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« Ed indi vanno al regno de la luna »

"Tutta la sfera varcano del fuoco,
ed indi vanno al regno de la luna.
Veggon per la più parte esser quel loco
come un acciar che non ha macchia alcuna..."

L.Ariosto, Orlando Furioso XXXIV, 553- 556

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5.1  Satelliti artificiali

Dato che nel capitolo precedente abbiamo parlato di orbite ellittiche, paraboliche ed iperboliche, non si può concludere la nostra discussione energetica senza accennare al problema della velocità di fuga. Essa si definisce come la minima velocità necessaria per lasciare un campo di attrazione gravitazionale. Siccome abbiamo detto che il campo gravitazionale ha estensione teoricamente infinita, la velocità di fuga è quella necessaria per portare un corpo a una distanza sufficientemente grande dalla massa che genera il campo, dove le forze gravitazionali sono praticamente nulle. È ovvio che, per velocità minori di quella di fuga, il corpo non può uscire dal campo gravitazionale: o ricade sulla Terra, o diventa un suo satellite artificiale. Già Isaac Newton aveva chiaro questo concetto, scrivendo nella sua monumentale opera "Philosophiae Naturalis Principia Mathematica":

« Un proiettile, se non fosse per la forza di gravità e se venisse eliminata la resistenza dell'aria, non ricadrebbe sulla Terra, ma se ne andrebbe via attraverso i cieli con moto rettilineo uniforme. A causa della propria gravità, tale proiettile è continuamente deviato dalla direzione rettilinea e continuamente piegato verso la Terra, e ciò in misura maggiore o minore, proporzionalmente alla propria gravità e alla velocità del moto. Quanto minore sarà la gravita, in relazione alla quantità di materia, o maggiore la velocità con cui viene scagliato, tanto meno devierà dalla sua direzione rettilinea, e tanto più a lungo andrà avanti (...)
Aumentando la velocità si potrebbe aumentare a piacere la distanza alla quale può essere scagliato, e diminuire la curvatura della linea descritta, cosicché cadrebbe ad una distanza di 10, 30 o 90 gradi, oppure potrebbe descrivere un'orbita intorno alla Terra, e infine andarsene nei cieli e proseguire il suo moto rettilineo all'infinito. Per la stessa ragione per cui un proiettile può essere piegato lungo un'orbita dalla forza di gravità e viaggiare intorno alla Terra, anche la Luna, purché sia pesante, per effetto della forza di gravità, può essere deviata dal cammino rettilineo verso la Terra, e può essere piegata lungo la propria orbita: e senza tale forza, la Luna non vi potrebbe essere trattenuta in alcun modo. Se questa forza fosse minore del dovuto, la Luna non devierebbe abbastanza dalla sua direzione rettilinea; se tale forza fosse maggiore del dovuto, la devierebbe più del necessario e la toglierebbe dalla sua orbita verso la Terra.
Viene chiesto, per l'appunto, che la forza sia di una giusta grandezza ed è compito dei matematici determinare la forza per effetto della quale un corpo può essere esattamente trattenuto in un'orbita data con la velocità data; e, reciprocamente, determinare l'orbita lungo la quale un corpo, una volta proiettato da un qualunque luogo con una data velocità, viene deviato da una data forza ».

Newton illustrò questo passaggio con un disegno che è rimasto proverbiale nella storia della Fisica, e che mette in evidenza come egli avesse già chiarissimo in mente il concetto di messa in orbita di un satellite artificiale, pensata come il lancio di un proiettile dalla vetta di una montagna:

Vediamo quali calcoli sono necessari per stabilire le condizioni affinché un corpo, scagliato da una montagna piuttosto che da una moderna rampa di lancio, possa diventare un satellite della Terra, orbitando indefinitamente su una traiettoria prestabilita, che per semplicità riterremo circolare. Sia v la velocità del proiettile, MT ed m le masse rispettivamente della Terra e del satellite, h l'altezza del satellite dalla superficie delta Terra ed RT il raggio terrestre, per modo che il raggio dell'orbita misurerà r = R + h.

La velocità v deve essere tale che la forza centripeta del satellite sia uguale alla forza gravitazionale a distanza r. Il calcolo è abbastanza simile a quello da noi condotto nel paragrafo 2.5:

          (5.1)

da cui si ricava subito:

          (5.2)

Come si vede, tale velocità è indipendente dalla massa del proiettile; dipende invece dall'altezza h dell'orbita e dalle caratteristiche del pianeta.

Consideriamo ad esempio lo Space Shuttle, che deve essere immesso in orbita a 380 Km di quota (si deve parlare ormai al passato, perchè l'ultimo lancio di uno Shuttle fu effettuato il 21 luglio 2011). Nella (5.2) si ha allora:

Un caso particolare è rappresentato dai cosiddetti satelliti geostazionari o geosincroni. Essi hanno un periodo orbitale T esattamente pari al periodo di rotazione terrestre, per cui si trovano fissi nel cielo, sempre allo zenit del medesimo punto. I satelliti per comunicazione devono essere geostazionari, in modo da agganciare sempre il loro segnale all'antenna trasmittente e a quella ricevente, entrambe poste sulla superficie della Terra. Ma a che quota deve ruotare un satellite, per essere geosincrono? Anche in questo caso, il calcolo è relativamente facile. Supponendo l'orbita circolare, la velocità con cui il satellite la percorre è data da:

dove T è il periodo dell'orbita. Sostituendola nella (5.1) si ottiene:

da cui:

          (5.3)

Se il satellite è geostazionario, T è pari al periodo di rotazione terrestre, che in prima approssimazione noi considereremo pari a 24 ore, cioè a 1440 minuti e ad 86.400 secondi. Si ottiene così:

Questa misura equivale a 42.200 Km. Siccome il raggio terrestre medio misura circa 6400 Km, se ne deduce che il satellite per essere geosincrono deve orbitare ad una quota di 35.800 Km, pari a circa 5,6 raggi terrestri. Un satellite posto in tale orbita può osservare quasi un intero emisfero terrestre, e precisamente un cerchio con un diametro di circa 18.000 Km, cioè 81°,4 di latitudine o longitudine in ogni direzione.

Il primo a suggerire che tre satelliti in orbita geostazionaria avrebbero potuto ricoprire tutta la superficie della Terra ed agevolare le telecomunicazioni fu nell'ottobre 1945 lo scrittore di fantascienza Arthur C. Clarke (1917-2008), famoso per essere l'autore di "2001: Odissea nello spazio", dal quale venne tratto l'omonimo film. Naturalmente a quell'epoca nessuno gli diede credito, salvo riconoscere poi che egli aveva visto giusto; oggi l'orbita geostazionaria della Terra sopra calcolata è detta anche Fascia di Clarke, in suo onore.

A livello di curiosità, nella nota serie televisiva "Star Trek", le astronavi in orbita ai pianeti appaiono sempre muoversi rispetto ad essi; invece, considerando il fatto che capitan Kirk e soci adoperano il teletrasporto per scendere sulla superficie, sarebbe assai più conveniente un'orbita geosincrona, in modo da muoversi assieme al punto di arrivo del raggio di teletrasporto!

Dall'episodio "Requiem per Matusalemme"

5.2  La velocità di fuga

Torniamo ora alla velocità di fuga, e proponiamoci di trovarla mediante considerazioni energetiche. Abbiamo visto infatti nel capitolo precedente che un corpo soggetto a forze gravitazionali può raggiungere l'infinito solo se ha energia totale nulla o positiva. Il caso minimo è quello in cui E = 0. Supponiamo nulli tutti gli attriti (ad esempio quello contro l'atmosfera; allora la somma di energia cinetica e di energia potenziale deve essere la stessa, sulla superficie della Terra così come all'infinito, dove l'energia totale vale zero. Detto RT il raggio medio della Terra, MT la sua massa e vf la velocità di fuga, per la (4.1) avremo:

Da cui:

          (5.4)

Naturalmente tale formula vale per tutti i corpi celesti, sostituendo ai dati della Terra quelli del mondo in questione. Nel caso della Terra, sostituendo nella (5.4) i valori da noi già più volte usati, si ha:

Si tratta di 11,3 chilometri al secondo, cioè circa 40.700 Km/h. Naturalmente il valore reale da imprimere ad un razzo è maggiore, perchè bisogna tenere conto della resistenza dell'aria.

