La certezza dell’importanza dell’incertezza Scientifica

Nella scienza abbiamo due certezze: i dati sono fondamentali per confermare la teoria e la teoria è fondamentale per interpretare i dati. Ma in mezzo a queste due certezze c’è un mare di confusione, dinamicità, errori e frustrazione che poco si conosce. Un mare che, contro-intuitivamente, è fondamentale per riuscire ad andare avanti nella ricerca scientifica.

Ormai ben tre anni fa (d’altronde la nostra “Verbum Press” ha compiuto 5 anni!!!) vi raccontavo il “Backstage di un lavoro Scientifico” (https://www.verbumpress.it/nel-backstage-di-un-lavoro-scientifico/ ) con l’idea di farvi entrare in modo più concreto nel mondo della Scienza e, in particolare, in quello dell’ Astrofisica. In qull’ articolo facevo una premessa: “A prescindere dal campo di applicazione, c’è un fattore comune alla scienza tutta che ne rappresenta l’essenza più pura, ed è il metodo scientifico “creato” dal nostro Galileo: osservazione, ipotesi, esperimento e misura, ripetizione della misura, conferma o negazione dell’ipotesi. Solo in caso di conferma sperimentale ripetuta, l’ipotesi di partenza potrà diventare una certezza scientifica. Questo metodo è più prezioso del Tesseract asgardiano, ricordatevelo.”

L’ho voluta riscrivere qui perché in questo pezzo voglio darvi un esempio concreto di quanto sia complesso e dinamico il mondo scientifico e di come, proprio per questo, sia affascinante e frustrante allo stesso tempo. Questo esempio, è la storia di uno degli argomenti più caldi dell’astrofisica delle alte energie… Non un argomento a caso visto che è anche il mio argomento (lo so, sono un po’ campanilista): sto parlando dell’origine dei Raggi Cosmici. Nonostante siano starti scoperti agli inizi del 1900, più di un secolo fa, stiamo ancora cercando di capire da dove provengono, cioè quali sono le sorgenti che li accelerano. E sì che in questo secolo abbiamo collezionato innumerevoli dati e sviluppato moltissime teorie e modelli… Ma vediamo insieme meglio di cosa sto parlando. Disclaimer: in questo articolo non entrerò nel dettaglio scientifico perché lo scopo è raccontarvi l’inifinito duetto tra dati e teoria. Rimando i dettagli ad articoli successivi. Rimanete “tunati”!

Fase 1 – Dalla scoperta alla caratterizzazione – Da quando Victor Hess, nel 1912, confermò ciò che altri prima di lui avevano già ipotizzato, e cioè che c’era una fonte di radiazione proveniente dall’esterno della nostra Terra, i Raggi Cosmici appunto, si iniziò a costruire strumentazione tale da misurare questa radiazione, per riuscire a descriverne la natura, le sue caratteristiche, come l’energia o il modo in cui questa energia è distribuita (cioè il loro “spettro”), per poi arrivare a formulare delle ipotesi sul processo fisico che li produce e a capire le sorgenti da cui provengono. Tra misure indirette e dirette, si arrivò a capire che questi “raggi cosmici” in realtà sono particelle, in particolare protoni e nuclei leggeri (come quelli di elio e carbonio), con energie che vanno da qualche Megaelettronvolt (1 seguito da 6 zeri) fino a 10^20 eV (1 con 20 zeri!!! Per capirci: una singola particella di queste energie trasporta la stessa energia di un piccolo oggetto in movimento, concentrata in una sola “goccia di luce”). Si capì che arrivano a Terra molte più particelle di bassa energia rispetto a quelle ad alta energia e che vengono da ogni parte dell’Universo. Parecchie informazioni per essere all’inizio della ricerca. Però restava un’informazioni impossibile da ottenere misurando direttamente le particelle cariche: la loro origine. Infatti, i raggi cosmici sono carichi elettricamente e per questo, durante il loro viaggio dalla sorgente fino a noi, vengono deviati continuamente da tutto ciò che di elettrico e/o magnetico trovano lungo il percorso: per farla breve, arrivano da noi con un percorso totalmente random, come se fossero “brilli” per capirci. Bel problema non trovate? 

