Dal CERN alle stelle, con Roberto Battiston

Per il primo appuntamento con lo spazio interviste di Interfolia, abbiamo parlato con il Prof. Roberto Battiston, fisico e già presidente dell’Agenzia Spaziale Italiana. Con lui abbiamo discusso di spazio, ricerca scientifica e delle sfide che ci attendono nei prossimi anni.

Nato a Trento nel 1956, Roberto Battiston è fisico sperimentale e professore ordinario all’Università di Trento. Laureato in Fisica alla Scuola Normale Superiore di Pisa e dottore di ricerca all’Università di Parigi-Sud a Orsay, ha iniziato la propria carriera studiando le particelle elementari nei grandi esperimenti internazionali del CERN, per poi dedicarsi alla fisica dei raggi cosmici e alla ricerca nello spazio. Nel 1994, insieme al premio Nobel Samuel C. C. Ting, ha proposto la realizzazione dell’Alpha Magnetic Spectrometer (AMS), oggi installato sulla Stazione Spaziale Internazionale, di cui è stato deputy spokesperson. Dal 2014 al 2018 ha presieduto l’Agenzia Spaziale Italiana (ASI). Dal 2026 è presidente dello European Space Sciences Committee (ESSC), organismo che fornisce consulenza scientifica indipendente sulle politiche e sui programmi spaziali europei.

La sua carriera è iniziata nella fisica sperimentale delle particelle, lavorando anche al CERN, per poi spostarsi sempre più verso i raggi cosmici e gli esperimenti nello spazio. Quando ha capito che lo spazio poteva diventare, oltre che qualcosa da osservare, un vero e proprio laboratorio per studiare le leggi fondamentali della natura?

Non c’è stato un unico momento di conversione. È stato piuttosto un passaggio graduale, maturato tra la fine degli anni Ottanta e l’inizio degli anni Novanta. Al CERN studiavamo le particelle prodotte facendo collidere fasci accelerati artificialmente. I raggi cosmici ci presentavano il problema inverso: la natura aveva già accelerato quelle particelle, talvolta fino a energie enormemente superiori a quelle raggiungibili nei laboratori terrestri, e noi dovevamo capire da dove provenissero e che cosa fosse accaduto loro durante il viaggio attraverso la Galassia. Per studiarle con precisione, tuttavia, bisognava andare al di sopra dell’atmosfera, che assorbe le particelle primarie e genera una grande quantità di particelle secondarie. L’idea decisiva fu quindi portare nello spazio le tecnologie sviluppate per i grandi esperimenti di fisica delle particelle: rivelatori al silicio, magneti, calorimetri, sistemi elettronici estremamente sofisticati. Per me lo spazio non ha sostituito il CERN: ne è diventato una straordinaria estensione. Con AMS abbiamo trasformato la Stazione Spaziale Internazionale in un laboratorio di fisica fondamentale che viaggia a circa 28.000 chilometri all’ora. Lo spazio è così diventato contemporaneamente l’oggetto dell’osservazione e il luogo in cui realizzare l’esperimento.

Uno dei progetti che hanno segnato maggiormente la sua carriera è appunto AMS-02, l’Alpha Magnetic Spectrometer, un grande rivelatore di particelle installato sulla Stazione Spaziale Internazionale dal 2011. Da allora ha osservato oltre duecento miliardi di raggi cosmici e continua ancora oggi a produrre nuovi risultati. Per chi non è fisico: che cosa ci ha permesso di vedere dell’Universo che prima non riuscivamo a vedere? E qual è stato il risultato che ha sorpreso maggiormente anche lei?

