Skywatcher

Spencer Lowell

Quando l'astrofisica Andrea Ghez '87 era una ragazzina cresciuta a Chicago, suo padre le diede una biografia di Marie Curie e la lezione che ne trasse fu che una donna può essere una grande scienziata, avere figli e vincere un premio Nobel . Ormai Ghez le ha fatte tutte e tre e non mostra segni di rallentamento.

Ghez ha condiviso il Premio Nobel per la fisica nel 2020 per 25 anni di ricerca che confermano l'esistenza di un buco nero supermassiccio al centro della Via Lattea. È solo la quarta donna a ricevere il premio per la fisica.

Il lavoro ha richiesto decenni, durante i quali la tecnologia e gli strumenti sono cambiati, gli studenti laureati sono andati e venuti e enormi quantità di dati sono state sgranocchiate con cura e di nuovo sgranocchiate. Uno degli ex dottorandi di Ghez e ora collega all'Università della California, Los Angeles, Tuan Do, parla dell'entità dello sforzo: con questo lavoro, non richiede solo pazienza ma anche un'idea meticolosa di esattamente cosa sta succedendo. Queste misurazioni sono difficili da effettuare... Passiamo molti anni solo a cercare di tradurre tra strumenti.

A differenza dei buchi neri di massa stellare, che sono circa 10 volte la massa del nostro sole e sono stati previsti dalla teoria prima di essere scoperti osservativamente, i buchi neri supermassicci - che possono raggiungere da un milione a un miliardo di volte la massa del sole - sono stati postulati come un risultato dell'osservazione diretta. Gli astronomi avevano notato enormi quantità di energia provenienti dai centri di alcune galassie, quantità che solo un oggetto di enorme densità poteva spiegare. Si chiedevano se in effetti ogni galassia potesse contenere un buco nero supermassiccio al centro. Dimostrando che ne esiste una al centro della nostra galassia, che è una galassia totalmente normale, ordinaria, di varietà da giardino, dice Ghez, dimostra che potrebbe davvero essere così.

Poiché i buchi neri assorbono anche la luce, dimostrare la loro esistenza richiede mezzi indiretti. La ricerca di Ghez ha raggiunto questo obiettivo utilizzando nuove tecniche per misurare il movimento delle stelle attorno alla massa centrale della Via Lattea, dimostrando che devono essere in orbita attorno a un oggetto così massiccio da non poter essere altro che un buco nero.

Gioia totale

Quando era bambina, dice Ghez, lo spazio e il tempo mi tenevano sveglio la notte. Era attratta dalla matematica come linguaggio per capire tutte queste domande esoteriche sullo spazio e sul tempo, e ha divorato la raccolta di saggi sull'infinito di Isaac Asimov. Amava anche un bel romanzo giallo. Lo faccio ancora, dice. A 17 anni ha fatto domanda per la prima azione del MIT, già certa di essere interessata a studiare matematica e scienze.

Sebbene Ghez intendesse prima laurearsi in matematica, si è rapidamente avvicinata alla fisica e si è tuffata nella ricerca di astrofisica attraverso un UROP in collaborazione con il professor Hale Bradt, PhD '61, che ha fondato il programma del MIT in astronomia a raggi X. Le ha fornito l'opportunità di lavorare con sistemi di dati satellitari e anche con grandi telescopi ottici professionali. Mi sono innamorata dei telescopi: quello che vedi e fai, dice. E ha scoperto la sua passione per i buchi neri.

L'esatta posizione del centro galattico, che ospita il buco nero (invisibile) noto come Sagittario A*, è contrassegnata dalla croce arancione.

ESO/MPE/S. GILLESSEN E AL

Il MIT ha fatto un lavoro fantastico nell'incoraggiare davvero i loro studenti universitari verso opportunità [di ricerca], dice.

Ghez porta avanti questa filosofia nel suo insegnamento all'UCLA, dove lavora dal 1994, offrendo agli studenti universitari le prime opportunità di conoscere la cultura della ricerca e le competenze necessarie per fare scienze professionali. È così diverso dall'apprendimento in classe, dice. Proprio il modo in cui si fa la scienza non è il modo in cui insegniamo la conoscenza scientifica.

Apprezza anche il MIT come un luogo in cui le persone si sono davvero divertite: ricorda molte risate e dice che è lo stesso nel suo Galactic Center Group all'UCLA. Sebbene sia serio [lavoro], aveva anche questo elemento di gioia totale, dice. Non penso che sia così che la maggior parte delle persone pensa al MIT o alla scienza.