Fase 2 – Dalla caratterizzazione alla teoria – A questo punto, si è iniziato a ragionare su un metodo alternativo per capire la loro origine, partendo da ciò che si poteva dedurre con i dati accumulati fino a quel momento. Negli anni 50-60, con l’avvento dei primi rivelatori spaziali, i dati sembravano indicare che i raggi cosmici a più basse energie provengono dal Sole: in effetti si registrava un aumento del loro flusso in corrispondenza dei brillamenti solari, violente esplosioni sulla superficie della nostra stella che liberano quantità di energia dell’ordine di milioni di bombe nucleari. Molto bene! Però…

Però parliamo di particelle solo fino a quache decina di Megaelettronvolt. E tutte le altre? Lo stesso Victor Hess aveva già escluso l’origine solare per la maggior parte dei raggi cosmici perché, durante un’eclissi, non osservò alcuna diminuzione significativa del flusso di particelle. Tenendo conto di questo dato, già negli anni 30 si iniziò a ragionare sulle possibili altre sorgenti della nostra Galassia capaci di accelerare particelle ad alta energia. Tra le tante, quelle con il bacino energetico maggiore e che quindi  sembravano più promettenti, erano i Resti di Supernova, cioè quanto creato dall’onda d’urto delle esplosioni di stelle più massicce del Sole nella sua interazione col mezzo circostante. Ipotesi questa che venne supportata maggiormente quando Fermi, nel 1949, ipotizzò il meccanismo di accelerazione che poteva portare le particelle a energie così alte: il meccanismo di accelerazione di Fermi (solita originalità, lo so). In una riga: le particelle rimbalzano avanti e dietro a cavallo dell’onda d’urto dell’esplosione e guadagnano energia.

Insomma, i resti di supernova sembravano avere tutte le carte in regola per ottenere ciò che veniva osservato a terra. Carte confermate anche negli anni successivi con studi più approfonditi e teorie più dettagliate che partivano da quella di Fermi per poi migliorarla. Ottimo! A questo punto restava “solo” un dettaglio: avere le evidenze sperimentali di tutto questo, cioè i dati.

Fase 3 – Dalla teoria ai dati – Eh, ma di che dati parliamo? Abbiamo detto che quelli ottenibili direttamente dalla misura dei raggi cosmici sono inutili. Quando il gioco si fa duro, i duri iniziano a giocare: è qui che fa la sua entrata in scena con tutti gli onori l’astronomia gamma, l’ultima arrivata perché nata proprio negli anni 50-60, quando si iniziò a capire che l’Universo dovesse emettere radiazione gamma per processi legati proprio ai raggi cosmici e in generale all’accelerazione di particelle. Ovviamente, dall’aver dedotto l’emissione gamma da parte dell’Universo alla presenza di strumenti in grado di studiarla si è dovuto aspettare quasi mezzo secolo ma non si è perso tempo. Anzi. Nel mentre si ragionava sulla tecnologia giusta per rivelare i fotoni gamma, la comunità scientifica ha affinato la conoscenza di questa radiazione “novella” e, in particolare, ha capito quali fossero gli indizi da cercare nell’emissione gamma da certe sorgenti per avere la certezza che questa fosse dovuta proprio ai Raggi Cosmici e non ad altri processi fisici in grado di produrla. Il primo indizio da cercare è un picco della loro distribuzione energetica a circa 70 Mega-elettronvolt, il secondo è la rivelazione di fotoni gamma oltre i 100 Tera-elettronVolt (1 seguito da 11 zeri). Quando, perciò, i primi satelliti gamma e i primi telescopi Cherenkov (se siete curiosi di capire di cosa parliamo, rimando a due miei vecchi articoli su Verbum) sono entrati in funzione, sapevamo cosa dovevamo cercare. Ed ecco che il satellite italiano AGILE ha trovato quel picco a 70 MeV nei resti di Supernova! Boom!!! E’ la conferma che cercavamo, giusto? Certo! Ma… Sì, lo so, c’è un altro ma.