AMS non è un telescopio che fotografa stelle e galassie. Si può immaginare come una macchina fotografica estremamente sofisticata in grado di registrare  le particelle elementari provenienti dal cosmo. Per ciascuna di esse cerca di determinare la carica elettrica, il segno della carica (e quindi se si tratta di materia o antimateria), l’energia, la quantità di moto e, in molti casi, la massa. Prima di AMS, gran parte delle misure dirette dei raggi cosmici veniva effettuata con palloni stratosferici o con esperimenti di durata relativamente breve. AMS osserva invece il cielo ininterrottamente dalla Stazione Spaziale dal 2011 e ha ormai registrato oltre duecento miliardi di raggi cosmici. È come essere passati da poche fotografie a un film ad altissima definizione che dura da quindici anni. Ciò che abbiamo scoperto è che la popolazione dei raggi cosmici è molto più strutturata di quanto indicassero i modelli più semplici. I loro spettri non seguono sempre leggi regolari; cambiano pendenza, formano famiglie diverse e mostrano combinazioni inattese tra componenti prodotte direttamente nelle sorgenti e componenti generate durante il viaggio nella materia interstellare. All’inizio mi ha sorpreso soprattutto l’abbondanza dei positroni. Con il passare degli anni, però, la sorpresa più profonda è diventata un’altra: quasi ogni volta che AMS raggiunge una precisione prima impossibile, la natura mostra un livello di complessità nuovo. Non stiamo semplicemente misurando meglio parametri già conosciuti; siamo costretti a rivedere il modo in cui pensiamo che i raggi cosmici siano prodotti, accelerati e trasportati nella Galassia.

Tra i risultati più affascinanti di AMS c’è un’anomala abbondanza di positroni, le controparti di antimateria degli elettroni. Potrebbero provenire da oggetti astrofisici come le pulsar oppure, secondo alcuni modelli, essere legati alla materia oscura. Quando il pubblico sente queste parole è facile pensare subito a una scoperta rivoluzionaria: che cosa possiamo affermare davvero oggi e che cosa dovremmo osservare per trasformare un indizio interessante in una prova convincente?

Occorre anzitutto distinguere due concetti che rischiano di essere confusi. I positroni sono particelle di antimateria: hanno la stessa massa degli elettroni, ma carica opposta. La materia oscura è invece una componente dell’Universo della quale osserviamo gli effetti gravitazionali, ma di cui ignoriamo ancora la natura microscopica. Non sappiamo neppure se sia composta da particelle capaci di produrre positroni. Possiamo affermare con sicurezza che, alle alte energie, la quantità di positroni osservata da AMS non è spiegata dai modelli più semplici nei quali essi sono prodotti soltanto dalle collisioni dei raggi cosmici con il gas interstellare. I dati indicano la presenza di una componente aggiuntiva. Questo è un risultato sperimentale solido. La sua interpretazione, invece, rimane aperta. La componente aggiuntiva potrebbe essere prodotta da pulsar o da altri acceleratori astrofisici. Potrebbe anche derivare dall’annichilazione o dal decadimento di particelle di materia oscura. Per trasformare quest’ultima ipotesi in una prova convincente non basterebbe osservare un eccesso in un solo tipo di particella. Dovremmo trovare  forme caratteristiche degli spettri delle varie particelle note alle energie più alte e verificare che lo stesso modello sia coerente con le misure di antiprotoni, raggi gamma e altri messaggeri cosmici. Dovremmo inoltre escludere, con sufficiente precisione, le spiegazioni astrofisiche alternative. In scienza un’anomalia non è ancora una scoperta rivoluzionaria: è una domanda particolarmente interessante posta dalla natura. La rivoluzione arriva soltanto quando una stessa risposta supera molti controlli indipendenti.

Se pensiamo a una futura missione umana verso Marte, uno dei problemi meno visibili è rappresentato dalle radiazioni cosmiche. Lei ha studiato anche sistemi di protezione basati su campi magnetici. Quanto è serio oggi questo ostacolo? E quali soluzioni ritiene più realistiche per permettere agli esseri umani di trascorrere molti mesi lontano dalla protezione della Terra?