Un corpo lanciato dalla Terra con velocità vf raggiunge velocità zero all'infinito, attestandosi perciò su di una traiettoria parabolica (E = 0). Se v < vf, il corpo è destinato a ricadere sulla terra con traiettoria ellittica, se essa interseca la superficie terrestre, o a diventare un suo satellite artificiale, e non la interseca; ecco perchè è necessario continuamente correggere l'orbita di un satellite con dei razzi di spinta, in modo che l'orbita non decada a causa dell'attrito con l'alta atmosfera, e non venga ad intersecare la superficie terrestre, precipitando su di essa Se poi v > vf, il corpo si immette su una traiettoria iperbolica, che lo porta indefinitamente lontano dalla Terra, e finisce per diventare una traiettoria rettilinea a grandi distanze, con velocità pari alla velocità asintotica.

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5.3  Che differenza c'è tra la Terra e Giove?

Il concetto di velocità di fuga è fondamentale per capire quando un gas può sfuggire all'attrazione gravitazionale di un pianeta, evaporando verso lo spazio. Supponiamo che i gas dell'atmosfera siano in equilibrio termodinamico; allora all'energia cinetica va sostituita quella di agitazione termica. Ora, la Termodinamica ci insegna che la velocità media delle molecole di un gas alla temperatura assoluta T è pari a:

dove m è la massa molecolare e KB = 1,38 x 10–23 J K–1 è la costante di Boltzmann. Ecco i valori di vT per alcuni gas:

GAS

velocità vT

Idrogeno

1908 m s–1

Elio

1350 m s–1

Azoto

510 m s–1

Ossigeno

477 m s–1

Anidride carbonica

407 m s–1

Come si vede, queste velocità sono tutte assai inferiori a vf = 11.300 m s–1. Dunque nessuna molecola di questi gas può vincere l'attrazione gravitazionale terrestre e sfuggire nello spazio?

Ciò non è vero. Infatti, come si è detto, vT è una velocità quadratica media. Ciò significa che molte molecole hanno velocità inferiore a vT, ma altrettante ce l'hanno superiore, come si vede nella distribuzione di velocità sottostante. Sono queste ultime, molto veloci, che possono vincere l'attrazione terrestre, specialmente se si trovano negli strati più alti dell'atmosfera. I gas più leggeri, che come si vede hanno agitazione termica maggiore, hanno anche più probabilità di sfuggire; e questo spiega perfettamente perchè l'atmosfera terrestre è praticamente priva di idrogeno e di elio!

Come è facile verificare mediante la (5.4), su Giove la velocità di fuga vale ben 60,26 Km s–1, per cui è improbabile che l'idrogeno e l'elio riescano a sfuggire alla sua attrazione gravitazionale: ed infatti quel pianeta ha ancora il suo antico mantello di idrogeno e di elio. Per questo, i pianeti del Sistema Solare possono essere divisi in due gruppi:

a) pianeti di tipo terrestre. Sono Mercurio, Venere, la Terra, la Luna, Marte, il pianeta nano Cerere e gli altri pianetini rocciosi della fascia tra Marte e Giove, oltre ai grandi satelliti di Giove. Essi hanno massa e raggio piccoli, per cui la velocità di fuga è relativamente bassa, e i gas più leggeri sono tutti sfuggiti alla loro attrazione gravitazionale. Essi hanno trattenuto solo atmosfere piuttosto tenui: su Marte, dove la gravità è appena un terzo di quella terrestre, la pressione atmosferica è solo di pochi millibar (precisamente il 6 per mille di quella terrestre); Mercurio, la Luna, Cerere e i satelliti di Giove hanno perso del tutto il loro involucro gassoso. Su Venere e sulla Terra permangono atmosfere piuttosto dense grazie all'attrazione gravitazionale consistente. Titano, il maggiore dei satelliti di Saturno, è dotato di una densa atmosfera di metano, ed è da considerarsi anch'esso un pianeta terrestre a tutti gli effetti. In ogni caso, escluso il caso particolare di Venere, su cui l'effetto serra ha dato vita a un'atmosfera densissima (90 atmosfere di pressione alla superficie), dallo spazio è possibile vedere direttamente la superficie rocciosa di questi pianeti.

b) pianeti di tipo gioviano. Sono Giove, Saturno, Urano e Nettuno, detti anche "i giganti gassosi". La loro gravità è così forte che non sono riusciti a liberarsi del loro involucro di idrogeno, che ancor oggi è spesso migliaia di chilometri, e le pressioni all'interno sono così forti che gli atomi di idrogeno sono compressi uno contro l'altro, al punto da trasformarsi in un nuovo stato della materia, il cosiddetto "idrogeno metallico": un gas che ha la densità di un metallo, e come esso conduce calore ed elettricità, generando tra l'altro un campo magnetico potentissimo. Tale stato esotico circonda un nocciolo roccioso, grande più o meno come i pianeti di tipo terrestre. Se questi pianeti gioviani fossero stati più grossi, in essi avrebbe potuto innescarsi la fusione nucleare dell'idrogeno, ed essi sarebbero diventati stelle come il Sole, facendo del Sistema Solare un sistema multiplo di stelle. Al di là di Nettuno si trovano i cosiddetti plutoidi, corpi ghiacciati i cui maggiori rappresentanti sono i pianeti nani Plutone, Haumea, Makemake ed Eris. A questa categoria possono essere ascritti anche i satelliti minori di Saturno, Urano e Nettuno.

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5.4  Dal paladino Astolfo all'arma segreta di Hitler

Come si è avuto modo di appurare, la velocità di fuga dal pianeta Terra é piuttosto alta, rispetto a quelle cui noi siamo abituati, e questo spiega perché la conquista degli spazi non sia avvenuta né tramite una zattera sollevata da uccelli, come proposto da Francis Godwin (1562-1633) nel 1638,  né tantomeno tramite un pallone aerostatico, come suggeriva Edgar Allan Poe (1809-1849 ne "L'incomparabile avventura di un certo Hans Pfaal" (1835), e neppure tramite un proiettile sparato da un formidabile cannone, come proposto da Jules Verne in "Dalla Terra alla Luna" (1865), ma tramite razzi a combustibile liquido. Vale dunque la pena di ripercorrere brevemente quelle che furono le tappe dell'esplorazione umana dello spazio, la quale rappresenta certamente uno dei vanti della civiltà moderna. Praticamente da sempre però l'uomo ha sentito l'impellente desiderio di esplorare gli spazi, a partire dalla Luna, percepita da tutti come l'astro a noi più vicino. Ludovico Ariosto (1474-1533) dà voce a questa aspirazione, facendo giungere il paladino Astolfo sulla Luna, a bordo del celebre carro di fuoco d'Elia, di biblica memoria:

  « Tutta la sfera varcano del fuoco,
ed indi vanno al regno de la luna.
Veggon per la più parte esser quel loco
come un acciar che non ha macchia alcuna;
e lo trovano uguale, o minor poco
di ciò ch'in questo globo si raguna,
in questo ultimo globo de la terra,
mettendo il mar che la circonda e serra. 
  Quivi ebbe Astolfo doppia meraviglia:
che quel paese appresso era sì grande,
il quale a un picciol tondo rassimiglia
a noi che lo miriam da queste bande;
e ch'aguzzar conviengli ambe le ciglia,
s'indi la terra e 'l mar ch'intorno spande,
discerner vuol; che non avendo luce,
l'imagin lor poco alta si conduce »
(Orlando Furioso, canto XXXIV, 553-568)

Si noti come l'Ariosto possegga già il concetto di corpo celeste che brilla di luce propria, e di corpo celeste illuminato da altri, com'è in questo caso la Luna! Per secoli tuttavia gli uomini dovettero accontentarsi di immaginare i viaggi spaziali con la fantasia. La prospettiva di un volo nello spazio cominciò a farsi concreta solo con l'avvento dei razzi. Essi erano noti in Cina fin dal Medioevo: nella battaglia di Kaifeng del 1232 i Cinesi sconfissero la cavalleria mongola proprio impiegando "frecce di fuoco", cioè razzi incendiari, ed il primo a parlarne in Europa a fine Trecento fu un certo Marco Greco nel suo "Liber ignium ad comburendum hostes", ma per la prima volta essi furono associati all'esplorazione dello spazio ad opera del maestro elementare russo Konstantin Eduardovic Ziolkovskij (1857-1935), che nel 1895 pubblicò a Mosca il suo "Sogno della Terra e del cielo", in cui comprese per primo che soltanto con la propulsione a razzo è possibile sfuggire all'attrazione gravitazionale terrestre. Nel 1903 inoltre egli pubblicò "Esplorazione dello spazio cosmico mediante veicoli a reazione", in cui formulò le leggi matematiche fondamentali alla base del moto dei razzi, e propose per la prima volta l'idea di un satellite artificiale in orbita al di sopra dell'atmosfera. Nel 1918 in "Fuori dalla Terra" Ziolkovskij giunse ad auspicare una collaborazione internazionale per la conquista dello spazio, proprio in un'epoca di nazionalismi sfrenati che condussero alla tragedia delle due guerre mondiali. A quei tempi non furono molti a prestare ascolto a colui che era considerato solo un sognatore, e che avrebbe dovuto aspettare decenni prima di vedere riconosciute le proprie formidabili intuizioni.

