L’occhio che svela i misteri dell’Universo

Antonio Surdo, Istituto Nazionale di Fisica Nucleare – Sezione di Lecce

            Stiamo celebrando in questi mesi la figura di Leonardo da Vinci, nel quinto centenario della morte. I suoi studi sul volo e l’ideazione di macchine volanti si possono certamente considerare precursori degli studi ingegneristici e delle innovazioni tecniche in campo aerospaziale, che hanno dato un enorme impulso all’avanzamento della nostra conoscenza dell’Universo. Per capire come ciò sia avvenuto, partiamo da alcune domande che, insieme alle relative risposte, costituiranno il filo logico di questo intervento.

            In che modo osserviamo l’Universo? Esso è così come ci appare? Quanto il modo in cui osserviamo i fenomeni naturali e gli strumenti adoperati influenzano la loro comprensione?

Fin dai tempi antichi, gli esseri umani hanno scrutato il cielo, rimanendone affascinati e cercando di svelarne i misteri. Per molti secoli, tutte le osservazioni venivano infine ricondotte ad una visione basata su leggende e miti cosmogonici. Con le posizioni delle stelle sulla volta celeste venivano disegnate delle costellazioni, associate a vicende e personaggi mitologici, alle quali venivano generalmente attribuiti significati e contenuti di natura astrologica.

            La svolta è avvenuta quando si è affermato un modo del tutto nuovo di guardare alla realtà: si è cominciato ad osservare i fenomeni naturali con senso critico, non limitandosi cioè alla mera apparenza del fenomeno, ma cercando di descriverlo in modo rigoroso e di afferrarne il significato più profondo, nella convinzione di poterlo comprendere razionalmente.

            Ciò è avvenuto nel ‘600 con l’affermarsi del metodo sperimentale elaborato da Galileo Galilei, che ha di fatto inaugurato la Scienza Moderna. In base ad esso, a partire da osservazioni quantitative e rigorose di un fenomeno naturale, viene elaborata una teoria o un modello più generale, in grado di descrivere e spiegare pienamente il fenomeno, eventualmente predicendone di nuovi. D’altra parte, ogni teoria scientifica, per essere tale, deve essere verificata sperimentalmente in ogni suo aspetto e ogni sua predizione.

            Guardando dunque con occhi nuovi ai fenomeni della natura, Galilei punta il cannocchiale verso il cielo e scopre fenomeni nuovi e inattesi. Andando oltre quello che è il moto apparente dei corpi celesti, comprende che la teoria eliocentrica è quella corretta, come peraltro già intuito e compreso da Niccolò Copernico, spazzando via di colpo la visione che aveva dominato per molti secoli. Applicando l’approccio sperimentale ai fenomeni terrestri, scopre e formula le leggi del moto e di caduta dei gravi, ponendo le basi di quella che da lì a poco sarebbe divenuta la prima grande “teoria unificante” dei fenomeni naturali, la legge di gravitazione universale di Newton.

            Successivamente, grazie al progresso tecnologico, vengono sviluppati e messi a punto telescopi ottici sempre più potenti, che permettono di esplorare distanze sempre maggiori. Si comprende che la nostra stella, il Sole, è solo una tra gli oltre 100 miliardi di stelle che compongono la nostra galassia, che l’Universo è popolato da una miriade di galassie e nebulose e si scoprono inoltre fenomeni del tutto nuovi che avvengono nel cielo.

Nel corso del ‘900, tuttavia, risulta chiaro che un nuovo cambio di passo è necessario se si vuole comprendere più a fondo com’è fatto l’Universo, quali sono i fenomeni più rilevanti che in esso hanno luogo e quali sono le leggi che li governano.

            Infatti, da una parte l’avere ormai acquisito che la luce visibile è solo una piccola frazione dell’amplissima gamma di frequenze che la radiazione elettromagnetica può assumere, andando dalle onde radio (frequenze più basse) fino ai raggi g (frequenze molto elevate), passando per le microonde, l’infrarosso, l’ultravioletto e i raggi X, fa comprendere che l’Universo può risultare enormemente più ricco se osservato nelle diverse bande di frequenza. Dall’altra, diviene evidente che la presenza dell’atmosfera terrestre limita fortemente la possibilità di spingersi ancora oltre nelle osservazioni ottiche, mentre, assorbendo essa le frequenze più alte, rende impossibile effettuare da terra lo studio dei fenomeni al di là dell’ultravioletto. Si scoprono inoltre i Raggi Cosmici, un flusso di particelle cariche, principalmente protoni, ma anche elettroni e nuclei di elementi più pesanti (dall’elio al ferro e oltre) che investono continuamente e da ogni direzione il nostro pianeta. Da cosa sono generate queste particelle, sono di origine galattica o extragalattica, quali sono i meccanismi di propagazione e accelerazione che agiscono su di esse?

