Raggiungere un’altra stella resta una delle più grandi sfide immaginabili per l’umanità. Proxima Centauri, il sistema stellare più vicino al Sole, dista circa 4,25 anni luce: una distanza relativamente piccola su scala galattica, ma enorme per qualsiasi tecnologia di propulsione oggi disponibile. Una normale astronave impiegherebbe migliaia di anni per attraversarla.
Per questo, da decenni fisici e astrofisici studiano soluzioni molto più radicali. Alcune sembrano uscite direttamente dalla fantascienza: deformare lo spazio-tempo, attraversare un wormhole oppure sfruttare un buco nero come gigantesca fionda gravitazionale. Non si tratta, tuttavia, semplicemente di fantasie narrative. Sono ipotesi che, almeno in alcuni casi, possono essere descritte utilizzando le equazioni della relatività generale di Einstein. Il problema è trasformare la possibilità matematica in una macchina realmente costruibile.
Il sogno del motore a curvatura
Una delle idee più celebri è quella del warp drive, il motore a curvatura reso popolare dalla fantascienza. Nel 1994 il fisico teorico messicano Miguel Alcubierre dimostrò che una particolare soluzione delle equazioni della relatività generale avrebbe potuto, almeno matematicamente, permettere un movimento apparentemente superiore alla velocità della luce.
Il principio è ingegnoso: l’astronave non dovrebbe attraversare localmente lo spazio a velocità superiori a quella della luce, cosa proibita dalla relatività speciale. Sarebbe invece lo spazio stesso a muoversi.
Una sorta di “bolla” circonderebbe la nave: lo spazio-tempo verrebbe contratto davanti al veicolo ed espanso dietro di esso. L’astronave rimarrebbe all’interno della bolla mentre la deformazione dello spazio la trasporterebbe verso la destinazione.
In questo modo, almeno in teoria, non si violerebbe direttamente il limite imposto da Einstein, perché localmente il veicolo non supererebbe mai la velocità della luce. È lo stesso concetto che consente all’espansione cosmica di aumentare la distanza tra regioni molto lontane dell’Universo a un ritmo apparentemente superiore a quello della luce.
Il problema è l’energia.
Le prime formulazioni del motore di Alcubierre richiedevano quantità astronomiche di quella che viene chiamata materia esotica, associata a densità di energia negativa. Studi successivi hanno cercato di modificare la geometria della bolla per ridurre drasticamente questi requisiti. Alcune stime teoriche hanno abbassato enormemente il fabbisogno rispetto ai primi modelli, ma rimane un ostacolo fondamentale: non sappiamo se la massa negativa necessaria possa realmente esistere o essere prodotta nelle quantità richieste.
Esistono fenomeni quantistici, come l’effetto Casimir, nei quali possono apparire regioni con densità energetica negativa, ma siamo ancora lontanissimi dal poter utilizzare questo comportamento per deformare lo spazio attorno a un’astronave. Per ora, quindi, nessun motore warp è stato costruito e non esiste alcuna dimostrazione sperimentale che una bolla di curvatura macroscopica possa essere generata.
Wormhole, scorciatoie attraverso l’Universo
Ancora più spettacolare è l’idea dei wormhole, i cosiddetti “cunicoli” dello spazio-tempo.
Immaginiamo due punti estremamente distanti dell’Universo. Percorrendo lo spazio normalmente potrebbero essere necessari anni, secoli o millenni. Ma se fosse possibile creare un tunnel che collegasse direttamente quei due punti, il viaggio potrebbe diventare enormemente più breve.
Le radici teoriche del concetto risalgono alle soluzioni delle equazioni di Einstein elaborate da Karl Schwarzschild e, successivamente, al lavoro pubblicato nel 1935 da Albert Einstein e Nathan Rosen. Da qui deriva il termine ponte di Einstein-Rosen.
