza non troppo rassicurante di 7500 anni luce dal noi, si tratta di un sistema di due stelle che ruotano un introno all’altra, che insieme arrivano a essere 120 volte piu’ pesanti del Sole, Inoltre, nell’ultimo secolo ha mostrato molti segni di instabilità, per cui sembra che l’esplosione sia imminente, e potrebbe manifestarsi come un gamma-ray burst. Di certo e’ che quando questo succederà, Eta Carinae diventera’ piu’ luminosa della Luna piena e sara’ tranquillamente visibile anche in pieno giorno".