“L’intelligenza ha un’importanza secondaria nella ricerca” Understand article

Tradotto da: Claudia Mignone. Si può praticare uno sport a livelli internazionali e allo stesso tempo essere parte di un gruppo di ricerca che cerca di capire la natura del nostro universo? Sì - chiedete a Tamara Davis. Henri Boffin dell’ESO l’ha intervistata a Copenhagen, Danimarca.

Dieci anni fa, una ‘bomba’ esplose in astronomia: grazie a nuove osservazioni, si è dovuto abbandonare l’allora dominante modello standard per spiegare l’universo e sostituirlo con nuove idee (si veda Landua & Rau, 2008, per una trattazione sul modello standard).

Secondo il modello più accreditato per la formazione dell’Universo, la teoria del Big Bang, l’Universo ha avuto inizio da uno stato estremamente caldo e denso, e da allora non ha mai smesso di espandersi (come descritto in Peebles, 2001). La conferma dell’espansione si deve all’astronomo statunitense Edwin Hubble, il quale nel 1929 mostrò che la velocità con cui una galassia si allontana da noi è direttamente proporzionale alla sua distanza dalla Terra. Questa scoperta va sotto il nome di legge di Hubble.

Le più recenti osservazioni mostrano che questa espansione, invece di decelerare, come ci si potrebbe aspettare se la gravità fosse l’unica forza in gioco, sta attualmente accelerando. Le galassie si stanno allontanando l’una dall’altra con una velocità che continua ad aumentare (si veda, ad esempio, Leibundgut & Sollerman, 2001).

“Gli astronomi hanno proposto l’idea dell’energia oscura, il nome con cui chiamiamo la sorgente misteriosa dell’accelerazione dell’universo,” dice l’astronoma Tamara Davis. “Non sappiamo ancora di cosa si tratta. Potrebbe essere un materiale con proprietà anti-gravitazionali, e in tal caso il 70% del nostro universo sarebbe composto da questo materiale bizzarro. Una spiegazione alternativa potrebbe essere, invece, che la teoria attualmente adoperata per spiegare la gravità sia incompleta, così come la teoria di Newton ha avuto bisogno di essere estesa mediante la teoria della relatività generale di Einstein.”

Ora che gli astronomi hanno anche evidenze sperimentali in favore del fatto che il 25% dell’Universo sia composto da una forma sconosciuta di materia (come descritto in Warmbein, 2007) – la materia oscura – conosciamo davvero solo il 5% del nostro Universo. Chiamiamola modestia!

Tamara lavora presso il Dark Cosmology Centre a Copenaghen, Danimarca, ed è coinvolta in grandi collaborazioni insieme a scienziati di tutto il mondo, simili a quelle che al momento si occupano dei quesiti fondamentali della fisica delle particelle. Tamara fa parte della collaborazione ESSENCE^w1, che studia le supernove per cercare di comprendere l’energia oscura. Ha iniziato a lavorare a questo argomento affascinante quando si è trasferita presso la Australian National University and Mount Stromlo Observatory nel 2003, dopo aver conseguito il suo dottorato di ricerca presso la University of New South Wales, Australia. “Sono stata particolarmente fortunata a poter lavorare con uno scienziato davvero ispirato, Brian Schmidt, uno dei ricercatori che ha scoperto che l’espansione dell’Universo sta accelerando.”

Un modo per determinare le proprietà dell’energia oscura è quello di misurare le distanze e le velocità di sorgenti astronomiche lontane, per calcolare come l’Universo si espande nel tempo. Per fare ciò, gli astronomi osservano soprattutto le supernove di tipo Ia (come descritto in Székely & Benedekfi, 2007) – cioè esplosioni stellari. Le supernove più distanti osservate finora sono così lontane che sono in realtà esplose prima ancora che la Terra si formasse. La loro luce ha iniziato a viaggiare attraverso lo spazio prima ancora che il Sole iniziasse a brillare – ricordate che, poiché la velocità della luce ha un valore finito, guardare lontano vuol dire guardare indietro nel tempo

La luce che arriva fino a noi è pochissima, a causa della loro grande distanza, perciò queste osservazioni possono essere compiute soltanto con i telescopi più potenti, come il Very Large Telescope dell’ESO^w2 (si veda Pierce-Price, 2006, per una descrizione di come si lavora con questo telescopio), o i Telescopi Keck^w3 e Gemini^w4– che si trovano tutti in zone remote con condizioni climatiche adatte alle osservazioni astronomiche (praticamente privi di nubi, di vapore acqueo e con un’atmosfera sottile). Dall’osservazione di un grande numero di supernove che coprano un discreto intervallo di distanze, misurando le loro distanze e velocità, si può stimare come l’espansione dell’Universo vari nel tempo.