Il problema è che i wormhole descritti dalle soluzioni più semplici della relatività generale non sarebbero attraversabili: collasserebbero troppo rapidamente oppure sarebbero associati alle regioni estreme di un buco nero. Per mantenerne aperto uno abbastanza a lungo da consentire il passaggio di una nave servirebbe, ancora una volta, una forma di energia o materia dalle proprietà esotiche.
Negli ultimi anni alcuni studi teorici hanno cercato di individuare configurazioni di wormhole compatibili con la fisica conosciuta. Juan Maldacena e Alexey Milekhin, per esempio, hanno analizzato modelli nei quali effetti quantistici potrebbero contribuire alla stabilizzazione di queste strutture. Ma le versioni più realistiche riguardano oggetti microscopici oppure richiedono condizioni fisiche ben oltre le nostre capacità tecnologiche.
Il wormhole attraversabile da un’astronave rimane quindi possibile soprattutto sulla carta.
La Halo Drive: usare un buco nero come motore
Esiste però un terzo concetto ancora diverso: invece di deformare artificialmente lo spazio o costruire un tunnel cosmico, perché non sfruttare uno degli oggetti più potenti già esistenti nell’Universo?
È l’idea alla base della Halo Drive, proposta dall’astrofisico David Kipping della Columbia University.
Il concetto parte da un principio già utilizzato nelle missioni spaziali: l’assistenza gravitazionale. Le sonde possono avvicinarsi a un pianeta e sfruttarne il movimento e la gravità per aumentare la propria velocità senza consumare enormi quantità di carburante.
Con un buco nero in rapida rotazione, però, l’effetto potrebbe assumere proporzioni gigantesche.
Secondo l’idea della Halo Drive, una nave potrebbe sfruttare l’enorme energia gravitazionale e rotazionale associata a un buco nero per ricevere un’accelerazione estrema, potenzialmente fino a velocità vicine a quella della luce. Il principio ricorda anche il processo teorizzato dal premio Nobel Roger Penrose, secondo cui è possibile, almeno teoricamente, estrarre energia dalla regione che circonda un buco nero rotante.
In questo caso non sarebbe necessario superare la velocità della luce: raggiungerne anche soltanto una frazione significativa cambierebbe completamente le prospettive dei viaggi interstellari.
Ma le difficoltà sarebbero immense. L’astronave dovrebbe sopravvivere a radiazioni intensissime e a forze gravitazionali estreme. La traiettoria dovrebbe essere calcolata con una precisione straordinaria: un errore potrebbe significare la distruzione della nave o la sua caduta verso il buco nero. E rimarrebbe un problema quasi paradossale: prima di utilizzare il buco nero come acceleratore bisognerebbe riuscire a raggiungerlo.
Tra Einstein e fantascienza
Warp drive, wormhole e Halo Drive mostrano quanto sottile possa diventare il confine tra fantascienza e fisica teorica.
Nessuna di queste tecnologie è oggi disponibile e alcune potrebbero rivelarsi definitivamente impossibili quando comprenderemo meglio le leggi fondamentali della natura. Ma il loro interesse scientifico non consiste soltanto nella possibilità di costruire un giorno astronavi capaci di raggiungere altre stelle.
Studiare queste soluzioni significa spingere la relatività generale, la fisica quantistica e la nostra comprensione dello spazio-tempo fino ai loro limiti.
Il vero ostacolo ai viaggi interstellari resta infatti quello imposto dall’immensità del cosmo. Anche la luce, muovendosi a circa 300.000 chilometri al secondo, impiega più di quattro anni per raggiungere Proxima Centauri.
Per trasformare l’umanità in una specie interstellare potrebbe quindi non bastare costruire motori semplicemente più potenti. Potrebbe essere necessario imparare a utilizzare lo spazio-tempo stesso come parte del sistema di propulsione.
Per ora appartiene alla fisica teorica. Ma molte tecnologie considerate impossibili nei secoli passati sono diventate parte della vita quotidiana. Ed è proprio questo il fascino di queste ricerche: chiedersi non soltanto quanto velocemente possiamo viaggiare nell’Universo, ma fino a che punto le leggi dell’Universo ci permettono di farlo.
Stefano Camilloni