            Ecco emergere a questo punto un secondo aspetto, rivelatosi via via sempre più importante: non si tratta più di un cambio di mentalità nell’osservare i fenomeni naturali, bensì dello sviluppo di nuove tecniche osservative e di nuovi strumenti, grazie alle continue innovazioni tecnologiche.    Questo aspetto si rivelerà di fatto determinante, nel corso dei decenni successivi, ai fini di una sempre più profonda comprensione dell’Universo.

Si portano allora i rivelatori di radiazione o di particelle in alta quota nell’atmosfera grazie a palloni stratosferici o si installano telescopi e rivelatori di nuova concezione su satellite e su stazioni spaziali orbitanti al di fuori dell’atmosfera terrestre.

            A questo riguardo, non si può non ricordare l’opera di Leonardo, al cui genio ed alla cui inventiva il settore aerospaziale deve certamente molto. E la Puglia punta decisamente su questo settore per il proprio sviluppo tecnologico e industriale, così come nel campo della ricerca scientifica di base. Gli Atenei pugliesi e le Sezioni di Bari e Lecce dell’INFN (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare), sono coinvolti in importanti missioni, frutto di collaborazioni internazionali, che prevedono l’impiego di rivelatori installati su satelliti in orbita intorno alla Terra, per l’osservazione di radiazione g e raggi cosmici carichi.

            Tra di esse va citata prima di tutto la missione Fermi Gamma-Ray Space Telescope, per la mole e la rilevanza dei risultati conseguiti finora. Frutto della collaborazione tra la NASA, l’ASI (Agenzia Spaziale Italiana), l’INFN, l’INAF (Istituto Nazionale di Astrofisica) e altre Istituzioni in Europa e in Giappone, Fermi è un telescopio per la rivelazione di radiazione g sia diffusa che da sorgenti astrofisiche localizzate, installato su un satellite lanciato in orbita nel 2008 e tuttora in presa dati. Esso ha costruito una mappa molto dettagliata del cielo in emissione g e soprattutto ha rivelato un enorme numero di “gamma ray burst”, lampi di raggi g di enorme potenza, la cui origine non è del tutto chiara.

            Vi è poi la missione DAMPE (Dark Matter Explorer), in cui sono coinvolte le Sezioni INFN di Bari e Lecce, oltre la Sezione di Perugia, l’Università di Ginevra e varie Istituzioni dell’Accademia Cinese delle Scienze. In questo caso, la Cina ha provveduto alla costruzione ed al lancio del satellite, su cui è installato il rivelatore, in orbita da Dicembre 2015. Scopo della missione è principalmente quello chiarire il mistero della cosiddetta materia oscura, che si ritiene costituisca la parte preponderante della materia nell’Universo, oltre allo studio diretto dei diversi componenti dei raggi cosmici in una regione di energia particolarmente interessante.

            Sempre in collaborazione con l’Accademia Cinese delle Scienze, oltre che con diverse Istituzioni europee, è ora in fase di progetto il telescopio per raggi cosmici denominato HERD (High Energy Radiation Detector), sostanzialmente la prosecuzione della missione DAMPE. Di dimensioni maggiori rispetto al predecessore, HERD sarà installato sulla Stazione Spaziale Cinese attualmente in fase di costruzione e assemblaggio in orbita e permetterà di estendere ad energia maggiore la misura del flusso di raggi cosmici.

            Nel quadro di un ulteriore salto tecnologico si inseriscono certamente gli interferometri, strumenti estremamente sofisticati che negli ultimi anni hanno rivelato per la prima volta le onde gravitazionali generate in diversi fenomeni astrofisici, aprendo così una nuova finestra di osservazione del Cosmo.