Premio Nobel per la Fisica 2019: cosmologia ed esopianeti

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Kungl. Vetenskapsakademien, la Reale Accademia svedese delle scienze, ha assegnato il «Premio Nobel per la Fisica» 2019 a James Peebles, Michel Mayor e Didier Queloz, per aver «contribuito alla nostra comprensione dell’evoluzione dell’Universo e del posto che la Terra occupa nel cosmo».

COSMOLOGIA FISICA

Il canadese James Peebles, ormai americano a tutti gli effetti, professore emerito della Princeton University, è riuscito a spostare la cosmologia dalla pura teoria a qualcosa di misurabile, tanto da poter parlare di cosmologia fisica. La cosmologia studia le origini, l’evoluzione e la conformazione dell’universo e, per farlo, usa strumenti affascinanti, come la teoria della relatività.

Radiazione cosmica di fondo a microonde

Il nodo fondamentale è lo studio della radiazione cosmica di fondo a microonde (CMBR). Si parte dal presupposto che, ovviamente, non possiamo sapere che cosa abbia innescato l’arcinoto Big Bang. L’ipotesi sugli istanti successivi riguarda una sorta di crogiolo di particelle, tenute insieme da temperature altissime, quella che gli anglosassoni chiamano «zuppa primordiale». Dopo circa 400.000 anni, a causa di un progressivo raffreddamento, i fotoni, che altro non sono se non particelle, sono riusciti a sfuggire alla zuppa primordiale, creando il primo raggio di luce dell’universo. Ebbene, questo raggio è in qualche modo ancora presente e può essere rilevato, trattandosi di una radiazione (non visibile), con una lunghezza d’onda di qualche millimetro e una frequenza nella banda delle microonde.

Peebles, Nobel 2019 «per le scoperte teoriche in cosmologia fisica».

Il professor Peebles ha previsto tutto sul piano analitico. In seguito questa radiazione è stata effettivamente captata, sia pure per puro caso. Peebles ha capito che la temperatura della CMBR poteva fornirci informazioni sul processo di rilascio di fotoni e altre particelle dopo il Big Bang e quindi sulla nascita dell’universo: la cosmologia non era più qualcosa di puramente teorico, poteva usare dati per studiare e grandezze da misurare.

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Secondo la «teoria della relatività generale» di Albert Einstein, la geometria dell’universo ha a che fare con la gravità. Lasciamo perdere la definizione di gravità e guardiamo come è fatto il nostro universo. È un pallone da calcio? Ha la forma di una ciambella? Secondo Einstein, più massa (e quindi energia) c’è nell’Universo, più esso tende a curvarsi. Esiste tuttavia un valore critico di massa ed energia per cui l’Universo può essere considerato piatto. Che cosa significa piatto? Diciamo così: vale la celebre definizione di rette parallele.

Universo piatto

Le misure di temperatura della CMBR, di cui parlava Peebles, ci hanno dato un’affermazione straordinaria: poiché la CMBR ha assunto nel tempo una certa temperatura, l’universo non può che essere piatto. Ci aspettiamo quindi una massa totale presente nell’Universo tale da raggiungere il famoso valore critico previsto dalla relatività. Purtroppo i conti non tornano: manca massa. La materia barionica (cioè quella «ordinaria», che emette radiazioni ed è quindi identificabile) è pari solo al 5% del totale che ci aspetteremmo. C’è poi un buon 26% costituito dalla cosiddetta «materia oscura» (che non emette radiazioni e dunque è rilevabile solo per gli effetti gravitazionali). Essa impedisce, calcoli alla mano, che le galassie implodano. Siamo al 31%, manca circa il 69% di materia (cioè di massa) utile a raggiungere quel valore critico che, ripetiamo, è stato verificato sperimentalmente: questo 69% deve necessariamente esistere.

Energia oscura

Peebles ha poi introdotto il concetto di «energia oscura», ovvero l’energia dello spazio vuoto. Con essa i conti tornano. Ricordiamo che secondo Einstein massa ed energia sono due facce della stessa medaglia. Lo spazio ha un’energia intrinseca, determinata dalle fluttuazioni del vuoto. Attenzione: queste fluttuazioni sono rilevabili, non stiamo parlando di ipotesi. La celebre «costante cosmologica» di Einstein (il suo «più grande errore»), pur con un’interpretazione diversa, potrebbe ora essere di nuovo considerata nelle equazioni, assumendo il significato di «energia del vuoto». La professoressa Suzanne Staggs di Princeton ha riassunto bene il lavoro di Jim Peebles: «[…] ha sempre avuto l’equivalente della visione di un satellite, ma sull’intero universo».

LA RICERCA DEGLI ESOPIANETI

Michel Mayor e Didier Queloz, professori dell’Università di Ginevra, hanno scoperto il primo pianeta in orbita attorno a una stella simile al Sole (stelle di sequenza principale note anche come «nane»). Si tratta di 51 Pegasi b, a 50 anni luce dalla Terra, un gemello del nostro Giove ma a soli 8 milioni di chilometri dalla sua stella. Togliamo ogni dubbio: esopianeta significa semplicemente «pianeta che non appartiene al sistema solare». Allora, come si possono trovare gli esopianeti, dato che non emettono luce propria? Il lavoro di Mayor e Queloz risponde a questa domanda.

Mayor e Queloz, Nobel 2019 «per la scoperta di un esopianeta in orbita attorno a una stella di tipo solare»

Pianeti ed effetto Doppler

I due studiosi sono partiti da un concetto non banale: così come un pianeta si muove attorno a una stella, anche la stella si muove, sia pure minimamente, influenzata dal pianeta che le orbita intorno. Questo movimento può essere misurato, ottenendo una grandezza fisica nota come «velocità radiale», cioè la velocità di variazione della distanza stella-pianeta. Come si misura la velocità radiale?

Prendiamo un’onda (una radiazione che si propaga) e la sua sorgente. Se questa sorgente si muove, l’osservatore generico percepisce l’onda in modo distorto (cioè variabile rispetto al valore reale): è il celebre effetto Doppler. Pensate a un’ambulanza che corre mentre voi siete sul divano di casa: l’onda sonora prodotta dalla sirena varia quando si avvicina e varia di nuovo quando si allontana. La luce delle stelle si comporta allo stesso modo. Grazie all’effetto Doppler possiamo studiare la velocità radiale, attraverso la quale possiamo essere certi che attorno alla stella orbiti un pianeta, essendo il pianeta la causa dell’effetto rilevato.

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Con il metodo appena descritto è possibile determinare la massa del pianeta. Per determinarne le dimensioni si usa invece il metodo della «fotometria dei transiti». Quando un pianeta si interpone tra la stella e i nostri telescopi, l’intensità luminosa diminuisce e, in proporzione, possiamo determinare le dimensioni del pianeta. Esistono anche altri metodi per trovare pianeti, ma non fanno parte del lavoro dei due nuovi premi Nobel.

Grazie a Mayor e Queloz abbiamo scoperto migliaia e migliaia di esopianeti. Il più lontano è una bellezza a 27.000 anni luce: servono urgentemente dei wormhole per un’eventuale vacanza.