La collaborazione ESSENCE è un gruppo di circa 30 ricercatori sparsi in tutto il mondo, uniti alla ricerca di supernove lontane che possano essere usate per comprendere meglio l’accelerazione dell’Universo e l’energia oscura. Tamara ha l’arduo compito di cercare di capire cosa ci dicono veramente le misure delle supernove. Dopo aver fatto la sua parte di osservazioni, lascia a qualcun altro nella collaborazione il compito di trasformare le immagini delle supernove in informazioni sulla loro distanza e velocità. Intanto, studia diversi modelli teorici di energia oscura e cosa essi predicono per l’andamento delle supernove. Quando il materiale osservato è pronto, il suo lavoro è quello di confrontare i dati con i modelli e capire quale teoria funziona meglio.

“La mia parte preferita in assoluto dell’astronomia è osservare ai grandi telescopi, specialmente quelli giù in Cile. Anche usare i telescopi spaziali [che eliminano gli effetti di sfocamento e assorbimento dovuti all’atmosfera] è interessante, ma in quel caso non si può controllare direttamente il telescopio. E poi andare su ai telescopi nelle Ande Cilene è davvero fantastico. L’intera esperienza del viaggio attraverso l’America Meridionale, prendere un autobus in un punto sperduto del deserto e poi vedere un telescopio enorme comparire all’orizzonte, sembra uscita da un film di fantascienza. Poi, quando sei lì dentro hai uno strumento di estrema precisione e delle dimensioni di un edificio che obbedisce ai tuoi comandi. È fantastico.”

Tamara non ha maneggiato solo i telescopi nelle Ande Cilene – anche quando era in Australia ha usato molti telescopi, e ricorda alcuni episodi divertenti. Una volta è rimasta intrappolata fuori dal telescopio perché un branco di canguri stava pascolando davanti al cancello.

Ma Tamara ha gli occhi puntati anche sullo spazio. A Copenaghen, fa parte di un gruppo che propone di costruire un osservatorio spaziale chiamato SNAP, SuperNova Acceleration Probe^w5 (tradotto, Sonda per le SuperNove e l’Accelerazione). SNAP è progettato appositamente per misurare l’espansione dell’universo e determinare la natura della misteriosa energia oscura che sta accelerando l’espansione. “Adoro dire alla gente che parte del mio lavoro è costruire un’astronave,” dice scherzando.

Ma di cosa si tratta davvero? “Stiamo cercando di comprendere i blocchi fondamentali che compongono l’Universo e come funzionano le leggi della fisica. Il progresso che ne può derivare per la conoscenza e la tecnologia sarà sbalorditivo, anche se trasformare questa ricerca pura in applicazioni pratiche richiederà molto tempo. Le teorie di cui disponiamo al momento non spiegano cosa sia questa energia oscura, ma sono abbastanza flessibili da poterla contemplare.

“La parte che trovo più eccitante è che la spiegazione dell’accelerazione dell’espansione dell’universo, secondo le teorie dominanti, potrebbe richiedere una fusione della teoria della gravità e di quella quantistica – la fisica dell’immensamente grande e quella dell’immensamente piccolo. Adoro il fatto che tutto in natura sia connesso, che la fisica delle più piccole particelle che compongono gli esseri umani sia legata alla fisica dell’intero universo su scale enormi. Non è incredibile?”

Secondo Tamara e molti dei suoi colleghi, l’evidenza in favore dell’energia oscura è ormai incontrovertibile. “Se fossero state solo le supernove a favorire un’idea così esotica, sarebbe stato facile proporre un’alternativa: che qualcosa fosse stato trascurato durante le osservazioni, che da qualche parte fosse stato commesso un errore. Ma, sin dalla prima scoperta, sempre più prove si sono accumulate, provenienti da test osservativi completamente diversi, e tutte richiedono l’esistenza dell’energia oscura.”

