1. L’astrofisica moderna
Massimo Badiali
INAF
Istituto 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?

2. 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.

3. Ciò è tanto vero che, ferma restando la distinzione tra i due tipi di
ricerca, 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

4. 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.
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.
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 più
corretto 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.
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.

5. 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
1- FORMAZIONE
La ricerca fondamentale crea il supporto e il presupposto per la
formazione 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 - RICADUTE
Sempre 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. È
quindi 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.

6. 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.
esempi
Telefono cellulare – nasce fra i fisici del CERN di Ginevra
Fotocamera digitale – nasce dallo sviluppo di microcristalli fotosensibili,
utilizzati sul piano focale di telescopi
CD – nascono come applicazione dell’ottica quantistica
INTERNET – nasce come strumento per rapido scambio di dati scientifici
tra diversi centri di ricerca.

7. Perché, in particolare, è importante anche l’ASTROFISICA?
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
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)

8. 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

9. 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.

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

11. Vogliamo studiare non solo stelle e pianeti, ma anche nebulose, galassie,
nuclei galattici, e tutti gli oggetti strani dell’universo, luminosi e oscuri.
Inoltre, l’astronomia moderna non si limita ad osservare il cielo
Vogliamo capire “come funziona”.

12. 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.
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

13. 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

14. 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)

15. Ecco perché, oltre ad osservatori terrestri sempre più potenti, disposti ad
alta quota
Il VLT (Very Large Telescope) dell’ESO a
Cerro Paranal (Cile) a 2635 m di quota.
4 telescopi con specchio primario di 8 metri.

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

17. Sono telescopi spesso piuttosto
strani, perché certe bande dello
spettro (es. i raggi X e gamma) non
possono essere deviate da lenti o
specchi.

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

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

20. 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.

21. 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).
La superficie di Marte
C’è poi un campo in cui l’astronomia ha cessato di essere tale perché è
diventata esplorazione diretta dei corpi celesti. Ovviamente, quelli a noi
più vicini: i pianeti, gli asteroidi e le comete del Sistema Solare.

22. Dicevamo della stretta connessione tra l’astrofisica e la fisica
fondamentale. Essa non è a senso unico. Infatti, non solo la fisica è
supporto 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?

23. 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

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

25. 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.).
Speriamo di aver chiarito che, se si parla di astronomia moderna …
… Non si tratta solo di osservare le stelle

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

27. 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.