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COME ALLA CORTE DI FEDERICO II OVVERO PARLANDO E RIPARLANDO DI SCIENZA IL LATO… OSCURO DELL’UNIVERSO di Massimo Della Valle 9 IL SOLE NERO di Marcella Marconi 11 I PRIMI TRE MINUTI di Giuseppe Longo 13 POSSIAMO PARLARE DI “COSMOLOGIA DI PRECISIONE”? di Salvatore Capozziello 15 L’ULTIMO TRENO PER IL RITORNO AL PASSATO di Giancarlo BarbarinR 1 Il sereno è cosparso d'orribili Soli morti, sedimenti densissimi d'atomi stritolati.... La luce stessa ricade, rotta dal proprio peso... [da ‘Le Stelle Nere’ di Primo Levi] Gli articoli degli incontri si trovano all’indirizzo www.comeallacorte.unina.it Massimo Della Valle si è laureato in Astronomia presso l’Università degli Studi di Padova nel 1983. Ha iniziato il Dottorato di Ricerca, presso l’Osservatorio Astronomico di Byurakan in Armenia (allora ancora parte dell’URSS), che ha poi terminato a Padova nel 1988. Si occupa di esplosioni stellari, come le Supernovae e i Lampi Gamma, che utilizza per misurare le dimensioni dell’Universo. Fanno spicco, a partire dal 1998, le sue collaborazioni con i tre vincitori del Nobel per la Fisica 2011 (Saul Perlmutter, Adam Riess e Brian P. Schmidt) per la scoperta dell’accelerazione dell’Universo. In particolare è coautore con Perlmutter del primo lavoro, pubblicato sulla rivista Nature nel Gennaio del 1998, che ha dimostrato l’esistenza dell’espansione accelerata dell’Universo. Nel 1989 è stato “Fellow” presso la SISSA_Scuola di Studi Superiori Avanzati di Trieste. Dal 1990 al 1994 ha lavorato in Cile presso l’ESO_European Southern Observatory, il maggior osservatorio astronomico operante da Terra. Nel 1995 è rientrato in Italia come ricercatore presso il Dipartimento di Astronomia dell’Università degli Studi di Padova. Nel 1999 è diventato Astronomo Associato presso l’Osservatorio Astrofisico di Arcetri e professore a contratto di “Tecniche ottiche e radio in Astronomia” presso il Dipartimento di Fisica dell’Università di Ferrara. Dal 2007 è “Dirigente di Ricerca” dell’INAF_Istituto Nazionale di Astrofisica e professore presso il ICRANet_Centro Internazionale di Astrofisica Relativistica. Nel 2008 ha operato presso la “Divisione Strumenti” dell’ESO di Monaco di Baviera, dove ha lavorato al progetto E-ELT_European Extremely Large Telescope, un telescopio di 40 m che inizierà ad operare nel 2023. Dall’1 aprile 2010 è Direttore dell’Osservatorio Astronomico di Capodimonte - INAF Istituto Nazionale di AstroFisica di Napoli. È rappresentante italiano, in seno al Consiglio Scientifico, dell’International Center for Relativistic Astrophysics. In qualità di “sabbatical scientist” ha tenuto seminari e corsi universitari in importanti centri internazionali per la ricerca astrofisica come il Dipartimento di Astronomia dell’Università di Tokyo, il KAVLI Institute dell’Università di Santa Barbara in California, il KAVLI Institute di Beijing, l’Hubble Space Telescope Institute di Baltimora, l’Aspen Center for Physics, in Colorado, il Niels Bohr Institute di Copenhagen, la Queen’s University di Belfast e l’Università Sophia Antipolis di Nizza. Ha coordinato nella sua carriera più di cento proposte osservative poi svolte nei maggiori Osservatori al mondo e numerosi programmi di ricerca finanziati dal Ministero dell’Istruzione, dell’Università e della Ricerca. È autore di circa quattrocento pubblicazioni apparse su riviste scientifiche internazionali. Unisce l’impegno per gli studi scientifici con l’attività di promozione e divulgazione della cultura scientifica in Italia e all’estero. UNIVERSITÀ D STUDI DI NAPOLI FEDERICO II COME ALLA CORTE DI FEDERICO II Il lato... oscuro dell’Universo IL LATO OSCURO DELL’UNIVERSO galassie. È invisibile ai nostri telescopi perché è incapace di emettere “luce”, da qui