Jocelyn Bell, la donna che scoprì le pulsar

di Luciana Ziino, Fondazione GAL Hassin-Centro Internazionale per le Scienze Astronomiche, Isnello

Nel 1967 una giovane dottoranda all’Università di Cambridge riconobbe nei tracciati cartacei di un nuovo radiotelescopio un segnale anomalo, che si ripeteva ogni 1,3 secondi e proveniva sempre dalla stessa direzione in cielo. Era un messaggio proveniente da una fantomatica civiltà aliena? Questa ipotesi venne ben presto scartata grazie alle successive osservazioni della dottoranda, che scoprì segnali analoghi provenienti da altre regioni del cielo. E allora di che cosa si trattava?

Si trattava di stelle di neutroni rotanti ad altissima velocità, quelle che oggi chiamiamo . La dottoranda, di nome Jocelyn Bell, aveva fatto una scoperta sensazionale, che sarebbe stata premiata qualche anno più tardi col Nobel. Solo che il premio andò al suo supervisor Antony Hewish e non a lei.

Jocelyn Bell ritratta nel 1968 all’Osservatorio Radio-Astronomico Mullard dell’Università di Cambridge. Credit: National Media Museum – Science & Society Picture Library

Jocelyn Bell era nata a Belfast nel 1943. Prima della laurea in Fisica all’Università di Glasgow, aveva dovuto vedersela con un sistema scolastico che scoraggiava le ragazze dallo studio delle materie scientifiche: per esempio, esigendo voti di ammissione più alti rispetto a quelli richiesti ai ragazzi.

Nel 1967, dopo l’università, la Bell ottenne un dottorato di ricerca a Cambridge, il cui coordinatore era Antony Hewish che in quel momento si stava occupando di scintillazioni interplanetarie. Si tratta di fenomeni dovuti alla presenza di plasma che interagisce con i segnali in banda radio. Il risultato del fenomeno è simile a quello del seeing nel visibile per effetto dell’atmosfera.

La giovane dottoranda, colta – come lei stessa ha raccontato – dalla sindrome dell’impostore, cioè dalla convinzione di non meritare il posto così faticosamente raggiunto, si impegnò al massimo nella sua attività di ricerca; e forse fu proprio per la grande precisione e la grande attenzione con cui analizzò i dati raccolti che scoprì il segnale della prima pulsar nella storia dell’astronomia.

Jocelyn si era occupata in prima persona della realizzazione del radiotelescopio, una gigantesca antenna costituita da una distesa di pali e cavi elettrici grande quanto cinquantasette campi da tennis. La raccolta dei dati avveniva ovviamente su dei registratori analogici cartacei: un pennino (simile a quello di un sismografo) registrava su una striscia di carta l’intensità del flusso radio misurato, producendo 30 metri di dati ogni giorno.

La giovane Jocelyn Bell e le antenne del radiotelescopio che le permisero di scoprire le pulsar. Credit: Jocelyn Bell Burnell.

In pratica, il lavoro della giovane dottoranda consisteva nel leggere questi tracciati per ricercare dei segnali debolissimi in mezzo a tanto rumore (senza gli algoritmi di calcolo grazie ai quali oggi è possibile ridurre drasticamente il rumore di fondo). Un lavoro piuttosto complicato; ma Jocelyn non si diede per vinta e grazie alla sua tenacia scoprì qualcosa di insolito: un segnale ripetitivo, con un periodo straordinariamente breve (1-2 secondi) e stabile in un ristretto range di frequenza. Jocelyn comunicò i risultati al suo supervisor, secondo il quale si trattava di un’interferenza di origine terrestre. Insomma, per Hewish era semplicemente un segnale determinato da una qualche attività umana. Ma, il giorno dopo, lo strano bip-bip ricomparve esattamente allo stesso tempo siderale e non allo stesso tempo solare, circostanza che provava l’origine celeste e non terrestre del segnale.

In alto, il primo segnale della pulsar CP1919 (cioè Cambridge Pulsar all’ascensione retta α = 19h 19m) a malapena distinguibile dalle interferenze, trovato il 6 agosto 1967. In basso, una registrazione di CP1919 presa il 28 novembre 1967, in cui il segnale sembrava ripetersi con una ben definita periodicità pari a 1,3 secondi.

