L’astrofisica modernaMassimo Badiali

INAFIstituto di Astrofisica Spaziale e Fisica cosmica

07/02/11

Schema della lezione

1. Perché questo stage di astrofisica? 2. La ricerca scientifica è solo “interessante” o è anche “importante”? 3. In particolare, l’astrofisica è importante?4. In che cosa l’astronomia moderna differisce dall’antica?5. Che tipo di risposte possiamo dare agli antichi interrogativi “filosofici”

sull’universo, sulla sua natura e sul suo destino finale?

L’astrofisica è una parte di quella che una volta si chiamava RICERCA FONDAMENTALE. Che cosa significa?

La definizione “ricerca fondamentale” è il risultato della distinzione tra ricerca pura (o appunto fondamentale, o di base) e ricerca applicata. La prima ha per unico obiettivo la conoscenza, la seconda è orientata ad un obiettivo specifico, utilizzabile a fini pratici (industria, medicina, servizi e tecnologie varie).

Per un non addetto ai lavori, magari sprovveduto e superficiale, tale classificazione può dare l’impressione che la ricerca applicata sia la sola ad essere “utile”. La sola cioè da cui si possono aspettare benefici per la società e per i singoli.

Purtroppo proprio tale impressione ha finito col diffondersi in modo capillare nella nostra società. Ormai ne sono permeati anche i governi, che d’altra parte di questa società sono espressione.

Ciò è tanto vero che, ferma restando la distinzione tra i due tipi diricerca, sono cambiati i nomi con cui ciascun tipo viene definito. Non si sente quasi più dire Ricerca Fondamentale …

Quel nome era un implicito riconoscimento del ruolo primario della ricerca pura, svolta cioè al puro scopo di estendere la CONOSCENZA. In altre parole, si riconosceva che senza la ricerca fondamentale non può vivere e svilupparsi nessun’altra ricerca.

Da qualche tempo si preferisce usare un’altra definizione: RICERCA CURIOSITY DRIVEN (mossa dalla curiosità), che invece sembra contenere un implicito giudizio sfavorevole rispetto ad una supposta ricerca “utile” (“TARGET DRIVEN” – motivata da un obiettivo)

Ciò rispecchia il mutato atteggiamento della società (e dei governi) nei confronti della scienza e della cultura in genere. O meglio, nei confronti di quella cultura che non promette un utile immediato e commerciabile. Un atteggiamento non solo ingeneroso, ma purtroppo anche SBAGLIATO

In realtà la distinzione tra ricerca pura e ricerca applicata, intesa in senso discriminatorio, è una MISTIFICAZIONE.I due tipi di ricerca sono così strettamente connessi, che è molto piùcorretto dire che esiste, da un lato, la ricerca, e dall’altro l’applicazione della ricerca. Sono entrambe due “gambe” dello sviluppo.È sbagliato potenziare una gamba a scapito dell’altra.Vanno potenziate entrambe e va sviluppato il coordinamento fra le due.

Tale mentalità è radicata nel nostro paese più che in altri paesi sviluppati. Si pensa alle risorse per la ricerca come ad una spesa anziché ad un investimento.

Ciò che manca nel nostro paese è un circuito efficiente, fatto di persone e strutture, capace di sviluppare l’interazione tra il mondo della ricerca e quello della produzione e dei servizi.

Per giunta, nel presente ambito di penuria di risorse, si pretende di favorire i temi “più promettenti” per risultati immediati. Posizione dovuta a ignoranza di un fatto fondamentale: quando si fa ricerca, spesso si scoprono risultati inattesi, utilizzabili in campi assolutamente insospettati.

1- FORMAZIONELa ricerca fondamentale crea il supporto e il presupposto per laformazione delle competenze di base di scienziati, tecnologi, ingegneri, esperti di ogni genere impegnati non solo nella ricerca, ma anche nella didattica, nei servizi, nell’industria

2 - RICADUTESempre più di frequente siamo di fronte ad esempi di risultati della ricerca di base che vengono utilizzati, in modo assolutamente imprevedibile ed inatteso, per realizzare prodotti commerciabili. Èquindi sbagliato orientare i finanziamenti della ricerca solo sui temi che promettono di essere più fruttuosi.

È raro che la ricerca “trovi” ciò che ci si aspetta. Per dirla con una battuta, la lampadina non è stata scoperta cercando di perfezionare il funzionamento della candela.

Ma ammettiamo pure che si parli di ricerca pura e ci si chieda quale sia la sua utilità, al di là dell’imperativo categorico di perseguire la conoscenza (“fatti non foste a viver come bruti”). Possiamo individuare almeno due punti essenziali

esempiTelefono cellulare – nasce fra i fisici del CERN di GinevraFotocamera digitale – nasce dallo sviluppo di microcristalli fotosensibili, utilizzati sul piano focale di telescopiCD – nascono come applicazione dell’ottica quantisticaINTERNET – nasce come strumento per rapido scambio di dati scientifici tra diversi centri di ricerca.