Non meno importanti, ai fini dello sviluppo della missilistica, furono le ricerche e gli esperimenti di un altro pioniere del volo spaziale, lo statunitense Robert Hutchings Goddard (1882-1945), che nel 1912 misurò la spinta di un piccolo razzo a propellente solido chiuso in un recipiente a tenuta stagna, dimostrando definitivamente che questo tipo di motore poteva funzionare anche in assenza di aria, e nel suo saggio del 1919 intitolato "Un metodo per raggiungere grandi altezze", analizzò matematicamente la possibilità di mettere in orbita satelliti artificiali, ad altezze per allora irraggiungibili da qualsiasi tipo di veicoli. Il 16 marzo 1926 Goddard riuscì a lanciare il primo razzo a propellente liquido, che si alzò fino a 30 metri di quota e ne percorse 56 raggiungendo i 103 km all'ora: misure modeste, ma sufficienti per aprire un'era del volo umano. Purtroppo Goddard venne ridicolizzato per le sue teorie, definite "fantastiche" dagli accademici dell'epoca, convinti che fosse la reazione della terra (o dell'aria) alla spinta dei gas di scarico a far volare il razzo, e non il principio di azione e reazione, che vale dovunque, e quindi anche nel vuoto. Incredibile, vero?

Wernher von Braun (1912-1977)

Intanto, nel 1923 il tedesco Herman Julius Oberth (1894-1989) aveva pubblicato "Die Rakete zu den Planetenräumen" ("Il razzo verso gli spazi interplanetari"), saggio nel quale, senza conoscere i lavori di Ziolkovskij e di Goddard, ipotizzava un razzo a due stadi a combustibile liquido, in grado di sfuggire al campo gravitazionale terrestre. Ma il suo contributo fondamentale fu la fondazione in una birreria di Breslavia (oggi Wroclaw, in Polonia) della "Verein für Raumschiffahrt" ("Società per i viaggi nello spazio"), un gruppo di scienziati il cui esponente di punta era il giovane e talentuoso Wernher von Braun (1912-1977), che già all'età di dodici anni aveva causato notevoli danni in seguito all'esplosione di un vagone giocattolo, a cui aveva attaccato dei fuochi d'artificio. Il 23 luglio 1930 un razzo progettato da Oberth funzionò per 90 secondi, ma meglio fecero l'anno successivo i suoi discepoli Rudolf Nebel (1894-1978) e Wernher von Braun, i quali lanciarono un razzo in grado di raggiungere la quota di 350 m. Nel 1935 poi i razzi di Von Braun battezzati "Max" e "Moritz" raggiunsero l'altezza di ben 2200 m.

Purtroppo i successi di Oberth e di von Braun attirarono le attenzioni del regime nazista, interessato a tutto quanto attenesse la guerra e la supremazia tedesca sul mondo; e così nel 1937 il gerarca delle SS Heinrich Himmler fondò la base di Peenemunde, sul Mar Baltico, dove Wernher Von Braun cominciò a sviluppare razzi per scopi militari. Qui nacquero il missile balistico a lungo raggio A-4 e il missile supersonico antiaereo Wasserfall. Nel novembre 1942, quando ormai le sorti della guerra voltavano le spalle ai tedeschi, Adolf Hitler approvò la produzione di missili in grado di bombardare Londra con esplosivi; venne così messo a punto il primo V2, dal tedesco "Vergeltungswaffe", "arma di rappresaglia", un nome inventato dal ministro della propaganda Joseph Goebbels. Questo terribile ordigno era alto 14 m e pesava quasi 13 tonnellate; il primo di essi venne lanciato verso l'Europa occidentale il 7 settembre 1944, colpendo un sobborgo di Londra. In Gran Bretagna i missili V2 causarono in tutto 2.754 morti e 6.523 feriti.

Nella primavera del 1945, l'Armata Rossa giunse a 160 km da Peenemünde; intuendo che le SS volevano ucciderlo per cancellare ogni prova dei loro crimini, von Braun decise di consegnarsi agli statunitensi, per evitare le rappresaglie dei sovietici e l'ira degli inglesi, le cui città avevano subito il maggior numero di attacchi da parte dei suoi missili. Gli americani riuscirono a requisire tutto ciò che restava dei V2 prima di distruggere la base. Von Braun fu portato a Londra, affinché potesse assistere alle devastazioni da lui provocate, e pare che lì egli se ne sia pentito, ed abbia deciso di consacrare la propria scienza ad opere di pace. In seguito egli ed altri 126 ingegneri e scienziati tedeschi furono internati nella base di Fort Bliss, nel Texas, ed in seguito in quella di Huntsville, in Alabama, dove poterono continuare gli studi sui razzi con i V2 arrivati integri dalla Germania. A poco a poco il prigioniero di guerra Von Braun vide migliorare le proprie condizioni: gli fu concesso di tornare in Germania a riabbracciare i genitori, di sposarsi, e il 20 agosto 1953 riuscì a lanciare con successo il primo razzo americano, il Redstone. I vertici militari americani preferivano però il progetto Vanguard, della Marina militare, che contava su un missile meno potente e meno sicuro.

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5.5  La Corsa alla Luna

Von Braun spedì numerose lettere al Presidente USA Eisenhower per convincerlo a lanciare un missile nello spazio prima che lo facessero i sovietici, ma non fu ascoltato: "Il tedesco fa della fantascienza", ridevano tutti. Ma la fantascienza divenne realtà il 4 ottobre 1957, quando  l'Unione Sovietica mise in orbita lo Sputnik ("compagno di viaggio"), il primo satellite artificiale del peso di 81 kg. Il capo di stato maggiore dell'aviazione telefonò allora sconsolato a Von Braun: "Come rispondere alle prodezze dei russi?" "Datemi 60 giorni e farò altrettanto!" esclamò Von Braun. "Posso dargliene anche 90", sorrise il suo interlocutore. Ed infatti il 1 febbraio 1958 Von Braun mise in orbita l'Explorer 1, il primo satellite artificiale made in USA. Il 3 novembre 1957 però i sovietici avevano già lanciato in orbita lo Sputnik 2 con a bordo la cagnetta Laika, primo essere vivente nello spazio (di sesso femminile, tra l'altro!), nonché prima vittima dell'esplorazione dei cieli: probabilmente infatti morì asfissiata, oppure congelata a causa della bassissima temperatura dello spazio siderale, appena cinque o sei ore dopo il lancio, e non quattro giorni dopo come avevano annunciato le autorità sovietiche. Appare pura propaganda anche la dichiarazione ufficiale secondo cui Laika sarebbe stata pietosamente eutanasizzata: ma perchè, mi domando io, nessuno ha pensato di paracadutarla al suolo?

Nel 1960 fu eletto Presidente degli Stati Uniti il giovane John Fitzgerald Kennedy, il quale, desideroso di vincere la sfida spaziale con i sovietici, in un discorso storico del 25 maggio 1961 lanciò lo slogan: "Un americano sulla Luna prima del 1970!" Allo scopo fondò la NASA (National Aeronautics and Space Administration), e l'ex criminale di guerra Von Braun ne fu posto al vertice, con un budget stratosferico di cinque miliardi di dollari da spendere. Egli avviò subito il Programma Mercury, per la sperimentazione di capsule orbitali con un astronauta a bordo. Inizialmente, però, i sovietici mantennero il vantaggio: nel 1959 il Lunik 1 fu il primo razzo a sfuggire alla gravità terrestre e a riprendere le prime immagini della faccia nascosta della Luna, e soprattutto il 12 aprile 1961 il russo Yuri Gagarin (1934-1968) diventa il primo uomo che sia stato in orbita intorno alla Terra, a bordo della Vostok 1 ("Oriente"). Il 5 maggio 1961 l'americano Alan Shepard (1923-1998)a bordo della Mercury-Redstone 3 compì il primo volo suborbitale, e solo il 20 febbraio 1962 John Glenn (1921-) con la missione Friendship 7 divenne il primo americano ad orbitare con successo attorno alla Terra, colmando lo svantaggio. Vi è però il sospetto che Gagarin non sia stato affatto il primo uomo spedito nello spazio dai sovietici. Infatti i fratelli milanesi Achille (1933-) e Giovanni Battista Judica Cordiglia (1939-), noti radioamatori, affermarono di aver captato i disperati SOS inviati da astronauti inviati nello spazio dall'URSS prima di Gagarin, le cui missioni ebbero però esito tragico e furono tenute nascoste dalle autorità sovietiche: è la famosa teoria dei "cosmonauti perduti". Nonostante le autorità sovietiche prima e russe poi abbiano sempre negato tutto, il dubbio a tutt'oggi rimane.

