Abbiamo incontrato Jeremy David Schnittman, astrofisico presso il NASA Goddard Space Flight Center di Greenbelt (Maryland, USA). I suoi interessi di ricerca includono la modellazione teorica e computazionale dei flussi di accrescimento dei buchi neri, la polarimetria a raggi X, i buchi neri binari, le sorgenti di onde gravitazionali, il microlensing gravitazionale, l’annichilazione della materia oscura, le dinamiche planetarie, le dinamiche di risonanza e le atmosfere degli esopianeti. Lui è considerato un “astrofisico teorico generico“, proprio per la varietà degli argomenti.
Come è nata la tua passione per i buchi neri? Cosa ami di più del tuo lavoro?
Fin da bambino sono sempre stato affascinato dall’astronomia ma, allo stesso tempo, non riuscivo a far funzionare il mio telescopio. Tuttavia, mi affascinava molto la matematica e mi piaceva risolvere tutti i tipi di problemi matematici e di Fisica, quindi è stato del tutto naturale diventare un astrofisico teorico. In un forma o nell’altra, possiamo dire che questo era il mio sogno fin da quando avevo 7-8 anni, e ancora oggi mi stupisco che questo percorso abbia funzionato per me!
Lavorare alla NASA è molto bello ed eccitante, proprio come può sembrare dall’esterno. Riesco a lavorare su problemi che mi piacciono e posso dire di essere ragionevolmente bravo, come ad esempio quando devo risolvere dei problemi difficili di matematica su un computer. Inoltre, il mio lavoro mi permette anche di condividere la gloria dei grandi risultati, come quelli ottenuti dal telescopio spaziale James Webb e dalla Stazione Spaziale Internazionale.
Non sappiamo cosa ci sia all’interno dei buchi neri e a cosa possano servire. Inoltre, è anche molto difficile vederli ma, nonostante tutto, sono molto importanti per le osservazioni dell’Universo. Quali scoperte astronomiche possiamo fare con l’aiuto dei buchi neri?
Prima di tutto, anche se è molto difficile misurare qualsiasi cosa ci sia all’interno di un buco nero, possiamo ancora essere abbastanza fiduciosi che, se tutte le previsioni di Albert Einstein sono corrette al di fuori di un buco nero, allora dovrebbero estendersi anche all’interno dell’orizzonte degli eventi. Almeno fino al punto della singolarità, dove anche le equazioni di Einstein falliscono. Quell’area della Fisica, chiamata “gravità quantistica“, sarà quasi impossibile da testare anche con le migliori osservazioni di buchi neri astronomici.
I buchi neri sono ottimi laboratori per qualsiasi cosa abbia a che fare con la gravità, ma possono anche essere usati come strumenti per studiare altri oggetti. Ad esempio, possono deviare la luce di altre stelle e formare una “lente gravitazionale” che amplifica una stella lontana di molti fattori, permettendoci di misurare le sue proprietà in modo molto più accurato di quanto saremmo in grado di fare senza il buco nero interposto.
Credits: NASA’s Goddard Space Flight Center / Paul Morris: Lead Producer
Sono sempre stato affascinato dalla Relatività Generale e dalla Relatività Ristretta di Albert Einstein, e i buchi neri sono perfetti per comprendere queste due teorie di Einstein. Quali sono le caratteristiche del Tessuto Spazio-temporale? Quando si forma un buco nero, cosa succede al tessuto spazio-temporale?
Io amo anche la semplice eleganza e la profondità di queste teorie di Einstein. Sono sempre stato ossessionato da lui fin da bambino, ma quando sono cresciuto e ho imparato di più sul suo lavoro, sono rimasto ancora più colpito dai suoi risultati insuperabili. Come ho scritto poco fa, possiamo usare i buchi neri per testare la teoria di Einstein al di fuori dell’orizzonte, e questo ci dà tanta fiducia su tutto quello che la teoria prevede. I suoi documenti originali sono stati scritti oltre 100 anni fa e continuano ancora a essere testati, e tutte le volte i test ci dicono che la teoria è corretta.
Per quanto riguarda il tessuto spazio-temporale, ciò che mi sorprende di più è come riesce a produrre le onde, che noi chiamiamo “onde gravitazionali“. Queste onde si formano e si propagano dopo l’esplosione di supernove o dalla collisione di oggetti come stelle di neutroni e buchi neri. Il tessuto spazio-temporale è molto teso, teso come un tamburo. Questo significa che anche le più piccole oscillazioni (persino oscillazioni più piccole del diametro di un protone) possono trasportare enormi quantità di energia e quantità di moto.
Credits: T. Pyle/Caltech/MIT/LIGO Lab
Perché il tempo rallenta quando viaggiamo molto velocemente e quando siamo vicini a un buco nero? Se vivessimo vicino a un buco nero (alla distanza di qualche miliardo di chilometri), il nostro tempo si fermerebbe e rimarremmo per sempre giovani?
Ancora una volta, queste sono previsioni bizzarre che provengono da semplici esperimenti mentali di Einstein. La sua potentissima intuizione della Fisica su come dovrebbe comportarsi l’Universo, richiedeva che nulla potesse andare più veloce della velocità della luce. È stato quindi in grado di dimostrare con una matematica molto semplice che, se due persone diverse si muovono a una velocità differente, entrambe continuerebbero ad osservare sempre la stessa velocità della luce, cioè 300.000 km al secondo. L’unica possibile spiegazione è che ognuno di loro sta sperimentando il tempo a velocità diverse. Questa è un’idea assurda, ma lui aveva molta fiducia nelle sue conclusioni a causa della sua grande intuizione. Noi, invece, solo in seguito siamo stati in grado di confermare le sue intuizioni, grazie a degli esperimenti precisi.
Nella Teoria della Relatività Generale, che include la gravità, questo effetto di “dilatazione del tempo” si verifica ovunque sia presente una qualsiasi forma di accelerazione. E vicino a un buco nero, l’accelerazione gravitazionale diventa quasi infinita, quindi anche la dilatazione del tempo diventa estrema, rallentando i nostri orologi fino a quasi un punto fermo. Il trucco è tornare a casa prima che sia troppo tardi.
Cosa ti hanno insegnato i buchi neri? Il significato della vita è cambiato dopo che hai studiato i vari oggetti cosmici grandi miliardi di chilometri?
Penso che le cose più significative che ho imparato dai buchi neri e dallo studio della relatività siano “fidati della matematica” e “abbi fede nel tuo intuito”. Einstein ha dato un’altra lezione importante: in ogni suo articolo teorico, dedicava una piccola sezione a come un tale fenomeno avrebbe potuto essere testato un giorno. Penso che questo dovrebbe essere ancora oggi lo standard di riferimento per la ricerca teorica. Anche se non disponiamo del know-how tecnologico per testarlo oggi, o nei prossimi 50 anni, dovremmo sempre pensare se una nuova teoria potrebbe anche essere dimostrata nel futuro. O, cosa più importante, se potesse mai essere smentita in futuro.