Da nessun resto di Supernova, infatti, era però stata rivelata emissione oltre i 100 TeV. Che significa? Significa che i resti di supernova accelerano effettivamente i raggi cosmici ma possono spiegare solo quelli fino a una certa energia. E tutti gli altri?

Fase 4 – Dai dati di nuovo alla teoria – A questo punto, la comunità scientifica si è focalizzata sul perché non si vedono resti di Supernova a energie così elevate, scoprendo che, secondo le teorie conosciute, queste sorgenti  sembrano poter accelerare i Raggi Cosmici oltre i 100 TeV solo nei primissimi anni di vita mentre tutte quelle che conosciamo noi hanno da qualche centinaio di anni a decine di migliaia di anni. Capite che questo significa che non abbiamo opportunità alcuna di vedere energie elevate nel gamma dai resti di supernova conosciuti, a meno che non ce ne siano di nuovi. Ma non ci siamo lasciati abbattere. Si è iniziato anzi a indagare sul possibile ruolo come acceleratori di raggi cosmici di altre tipologie di sorgenti galattiche, per esempio gli ammassi di stelle giovani massicce: hanno tante supernove al loro interno, ci sono quindi tante onde d’urto e quindi ci potrebbe essere un effetto cumulativo capace di spiegare le energie più alte. Bene, ha senso. I più affezionati all’idea dei resti di supernova, però, non hanno mollato del tutto e sono arrivati a capire che esiste un’altra possibilità per poter vedere l’emissione oltre ai 100 TeV dai resti di Supernova: la presenza di nubi molecolari nei dintorni che intrappolano i raggi cosmici più energetici accelerati nei primi anni di vita per poi liberare la loro emissione gamma più tardi. Beh dai, almeno non siamo senza speranza. Nel mentre i teorici ragionano sulla teoria, gli strumenti continuano ad accumulare dati ed è venuto fuori che una delle sorgenti più famose di sempre, se non la più famosa perché usata per calibrare tutti gli strumenti astronomici esistenti o quasi, la Nebulosa del Granchio, sembra emettere gamma oltre i 100 TeV! Fantastico direte! Eh, fosse così facile. Questa sorgente è una pulsar wind nebula, cioè una pulsar (stella piccola ma densissima che ruota vorticosamente) che ha creato intorno a se stessa una nebulosa dovuta all’interazione del suo vento con il materiale circostante. “E quindi”? Quindi questa tipologia di sorgenti sappiamo essere tra i principali acceleratori di elettroni, il che è un problema per due motivi: 1) Noi stiamo cercando acceleratori di protoni, perché i raggi cosmici sono principalmente protoni; 2) Fino a quel momento si pensava che gli elettroni perdessero troppa energia per poter emettere gamma oltre i 100 TeV. Quindi, vedere l’emissione gamma oltre i 100 TeV non significa più essere certi della presenza dei raggi cosmici. Che gran confusione!