È un ostacolo molto serio, perché non può essere affrontato aggiungendo semplicemente qualche pannello protettivo quando la missione è già stata progettata. La protezione dalle radiazioni deve entrare fin dall’inizio nell’architettura del veicolo, nella durata del viaggio, nella scelta della traiettoria e nella progettazione degli ambienti in cui vivranno gli astronauti. Al di fuori della magnetosfera terrestre bisogna affrontare due problemi differenti. Le eruzioni solari possono produrre eventi intensi e relativamente brevi, per i quali è possibile predisporre un rifugio molto schermato, ad esempio nell’ abitacolo della Stazione Spaziale. I raggi cosmici galattici, invece, costituiscono una radiazione continua, comprendente anche nuclei pesanti e molto energetici, difficili da arrestare. Inoltre, quando una particella di alta energia attraversa una schermatura materiale, può produrre radiazione secondaria aumentando il suo effetto dannoso per gli essere umani: non sempre aggiungere massa significa ottenere una protezione proporzionale. Nel progetto europeo SR2S che ho guidato, abbiamo studiato la possibilità di utilizzare magneti superconduttori per creare attorno al veicolo un campo capace di deviare le particelle cariche, riproducendo in piccola scala una funzione analoga a quella svolta dal campo magnetico terrestre. Il principio fisico è valido, ma le difficoltà ingegneristiche restano notevoli considerata la tecnologia attuale dei superconduttori: massa dei magneti, forze meccaniche, criogenia, energia immagazzinata, protezione dalle particelle neutre e comportamento delle particelle più energetiche. Per le prime missioni verso Marte, la soluzione più realistica sarà quindi integrata: materiali ricchi di idrogeno, acqua e provviste utilizzati anche come schermatura; un rifugio contro le tempeste solari; dosimetria personale continua; previsioni dell’attività solare; contromisure biologiche e farmacologiche; soprattutto, sistemi di propulsione capaci di abbreviare il viaggio. Sulla superficie marziana si potranno impiegare, per proteggersi dalle radiazioni,  il terreno locale, strutture interrate o cavità naturali. Le schermature magnetiche rimangono una tecnologia promettente per il futuro, ma non rappresentano ancora, da sole, una soluzione pronta all’impiego.

Oggi lavora anche alla miniaturizzazione di rivelatori destinati a nanosatelliti. Strumenti che un tempo richiedevano apparati molto grandi possono quindi diventare sempre più piccoli e leggeri. Che cosa cambia, scientificamente, quando possiamo mettere questi strumenti su molti piccoli satelliti? Potrebbe cambiare anche il modo stesso in cui progettiamo le missioni spaziali?

La miniaturizzazione non significa soltanto costruire lo stesso strumento in formato più piccolo. Può cambiare il metodo con cui osserviamo lo spazio. Un singolo satellite misura ciò che incontra lungo la propria orbita. Quando registra una variazione, non è sempre facile capire se il fenomeno stia cambiando nel tempo oppure se il satellite stia semplicemente attraversando una regione diversa. Una costellazione di piccoli satelliti può osservare simultaneamente lo stesso fenomeno da molti punti e separare la sua evoluzione temporale dalla sua struttura spaziale. In un certo senso, si passa da una fotografia lungo una linea a una tomografia dell’ambiente spaziale. Questo approccio è particolarmente importante per lo space weather, le fasce di radiazione, le tempeste solari e i fenomeni transitori. Permette inoltre di aggiornare più rapidamente la tecnologia, distribuire il rischio e progettare missioni nelle quali la perdita di un elemento non compromette l’intero esperimento. Nel nostro gruppo stiamo lavorando con l’ Agenzia Spaziale Italiana, nel contesto del progetto SpaceItUp!,  proprio alla miniaturizzazione di spettrometri per particelle cariche capaci di riconoscere, pur nelle dimensioni di un nanosatellite, l’energia, la direzione e la carica delle particelle incidenti. Naturalmente esistono limiti: un piccolo rivelatore raccoglie meno particelle, dispone di meno potenza e capacità di trasmissione e richiede una calibrazione molto accurata. Non credo quindi che i nanosatelliti sostituiranno le grandi missioni. Vedo piuttosto un’architettura ibrida: pochi osservatori molto potenti affiancati da reti di strumenti più piccoli, coordinati e specializzati. Il cambiamento fondamentale consiste nel passare dall’idea del satellite come oggetto isolato a quella di una rete scientifica distribuita nello spazio.