il nome Massimo Della Valle “materia oscura”. Gli astrofisici convivono con Direttore Osservatorio Astronomico di Capodimonte Istituto Nazionale di Astrofisica questo mistero da più di ottanta anni e stanno cercando in tutti i modi di identificare le particelle elementari costituenti questa strana forma di materia. Uno dei tentativi più promettenti è quello di cercarla con i grandi È nel destino dell’uomo confrontarsi con acceleratori di particelle, come il Large Hadron il lato oscuro dell’universo. Ha iniziato l’uomo Collider del CERN a Ginevra. A partire dalla fine antico osservando il cielo, e nel cielo la Luna con degli anni ’90 la situazione si è ulteriormente il suo lato oscuro mai osservato dall’occhio complicata. Nel 1998 due team di astronomi umano, utilizzarono un particolare tipo di esplosioni prima che le missioni spaziali lo rendessero accessibile. A fine ‘800 Sigmund stellari Freud obbliga l’uomo a confrontarsi con il suo rallentamento “lato oscuro”: l’Unbewusst, l’inconscio, che non dell’Universo. si conosce, ma che determina le nostre condotte l’Universo intellettuali e sociali e i nostri legami affettivi. espansione, Qui il parallelo con l’astrofisica è sorprendente. effetto della gravitazione prodotta al suo interno, Nel 1933 l’astronomo svizzero Fritz Zwicky stava ma accelerava. misurando le velocità delle galassie appartenenti sua all’ammasso della Chioma, una congerie di più di misteriosa, 1000 oscura”. galassie radunate in un volume (le Supernovae) del Il non tasso risultato stava come era per misurare di il espansione fu sconcertante: rallentando la sua logico aspettarsi per L’Universo sta accelerando la espansione che sospinto oggi da un’energia chiamiamo “energia Le conseguenze di questa scoperta ci relativamente piccolo di spazio, distante circa lasciano attoniti. L’Universo nel quale viviamo è 450 milioni di anni luce. Zwicky si rese conto che costituito per il 70% di “energia oscura”, per il le galassie si muovevano troppo velocemente 25% di “materia oscura” e per il restante 5% di rispetto al legame gravitazionale prodotto dalla materia “ordinaria”. materia, che osserviamo al telescopio (vedi oggi noi conosciamo dell’Universo è basato figura). essenzialmente su quel misero 5% di materia L’astronomo svizzero giunse alla Quindi, tutto quello che conclusione che circa il 90% della materia visibile, la cosiddetta materia barionica. contenuta nell’ammasso della Chioma doveva tutt’oggi non sappiamo di cosa sia fatta la essere presente sottoforma di materia “oscura”. “materia oscura” e quale sia l’origine dell’ La materia “oscura” non si vede e non si “energia oscura”, quindi ignoriamo la natura del conosce, sfugge alla visione del telescopio, ma 95% dell’Universo nel quale viviamo. determina con la sua azione gravitazionale la scoperta dinamica delle galassie e degli ammassi di scoperta”) valse a Saul Perlmutter, Adam Riess (o paradossalmente questa A Questa “non UNIVERSITÀ D STUDI DI NAPOLI FEDERICO II COME ALLA CORTE DI FEDERICO II Il lato... oscuro dell’Universo and Brian Schmidt il premio Nobel per la fisica sottoscritto) la soddisfazione di aver contribuito nel 2011, e ai due italiani coinvolti in questa a questo risultato che sfida il nostro sapere nel splendida avventura scientifica (Nino Panagia, perenne dello Space Telescope Institute di Baltimore e il dell’Universo. confronto con “il lato oscuro” UNIVERSITÀ D STUDI DI NAPOLI FEDERICO II COME ALLA CORTE DI FEDERICO II Il lato... oscuro dell’Universo IL SOLE NERO riscaldarsi. Si raggiungeranno temperature altissime tali da provocare l’espansione degli strati di Marcella Marconi idrogeno sovrastanti il nucleo. Il raggio del Sole Astronoma Osservatorio Astronomico di Capodimonte Istituto Nazionale di Astrofisica aumenterà a dismisura, più