Indagatore galattico

Come investigatori che stringono la rete attorno a un sospetto, Ghez e il suo team, insieme ai ricercatori tedeschi guidati da Reinhard Genzel, uno degli scienziati con cui Ghez ha condiviso il Nobel 2020, si sono avvicinati gradualmente al buco nero supermassiccio della Via Lattea. Poiché non possono vederlo, devono invece dedurne la presenza effettuando misurazioni sempre più accurate della regione e quindi utilizzando la fisica di base per calcolare la dimensione della sua massa centrale. La prova definitiva che l'oggetto invisibile al centro della galassia è un buco nero, spiega Ghez, è mostrare che la massa che contiene è confinata in un'area più piccola del suo raggio di Schwarzschild, spesso indicato come l'orizzonte degli eventi, il confine entro il quale l'attrazione gravitazionale tra le particelle fisiche è così intensa che la materia collassa su se stessa e nulla, nemmeno la luce, può sfuggire.

Sebbene non abbiano del tutto limitato l'oggetto, noto come Sagittario A*, a quel raggio, le osservazioni sempre più accurate di Ghez delle sue stelle orbitanti hanno ridotto la distanza di un fattore di 10 milioni da quando il lavoro è iniziato 25 anni fa. È più vicino di quanto chiunque sia mai stato, dice Ghez.

Ghez ha utilizzato il telescopio Keck al centro della cresta in primo piano del Mauna Kea per ottenere immagini del centro galattico.

OSSERVATORIO GEMELLI E DR. RICHARD GILET.

La gravità costringe gli oggetti nello spazio a muoversi in orbita attorno a una massa centrale, proprio come i pianeti in orbita attorno al nostro sole, e più massa si trova all'interno di un dato raggio, più velocemente gli oggetti in quel raggio si sposteranno attorno al punto centrale. Quindi, per determinare la dimensione dell'oggetto al centro galattico, la prima cosa da fare è stata cercare di osservare il movimento degli oggetti che gli orbitano attorno.

Da giovane membro della facoltà dell'UCLA negli anni '90, Ghez propose di utilizzare il telescopio dell'Osservatorio Keck a Mauna Kea, Hawaii, per scattare foto del centro galattico correggendo il disturbo atmosferico terrestre con una tecnica chiamata speckle imaging, un modo per acquisire più istantanee di un decimo di secondo e impilandole in seguito per creare un'immagine chiara. Quelle immagini consentirebbero quindi al suo team di misurare le velocità delle stelle in modo più preciso che mai.

Poiché non possono vederlo, devono dedurre la sua presenza effettuando misurazioni accurate della regione e utilizzando la fisica di base per calcolarne la massa.

La sua proposta è stata respinta. Il comitato di selezione di Keck non pensava che Ghez sarebbe stato in grado di rimuovere gli effetti atmosferici della Terra abbastanza bene da vedere le stelle, tanto meno vederle muoversi.

Imperterrita, Ghez ha preso in prestito il tempo del telescopio da uno dei suoi colleghi - un'impresa impressionante considerando che l'astronomo medio nel sistema dell'Università della California ottiene solo due preziose notti di osservazione ogni sei mesi - per dimostrare che il concetto funzionerebbe. Lo ha fatto, la sua proposta triennale è stata accettata nel successivo round di allocazione del tempo del telescopio e il suo team ha pubblicato il suo primo articolo sulle velocità delle stelle centrali della galassia nel 1998.

Le loro misurazioni hanno permesso loro di calcolare un volume della massa centrale più accurato che mai, utilizzando le leggi del moto di Keplero. Era enorme, dice Ghez, perché era un fattore mille nel concentrare la massa su un volume più piccolo.

All'epoca ipotizzarono che un buco nero fosse l'unica spiegazione ragionevole per un oggetto così denso, ma le incertezze nelle loro misurazioni significavano che dovevano andare avanti per essere sicuri.

Il passo successivo è stato quello di poter misurare l'accelerazione delle orbite per le stelle nella regione, cosa che Ghez e i suoi colleghi hanno fatto con successo, pubblicando i loro risultati nel 2000. Ciò ha permesso loro di chiudere ulteriormente il raggio.

A quel punto, avevano anche appreso dalle loro misurazioni che le stelle più vicine al Sagittario A* potevano avere periodi orbitali di appena un decennio e, dopo cinque anni di ricerca, ciò significava che in soli cinque anni potevano calcolarne il volume ancor più definitivamente. È stato un gioco da ragazzi, dice Ghez. Stavano ricevendo un crescente interesse da parte di altri scienziati e più finanziamenti. Continuavano a guardare.