Con LIMADOU e la missione CSES avete studiato un fenomeno particolarmente curioso: un terremoto che avviene nella crosta terrestre può produrre effetti misurabili anche molto più in alto, nell’atmosfera e nella ionosfera. Può spiegarci come è possibile? E soprattutto, dove siamo arrivati oggi nel capire questi fenomeni e quanto siamo ancora lontani dal poter parlare seriamente di eventuali “precursori” osservabili dallo spazio?

La prima distinzione da fare è tra gli effetti che seguono o accompagnano un terremoto e gli eventuali fenomeni che lo precedono. Quando avviene un grande terremoto, il movimento del suolo può generare onde acustiche e onde di gravità atmosferiche che si propagano verso l’alto e raggiungono la ionosfera. Questi effetti co-sismici sono stati osservati a li abbiamo modellati in modo accurato in quanto hanno una base fisica ben definita. La Terra solida, l’atmosfera e la ionosfera non sono sistemi separati: scambiano continuamente energia attraverso processi meccanici, elettrici ed elettromagnetici. Molto più difficile è stabilire se, durante la fase di preparazione di un terremoto, si producano segnali riconoscibili prima della rottura. Sono stati proposti diversi meccanismi: variazioni della conducibilità atmosferica, emissioni di gas e aerosol, modificazioni del circuito elettrico globale, campi elettromagnetici e perturbazioni del plasma ionosferico. Esistono osservazioni interessanti e numerosi casi di studio, ma i modelli sono ancora in larga parte qualitativi e non garantiscono nessun livello di affidabilità per identificare precursori sismici. Il problema principale è che la ionosfera è estremamente variabile. Viene continuamente perturbata dal Sole, dalle tempeste geomagnetiche, dai fulmini, dalla meteorologia, dalle emissioni radio artificiali e da molti altri fenomeni. Trovare un’anomalia prima di un terremoto non significa automaticamente aver trovato un segnale causato dal terremoto. I satelliti CSES, realizzati nell’ ambito di una collaborazione Cina-Italia sostenuta dall’ ASI, ed il team scientifico  LIMADOU che coinvolge ricercatori di INFN, INAF, INGV e CNR, oltre a numerose università, sono importanti proprio perché analizzano  simultaneamente campi elettrici e magnetici, plasma e particelle. Con due satelliti possiamo migliorare la copertura temporale e confrontare osservazioni indipendenti. Ma per parlare seriamente di precursori occorrono analisi statistiche definite prima di analizzare  il singolo evento (blind test), popolazioni di controllo, coincidenze tra più strumenti, confronto con misure a terra e una quantificazione rigorosa dei falsi allarmi e degli eventi mancati. Siamo quindi ancora lontani da una previsione operativa dei terremoti dallo spazio. Il termine “precursore” dovrebbe essere utilizzato soltanto per un segnale capace di offrire informazione predittiva prima dell’evento, non per un’anomalia riconosciuta  retrospettivamente e quindi esposta a problemi di tipo metodologico. Il valore scientifico di CSES non consiste nel promettere una previsione imminente, ma nel trasformare un’ipotesi controversa in un problema sperimentale controllabile e verificabile.

Dal 2014 al 2018 è stato presidente dell’Agenzia Spaziale Italiana e oggi presiede lo European Space Sciences Committee, che fornisce consulenza scientifica indipendente alle istituzioni europee. Passare dalla ricerca alla gestione della politica scientifica significa anche dover scegliere quali progetti sostenere e quali lasciare indietro. C’è qualcosa che questa esperienza le ha fatto cambiare idea sul rapporto tra scienza, finanziamenti e decisione politica?