di 100 volte rispetto alle dimensioni attuali, e la stella diventerà una Gigante Rossa. In questa fase il Sole inghiottirà l’orbita di Mercurio, di Venere e anche quella Il Sole è nato 4,6 miliardi di anni fa dal della Terra. Le future generazioni per collasso di una nebulosa di gas e polveri. Per sopravvivere alla “fine del Mondo” dovranno diventare una stella, il suo nucleo si è contratto trovare il modo di emigrare su Marte o su sotto l’azione della gravità riscaldandosi fino a qualche luna di raggiungere la temperatura di dieci milioni di probabilmente dovranno trovare rifugio in un gradi, sufficienti per iniziare la reazione nucleare pianeta orbitante attorno ad un’altra stella: cioè di fusione dell’idrogeno in elio. Ogni secondo bisognerà traslocare in un altro Sistema Solare. circa 600 milioni di tonnellate d’idrogeno sono Dopo la fase di Gigante Rossa il nucleo del Sole trasformate in elio ed energia. La quantità di inizierà a contrarsi nuovamente e la temperatura energia prodotta dal Sole in un secondo è al suo interno ad aumentare, fino a circa 100 enorme, pari a 100 milioni l’energia sprigionata distrusse Hiroshima. quotidianamente mila miliardi di volte alle dall’esplosione Sulla Terra prese con di Giove o Saturno, ma più gradi, iniziando la combustione che dell’elio. La fusione dell’elio durerà poche decina siamo di milioni di anni e i prodotti della fusione, problemi essenzialmente Carbonio, si accumuleranno energetici, fa riflettere il fatto che meno di un inerti nel nucleo. Infatti, la massa del Sole non è miliardesimo abbastanza grande da far sì che questi prodotti di questo smisurato flusso di radiazione viene intercettato dal nostro pianeta, possano la quasi totalità si disperde nello spazio. Il nostro successive reazioni nucleari fino a culminare Sole è una stella di piccola massa, come tante ce nell’esplosione ne sono nella Via Lattea, circa 100 miliardi, seconda fase di espansione con la perdita degli composta per il 70% di idrogeno, per il 28 % di strati più esterni, e la trasformazione del Sole in elio e per il resto dagli altri elementi chimici più un pesanti. La nostra stella impiegherà circa dieci Planetaria (vedi figura) ovvero un nucleo inerte miliardi di anni per esaurire il combustibile circondato da una nube colorata di gas ionizzato. presente nel suo nucleo, quindi oggi si trova a Al termine di questa fase il Sole diventerà una circa metà della sua vita. All’esaurirsi dell’idro- Nana Bianca cioè un oggetto molto denso che geno la gravità, non più bilanciata dalle reazioni brilla in cielo per il calore emanato dalla sua nucleari, prenderà il sopravvento e il nucleo caldissima comincerà a contrarsi e conseguentemente a sorgente interna di energia. La Nana Bianca, che a oggetto loro di volta essere Supernova. spettacolare superficie, pur impiegati Seguirà chiamato non in una Nebulosa avendo una UNIVERSITÀ D STUDI DI NAPOLI FEDERICO II COME ALLA CORTE DI FEDERICO II Il lato... oscuro dell’Universo nascerà dal Sole, avrà un diametro di circa destino 15000 Km, simile a quello terrestre, e una raffredderà massa pari ad un milione di volte la massa della miliardi di anni finendo con lo “spegnersi”, come Terra. La densità è tale che un “cucchiaino” di la fiamma di una candela, e si trasformerà in Nana Bianca peserebbe decine di tonnellate. Il una elusiva Nana Nera. del nostro Sole sarà progressivamente segnato. per decine Si di UNIVERSITÀ D STUDI DI NAPOLI FEDERICO II COME ALLA CORTE DI FEDERICO II Il lato... oscuro dell’Universo I PRIMI TRE MINUTI lo spazio non esisteva ancora e, quindi, più che di Giuseppe Longo uno scoppio dell’estensione Professore di Astrofisica Università degli Studi di Napoli Federico II si di dovrebbe un’enorme parlare molla che, espandendosi, creava e crea ancora oggi