A quel punto la tecnologia stava avanzando e sono passati dall'imaging maculato all'ottica adattiva, una tecnica più precisa per rimuovere il disturbo atmosferico terrestre per immagini più nitide e stabili. L'accoppiamento dell'ottica adattiva con la spettroscopia ha permesso loro di misurare l'intera orbita di una stella che stavano seguendo, chiamata S0-2. Ciò significava progressi significativi nella misurazione della velocità delle stelle orbitanti in due dimensioni fornendo la terza dimensione critica del loro movimento radiale, o 3D.

Questo è ciò che mi piace di questo, dice Ghez. È come la fisica da matricola. Vedi due punti, una linea, [e poi] puoi misurare una curva.

Anche in quelle prime misurazioni delle velocità, dice il suo collega dell'UCLA Do, sembrava abbastanza convincente che ci fosse un buco nero, perché osservavano le stelle che si muovevano molto velocemente nella regione. Ma il volume di spazio in cui sapevano che si stava verificando il movimento era ancora ampio, quindi puoi immaginare un ammasso di piccoli buchi neri, o un ammasso di stelle di neutroni, o altre cose massicce che non puoi vedere bene, spiega.

Tuttavia, ora che sono stati in grado di misurare le orbite, e poiché hanno dimostrato che l'orbita della stella S0-2 passa, nel suo approccio più vicino, a circa 100 unità astronomiche dall'oggetto centrale (che è molto vicino, Do dice)—sono soddisfatti di aver eliminato tutte le possibilità tranne un buco nero supermassiccio. È davvero difficile nascondere 4 milioni di stelle di neutroni in questa piccola regione di spazio, dice Do, in effetti è impossibile, perché rimbalzerebbero l'una sull'altra e volarebbero in giro, e quegli effetti sarebbero evidenti.

Dal momento che avevano misurato gli spettri delle stelle orbitanti, sono stati anche in grado di fare un'altra scoperta: per la prima volta ci ha permesso di capire astrofisicamente che tipo di stelle c'erano, dice Ghez. Hanno appreso, ad esempio, che le stelle in orbita più vicina alla massa centrale erano stelle giovani, il che è l'opposto di quanto suggerito dalle teorie.

Ghez è entusiasta delle cose fortuite che hanno appreso lungo la strada così come delle prove di un buco nero supermassiccio. Ci sono state tante sorprese, dice. Così tanto che non ci aspettavamo. Gran parte di essa è stata solo scoperta estraendo questo set di dati.

Un esperimento che stanno studiando ora riguarda il modo in cui l'oggetto al centro galattico si muove attraverso lo spazio-tempo. Einstein predisse che l'orbita di un buco nero avrebbe dovuto precedere, o ruotare, e che avrebbe dovuto farlo nella direzione in cui orbita. Tuttavia, il team di Ghez ha osservato un'orbita retrograda provvisoria, l'esatto opposto delle previsioni di Einstein.

Ciò significa che è ora di controllare il loro lavoro. Ghez lo paragona a girare intorno alla macchina e dare un calcio alle gomme per assicurarsi che tutto sia solido.

Quando provi a mettere insieme 25 anni di dati, devi avere tutto in ordine, dice. Devono chiedere se hanno preso scorciatoie con le loro ipotesi e il codice del computer che potrebbero creare l'aspetto di qualcosa di inaspettato.

Ci ha tutti profondamente coinvolti e ci stiamo grattando la testa, dice Ghez.

L'equilibrio tra scienza a breve e lungo termine è stata una parte importante di ciò che ha sostenuto il gruppo per così tanto tempo, aggiunge: in realtà devi convincere molte persone che vogliono continuare a farlo come una squadra. E quindi deve esserci abbastanza per loro, come più generazioni di studenti laureati che sono andati e venuti. E la loro scala temporale non è di 25 anni. Di solito sono tre anni di lavoro solido.

Uno tra tanti

La maggiore delle tre figlie di un professore di economia e di una direttrice di una galleria d'arte contemporanea che ha aiutato i propri figli a diventare ben istruiti e di successo professionale, Ghez ha sempre saputo che avrebbe ottenuto un dottorato di ricerca, ma non tutti intorno a lei erano convinti.

Quando il suo consulente per l'orientamento del liceo le ha detto che non avrebbe dovuto candidarsi al MIT, sostenendo che non accettava le ragazze, ha fatto domanda comunque, incoraggiata dalla sua insegnante di chimica, che ha detto: Qual è la cosa peggiore che possono dire: 'No?'