Fase 5 – Dalla teoria ai dati – Confusione aumentata enormemente nel 2021 grazie a un articolo scientifico pubblicato dalla collaborazione dello strumento LHAASO, un rivelatore da Terra immenso con a capo la Cina. LHAASO, infatti, ha rivelato emissione gamma oltre i 100 TeV da moltissime regioni della nostra Galassia dicendoci che pare proprio che ci siano moltissime sorgenti che riescono a emettere gamma oltre i 100 TeV! “Eddaje” direte! Eh, pare facile (di nuovo). Purtroppo, per come nasce lo strumento e per la fisica dell’astronomia gamma, l’emissione vista da LHAASO spesso viene da una regione in cui ci sono tipologie di sorgenti diverse, per esempio un resto di supernova e una pulsar wind nebula insieme. Quindi la prima difficoltà è capire quale di queste sorgenti sta effettivamente emettendo il gamma. Seconda difficoltà: abbiamo detto che l’emissione a 100 TeV non significa più “presenza di raggi cosmici” perché anche gli elettroni possono emettere a quelle energie. Quindi bisogna capire chi genera l’emissione osservata. In questa confusione, però, c’è la certezza che le tipologie di sorgenti coinvolti sono ben determinate:  Pulsar Wind Nebule, Resti di Supernova, Ammassi stellari giovani e anche microquasar (sistemi binari con una stella normale che ruota attorno a una stella di neutroni o un buco nero). Questo conferma che: le pulsar wind nebula possono accelerare elettroni oltre i 100 TeV; che i resti di supernova possono essere visti ad altissime energie, probabilmente grazie alle nubi molecolari; che effettivamente anche gli ammassi stellari giovani sembrano emettere a quelle energie. Inoltre, si è aggiunta una nuova classe di sorgenti tra le candidate per accelerare i raggi cosmici: i microquasars.  Tanti passi avanti certo ma anche tante nuove domande a cui rispondere: come fanno gli elettroni a raggiungere quelle energie? Ci sono anche i protoni nelle pulsar wind nebula e quindi i raggi cosmici, oppure solo elettroni? I resti di supernova accelerano effettivamente i raggi cosmici a energie elevate? E come sono accelerati i cosmici negli ammassi stellari e nei microquasars?

E’ ovvio che, in questo contesto, si è resa sempre più evidente la necessità di avere strumenti capaci di migliorare la risoluzione delle immagini e quindi di aumentare la possibilità di capire le sorgenti che stanno effettivamente emettendo gamma. La ruota gira. 

Fase 6 – Loooooop!! – Ed eccoci qui, ad arrovellarci nuovamente, da una parte con la teoria per cercare di spiegare ciò che i dati ci stanno facendo vedere, e dall’altra con lo sviluppo di nuova tecnologia che permetta di aggiungere informazioni utili a ciò che conosciamo finora. In un continuo passaparola tra dati e teoria, teoria e dati, perché il metodo Galileiano è l’unica arma che abbiamo nella Scienza e funziona alla grande… Anche se spesso ci porta a vedere e rivedere continuamente quello che fino a poco prima sembrava una certezza.

E non so se vi siete resi conto che qui abbiamo parlato solo di raggi cosmici Galattici, tralasciando totalmente la componente extragalattica!

Insomma, quello che voglio farvi capire con questo articolo è che la Scienza si evolve continuamente perché evolve la tecnologia, quindi evolvono gli strumenti che abbiamo a disposizione, migliorano i dati e quindi aumenta il dettaglio che impariamo a conoscere su alcuni processi fisici. E questo è meraviglioso perché è quello che ha portato a curare malattie prima inguaribili nella medicina e a scoprire pezzi di Universo prima inaccessibili nell’AStrofisica. E’ chiaro, spesso i dati ci dicono che avevamo sbagliato ma ,cosa fondamentale, mai del tutto: in ogni passaggio c’è un passo in avanti, una scoperta che viene confermata dai dati insieme ad altre che vengono modificate e poche che vengono messe in discussione. Ovviamente, quando si ha a che fare con l’Universo, cioè con qualcosa di intangibile che richiede decenni per sviluppare un nuovo strumento, la possibilità di errore cresce. E’ frustrante, è vero, lo ammetto, ma è anche la dimostrazione di quanto la nostra stessa mente impari da tutto ciò che ha imparato finora, come una brava AI, solo che del tutto naturale.

Bella la mente umana, non trovate?

VERSI 

Chi vive de certezze, sbaja in partenza,

perché se perde er còre dell’esistenza.

Anfatti ‘a vita è fatta de domanne e curiosità,

d’artronne è questo er superpoter dell’umanità.

‘a Scienza è de tutto questo ‘na sintesi sublime,

e ce permette de raggiunge de’a conoscenza e più arte cime!

*Martina Cardillo, astrofisica