La radiazione cosmica di fondo a microonde^w6 (il retaggio luminoso del Big Bang), le osservazioni di ammassi di galassie, le misure delle oscillazioni acustiche dei barioni (ovvero della distribuzione delle galassie nel cielo), l’effetto di lensing gravitazionale forte e debole (per una breve descrizione del lensing gravitazionale si veda Jørgensen, 2006) – tutte queste osservazioni, che testano meccanismi fisici molto diversi, sono d’accordo nell’asserire che l’espansione dell’Universo non si possa spiegare senza l’energia oscura (si veda Peebles, 2001).

Si potrebbe pensare che dedicarsi a questa ricerca non lasci molto tempo ad altro fuori della scienza. Ma i successi di Tamara vanno ben oltre la fisica. Durante il dottorato, è stata per due anni rappresentante del comitato esecutivo dell’associazione sportiva dell’università e ha organizzato attività sportive per oltre 30,000 studenti. Ha gareggiato a livello nazionale in almeno sei sport. È istruttrice di sci, allenatrice di ginnastica e bagnina di surf.

Ai campionati mondiali di frisbee estremo in Germania nel 2000, Tamara ha rappresentato il suo paese per la prima volta, e da allora è rimasta un membro attivo della squadra australiana, ed era vice-capitano quando si è qualificata quinta ai mondiali del 2004 in Finlandia. Il frisbee estremo è uno sport che si pratica con un frisbee su un campo da rugby (senza le porte). I giocatori sono anche arbitri, e chiamano da soli i loro falli: il fair play e la fiducia negli avversari sono elementi vitali. Per questo, i giocatori votano alla fine di ogni torneo quale quadra ha giocato in modo più corretto. Sebbene sia estremamente competitiva, la squadra di Tamara ha vinto il premio per lo ‘spirito di gioco’ in entrambi i campionati, un risultato degno di nota.

Non sorprende, vista la sua devozione e passione sia per la fisica che per lo sport, che Tamara abbia pensato di diventare un’astronauta. Sfortunatamente, per chi non è cittadino statunitense non è un compito particolarmente facile, ma Tamara ha anche la cittadinanza canadese e ha intenzione di fare domanda, qualora l’Agenzia Spaziale Canadese apra qualche posizione. Nel frattempo, visto che diventare astronauta sembra piuttosto improbabile, l’astronomia è la miglior seconda opzione per lei. Questa decisione è stata influenzata da un insegnante di fisica molto incoraggiante alle scuole superiori. “Era un appassionato di astronomia e comprò un piccolo telescopio per la scuola, che noi potevamo usare la notte. Portò anche alcuni di noi con sé durante un fine settimana astronomico, per me memorabile perché è stata la prima volta che ho sentito parlare della relatività. E sono rimasta incastrata.”

Tamara crede che non ci voglia molto per essere bravi in scienza – solo un naturale stupore per il mondo circostante e per capire come funziona. “Ho imparato che l’intelligenza ha un’importanza secondaria nella ricerca. L’interesse e l’ispirazione sono segnali molto più significativi per determinare se qualcuno avrà successo in una carriera scientifica,” commenta.

Gli interessi di Tamara non si limitano all’energia oscura. Parte della sua ricerca si occupa di questioni particolarmente delicate: ha dimostrato (fra le altre cose) che l’espansione dell’Universo può essere più veloce della velocità della luce, che la velocità della luce può non essere costante, e che la rapida comparsa della vita sulla Terra suggerisce che la vita nell’Universo sia comune.

Insegna anche all’università, attività che le piace moltissimo. “Credo che sia perché sono così eccitata da ciò che studio, che mi dà una enorme soddisfazione trasmettere l’entusiasmo agli altri. Adoro osservare il momento in cui qualcuno capisce un concetto complicato, o quel momento in cui ‘wow’ imparano qualcosa che non avevano mai sentito prima.”

References

• Jørgensen, UG (2006) Ci sono pianeti simili alla Terra intorno ad altre stelle? Science in School 2.
• Landua R, Rau M (2008) The LHC: a step closer to the Big Bang. Science in School 10: 26-33.
• Leibundgut B, Sollerman J (2001) A cosmological surprise: the Universe accelerates. Europhysics News 32(4): 4. www.eso.org/~bleibund/papers/EPN/epn.html
• Levin J (2003) How the Universe Got Its Spots: Diary of a Finite Time in a Finite Space. New York, NY, USA: Anchor Books
• Peebles J (2001) Making sense of modern cosmology. Scientific American 284: 44. www.sciam.com/article.cfm?id=making-sense-of-modern-co
• Pierce-Price D (2006) Far funzionare uno dei piu’ grandi telescopi al mondo. Science in School 1.
• Székely P, Benedekfi O (2007) Fusione nell’universo: quando una stella gigante muore… Science in School 6.
• Warmbein B (2007) Making dark matter a little brighter. Science in School 5: 78-80.