Ghez ha sentito così spesso le persone dire che non ci sarebbe riuscita che si è abituata a ignorarle. All'inizio hai le prove concrete per dire 'Non è sensato', dice. Ha sviluppato fiducia in se stessa per resistere al rifiuto.

Ha imparato che anche la comunità fa la differenza. Al MIT, che all'epoca era composta per il 25% da donne, ha capito che per affrontare l'essere una tra tante, doveva assicurarsi che ci fossero parti della sua vita in cui non era tra i pochi isolati. Ciò l'ha motivata a vivere in una confraternita mista, la Numero Sei, e ad unirsi alla squadra di sci di fondo, entrambi ambienti con un rapporto equilibrato tra i sessi in cui ha trovato una forte comunità.

Ha anche prestato attenzione ad assicurarsi di lavorare con qualcuno che l'ha supportata, sia al MIT che quando ha iniziato la scuola di specializzazione al Caltech.

Diventa importante trovarsi in un ambiente in cui le persone hanno un'alta considerazione di te e in cui la loro opinione non è complicata dai loro sentimenti per le donne.

Una delle cose più difficili e delle decisioni più importanti che prendiamo alla scuola di specializzazione è con chi lavoriamo, dice. Diventa importante trovarsi in un ambiente in cui le persone hanno un'alta considerazione di te e in cui la loro opinione non è complicata dai loro sentimenti per le donne. Scegliere un buon consulente che sia disposto a supportarti in qualcosa che ti interessa è davvero importante.

In qualità di consulente ora lei stessa, sottolinea l'importanza di trovare la giusta misura, in cui gli studenti si sentano a proprio agio e apprezzati. Come negli appuntamenti, dice, se per qualsiasi motivo non funziona, è importante capire che hai il potere di cambiare.

Chi può fare scienza

La prima volta che Ghez tenne un discorso a pranzo alla scuola di specializzazione, tremò dappertutto. In seguito il suo consigliere la tirò da parte e le disse: Devi insegnare. Devi essere in grado di salire sul palco.

Alimentata dalla sua convinzione fondamentale che ogni sfida sia un'opportunità, Ghez ha deciso di affrontare la sua paura di parlare apertamente facendo pressioni per insegnare fisica alle matricole, cosa che solo i professori ordinari potevano fare al Caltech in quel momento.

La facoltà ha detto di sì, ma il loro ragionamento l'ha infastidita: hanno detto che le giovani donne non stavano bene come i giovani uomini, quindi il suo coinvolgimento come unica donna nel gruppo di insegnanti potrebbe essere utile.

Curioso, Ghez ha esaminato i dati sul rendimento degli studenti di sesso femminile rispetto a quello di sesso maschile e ha scoperto che non supportavano la loro affermazione. Ricorda di aver pensato: sei un fisico! Questa [differenza] è statisticamente insignificante!

Dice che l'esperienza è ciò che l'ha galvanizzata a impegnarsi più profondamente nella questione delle donne nella scienza. Era un argomento così ridicolo all'epoca, dice. Nonostante tutte le contraddizioni sulla sua stessa istruzione e carriera, non aveva mai sentito una facoltà così anziana fare affermazioni denigratorie e non supportate sulle prestazioni delle donne direttamente in faccia.

Ora un oratore prolifico e dinamico, Ghez crede che sia importante non solo aprire le porte alle donne, ma anche riconoscere che è altrettanto importante che gli uomini imparino a sentirsi a proprio agio nel lavorare con e per le donne. Riconosce inoltre che ora la conversazione sull'equità riguarda maggiormente la razza e l'inclusione.

La nostra idea su chi può fare scienza cambia, dice. Ora i docenti senior stanno pensando ai blocchi stradali e a come aiutare tutti gli studenti a sentirsi i benvenuti all'inizio della loro carriera universitaria. A livello di dottorato, dice Ghez, non c'è molto che tu possa fare.

Al vertice

Il modo in cui gli astronomi lavorano con i telescopi è cambiato radicalmente in 25 anni.

All'inizio, dice Ghez, sei salito in vetta; non c'era altra opzione. Ricorda l'eccitazione della sua dozzina di viaggi sulla cima di 14.000 piedi del Mauna Kea, dove non solo era proprio lì con le condizioni atmosferiche, ma ha anche avuto modo di incontrare astronomi di tutto il mondo che erano venuti a prendi i dati dalla dozzina di telescopi lì.

Lo svantaggio, ovviamente, era la sfida dell'altitudine e la privazione del sonno, dal momento che gli astronomi dovevano stare svegli dal tramonto all'alba per acquisire i loro dati. Hai solo poche notti, stai cercando di fare del tuo meglio e non sei ottimale, dice Ghez con una risata. Era eccitante, dice, ma finivi le tue serate con la voglia di strisciare sotto il tavolo.