Francobollo dedicato al 50° anniversario del volo di Gagarin

Francobollo dedicato al 50° anniversario del volo di Gagarin

Intanto, la Corsa allo Spazio cessava di essere un'impresa soltanto scientifica per inquadrarsi nel clima di rivalità tra le superpotenze tipico della Guerra Fredda. I sovietici misero a segno ancora alcuni punti a loro favore: Valentina Tereskova (1937-) fu la prima donna lanciata nello spazio, il 16 giugno 1963 con la navetta Vostok 6, mentre la Voskhod 1 ("Alba"), lanciata il 12 ottobre 1964 con a bordo i cosmonauti Boris Egorov, Vladimir Komarov e Konstantin Feoktistov, fu la prima navetta con più di una persona di equipaggio. Aleksej Leonov (1934-), lanciato il 18 marzo 1965 a bordo della Voskhod 2, effettuò la prima passeggiata spaziale della storia. Questi però furono gli ultimi successi dei russi. Intanto infatti Von Braun il 10 luglio 1962 lanciava il primo satellite per telecomunicazioni, il Telstar; la sua sonda Mariner 2 il 14 dicembre 1962 fu la prima a condurre con successo il sorvolo ravvicinato di un pianeta, Venere; il 14 febbraio 1963 veniva messo in orbita il Syncom 3, il primo satellite geostazionario; il 31 luglio 1964 la Ranger 7 inviò a Terra le prime immagini ravvicinate della Luna, prima di schiantarsi su di essa; e il 15 luglio 1965 la sonda Mariner 4 fu la prima a sorvolare Marte. Ma soprattutto, Von Braun si concentrò sull'obiettivo principale, la Luna, avviando il Programma Gemini, che prevedeva la sperimentazione di capsule orbitali con due astronauti a bordo, e poi il Programma Apollo, con l'obiettivo dichiarato dello sbarco sul nostro satellite.

L'URSS tentò di inseguire gli statunitensi: il 3 febbraio 1966 la sovietica Lunik 9 effettuò il primo atterraggio morbido sulla Luna, mentre il 1 marzo del 1966 Venera 3 diventò il primo oggetto costruito dall'uomo ad atterrare sulla superficie di un altro pianeta, schiantandosi sulla superficie di Venere. Il 23 aprile 1967 fu lanciata la prima delle navette Sojuz ("Unione"), il cui programma è ancora in corso. Anche le altre nazioni si inserirono nella corsa: il 15 dicembre 1964 l'Italia lanciò il suo primo satellite, il San Marco 1, dalla base aerea di Wallops negli USA, con il vettore statunitense Scout, e il 26 novembre 1965 fu la volta della Francia, che dal poligono di Hammaguir (Algeria) lanciò in orbita con un razzo Diamant il satellite Astérix, dal nome di un popolare personaggio dei fumetti. Ormai però gli USA dominavano la piazza, Nonostante la tragedia dell'Apollo 1 (il 27 gennaio 1967 i tre astronauti Virgil Grissom, Edward White e Roger Chaffee morirono bruciati vivi dentro la loro capsula pressurizzata sulla rampa di lancio), la scalata alla Luna proseguì a marce forzate. Dal 21 al 27 dicembre 1968, l'Apollo 8 con a bordo Frank Borman, James Lovell e William Anders fu il primo con equipaggio umano ad orbitare intorno alla Luna, e finalmente il 21 luglio 1969, alle 22.17.40 ora italiana, Neil Armstrong (1930-), comandante dell'Apollo 11, fu il primo uomo a mettere piede sulla Luna, nel Mare della Tranquillità. Fu un grande successo di immagine per gli USA: l'URSS aveva i mezzi per compiere la stessa impresa, ma Leonid Breznev preferì investire sugli armamenti che sulla conquista della Luna.

Copertina di "Life" dedicata al primo sbarco sulla Luna

Copertina di "Life" dedicata al primo sbarco sulla Luna

Dopo la vittoria nella Corsa alla Luna, gli USA di Richard Nixon persero interesse per lo spazio, impelagati com'erano nel ginepraio del conflitto nel Vietnam. Vennero compiuti altri cinque sbarchi: Apollo 12 (14-24 novembre 1969), Apollo 14 (31 gennaio-9 febbraio 1971), Apollo 15 (26 luglio-7 agosto 1971), Apollo 16 (16-27 aprile 1972) e Apollo 17 (7-19 dicembre 1972), mentre l'Apollo 13 fu costretto a un atterraggio di fortuna il 17 aprile 1970 per problemi tecnici, ma l'equipaggio si salvò. I successivi Apollo 18, 19 e 20 vennero cancellate per mancanza di fondi e per il calo di interesse verso le esplorazioni spaziali, e l'ultima navetta Apollo fu utilizzata il 17 luglio 1975 per il primo storico rendez-vous in orbita con la navicella sovietica Sojuz 19. Wernher Von Braun e Harrison Schmitt,  geologo ed ex astronauta dell'Apollo 17, proposero di continuare il programma Apollo che, anche con i fondi limitati dell'epoca, avrebbe permesso di volare quattro volte all'anno in orbita bassa e di andare due volte all'anno sulla Luna; il loro obiettivo era portare l'uomo su Marte entro il 1985. Ma Nixon e il congresso USA decisero stupidamente che era meglio usare il denaro pubblico per finanziare la "Sporca Guerra" in Vietnam, e Von Braun si dimise dalla NASA. La progettata Base Lunare non fu mai costruita, restando confinata nei telefilm di fantascienza come "Spazio 1999", e i nuovi vertici NASA decisero di abbandonare le navicelle monouso per sviluppare un sistema completamente nuovo fatto di navette recuperabili: lo Space Shuttle. Intanto venivano concepite le prime stazioni spaziali: la Saljut 1 sovietica, lanciata il 19 aprile 1971, e la Skylab statunitense, il 14 maggio 1973. Notevoli successi ottenevano invece le sonde automatiche statunitensi per l'esplorazione del Sistema Solare: il 3 dicembre 1973 Pioneer 10 inviò a Terra le prime foto ravvicinate di Giove, e il 13 giugno 1983 fu il primo oggetto creato dall'uomo a lasciare il Sistema solare; il 1 settembre 1979 Pioneer 11 fu la prima a transitare presso Saturno; Voyager 1 e Voyager 2 esplorarono il Sistema Solare esterno, prima di iniziare a loro volta una corsa senza fine verso gli spazi siderali, sfruttando il fenomeno noto come fionda gravitazionale, del quale abbiamo già parlato nel § 3.5; il 20 luglio 1976 Viking 1 fu la prima a sbarcare con successo su Marte, seguita il 3 settembre dello stesso anno dalla sonda gemella Viking 2.