lo spazio ed il tempo all’interno del quale si espande. E qui so di aver perso anche gli ultimi lettori. Comunque sia, all’epoca l’universo aveva densità e temperatura talmente alte da impedire alla materia di esistere nelle condizioni in cui la La cosmologia moderna è una scienza giovane, nata sul finire degli anni ‘20 del secolo scorso con dell’universo la ed scoperta uscita da dell’espansione una travagliata adolescenza solo negli ultimi anni ’70 con la scoperta della radiazione cosmica di fondo e con i primi studi sistematici del modo in cui le galassie sono distribuite nello spazio che ci circonda. Di fatto, sono solo circa trent’anni da quando l’Uomo ha iniziato ad avere una conoscenza meno che superficiale dell’universo che lo circonda. Malgrado ciò sappiamo con conosciamo oggi. L’energia si convertiva in miriadi di particelle e di antiparticelle che a loro volta, scontrandosi si riconvertivano in energia. Man mano che l’universo si espandeva, l’energia si diluiva e questa sorta di fluido si raffreddava fino a che, a un certo punto, la densità di energia divenne troppo bassa per permettere la formazione di nuova materia. In altre parole, l’universo divenne abbastanza freddo da permettere alla materia di esistere e, dopo circa tre minuti dall’inizio, si formarono i primi nuclei di elio dalla fusione di neutroni e protoni. certezza che circa quattordici miliardi di anni fa, l’universo non esisteva e non L’aver ricostruito questa catena di eventi esistevano neanche lo spazio e il tempo. E già qui, so di avere perso i tre quarti dei miei lettori. Per quelli tra noi più inclini alla filosofia potremmo dire che c’era il nulla, nel senso aristotelico del termine. Poi improvvisamente l’universo ebbe inizio in un enorme rilascio di energia detto “big bang” o grande scoppio. Il problema è che il big bang tutto fu tranne che uno scoppio e non a caso il nome fu ideato da Fred Hoyle che, all’epoca, era il principale oppositore della teoria. è uno dei più grandi trionfi della scienza moderna e, non a caso, circa venti anni fa il grande fisico inglese Steven Weinberg pubblicò un libro intitolato “I primi tre minuti” che vendette milioni di copie e divenne il primo best seller di divulgazione scientifica. Allora come ora, il libro non mi piacque perché dava un’immagine sbagliata della scienza: una scienza trionfante, non problematica, dove tutto era spiegato e compreso. Uno scoppio presuppone uno spazio vuoto in cui In fondo, se siamo in grado di descrivere scoppia qualcosa. Quattordici miliardi di anni fa la storia dell’universo nei suoi primi tre minuti UNIVERSITÀ D STUDI DI NAPOLI FEDERICO II COME ALLA CORTE DI FEDERICO II Il lato... oscuro dell’Universo spingendoci fino miliardesimo di di un filo conduttore per leggere un’opera molto secondo complessa di cui intuiamo la trama ma di cui, al dall’istante iniziale, cosa resta da spiegare? momento, non conosciamo neanche gli attori Soprattutto, perché dovremmo continuare a principali. Non sappiamo, ad esempio, di cosa investire milioni di euro in una ricerca che ha già sono fatte quella materia e quell’energia oscure raggiunto ha che formano circa il 90% (non è un refuso) della spiegato l’origine dell’universo e quindi di tutto? massa dell’universo, non sappiamo ancora come La scienza trionfante che emerge dai libri di ha divulgazione e velocemente da permettere la formazione della soprattutto non ha nulla a che fare con la materia, non sappiamo neanche qual è la sua scienza vera, problematica e intrigante, quella vera geometria. Ed è forse questo che vale la scienza che spinge i giovani a fare ricerca. E pena di raccontare ai giovani ed ai politici. allora, è meglio dire la verità e riconoscere che i Investiamo in ricerca perché tutto è ancora da primi tre minuti descritti da