Web References

• w1 – Per ulteriori informazioni a proposito della collaborazione ESSENCE (Equation of State: SupErNovae trace Cosmic Expansion; trad. Equazione di stato: le supernove ricalcano l’espansione cosmica) alla ricerca di supernove distribuite uniformemente in redshift, si veda: www.ctio.noao.edu/wproject
• w2 – FPer maggiori informazioni su ESO (l’Osservatorio Europeo nell’emisfero Sud) e i suoi progetti didattici, visitate: www.eso.org/outreach/eduoff
• w3 – Il sito dell’Osservatorio Keck alle Hawaii, Stati Uniti: www.keckobservatory.org
• w4 – Il sito dell’Osservatorio Gemini: www.gemini.edu
• w5 – Il sito del progetto SNAP: http://snap.lbl.gov
• w6 – Il satellite WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) è una sonda della NASA che fornisce una enorme quantità di informazioni cosmologiche ad alta precisione. WMAP ha prodotto la prima mappa di tutto il cielo nelle microonde. WMAP misura la radiazione cosmica di fondo, la luce che proviene dal Big Bang e che si è spostata nelle lunghezze d’onda delle microonde a causa dell’espansione dell’universo. Per ulteriori informazioni su WMAP, si veda: http://map.gsfc.nasa.gov

Resources

• Per maggiori informazioni su Tamara e il suo lavoro, visitate la sua pagina web: www.dark-cosmology.dk/~tamarad/index.html

Institutions

Review

Due argomenti in particolare spingono i ragazzi a studiare fisica: le domande fondamentali sull’origine dell’Universo (come in Levin, 2003), e l’astronomia. Nessuno dei due argomenti è di solito parte del curriculum standard della scuola superiore: questo articolo, invece, parla un po’ di entrambi. Gli studenti troveranno molto interessante il fatto che studiare le supernove utilizzando i telescopi possa aiutare a confermare (o confutare) il modello standard per la cosmologia.

Inoltre, molte persone al di fuori della scienza, compresi gli studenti delle scuole superiori, tendono ancora ad immaginare i fisici come secchioni magrolini, rigorosamente maschi e un po’ autistici, oppure come pazzoidi con barba e occhiali spessi (o, nell’improbabile caso che si tratti di donne, come delle zitelle un po’ strane senza vita sociale fuori dal laboratorio) che lavorano in isolamento senza mai vedere la luce del giorno. La vera descrizione di un fisico, che gli studenti potrebbero voler conoscere, con cui lavorare insieme o addirittura da emulare, è più che benvenuta. Inoltre, il lavoro di Tamara, che richiede collaborazioni internazionali, permette di visitare località esotiche e maneggiare giganteschi giocattoli, può ancor di più convincere gli studenti che una carriera in fisica possa essere davvero interessante, o addirittura divertente.

Gli insegnanti potrebbero usare questo articolo per stimolare dibattiti su:

• Come la scienza avanza attraverso gli esperimenti, e come le idee cambiano e le teorie devono essere modificate (Copernico, Newton, Einstein)
• Il ruolo delle strutture scientifiche centralizzate e delle collaborazioni internazionali
• L’uso dei telescopi spaziali per eliminare l’effetto dell’atmosfera in astronomia
• Tutto ciò che non sappiamo o non comprendiamo pienamente
• L’importanza (o meno) che ha questo tipo di lavoro fondamentale
• Stereotipi, caricature e preconcetti.

Potrebbe anche essere usato come materiale aggiuntivo quando si studia la dispersione della luce nell’atmosfera, o come punto di riferimento per una ricerca su come i fisici determinano la distanza delle stelle o come le stelle si muovono rispetto alla Terra.

In collaborazione con gli insegnanti di arte, si possono realizzare rappresentazioni interessanti delle supernove, e si può spingere l’immaginazione ancora più lontano, pensando a come appariva l’Universo quando le supernove più distanti sono esplose.

Infine, i ragazzi possono calcolare quanto era distante dalla Terra la luce di una supernova lontana all’epoca in cui la Terra si è formata, oppure quando era popolata dai dinosauri, e dare le risposte (per esempio) in multipli della distanza della Terra da Alpha Centauri.

Halina Stanley, Francia

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