Fin dagli anni sessanta, l'Europa aveva cercato di smarcarsi dalla dipendenza spaziale dalle due superpotenze, avviando il progetto Euroluna voluto dal grandissimo fisico italiano Edoardo Amaldi (1908-1989). Il suo impegno portò alla progettazione del primo vettore spaziale interamente europeo, battezzato Europa 1, che decollò l'8 giugno 1966 dal poligono di Woomera, nel deserto australiano. Nel 1971 venne lanciato il razzo Europa 2, più potente e sofisticato, ma a quel punto anche questo  progetto venne cancellato per problemi finanziari. Il progetto spaziale europeo ripartì il 31 maggio 1975 con la fondazione dell'ESA (European Space Agency), ma con budget ed ambizioni notevolmente ridotti; oggi di questa organizzazione fanno parte Austria, Belgio, Danimarca, Finlandia, Francia, Germania, Grecia, Irlanda, Italia, Lussemburgo, Norvegia, Paesi Bassi, Portogallo, Regno Unito, Repubblica Ceca, Romania, Spagna, Svezia e Svizzera. Il 24 dicembre 1979 dal poligono spaziale di Kourou, nella Guyana Francese, riuscì il primo lancio del vettore europeo Ariane 1, seguito il 4 agosto 1984 dal più avanzato Ariane 3, il 20 novembre 1987 da Ariane 2, il 15 giugno 1988 da Ariane 4 e il 30 ottobre 1997 da Ariane 5. Il 9 febbraio 2012 debutta il lanciatore VEGA (Vettore Europeo di Generazione Avanzata), finanziato per il 65 % dall'Italia e destinato ad affiancare gli Ariane per il lancio di satelliti di peso contenuto: si tratta del primo razzo costruito interamente in fibra di carbonio. Tra i più grandi successi dell'ESA è da annoverare la sonda europea Giotto, che il 14 marzo 1986 sorvolò il nucleo della cometa di Halley e inviò a Terra le prime immagini ravvicinate di questo corpo celeste. Il 17 ottobre 2002 venne lanciato il satellite europeo Integral per l'osservazione del cielo nei raggi gamma, e il 2 marzo 2004 la sonda Rosetta, che nel 2014 raggiungerà la cometa Churyumov-Gerasimenko e vi sgancerà un lander per l'osservazione del suo nucleo. Da notare che nel maggio 1988 era stata fondata anche l'ASI, l'Agenzia Spaziale Italiana. Suoi principali successi furono il Tethered o "satellite al guinzaglio", lanciato dallo Space Shuttle Atlantis, in missione dal 31 luglio all'8 agosto 1992; il satellite BEPPO-SAX per l'astronomia a raggi X, lanciato da Cape Canaveral il 30 aprile 1996 con un vettore Atlas-Centaur; e  l'AGILE (Astrorivelatore Gamma ad Immagini ultra LEggero), un satellite astronomico a raggi Gamma e raggi X lanciato il 23 aprile 2007 dalla base indiana di Sriharikota.

Il logo dell'ESA

Il logo dell'ESA

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5.6  L'era delle navette riutilizzabili e dei rover planetari

Intanto il 12 aprile 1981 gli USA avviavano il Programma STS (Space Transportation System) con il primo lancio dello shuttle Columbia, che partiva come un razzo ed atterrava come un aereo: iniziava l'era delle astronavi recuperabili. L'autore di questo ipertesto ha assistito personalmente a quel primo lancio, il giorno della sua Cresima. Il programma, uno dei più ambiziosi della storia dell'astronautica, è durato fino al 21 luglio 2011, per un totale di 135 lanci. Essi hanno conosciuto numerosissimi successi: il 7 febbraio 1984 l'astronauta Bruce McCandless ha testato per la prima volta un apparecchio per la propulsione a razzo individuale; sono stati condotti proficui esperimenti scientifici; ed è stato messo in orbita un gran numero di satelliti e sonde interplanetarie, tra cui la sonda Galileo per lo studio del pianeta Giove e dei suoi satelliti, il 18 ottobre 1989; il telescopio spaziale Hubble, con uno specchio di 2,4 m, il 25 aprile 1990; e la la sonda Ulisse per lo studio del Sole, il 7 ottobre 1990. L'URSS, ormai in crisi, tentò di recuperare lo svantaggio lanciando con il potentissimo razzo "Energia" la navetta recuperabile Buran ("Tempesta"), che però il 15 novembre 1988 compì un unico volo automatico senza pilota a bordo, durato appena 206 minuti, in seguito alla disintegrazione dell'URSS. Il primo astronauta italiano, Franco Malerba (1946-), volò nello spazio a bordo dello Space Shuttle Atlantis il 31 luglio 1992. Se però con il Programma STS la NASA sperava di continuare i suoi programmi spaziali con una notevole riduzione dei costi di accesso allo spazio, la complessità del progetto e i costi operativi di funzionamento (ben 500 milioni di dollari a lancio!) hanno largamente disatteso queste aspettative, confermando che l'intuizione di Von Braun era quella giusta. Inoltre, gli shuttle dimostrarono gravi problemi di affidabilità: il 28 gennaio 1986 per un guasto ad una guarnizione la navetta spaziale Challenger esplose in volo dopo soli 73 secondi dal lancio, uccidendo sette astronauti tra cui una giovane maestra, Christa McAuliffe; e il 1 febbraio 2003 il Columbia, la prima tra le navette, si disintegrò al rientro nell'atmosfera uccidendo altri sette astronauti, tra cui il primo astronauta israeliano, Ilan Ramon. La NASA decise allora che il lancio di satelliti e qualunque altra operazione spaziale che non necessitasse di un equipaggio umano si sarebbe realizzata mediante lanciatori convenzionali, in modo da non rischiare inutilmente vite umane; questa scelta comportò la fine della carriera commerciale dello Space Shuttle. Poiché lo sviluppo di lanciatori convenzionali era rimasto fermo per l'utilizzo della navetta, questo contribuì al successo del lanciatore europeo Ariane. Dopo la tragedia del Columbia si decise la definitiva cancellazione del programma, e la NASA non ha ancora scelto quale nuova strategia adottare dopo di esso. Il più gettonato erede dell'STS, il Programma Constellation che ruotava intorno alla navicella Orione, è stato cancellato dal Presidente USA Barack Obama il 1 febbraio 2010 per scarsità di fondi, ma lo sviluppo della navicella Orione va avanti, e si pensa di farla spedire in orbita da un lanciatore tradizionale.

Intanto il 19 febbraio 1986 i russi avevano messo in orbita la stazione spaziale di grandi dimensioni Mir ("Pace"), che dopo il crollo del mondo comunista venne utilizzata anche da americani ed europei, e raggiunta numerose volte dagli Shuttle; il primo attracco da parte dell'Atlantis è datato 29 giugno 1995. Su di essa sono stati testati gli effetti di lunghe permanenze umane nello spazio: il record è tuttora detenuto dal sovietico Valeriy Polyakov, con 438 giorni. Anche la Mir fu afflitta da numerosi incidenti, anche se senza perdite di vite umane, e il 23 marzo 2001 fu definitivamente abbandonata: dopo 86.325 orbite ad un'altezza media di 390 chilometri sopra la superficie terrestre, si schiantò nell'Oceano Pacifico. Il 20 novembre 1998 era iniziata la costruzione della ISS (International Space Station), poi ultimata nel 2012, risultato della collaborazione fra statunitensi, canadesi, russi, europei e giapponesi: con una massa di 417 tonnellate e un volume abitabile di 837 metri cubi, si tratta senz'altro della maggior struttura spaziale mai costruita dall'uomo, ed è costata ben 100 miliardi di dollari; si pensa che resterà operativa fino al 2020. Il primo astronauta europeo a raggiungere la ISS fu il nostro Umberto Guidoni (1954-), dal 19 aprile al 1 maggio 2001. Storica resta la missione dell'ingegnere Samantha Cristoforetti (1977-), detta popolarmente "Astromantha", che rimase sulla ISS dal 23 novembre 2014 all'11 giugno 2015, segnando con 199 giorni il record di permanenza di una donna e di un astronauta europeo nello spazio.

Rappresentazione artistica della ISS

Rappresentazione artistica della ISS (da questo sito)

Mentre vedeva la luce l'ambiziosa ISS, il 4 luglio 1997 si apriva una nuova era dell'esplorazione umana dello spazio con l'arrivo su Marte della sonda americana Pathfinder, dal quale si mosse il robottino semovente Sojourner; pur essendo piccolissimo ed estremamente economico, raccolse una mole immensa di dati. Il grande successo della missione spinse il Presidente USA Bill Clinton a rilanciare la corsa verso Marte, in un rinnovato clima di rivalità con la Russia e soprattutto con la Cina, la nuova potenza mondiale del XXI secolo. Giunsero così su Marte i due rover gemelli Spirit, giunto il 3 gennaio 2004 e rimasto attivo oltre ogni previsione fino al 22 marzo 2010, dopo oltre 7,7 chilometri percorsi sul suolo marziano, e Opportunity, giunto il 25 gennaio 2004 ed incredibilmente tuttora attivo! Invece il lander della missione europea Mars Express, lanciata il 2 giugno 2003, è andato perduto dopo lo sgancio dall'orbiter, ma quest'ultimo ha potuto comunque accertare la presenza di acqua ghiacciata nel sottosuolo marziano, rendendo la missione un grande successo. Sebbene i Presidenti USA George W. Bush e Barack Obama abbiano confermato le intenzioni americane di portare un equipaggio umano sul Pianeta Rosso, le ingenti spese della guerra all'integralismo islamico dopo l'attentato devastante dell'11 settembre 2001 e dopo l'invasione americana dell'Iraq, e soprattutto la crisi economica mondiale a partire dal 2008 hanno rimandato quell'epico sbarco alle calende greche.