Queste esperienze mi hanno fatto riflettere su un punto: da ricercatore si tende a pensare che un progetto scientificamente eccellente debba imporsi quasi naturalmente. Nella realtà non accade così. Una grande idea deve essere trasformata in un programma credibile, dotato di tecnologie mature, costi sostenibili, una comunità scientifica solida, capacità industriali e collaborazioni internazionali destinate a durare per decenni. Questo non significa che la politica debba decidere quale teoria sia corretta o quale risultato scientifico sia preferibile. La politica ha il compito legittimo di definire le grandi priorità collettive e la quantità di risorse da destinare alla ricerca. La valutazione della qualità scientifica e la selezione tra progetti concorrenti devono però essere affidate a procedure trasparenti, indipendenti e fondate sulla competenza e sulla peer review. Le missioni spaziali più ambiziose durano più di una legislatura, spesso più di una generazione scientifica. Per questo la buona politica della ricerca deve creare continuità, proteggere i programmi dalle oscillazioni del consenso immediato e, nello stesso tempo, verificare che gli impegni presi siano rispettati. Presiedendo oggi lo European Space Sciences Committee vedo ancora più chiaramente il valore di una voce scientifica indipendente. I finanziamenti non sono qualcosa di esterno alla scienza: determinano quali domande una società decide di porsi e quali competenze costruisce per il futuro. Gli scienziati, da parte loro, devono saper spiegare le proprie scelte, renderne conto e accettare che non tutte le buone idee possano essere realizzate contemporaneamente.

Luca Parmitano è stato scelto come pilota di Artemis III, diventando il primo italiano a entrare nell’equipaggio di una missione Artemis. Artemis III sarà un volo di prova con equipaggio in orbita terrestre, fondamentale per testare Orion e i sistemi che serviranno alle successive missioni di allunaggio. Che significato ha questa scelta per l’Italia e per l’Europa? E, guardando più avanti, come immagina l’esplorazione umana dello spazio nei prossimi decenni? Ad esempio, una presenza stabile sulla Luna, su Marte, oppure qualcosa di diverso?

La scelta di Luca Parmitano, che conosco da tanti anni e stimo moltissimo, è certamente storica, ma non è soltanto simbolica. Essere il primo italiano assegnato a un equipaggio Artemis rappresenta il riconoscimento delle sue qualità personali e operative, ma anche del patrimonio di competenze che l’Italia e l’Europa hanno costruito nel volo umano. Il ruolo di pilota di Artemis III sarà centrale. La missione dovrà sperimentare in orbita terrestre operazioni complesse di avvicinamento e attracco tra Orion e i prototipi dei sistemi destinati ai futuri allunaggi. L’Europa partecipa inoltre con lo European Service Module (ESM), che fornisce a Orion propulsione, energia, controllo termico e risorse essenziali per l’equipaggio. Parmitano ed ESM rendono quindi visibili le due dimensioni del contributo europeo: le persone e la tecnologia. Per l’Italia questo è il risultato di investimenti scientifici, industriali e istituzionali accumulati nel tempo. Per l’Europa è la dimostrazione che la cooperazione con gli Stati Uniti può essere fondata non soltanto su una partecipazione finanziaria, ma su responsabilità operative reali. L’autonomia europea non deve significare autarchia: significa possedere competenze sufficienti per scegliere i propri obiettivi e contribuire alle partnership da una posizione solida. Nei prossimi decenni non immagino una semplice successione Terra-Luna-Marte. Vedo un sistema integrato di esplorazione robotica e umana. Sulla Luna potrà nascere una presenza regolare e progressivamente più stabile, inizialmente non necessariamente una base abitata in permanenza, ma una rete di infrastrutture scientifiche, logistiche ed energetiche. La Luna sarà il luogo in cui imparare a utilizzare risorse locali, riciclare acqua e aria, proteggersi dalle radiazioni e operare lontano dalla Terra. Marte verrà dopo, quando avremo maturato tecnologie e conoscenze sufficienti. I robot continueranno a precederci e a svolgere gran parte dell’esplorazione; gli esseri umani interverranno là dove capacità di giudizio, adattamento e decisione immediata porteranno un vantaggio decisivo.

