L'angolo del futuro: il volto più vivace e spettacolare del cosmo

Ci sono momenti in cui l’universo sembra smettere di sussurrare e decide, per una frazione di secondo, di urlare. Stelle che collassano, materia lanciata nello spazio a velocità vertiginose, fontane di particelle che attraversano distanze inimmaginabili: è il volto più vivace e spettacolare del cosmo, quello delle grandi esplosioni stellari. Tra queste, le supernove sono le più note. Ma esistono fenomeni ancora più estremi, capaci di sprigionare in pochi istanti una quantità di energia paragonabile a quella emessa da un’intera galassia.

Sono i lampi di raggi gamma, i ‘Gamma Ray Burst’, e rappresentano uno dei principali campi di ricerca di Paolo D’Avanzo (nella foto), primo ricercatore dell’Istituto Nazionale di Astrofisica presso l’Osservatorio Astronomico di Brera.

Bergamasco, classe 1978, D’Avanzo si è laureato in Fisica all’Università degli Studi di Milano con una tesi dedicata allo studio dei sistemi binari transienti in quiescenza attraverso la tomografia Doppler, per poi conseguire il dottorato in Fisica e Astrofisica. Da allora il suo lavoro si è concentrato, in particolare, sulle stelle che esplodono e sui fenomeni che accompagnano questi eventi cosmici.

“Mi occupo di un’altra classe di sorgenti, in qualche modo legata alle supernove: i lampi di luce gamma, che sono, per quanto ne sappiamo oggi, le più potenti esplosioni cosmiche conosciute in termini di energia rilasciata”.

Il nome dice già molto. I raggi gamma appartengono alla famiglia delle radiazioni elettromagnetiche, ma occupano la fascia più energetica dello spettro. Dopo la luce visibile, l’infrarosso, l’ultravioletto e i raggi X, si arriva infatti a una radiazione invisibile all’occhio umano e straordinariamente penetrante.

Per capire la loro natura, D’Avanzo ricorre a un paragone concreto: i raggi X utilizzati per le radiografie sono già molto energetici e attraversano i tessuti molli, mentre i raggi gamma si collocano a un livello ancora superiore. “Sono radiazioni che, sulla Terra, associamo anche agli eventi nucleari”. Nel cosmo, tuttavia, fenomeni di questa portata avvengono naturalmente.

La loro scoperta, racconta il ricercatore, è arrivata quasi per caso. Negli anni della Guerra fredda gli Stati Uniti misero in orbita una serie di satelliti dotati di rivelatori di raggi gamma, ufficialmente per verificare che eventuali esplosioni nucleari non avvenissero nello spazio, in violazione degli accordi internazionali. Alla fine degli anni Sessanta quei sensori registrarono improvvisi e brevissimi lampi di energia.

“Chi analizzava i dati capì subito che non si trattava di esplosioni nucleari provocate dagli esseri umani, ma di eventi cosmologici, lontani ed estremamente energetici”.

La scoperta rimase coperta dal segreto militare per diversi anni. Solo nel 1973 la comunità scientifica venne informata dell'esistenza di questi fenomeni, attraverso una pubblicazione firmata proprio da alcuni fisici legati ai laboratori di Los Alamos.

Da allora è cominciata una lunga caccia scientifica per capire che cosa produca quei lampi. Un indizio fondamentale è arrivato dalla loro durata: alcuni si esauriscono in una frazione di secondo, altri possono protrarsi per decine di secondi.

“Quello che può sembrare un dato insignificante è invece una delle chiavi per capire che cosa ha causato l’esplosione”.

Oggi il quadro è molto più nitido. Per i lampi più lunghi, la spiegazione maggiormente supportata dalle osservazioni è il collasso di stelle molto massicce, decine di volte più grandi del Sole. Quando il nucleo della stella cede sotto il proprio peso, si innesca un processo catastrofico che può generare un getto di materia e radiazione capace di attraversare il cosmo.

Per i lampi brevissimi, invece, lo scenario cambia radicalmente. Non una stella sola, ma due. E non due stelle ordinarie: due stelle di neutroni, ciò che rimane del nucleo ultracompatto di stelle esplose in precedenza.

“Sono oggetti minuscoli rispetto alle dimensioni stellari, con un diametro di appena una decina di chilometri, ma con densità straordinarie”, spiega il ricercatore. Due stelle di neutroni possono orbitare l’una attorno all’altra per lunghissimo tempo, perdendo progressivamente energia attraverso onde gravitazionali, fino alla collisione finale.

“Non basta una stella sola: ne servono due. Due oggetti densissimi che collidono e rilasciano l’energia gravitazionale che hanno immagazzinato, producendo quel lampo”.

È proprio qui che entra in scena una delle grandi rivoluzioni dell’astrofisica contemporanea: l’astronomia multimessaggera. Per secoli l’universo è stato osservato quasi esclusivamente attraverso la luce. Prima a occhio nudo, poi con i telescopi, infine sfruttando l’intero spettro elettromagnetico, dalle onde radio ai raggi gamma.

Con la scoperta delle onde gravitazionali, annunciata nel 2016 dopo il primo rilevamento del 2015, la situazione è cambiata. Ai fotoni si sono aggiunti nuovi “messaggeri”: le onde gravitazionali e, in determinati casi, i neutrini.

“L’ultima rivoluzione è stata riuscire a intercettare altri messaggeri oltre ai fotoni, oltre alla luce”.

La possibilità di osservare lo stesso evento attraverso segnali differenti apre così una finestra nuova sull’universo. I Gamma Ray Burst, grazie alla loro luminosità, possono essere individuati a distanze enormi, miliardi di anni luce. “Guardare così lontano significa, in realtà, guardare indietro nel tempo: la luce che arriva oggi è partita miliardi di anni fa, quando l’universo era ancora giovanissimo”.

Alcuni lampi gamma osservati dagli astronomi risalgono a epoche in cui il cosmo aveva meno di un miliardo di anni. Sono vere e proprie “lampadine” accese sul passato remoto dell’universo, capaci di raccontare quando si siano formate le prime stelle e come il cosmo abbia iniziato a evolversi verso la struttura che conosciamo.

Ma la posta in gioco non riguarda soltanto le origini. Le osservazioni multimessaggere possono contribuire anche a misurare l’espansione dell’universo. “Le onde gravitazionali, infatti, permettono di stimare la distanza delle sorgenti che le hanno prodotte e possono quindi offrire un metodo indipendente rispetto a quelli basati sulla luce”.

Per D’Avanzo, comprendere l’origine e il destino dell’universo rappresenta una delle grandi sfide della ricerca contemporanea. Ma il cielo scientifico ha molti altri orizzonti. Tra questi c’è la ricerca degli esopianeti, mondi che orbitano attorno ad altre stelle e che gli astronomi cercano di caratterizzare attraverso dimensioni, distanza dalla propria stella e composizione atmosferica.

L'obiettivo, spiega, è individuare pianeti che possano presentare condizioni simili a quelle terrestri e, soprattutto, cercare eventuali biomarcatori: tracce chimiche nell'atmosfera che potrebbero indicare la presenza di processi biologici.

Il futuro dell’astronomia, dunque, sembra destinato a muoversi lungo due direzioni apparentemente opposte, ma profondamente legate: “Sempre più indietro, verso l’infanzia dell’universo, e sempre più lontano, alla ricerca di altri mondi”. In entrambi i casi, la sfida è la stessa: imparare a leggere segnali provenienti da distanze vertiginose.