Ancora una volta, come dopo la cancellazione dell'esplorazione umana della Luna, i maggiori successi sono stati ottenuti dalle sonde planetarie. La sonda NASA Clementine, lanciata il 25 gennaio 1994, scoprì ghiaccio d'acqua nei pressi del Polo Sud lunare (scoperta poi confermata il 13 novembre 2009 dall'altra sonda lunare L-Cross), riaccendendo le speranze per una futura colonizzazione del satellite. Il 15 ottobre 1997 venne lanciata la navicella Cassini-Huygens, risultato di una collaborazione fra la NASA, l'ESA e l'ASI; il 1 luglio 2004 essa è divenuta il primo oggetto costruito dall'uomo ad entrare in orbita intorno a Saturno; il 25 dicembre 2004 Cassini ha sganciato il modulo Huygens che si è diretto verso la principale luna di Saturno, Titano, entrando nella sua densa atmosfera di metano il 14 gennaio 2005: durante la discesa Huygens ha raccolto dati sull'atmosfera, immagini della superficie e rumori dall'ambiente circostante; ha toccato il suolo dopo due ore e mezza di discesa, ed ha continuato a trasmettere dati per altre tre ore. La missione è tuttora in corso e si presenta già fin da ora come uno dei massimi successi della storia dell'astronautica. Intanto il 14 febbraio 2000 la sonda Near sorvolò l'asteroide Eros. Il 3 agosto 2004 venne lanciata la sonda Messenger (MErcury Surface, Space ENvironment, GEochemistry and Ranging), che il 18 maggio 2011 è entrata in orbita intorno a Mercurio, primo manufatto umano a riuscirci. Il 19 gennaio 2006 è stata la volta di New Horizons, che il 14 luglio 2015 ha compiuto il primo storico fly-by di Plutone e del suo sistema di lune, inviando a Terra straordinarie fotografie dettagliate della parte più esterna del Sistema Solare. Intanto però sulla scena spaziale ha fatto il suo prepotente esordio la Cina, che il 15 ottobre 2003 ha spedito in orbita Yang Liwei (1965-) a bordo della Shenzhou 5, il primo "taikonauta" (dal cinese "tàikong", "spazio"), e nel 2011 ha dichiarato di aver intenzione addirittura di far sbarcare un cinese sulla Luna entro cinque anni. Intanto la Russia ha risposto con un innovativo progetto a propulsione nucleare per l'esplorazione del sistema solare, messo a punto da un team di scienziati russi guidati da Denis Kovalevic. Il motore da loro ideato utilizza plutonio per alimentare un propulsore ionico che impiega gas xeno, accelerandone gli ioni da cui deriva la spinta. Il ruolino di marcia prevede un primo collaudo in orbita nel 2017 e una missione interplanetaria nel 2025.  Stavolta la corsa non è al prestigio che una grande impresa di conquista porta con sé, ma alle immense ricchezze minerarie della Luna e degli asteroidi vicini.

Rappresentazione artistica della Dedalus

Rappresentazione artistica della Dedalus (da questo sito)

E più oltre? L'uomo potrà mai esplorare lo spazio al di là dei confini del Sistema del Sole? Negli anni settanta la British Interplanetary Society realizzò i piani per costruire la prima astronave interstellare, il cosiddetto Programma Dedalus. Secondo i suoi progettisti, essa sarebbe stata in grado di raggiungere in circa 100 anni la stella Epsilon Eridani, a 10,7 anni luce dalla Terra e probabilmente dotata di un sistema planetario. La Dedalus avrebbe utilizzato come propellente una serie di bombe H: riscaldando elio-3 e deuterio con un potente raggio laser, avrebbe generato una serie di esplosioni (250 al secondo), in grado di spingere l'astronave ad una velocità pari al 12 % di quella della luce. Molti sostennero l'impossibilità di realizzare un motore che per 50 anni sia in grado di resistere alle sollecitazioni di micro-esplosioni nucleari, e poi vi sarebbe da risolvere il problema del propellente: la British Interplanetary Society propose di estrarre l'idrogeno necessario dai giganti gassosi del Sistema Solare, in orbita intorno ai quali la Dedalus avrebbe dovuto essere assemblata. Altri proposero di porre davanti all'astronave un immenso "imbuto" in grado di raccogliere direttamente nello spazio l'idrogeno necessario per la fusione nucleare. Inoltre, di fronte alla Dedalus potrebbe essere necessario porre un colossale scudo di ghiaccio: infatti una nave che si muove al 12 % della velocità della luce verso un atomo di idrogeno nello spazio equivale ad un'astronave ferma contro cui si muove un atomo di idrogeno al 12 % della velocità della luce, e questo equivale ad un raggio cosmico. La Dedalus rischierebbe così di essere bombardata da raggi cosmici, che la renderebbero incandescente e radioattiva.

Un progetto poco realistico, visti i chiari di luna attuali? Probabilmente sì. Ma c'è un'obiezione ancora più stringente che si oppone a costosissime missioni umane verso altri pianeti o addirittura verso sistemi extrasolari. Sulla Terra abbiamo da affrontare ancora un'infinità di problemi, dal riscaldamento globale alla desertificazione di vaste aree, dalla diffusione dell'Aids alla cronica malnutrizione di miliardi di individui nel Terzo e Quarto Mondo, dal persistere di feroci dittature militari al dilagare dell'integralismo ideologico e religioso... Vale davvero la pena di spendere migliaia di miliardi in avventure spaziali, se prima non si è cercato di fare ogni sforzo per affrontare almeno i più pressanti tra questi problemi? Il progresso della scienza è una caratteristica ineludibile dell'animo umano, e per esso vale la pena di spendere qualunque cifra, ma forse queste cifre è meglio investirle prima per chi soffre ancora a causa della tirannide, della fame e delle malattie.

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5.7  Lo spauracchio degli spazi siderali

Abbiamo visto come, per sfuggire dall'attrazione gravitazionale di un corpo celeste e viaggiare nello spazio, occorra "uscire" dal suo campo di gravità. Questo si può fare controbilanciando esattamente l'energia potenziale gravitazionale da noi posseduta con un'opportuna energia cinetica; ed é per questo che, se un razzo non viaggia abbastanza velocemente, non ce la farà mai ad abbandonare la madre Terra, perché la sua energia totale resta inferiore a quella posseduta "a distanza infinita" dal nostro pianeta. La velocità da di fuga, da noi ricavata con la (5.4), cresce assai rapidamente al crescere della massa del pianeta; però cresce anche, a massa costante, al diminuire del suo raggio.

Allora chiediamoci: se il raggio diventa piccolissimo, cioè se il corpo celeste si contrae incredibilmente, la velocità di fuga può raggiungere la velocità della luce? Se si verificasse l'ipotesi sopra ventilata, neppure la luce riuscirebbe a sfuggire alla gravità del nostro corpo celeste! Esso si "chiuderebbe", per così dire, in sé stesso, come una stella autistica, e non riuscirebbe più ad emettere alcuna forma di radiazione. Il "corpo nero" studiato dalla Termodinamica assorbe tutta la radiazione che riceve, ma può emetterne di propria; questo corpo si troverebbe in una situazione assai peggiore, perché non emetterebbe energia radiante, né potrebbe riflettere quella ricevuta, ed anche qualunque corpo materiale che cadesse su di esso verrebbe irrimediabilmente risucchiato, senza alcuna speranza di potergli sfuggire, perché per farlo dovrebbe andare più veloce della luce!

Un simile "pozzo senza fondo" degli spazi venne inizialmente battezzato "stella nera", ma oggi è invalso nel linguaggio comune il termine "buco nero", coniato nel 1967 dal fisico americano John Archibald Wheeler (1911–2008), che si ispirò per questo ad una puntata di "Star Trek". Oggi, grazie a fumetti, film e cartoni animati di fantascienza, non c'é più nessuno che non ne abbia sentito parlare. Chi non ricorda il memorabile lungometraggio "The Black Hole" (1979) della Disney?