Weinberg sono solo capire. il suo è a un miliardesimo miliardesimo obiettivo rassicurante di principale ma ed noiosa, fatto l’universo a raffreddarsi così UNIVERSITÀ D STUDI DI NAPOLI FEDERICO II COME ALLA CORTE DI FEDERICO II Il lato... oscuro dell’Universo POSSIAMO PARLARE DI “COSMOLOGIA DI PRECISIONE”? invertito: Salvatore Capozziello da cui desumere modelli autoǦconsistenti. Le da osservazioni, in principio non “riproducibili”, si devono estrarre informazioni osservazioni sulla recessione delle galassie, gli Professore di Astronomia e astrofisica Università degli Studi di Napoli Federico II elementi chimici primordiali, la radiazione di fondo cosmico, la determinazione di “strutture a larga scala” hanno contribuito alla costruzione di un Modello Cosmologico basato La Cosmologia è lo studio dell'Universo nel suo insieme. Fino agli inizi del secolo scorso era considerata una branca della Metafisica con questioni irrisolvibili come le Antinomie di Kant. Ad esempio: L’Universo è finito o infinito? È sempre esistito oppure ha avuto un’origine? Tali domande sono assolutamente indecidibili in ambito filosofico e possono considerarsi addirittura oziose. punto equazioni Esso di è Einstein, sull’espansione cosmologica e sulla possibilità di “prevedere” un inizio e una fine dell’intero Universo. Gli aspetti puramente speculativi di questo approccio hanno recentemente subito una svolta decisiva. Le osservazioni da Terra e dallo spazio sono diventate talmente accurate che si può parlare di Cosmologia di Precisione, rendendo l’immagine del Cosmo estremamente realistica. Questi risultati hanno portato a nuove problematiche che costituiscono alcuni Con l’avvento della Relatività Generale, il sulle Standard. è cambiato gli aspetti più impellenti della scienza radicalmente. moderna. Ad esempio, le strutture cosmiche Nella famosa prolusione all’Accademia Prussiana sembrano sostenute delle Scienze, Einstein ipotizza, nel 1917, che Materia Oscura, cioè materia che non assorbe o l’Universo può essere trattato come un sistema emette luce, ma ha massa e “peso” come la fisico. materia In di vista tra altre parole, le equazioni della ordinaria da che enormi quantità sperimentiamo di ogni Relatività descrivono l’evoluzione globale dello giorno. L’Universo stesso sembra accelerare a spazioǦ tempo e quindi dell’intero Universo! causa Questa “ipotesi matematica” è supportata da Energia Oscura. moltissime nessuna idea definitiva di cosa siano realmente osservazioni e oggi possiamo considerare la Cosmologia alla stregua di una non ben identificata forma di Purtroppo, oggi non si ha delle tali componenti oscure, di cui se ne rilevano altre scienze esatte. Comunque, essa presenta ampiamente gli effetti. Come spesso accade un’importante differenza. Mentre la Fisica, la nella scienza, gli esperimenti e le osservazioni Chimica o la Biologia sono scienze ipoteticoǦ sono più “avanti” della teoria. Si pensi, ad deduttive, sperimentali, la Cosmologia non lo è, esempio, agli spettri nel senso che esperimenti “cosmologici” non microscopici che non possono essere interpretati sono nell’ambito della Meccanica possibili. Il procedimento va quindi atomici e ai fenomeni Classica, ma per i UNIVERSITÀ D STUDI DI NAPOLI FEDERICO II COME ALLA CORTE DI FEDERICO II Il lato... oscuro dell’Universo quali occorre la Meccanica Quantistica. Sembra analoga, ma con la differenza sostanziale che quindi che siamo esattamente in una situazione ora il “laboratorio” è l’intero Universo. UNIVERSITÀ D STUDI DI NAPOLI FEDERICO II COME ALLA CORTE DI FEDERICO II Il lato... oscuro dell’Universo L’ULTIMO TRENO PER IL RITORNO AL PASSATO eventi osservabili a terra. Sono quindi necessari Giancarlo BarbarinR loro rivelazione. Apparati di rivelazione di queste apparati di rivelazione dell’ordine