Jocelyn Bell. Crediti: Bbc

Non potremo mai sapere se il riconoscimento non le venne assegnato perché donna o perché dottoranda (probabilmente concorsero entrambi i motivi). Quel che è sicuro è che Jocelyn Bell è stata ampiamente ricompensata dalla sua carriera e dai tanti premi ricevuti, l’ultimo nel 2018: lo Special Breakthrough Prize In Fundamental Physics, il più ricco riconoscimento per la ricerca scientifica, che la Bell ha interamente devoluto per facilitare l’accesso delle ragazze, dei membri delle minoranze e dei rifugiati alle carriere scientifiche.

Sento di averci guadagnato, a non aver preso un Nobel. Se vinci un Nobel passi una settimana fantastica e poi nessuno ti premia con nient’altro. Se non lo vinci, vinci qualunque altra cosa. Praticamente ogni anno c’è stato qualche festeggiamento per un premio che ho vinto. È stato molto più divertente”.

Ma che cos’è una pulsar? Si tratta di una stella di neutroni che ruota su sé stessa e possiede un intenso campo magnetico. La stella a grande distanza si comporta come un dipolo magnetico ruotante, che emette fasci di onde radio dai poli magnetici. Tuttavia, l’asse di rotazione e l’asse magnetico della stella non sono allineati, cioè i poli di rotazione e i poli magnetici non coincidono ma sono separati da un angolo più o meno grande (come potete vedere nella figura sotto). Questo disallineamento fa sì che il fascio di onde radio emesso dalla stella viene osservato come la luce di un faro: ogni volta che la stella di neutroni rivolge il polo magnetico verso noi osservatori terrestri, il radiotelescopio registra un segnale. Dopo un tempo pari al periodo di rotazione della stella, riapparirà il segnale radio. L’emissione di onde radio comporta una perdita di energia che fa rallentare la rotazione della stella, sebbene molto lentamente.

Modello di una radio-pulsar: è una stella di neutroni ruotante e magnetizzata, con asse di rotazione disallineato dall’asse magnetico.

Parlando in termini numerici, qual è l’identikit di una radio-pulsar? Si tratta di una stella avente una massa compresa tra 1,4 e 3 masse solari, quindi paragonabile a quella del Sole, ma racchiusa in un raggio di qualche decina di chilometri. Per capirci, è come se comprimessimo il Sole in una sfera di raggio pari all’incirca alle dimensioni di una città. Insomma un oggetto densissimo, così denso che una zolletta di zucchero sulla sua superficie peserebbe quanto tutti gli uomini presenti sulla Terra.
Inoltre, il periodo di rotazione delle pulsar è molto piccolo se paragonato a quello di una stella come il Sole. Parliamo di tempi che vanno dal millisecondo ad alcuni secondi. Questo vuol dire che le stelle di neutroni ruotano velocissime!

Ma non è finita qui. Il campo magnetico di una radio-pulsar è compreso tra 10 4 e 109 Tesla. Per avere un’idea, il campo magnetico del Sole è circa 10 4 Tesla, cioè almeno otto ordini di grandezza più piccolo rispetto a quello di una pulsar. Si tratta quindi di campi magnetici intensissimi.

Come mai le stelle di neutroni hanno periodi di rotazione piccolissimi e campi magnetici molto più grandi rispetto a quello di una stella come il Sole? La ragione va ricercata nella storia evolutiva delle pulsar, il cui stato di stella di neutroni è l’ultima fase della vita di una stella molto massiccia. Diversamente dal Sole, le stelle più massicce a un certo punto della loro evoluzione esplodono come supernovae. Quello che rimane dall’esplosione, a causa della forza di gravità, inizia a collassare su sé stesso, diventando sempre più denso. Si formerà o una stella di neutroni o, se ancora più massiccio, un buco nero. Nel primo caso, quello in esame, l’immensa forza gravitazionale, non più contrastata dalla pressione termica delle reazioni nucleari, schiaccia la materia al punto che gli elettroni si fondono con i protoni, dando luogo a neutroni stabili. La riduzione del raggio della stella nel corso del collasso comporta un aumento della velocità di rotazione (perché il momento angolare si deve conservare) e un aumento dell’intensità del campo magnetico (perché il flusso magnetico attraverso la superficie della stella si deve conservare). Ecco il motivo per cui le stelle di neutroni ruotano molto più rapidamente rispetto al Sole e hanno campi magnetici così intensi.
Fino al 1967, anno della scoperta di Jocelyn Bell, l’esistenza delle stelle di neutroni era stata solo teorizzata: “Fino a quel momento nessuno aveva idea di come si potessero osservare le stelle di neutroni, se davvero esistevano. All’improvviso saltò fuori che la natura ha fornito un modo incredibilmente preciso per osservare questi oggetti, qualcosa che ha condotto in seguito a molti progressi” (Edward Witten, presidente del Comitato di selezione dello Special Breakthrough Prize). Quindi una scoperta davvero rivoluzionaria, per la quale dobbiamo ringraziare la passione e la tenacia di una giovane dottoranda.