Sorge però spontanea una domanda: se questo eremita cosmico si chiude nel più totale isolamento, come facciamo a scoprirlo? Il problema non é solo quello (ben presente a chi ha visto la pellicola ora ricordata), per chi viaggi nello spazio, di metterci un piede dentro e non poterne più uscire; il problema é proprio quello di dimostrarne l'esistenza, cioè osservare dalla terra oggetti che possano in qualche modo essere indiziati di appartenere alla razza dei buchi neri. In effetti, a tutt'oggi si hanno ancora solamente prove indirette dell'esistenza di tali mostruosità stellari, anche se molti fenomeni osservati possono essere spiegati agevolmente solo se si fa ricorso all'ipotesi del buco nero. Questo é per esempio il caso delle cosiddette stelle a raggi X.

Si tratta di astri dall'apparenza normale, ma che al radiotelescopio rivelano un'intensissima emissione di radiazione X, senza che le teorie astrofisiche sul normale funzionamento delle stelle riescano a renderne ragione. È stato allora ipotizzato che queste siano stelle doppie, cioè siano formate da una coppia di astri in rotazione relativa attorno ad un baricentro comune, ed uno dei due sia costituito per l'appunto da un buco nero. Con la sua fortissima gravità, esso "succhierebbe" materia dall'atmosfera della compagna, e questa, precipitando sull'astro vicino, creerebbe un vortice di plasma ad altissima temperatura, detto disco di accrescimento. Ora, le equazioni di Maxwell alla base dell'elettromagnetismo ci dicono che, quando una carica é accelerata, emette onde elettromagnetiche; ciò vale anche se l'accelerazione é negativa, cioé se la carica é frenata. Questo fenomeno é sfruttato per generare raggi X: elettroni provenienti da un filamento caldo cozzano contro un anticatodo in zona ad alto vuoto, e ciò genera onde elettromagnetiche a piccolissima lunghezza d'onda, dette appunto raggi X o raggi Röntgen. Si parla di "effetto Bremsstrahlung" ("radiazione di frenamento" in tedesco).

Un buco nero "cannibalizza" la stella gigante sua compagna

Un buco nero "cannibalizza" la stella gigante sua compagna

Simile fenomeno dovrebbe avvenire nelle X-stelle: il flusso di gas caldi proveniente dalla stella maggiore urterebbe violentemente contro il disco d'accrescimento della minore in una zona detta hot spot ("macchia calda"), ove l'effetto Bremsstrahlung farebbe sì che il frenamento delle cariche in moto generi l'emissione da noi osservata. Sono stati osservati moltissimi astri candidati a funzionare mediante tale meccanismo.

Figurarsi un simile mostro non é facile per nessuno, e non é facile neppure pensare come faccia ad esistere qualcosa del genere. Il grande astrofisico indiano Subrahmanyan Chandrasekhar (1910-1995) riuscì ad inserirlo per primo nelle teorie astrofisiche, ritenendolo l'ultimo stadio della vecchiaia di una stella assai massiccia. Infatti, sappiamo ormai che una stella come il nostro Sole funziona come un'immensa Bomba H; se non esplode, é solo grazie ad un perfetto e delicato equilibrio tra le reazioni nucleari che avvengono nel suo nucleo ed il peso degli strati superiori: emissione nucleare e forza gravitazionale si fanno perciò equilibrio.

Finché questo bilancio é in pareggio, la stella funziona normalmente, e si dice che resta nella cosiddetta "sequenza principale di Hertzsprung-Russell", dal nome degli astrofisici cui si deve la prima teoria coerente sull'evoluzione stellare. Quando però la stella ha consumato l'intero suo combustibile, ed é dunque arrivata alla fine della sua esistenza, esce dalla sequenza principale, e può seguire due strade diverse, a seconda della sua massa. In generale, terminato di bruciare il suo idrogeno, comincia a consumare il prodotto della precedente combustione nucleare, l'elio, innescando processi assai più complicati ed energetici che spezzano l'equilibrio preesistente; l'emmissione radiativa prevale sulla pressione gravitazionale, e la stella si dilata, trasformandosi in una gigante rossa. Si ritiene che il Sole, alla fine della sua esistenza, gonfierà bruciando ed inglobando i pianeti sino a Marte. Se però la massa non é sufficiente ad innescare una vera e propria deflagrazione, com'é il caso del Sole, quando sarà consumato il combustibile per tutte le possibili reazioni di autosostentamento, ecco che la stella si spegnerà, "sgonfiandosi" a poco a poco, e continuando a vegetare per miliardi di anni, mantenendo in orbita i pianeti, ridotti ad inutili gusci gelidi e senza vita. Diverrà insomma una nana bianca.

Stelle più massicce, almeno tre volte la massa solare, subiscono un destino diverso. Infatti, se la massa della stella è maggiore, una volta consumato l'elio, la pressione gravitazionale torna a prevalere sulla pressione radiativa e la stella si contrae; ma diminuzione di volume equivale ad aumento di pressione e quindi di temperatura, e a queste temperature si innesca una serie di reazioni nucleari più complesse, che portano alla fusione dell'elio e alla formazione di elementi più pesanti, come carbonio, azoto ed ossigeno. Una volta terminato anche il "combustibile" per queste reazioni, si ha una nuova contrazione, e si innescano ulteriori processi che portano alla sintesi del silicio; se la massa iniziale è ancora maggiore, anche il silicio può essere fucinato per produrre ferro. A questo punto, il processo si arresta. Tuttavia queste fasi di contrazione e dilatazione fanno sì che l'astro subisca in breve tempo forti variazioni di luminosità, la stella brilla come mai aveva fatto prima, e si trasforma in una stella Nova (c'è il sospetto che anche la stella di Gesù Bambino, che secondo il Vangelo di San Matteo guidò i Magi fino a Betlemme, fosse una Nova).

Se poi l'astro possedeva inizialmente una massa pari a 10 volte quella del nostro Sole, la pressione radiativa proveniente dal nucleo della stella in agonia é tanto forte da far sì che gli strati più esterni vengano esplosi violentemente nello spazio! La stella subisce allora un repentino ed incredibile aumento della luminosità, trasformandosi in Supernova: anche questo termine é oggi ben conosciuto, tanto da essere stato citato persino da Papa Benedetto XVI, nella sua omelia del 6 gennaio 2012! Per breve tempo, l'astro diventa più luminoso dell'intera Galassia che lo ospita, e diventa addirittura visibile in pieno giorno! I primi a registrare questi fenomeni celesti furono gli astronomi cinesi, i quali osservarono per la prima volta una Supernova nell'anno 185 dopo Cristo, nella Costellazione del Centauro. Sicuramente una delle supernovae più spettacolari fu quella del 1054 d.C., nella costellazione del Toro, registrata nei loro annali non solo dagli astronomi cinesi ed arabi, ma probabilmente anche dagli Anasazi (una tribù di nativi americani dalla civiltà assai avanzata). La stella esplosa, oggi nota con la sigla SN 1054, restò visibile durante il giorno per 23 giorni consecutivi e durante la notte per 653 giorni consecutivi, a causa della sua relativa vicinanza (appena 6500 anni luce), ed al giorno d'oggi noi possiamo ammirare il residuo di quella catastrofe, sotto forma della Nebulosa del Granchio, cioè lo strato più esterno della stella, esploso nello spazio ma rimasto in orbita attorno alla nana luminosa che ricorda l'ultimo nucleo dell'astro suicidatosi.

In media in una Galassia delle dimensioni della nostra esplode una grande Supernova ogni 400 anni; gli ultimi fenomeni di questo tipo osservati nella Via Lattea risalgono al 1572 e al 1604, purtroppo pochi anni prima dell'introduzione del telescopio, e furono usate da Galileo come ulteriore prova contro l'immutabilità delle sfere celesti, sostenuta dalla filosofia aristotelica, che come abbiamo visto ai suoi tempi andava per la maggiore. La più vicina Supernova esplosa in tempi recenti è la 1987A, esplosa a circa 168.000 anni luce dalla Terra nella Grande Nube di Magellano, galassia satellite della Via Lattea, e divenuta visibile da Terra a partire dal 23 febbraio 1987. Ad esplodere in questo caso è stata una stella supergigante blu di nome Sanduleak, con una massa pari a circa 20 volte quella del Sole.