Una domanda più personale: nella sua vita che spazio hanno la fantascienza e la musica? Quali sono gli artisti e i titoli a cui è particolarmente legato, e che in qualche modo ha influenzato il suo modo di immaginare lo spazio, la scienza o il futuro?

La fantascienza, penso ad Asimov in particolare, e la musica hanno avuto entrambe uno spazio importante nella mia vita. La musica possiede una struttura astratta e matematica, ma nello stesso tempo è un’esperienza concreta, fisica ed emotiva. Da questo punto di vista ha qualcosa in comune con la scienza: parte da relazioni formali, frequenze, armoniche e simmetrie, ma produce effetti profondamente reali. Anche a me piace suonare  e ho quindi una certa familiarità con il suo linguaggio. Amo Vivaldi, Bach e Mozart, ma anche il rock e la musica elettronica degli anni Settanta, in particolare i Pink Floyd e i Tangerine Dream. Sono mondi musicali diversi, ma tutti mostrano come una struttura possa generare complessità, sorpresa e immaginazione. L’antica idea della musica delle sfere, di un’armonia nascosta nei movimenti dei corpi celesti, conserva ancora oggi una forza suggestiva. Per la fantascienza, 2001: Odissea nello spazio rimane un riferimento fondamentale, perché affronta il rapporto tra l’essere umano, la tecnologia e l’ignoto senza ridurlo a una semplice avventura. Interstellar mostra quanto lontano possa spingersi l’immaginazione quando prende sul serio la fisica. The Martian mi ha colpito  per il suo realismo: il protagonista sopravvive non grazie a poteri eccezionali, ma applicando conoscenza, metodo e capacità di risolvere un problema dopo l’altro. Ultimamente mi ha colpito moltissimo un recente film di fantascienza ucraino U are the Universe : certe riflessioni sull’uomo trovano il giusto spazio solo nel  contesto di un viaggio interstellare. La buona fantascienza non è necessariamente quella che prevede correttamente il futuro. È quella che costruisce un laboratorio mentale nel quale possiamo esplorare in anticipo le conseguenze scientifiche, umane e morali delle tecnologie che stiamo sviluppando.

Dopo una vita trascorsa a studiare particelle, tecnologia e spazio, se potesse scegliere una sola cosa da vedere realizzata nel campo dell’esplorazione spaziale, quale sarebbe?

Non sceglierei una bandiera da piantare o un primato da stabilire. Sceglierei una risposta. Vorrei vedere realizzata una grande missione internazionale capace di riportare sulla Terra campioni incontaminati e accuratamente selezionati di Marte e di stabilire, con tutta la potenza dei nostri laboratori, se su quel pianeta la vita sia mai comparsa. Anche la scoperta di una forma di vita microscopica, presente o fossile, sarebbe uno dei risultati più profondi dell’intera storia della scienza. Se quella vita avesse avuto un’origine indipendente dalla nostra, significherebbe che il passaggio dalla materia inanimata alla vita può verificarsi ogni volta che esistono condizioni adatte. La vita cesserebbe di apparire come un’eccezione irripetibile della Terra e diventerebbe un fenomeno dell’Universo. Un essere umano su Marte sarebbe un’impresa straordinaria. Ma sapere con certezza che la vita è comparsa anche altrove cambierebbe in modo ancora più radicale il modo in cui comprendiamo noi stessi e il nostro posto nel cosmo. La domanda che mi piacerebbe vedere risolta è, in fondo, la più antica e la più semplice: siamo soli?