Lei e il suo team hanno fatto il loro ultimo viaggio di osservazione nel 1998, dopo di che hanno iniziato a osservare a distanza dal quartier generale alla base della montagna. In un certo senso, erano limitati dal fatto che non avevano accesso diretto alle condizioni meteorologiche o ad altri ricercatori al di fuori del loro gruppo. D'altra parte, dice, il tuo cervello funziona meglio al livello del mare.

Hanno anche avuto modo di lavorare a più stretto contatto presso la sede centrale con il personale che ha sviluppato il sistema di ottica adattiva, dall'hardware dell'ottica agli specchi alla tecnologia associata al telescopio stesso, cosa che Ghez ha trovato davvero utile.

Circa 15 anni fa, hanno iniziato a essere in grado di osservare dall'UCLA, che ha messo ancora più distanza tra l'osservatore e l'osservatorio, ma più persone hanno avuto accesso al telescopio. Gli studenti lo adorano, dice Ghez. Ora gli studenti, proprio mentre iniziano, possono rimanere agganciati. E può coinvolgere molto di più della sua squadra.

Il Covid-19 ha portato l'universo ancora più vicino a casa. Dice Do, mi alzo dal letto e mi collego a questo telescopio di 10 metri, e poi può osservare il centro galattico da un laptop. È un po' selvaggio quando ci pensi, dice.

Göran K. Hansson, segretario generale dell'Accademia reale svedese delle scienze, parla durante una conferenza stampa digitale con i premi Nobel Ghez (in alto a sinistra, fisica), Emmanuelle Charpentier (in alto a destra, chimica) e Paul Milgrom (economia) il 9 dicembre , 2020.

JANERIK HENRIKSSON / TT VIA AP

Ghez afferma che fino al covid, visitavano ancora il sito del telescopio ogni anno, principalmente per mantenere i rapporti con gli operatori e per raggiungere le comunità locali, che sono state sempre più esplicite sui diritti sulla terra degli indigeni, bloccando l'inizio della costruzione del nuovo Thirty Meter Telescope (TMT), il più grande telescopio terrestre a luce visibile mai tentato, che in alcuni casi ha provocato la chiusura dell'Osservatorio Keck.

Ghez, che è grata per il tempo trascorso alle Hawaii, spera che il suo status di Nobel le aiuterà a darle voce in quelle conversazioni in corso. Penso che uno abbia la responsabilità di assumersi alcune cose che sono semplicemente complicate e difficili, perché hai la fiducia della comunità [scientifica], dice.

Dopo il Nobel

Sebbene abbia ricevuto molte offerte per entrare a far parte di altre istituzioni o assumere ruoli amministrativi da quando ha vinto il Premio Nobel, Ghez è più interessata a mantenere il suo corso attuale.

Amo la mia scienza, dice. Ama anche lavorare con le nuove tecnologie, come la prossima generazione di telescopi: non vede l'ora di vedere la nuova scienza che sarà resa possibile dal salto dal diametro di 10 metri di Keck al diametro di 30 metri del TMT. Come per lo studio del centro galattico, questi progetti richiedono molto tempo per realizzarsi. Ghez ricorda quando ha iniziato il progetto Thirty Meter Telescope perché all'epoca era incinta del suo primo figlio, che quest'anno ha compiuto 20 anni.

SPENCER LOWELL

Ora vuole continuare a dirigere la sua energia verso la scienza del centro galattico e tutte le sue domande interessanti, le sfide scientifiche e di leadership associate ai grandi telescopi e le questioni sociali e culturali che li accompagnano, e all'insegnamento con consapevolezza di giustizia sociale. Mi piacerebbe poter usare il riconoscimento che viene fornito con [il Nobel] per portare avanti questi obiettivi, dice.

Per Ghez c'è ancora molto mistero, ma anche molta routine. Vincere il premio non cambia ciò che mi sveglia al mattino, ciò che fa galleggiare la mia barca sulla vita, dice. Amo ancora la scienza che sto facendo. Amo ancora i miei figli. È ancora molto simile.

Se tieni d'occhio il premio finale, dice, che sta facendo la scienza giusta, ti aiuta con le decisioni che devi prendere mentre incontri ogni tipo di complessità. Qual è la natura della scienza: la natura della vita, ma anche la natura della scienza.

Correzione: una didascalia della foto ha erroneamente indicato il telescopio coinvolto. È il telescopio Keck, non il telescopio Gemini.

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