Qui sotto potete ammirare la sequenza fotografica che testimonia l'esplosione di una Supernova nel braccio esterno della Galassia NGC 4725, nella costellazione della Chioma di Berenice. La prima immagine fu scattata il 10 maggio 1940, la seconda il 2 gennaio 1941. Essa dista ben 55 milioni di anni luce dalla Terra; e questa é una fortuna, perché all'esplosione di una Supernova si accompagna l'emissione di tante e tali radiazioni che, se ne scoppiasse una a meno di 50 anni luce da noi, ciò basterebbe per far estinguere dalla Terra qualunque forma di vita. Taluni sostengono che fu proprio l'esplosione di una Supernova a causare, alla fine dell'era Mesozoica, l'estinzione dei dinosauri e della metà delle specie viventi sulla Terra!

La Supernova esplosa nel 1940-41 nella Galassia NGC 4725

La Supernova esplosa nel 1940-41 nella Galassia NGC 4725

Ora però, se una stella é ancora più massiccia, quando il combustibile nucleare si é esaurito gli strati superiori cominciano a collassare su quelli sottostanti, poiché la pressione gravitazionale vince quella delle reazioni interne, che ormai non hanno più sufficiente combustibile ad alimentarle. Gli elettroni si schiacciano contro i loro nuclei atomici al punto da implodere sui protoni, dando vita alla cosiddetta reazione di neutronizzazione:

In parole semplici, un protone (p+) e un elettrone (e) danno vita ad un neutrone (n), con emissione di un antineutrino (non di un neutrino , per la conservazione del numero di barioni e di leptoni). Nasce così un astro fatto interamente di neutroni, detto appunto stella di neutroni. Essa é densissima e caldissima, perché priva dei "vuoti" tra nuclei atomici ed orbite elettroniche, che caratterizzano la materia ordinaria. Si calcola che un centimetro cubo di stella a neutroni abbia la massa di qualcosa come un miliardo di tonnellate! Una simile stella é insomma come un gigantesco nucleo atomico, del raggio di qualche chilometro.

Come scoprire una stella così piccola e così esotica? La scoperta la dobbiamo alla ricercatrice nordirlandese Susan Jocelyn Bell (1943-), la quale nel luglio 1967, lavorando ad un radiotelescopio, scoprì una radiosorgente che emetteva segnali con periodo costante nel tempo. La Bell fraintese è pensò che si trattasse di un segnale di natura extraterrestre intelligente, tanto da battezzarla LGM1 ("Little Green Men", cioè "Omini Verdi"!) Ben presto si scoprì che quella individuata dalla Bell non era una stazione trasmittente Vulcaniana o Klingon (tanto per restare in tema di Star Trek), bensì la prima pulsar conosciuta. Una pulsar non è che una stella di neutroni, nata dalla contrazione di un astro assai più grande; per il principio di conservazione del momento della quantità di moto, gira rapidissima sul proprio asse, come una ballerina che piroetta su sé stessa gira più rapida, se richiude le braccia. Ora, la pulsar è caratterizzata dal fatto che l'asse di rotazione e l'asse del campo magnetico non coincidono, analogamente a quanto si osserva sulla Terra: i poli magnetici della pulsar possono essere separati dai poli di rotazione di un angolo anche assai ampio. Ora, essi si comportano come "macchie calde" sulla sua superficie, le quali emettono in continuazione un fascio di radiazioni, sventagliato nello spazio come un gigantesco faro cosmico, e se questo segnale investe la Terra, noi percepiamo un segnale ritmico, regolare, come una trasmissione radio. Da qui il nome pulsar, da "pulsing star", cioè "stella pulsante".

E se la stella é inizialmente ancor più massiccia? Può succedere che si contragga al punto che la velocità di fuga superi quella della luce? Indicata quest'ultima con c, sulla base della (5.4) questo avviene se:

cioè se il suo raggio scende sotto il valore:

          (5.5)

Il raggio RS così ottenuto é detto raggio di Schwarzschild, dal nome del fisico tedesco Karl Schwarzschild (1873–1916), che per primo ne ricavò il valore. Se un corpo di massa M si contrae fino a che il suo raggio scende sotto questo valore RS, allora la velocità di fuga supera quella della luce, e nulla potrà mai più abbandonare il suo campo gravitazionale, nemmeno la sua stessa immagine!

Valutiamone il valore nel caso del Sole; supponiamo cioè che esso imploda indefinitamente su sé medesimo. Quanto piccolo dovrà diventare, per degenerare in un buco nero? Utilizzando il valore da noi determinato nel § 2.5, dalla (5.5) si ricava:

Appena tre chilometri, contro i 696.000 reali! Con questo raggio, la densità solare verrebbe ad essere:

cioè pari a circa 18 miliardi di tonnellate per centimetro cubo!!!

Rappresentazione artistica di un buco nero visto da un ipotetico pianeta in orbita attorno ad esso

Rappresentazione artistica di un buco nero visto
da un ipotetico pianeta in orbita attorno ad esso

State tranquilli, cari lettori. Il Sole, come ho già detto, non potrà mai esplodere, brillando improvvisamente nei cieli scrutati da qualche ignoto astronomo alieno, né tanto meno contrarsi fino a diventare uno spaventevole mostro degli spazi. Lasciate pure paventare simili catastrofi agli scrittori di fantascienza, come l'immaginifico Arthur C. Clarke in "Voci di Terra Lontana" (1987). La nostra stella gialla invece si spegnerà lentamente in una nana bianca tra almeno cinque miliardi di anni, e prima di allora avrà subito un lungo periodo di espansione (con conseguente crescita di luminosità ed irraggiamento) che dovrebbe causare la lenta ma progressiva estinzione delle specie viventi eventualmente residue. Risulterebbero così realizzate due celebri profezie: una é quella di Herbert G. Wells ne "La macchina del tempo" (1895), il cui protagonista si spinge oltre trenta milioni di anni nel futuro e trova il Sole reso una palla enorme nei cieli, e la Terra ormai priva di vita che gli volge sempre la stessa faccia. Non dobbiamo dimenticarci infatti che, agli inizi del secolo, le datazioni radiometriche erano sconosciute, non si conoscevano i processi che fanno brillare il Sole e si stimava che la nostra stella non fosse vecchia più di cento milioni di anni: trenta milioni di anni erano dunque un tempo enorme anche su scala planetaria. L'altra celebre profezia é quella dell'Apocalisse giovannea:

« Quando l'Agnello aprì il sesto sigillo, vidi che vi fu un violento terremoto. Il sole divenne nero come un sacco di crine, la luna diventò tutta simile al sangue... » (Ap 6,12)

Infatti, l'espansione solare "arrostirebbe" tutti i corpi celesti nelle immediate vicinanze, per cui si potrebbe pensare di vederli incandescenti, e poi, dopo l'ultimo guizzo, il sole si spegnerebbe, riempiendo i cieli di oscurità, densa proprio come un sacco di crine. I due scrittori su menzionati, pur così simili e così diversi nel loro immaginare galoppate attraverso i secoli, paiono aver visto giusto...

Per chiudere, potremmo aggiungere che, forse, i buchi neri non sono poi così... neri. Il famoso fisico britannico Stephen Hawking (1942-2018), ha dimostrato che, dopo un tempo lunghissimo anche su scala galattica, i Buchi Neri possono "evaporare", rilasciando materia e "svuotandosi" come un pupazzo di neve in Primavera: se la fisica classica e la relatività li condannano infatti ad essere infernali prigioni senza via d'uscita, la meccanica quantistica rende possibili che essi letteralmente si "svuotino". Ne riparleremo nel § 8.6; a chi vuole saperne di più, consiglio di consultare questo mio ipertesto interamente dedicato ai buchi neri.

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Fin qui, abbiamo parlato dei successi della Teoria della Gravitazione Universale di Newton: essa ha superato brillantemente due secoli di test, e le sue predizioni sono state confermate dagli esperimenti con precisione crescente mano a mano che gli strumenti si affinavano. Se il pianeta Urano mostrava anomalie nell'orbita, esse non erano dovute ad imprecisioni nella teoria, ma all'esistenza di un nuovo pianeta, Nettuno; e potremmo citare mille altri casi analoghi. Eppure, a un certo punto ci si accorse che anch'essa andava rivista, essendo incompatibile con le nuove teorie che sconvolsero la Fisica ai primi del XX secolo. In che misura? Per saperlo, cliccate qui e proseguite il viaggio in mia compagnia! Per tornare all'indice, invece, il link è questo.

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