Che cos’era questo strano fenomeno? La prova dell’esistenza di una civiltà extraterrestre? Non a caso inizialmente venne identificato con la sigla LGM, ovvero Little Green Man. Tuttavia, nei mesi successivi la Bell trovò, in una diversa parte del cielo, un’altra sorgente pulsante con periodo di 1,2 secondi. Poi ne scovò altre due con le stesse caratteristiche. Queste scoperte facevano sfumare l’ipotesi di un segnale alieno, ma erano comunque straordinarie, perché davano inizio a un capitolo tutto nuovo della ricerca astronomica. Non si trattava di alieni, bensì si trattava di stelle, di una nuova classe di stelle. “Quello fu l’istante meraviglioso, l’autentica dolcezza, il momento di dire Eureka!”, commenterà Jocelyn Bell trentanove anni dopo in una intervista radiofonica alla BBC.

Il risultato di questo grande lavoro venne pubblicato il 9 febbraio del 1968 sulla rivista Nature col titolo “Observation of a Rapidly Pulsating Radio Source”, un articolo a firma di Hewish, Bell e altri tre membri del gruppo. L’annuncio della scoperta ebbe grande diffusione sui giornali; non a caso, il nome stesso dei nuovi oggetti celesti – pulsar – fu coniato dal «Daily Telegraph».

Observation of a Rapidly Pulsating Radio Source, articolo in cui viene data notizia della scoperta delle pulsar. La Bell figura come secondo autore. Crediti: Nature.

Vi ho già raccontato quello che avvenne qualche anno più tardi, nel 1974, con l’assegnazione del Premio Nobel per la Fisica ad Antony Hewish (oltre che a Sir Martin Ryle, il fondatore della radioastronomia in Inghilterra).
Quello che non vi ho ancora detto è che Jocelyn Bell accolse la notizia con grande serenità, accettando con eleganza l’esclusione dal premio. Oggi conosciamo il suo punto di vista, grazie alla già citata intervista della BBC:

Io ero una studentessa di dottorato, e in quei tempi si credeva, si percepiva, si dava per assodato, che la scienza fosse fatta e guidata da grandi uomini – propriamente uomini – probabilmente in camici bianchi. E che questi uomini avessero una pattuglia di servi che facevano ogni cosa su indicazione, senza pensare.”Poco prima dell’assegnazione del Nobel a Hewish, Jocelyn Bell ebbe suo figlio Gavin:

E stavo combattendo per trovare qualcuno che potesse aiutarmi nel badare a mio figlio e così proseguire la carriera – tutte quelle cose con cui la mia generazione dovette lottare prima che ci fossero asili sui posti di lavoro, prima che fosse accettabile l’idea che una donna lavorasse. E così constatai con me stessa che “Gli uomini vincono i premi e le giovani donne badano ai bambini”.

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Informazioni su Sabrina Masiero

Direttore Responsabile della Didattica e Divulgazione presso la Fondazione GAL Hassin-Centro Internazionale delle Scienze Astronomiche, Isnello, (Palermo) e associata INAF-Osservatorio Astronomico di Palermo. Ho lavorato presso INAF-Osservatorio Astronomico di Padova e la Fundaciòn Galileo Galilei, FGG-Telescopio Nazionale Galileo, La Palma, Isole Canarie nell'ambito dei pianeti extrasolari.

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