Gran parte del nuovo mercato nasce da esigenze legate alla ricerca di base e ha visto uno sviluppo che era assolutamente imprevedibile solo trent’anni fa.

Perché, in particolare, è importante anche l’ASTROFISICA?

Possiamo affidare questo concetto alle parole di un illustre fisico teorico“Per poter valutare in modo adeguato la nostra esistenza si deve conoscere dapprima l’arena in cui questa si svolge, ossia l’universo”Brian Greene(fisico teorico, uno dei padri della teoria delle superstringhe)

La risposta più immediata è di natura COSMICA. L’astrofisica è la materia che più direttamente si interessa del problema più “vasto”: la configurazione dell’Universo, la sua natura, la sua storia, il suo destino finale

Ma, a parte questo, dobbiamo considerarla anche “utile”? Tanto da spenderci i soldi del contribuente?

La risposta è sì, ma questo risulterà chiaro proprio svolgendo lo stage, spiegando cioè di che cosa si occupa la moderna astrofisica. Per il momento, è importante puntualizzare che non si spende poi molto.

Anzitutto, l’Italia spende in ricerca pubblica, in generale, meno della metà della media europea. Riguardo all’astrofisica …

L’Istituto Nazionale di Astrofisica (7 sedi ex-CNR e 12 Osservatori sparsi sul territorio nazionale, per un totale di 1100 persone): costi annui in € 82 Milioni, di cui il 75% stipendi. Meno del costo di un singolo caccia bombardiere militare (vedere Eurofighter Typhoon)

La spesa annua complessiva per la ricerca pubblica di base è intorno a 500 Mil. di €. Ci dobbiamo preoccupare come contribuenti? Ma almeno 12 milioni di Italiani frequentano maghi e fattucchiere per una spesa totale annua di 5 MILIARDI di € (a privati, ovviamente: oroscopi RAI a parte)

Abbiamo un evidente problema di cultura

Chiarita (speriamo) questa premessa “filosofica”, possiamo smetterla di girare attorno al tema assegnato, e affrontiamo la questione: che cos’è la moderna astronomia? In che cosa differisce dall’astronomia dei nostri avi? Diciamo subito che l’astronomia moderna è qualcosa di molto più vasto e

ponderoso.Fermo restando l’obiettivo originario, e cioè osservare il cielo e cercare di capire che cosa succede fra le stelle, vi sono punti di sostanziale differenza.

Anzitutto, gli STRUMENTI DI OSSERVAZIONE sono oggi sempre piùpotenti e sofisticati. Ciò permette di osservare molte più cose.

Inoltre, l’astronomia moderna non si limita ad osservare il cielo

Vogliamo capire “come funziona”.

Vogliamo studiare non solo stelle e pianeti, ma anche nebulose, galassie, nuclei galattici, e tutti gli oggetti strani dell’universo, luminosi e oscuri.

Anche l’INTERPRETAZIONE di ciò che viene osservato si avvale oggi di ben altri STRUMENTI DI ANALISI. Primo fra tutti, la moderna FISICA. L’astronomia moderna è soprattutto ASTROFISICA

L’universo non è stazionario. Un tempo era molto diverso da oggi, e sarà molto diverso in futuro. Vogliamo cercare di ricostruirne la storia e prevedere gli sviluppi futuri.

Vogliamo utilizzare tutta l’informazione che ci viene dall’universo. Non solo la luce. Sul nostro pianeta arrivano raggi cosmici, neutrini, onde gravitazionali. Tutti provengono dall’universo e ce ne raccontano la loro parte di storia. La luce rappresenta comunque il veicolo più ricco d’informazione.

L’astrofisica è strettamente connessa con la fisica fondamentale.La spiegazione dei fenomeni che avvengono nell’universo esige la conoscenza approfondita di tutti i suoi aspetti (citiamone solo alcuni):-Fisica atomica e nucleare -Fisica delle particelle elementari-Ottica ed elettrodinamica-Termodinamica-Fluidodinamica-Relatività generale-…

Infine, l’elaborazione di modelli astrofisici sempre più complessi diventa possibile grazie ai moderni mezzi di calcolo, in continua evoluzione

ALTRI CIELI, ALTRI OCCHI

Anche se, lasciando da parte i neutrini e le onde gravitazionali, parliamo solo di luce, …

… scopriamo che la luce visibile all’occhio umano è solo una piccola banda del largo spettro delle onde elettromagnetiche

E che gran parte di questo spettro viene assorbito dall’atmosfera terrestre (resta indenne la banda radio, e, a certe condizioni, la

piccola banda del visibile)

Il VLT (Very Large Telescope) dell’ESO a Cerro Paranal (Cile) a 2635 m di quota.4 telescopi con specchio primario di 8 metri.