di 1 km3 per la dimensioni Professore di Fisica sperimentale Università degli Studi di Napoli Federico II sono realizzabili o il ghiaccio opportunamente attraversare sfuggenti, tutto i neutrini l'Universo sfruttando risorse naturalmente disponibili, quali l’acqua del mare Elusivi, solo possono senza essere deflessi né assorbiti, e fornire così informazioni sui luoghi più estremi del cosmo. I neutrini queste delle polari, per rivelare instrumentati particelle. tradizionale, calotte Nessun infatti, laboratorio potrebbe contenere la massa necessaria a costituire un bersaglio per la raccolta di un numero sufficiente di interazioni. prodotti nelle sorgenti astrofisiche attraversano Un telescopio per neutrino è quindi imperturbati regioni dense e caldissime come costituito da migliaia di sensori ottici immersi in l'interno delle sorgenti astrofisiche e possono acqua o in ghiaccio che hanno il compito di giungere limiti fotografare i lampi di luce (luce Cherenkov) dell'Universo senza essere deviati da campi emessi nei processi di interazione dei neutrini magnetici (come i protoni) o assorbiti (come i con l’acqua o il ghiaccio. raggi gamma di alta energia e i protoni più installati energetici) (figura 1). Viaggiando quasi del tutto meccaniche alte diverse centinaia di indisturbati per distanze cosmologiche, i neutrini "registrano" i tempi di arrivo e l'intensità della conservano luce raccolta permettendo così di risalire alla fino noi dagli l’informazione provenienza l’orizzonte a estremi sulla direzione (puntamento), di osservabilità degli di estendendo eventi e direzione compatte, elettromagnetica. opache Questi alla radiazione messaggeri dell'Universo "violento" porteranno informazioni preziose sui più potenti acceleratori cosmici (galattici ed extra-galattici) e permetteranno di svelare il mistero dell'origine dei raggi cosmici e delle condizioni per accelerarli fino a energie elevatissime. di alcune centinaia provenienza e di strutture metri, all'energia del neutrino (figura 2). rendendo accessibili regioni dell’Universo dense e su I sensori ottici, Nei ghiacci dell'Antartide IceCube, un telescopio da un chilometro cubo che osserva l'emisfero Nord, è già in avanzata fase di costruzione. Il progetto Km3Net invece prevede la costruzione di una gigantesca antenna sottomarina che occuperà un volume di circa un chilometro cubo nei fondali marini di Capo Passero (3.500 m di profondità, a 80 km dalla costa siciliana). Questi due telescopi Le previsioni teoriche suggeriscono però permetteranno l’osservazione completa di tutto il un flusso di neutrini astrofisici molto ridotto, che cielo. I telescopi per neutrini di alta energia sono si traduce in un numero estremamente piccolo di strumenti di scoperta che apriranno una nuova UNIVERSITÀ D STUDI DI NAPOLI FEDERICO II COME ALLA CORTE DI FEDERICO II Il lato... oscuro dell’Universo finestra osservativa sull'Universo ed è molto "occhi", com’è spesso avvenuto in passato, si probabile scoprano fenomeni inattesi. che guardando il cosmo con nuovi figura 1 Un acceleratore cosmico emette fotoni, neutrini e nuclei, ma solo i neutrini possono attraversare distanze cosmologiche senza essere assorbiti o deflessi. I neutrini permettono anche di indagare la natura di oggetti densi e compatti, opachi alla radiazione elettromagnetica figura 2 Tecnica Cherenkov per la rivelazione di tracce di muoni in telescopi sottomarini. I muoni sono prodotti nelle interazioni dei neutrini, mentre la luce Cherenkov (cono blu) è raccolta per mezzo di un reticolo tridimensionale di sensori ottici. A destra è visibile una traccia ricostruita come proveniente dal basso e quindi interpretabile come evento di segnale. In evidenza i fotomoltiplicatori colpiti dall'emissione di luce Cherenkov. [Da antares.in2p3.fr]