Ecco perché, oltre ad osservatori terrestri sempre più potenti, disposti ad alta quota

… abbiamo bisogno di portare i nostri telescopi fuori dell’atmosfera, nello spazio

Sono telescopi spesso piuttosto strani, perché certe bande dello

spettro (es. i raggi X e gamma) non possono essere deviate da lenti o

specchi.

Sulla terra, oltre ai telescopi adatti alla luce visibile, restano gli immensi radiotelescopi: la luce radio attraversa agevolmente l’atmosfera

Con opportuni strumenti, sensibili a varie bande dello spettro elettromagnetico, possiamo vedere anche i cieli “invisibili”

L’osservazione di un oggetto celeste non si può dire completa se non viene compiuta nelle varie bande dello spettro elettromagnetico, confrontando tra loro le varie immagini ottenute.

In tal modo l’astrofisica può fin d’ora fare luce su molti interrogativi. L’evoluzione delle stelle, l’origine degli elementi chimici, la composizione dell’universo, i meccanismi che operano in condizioni fisiche estreme nella materia molto rarefatta (spazi interstellari e intergalattici) o in quella molto densa (nane bianche, stelle di neutroni, buchi neri, nuclei galattici).

C’è poi un campo in cui l’astronomia ha cessato di essere tale perché èdiventata esplorazione diretta dei corpi celesti. Ovviamente, quelli a noi più vicini: i pianeti, gli asteroidi e le comete del Sistema Solare.

La superficie di Marte

Dicevamo della stretta connessione tra l’astrofisica e la fisica fondamentale. Essa non è a senso unico. Infatti, non solo la fisica èsupporto indispensabile all’astronomia, ma succede anche l’inverso. L’astrofisica è sempre più un valido supporto alla fisica, specialmente alla fisica fondamentale, sia per quanto riguarda la relatività generale (l’estremamente grande) sia per la fisica delle alte energie e delle particelle elementari (l’estremamente piccolo).

Come è possibile?

Per capire ad esempio i segreti della materia occorre costruire acceleratori sempre più giganteschi. L’astrofisica moderna permette di osservare acceleratori naturali enormemente più grandi che l’universo offre spontaneamente

Come la materia che orbita a velocità “relativistica” (vicina a quella della luce) attorno a una stella di neutroni o a un buco nero

Infine, gli strumenti dell’astrofisica moderna rappresentano una continua sfida tecnologica, per non parlare dell’ambientazione nello spazio o comunque in luoghi impervi come ad esempio l’Antartide. Ogni passo produce innovazione in campi inesplorati. Questa risulta utilizzabile anche in campi molto diversi dall’astronomia (sensoristica, robotica, diagnostica biomedica, ecc.).

… Non si tratta solo di osservare le stelle

Speriamo di aver chiarito che, se si parla di astronomia moderna …

“I don't think the human race will survive the next thousand years, unless we spread into space. There are too many accidents that can befall life on a single planet."“Non penso che il genere umano potrà sopravvivere per i prossimi mille anni, a meno che non colonizziamo lo spazio. Vi sono troppi incidenti che possono accadere nella vita di un singolo pianeta”

Stephen Hawking (fisico, cosmologo)

Sarà questa l’ultima riflessione di nostri lontani pronipoti davanti alla Terra morente?

“Ci sono molti debiti e molte promesse non mantenute.Noi promettemmo di far grandi cose nel futuro,

di conquistare le stelle e rendere migliore l’universo.Invece non ci siamo riusciti.

L’uomo muore, e l’universo non saprà neppure che è scomparso.”Lester del Rey, scrittore- Mia è la vendetta - Vengeance is mine

la “pura” conoscenza del cosmo può tornare utile anche per un’altra ragione, anche se a lunghissimo termine

Speriamo di no. Intanto però, cerchiamo di conoscere la casa che abitiamo

Negli ultimi cento anni abbiamo imparato molto di più sulle origini dell’universo, sulla sua età e sul suo divenire, che non nel resto dell’intera storia umana. Alcuni quesiti esistenziali sulla causa e sullo scopo della sua esistenza (e della nostra stessa presenza) sono destinati a restare senza risposta, perché esulano dal campo dell’indagine scientifica. Essi appartengono più al sentire che al conoscere.

Tuttavia la conoscenza può conferire al nostro sentire una maggiore consapevolezza. Come se contemplassimo lo stesso mistero avendo a

disposizione più luce.