Ritratti: Fritz Zwicky

Grazie all'applicazione di un teorema della fisica classica, il teorema del viriale, all'ammasso della Chioma, Fritz Zwicky ha dedotto l'esistenza di una massa non visibile all'interno delle galassie dell'universo. Quella scoperta è oggi nota come materia oscura ed è uno dei problemi insoluti della fisica moderna, la cui scoperta e studio potrebbe riconciliare in un'unica disciplina lo studio dell'infinitamente grande con quello dell'infinitamente piccolo.
Zwicky nasce a Varna, in Bulgaria, il 14 febbraio del 1898. Il padre, Fridolin, è un mercante svizzero che si trova là per affari, mentre la madre, Franziska Vrček, è cecoslovacca.
Zwicky viene rimandato in Svizzera, a Gradus dai nonni per studiare nel suo paese natio: l'idea è quella di indirizzarlo verso studi commerciali, ma ben presto iniziò ad interessarsi della scienza, in particolare di fisica e matematica. Così nel 1914 andò presso lo Swiss Federal Institute of Technology a Zurigo proprio per approfondire questi suoi interessi e dove ottenne il dottorato, nel 1922, con uno studio sui cristalli ionici. Tre anni più tardi, nel 1925, si trasferì negli Stati Uniti per lavorare al Caltech insieme con Robert Millikan, fresco di Nobel (1923).
La prima carica importante di Zwicky arrivò nel 1942, un anno dopo il divorzio dalla prima moglie, Dorothy Vernon Gates, grazie ai cui soldi fu in grado di finanziare l'Osservatorio di Palomar durante la Grande Depressione. Successivamente si sposò in Svizzera, nel 1947, con la connazionale Anna Margaritha Zurcher.
Zwicky fu il primo a introdurre il termine supernova nella letteratura astronomica e sviluppò, insieme con Walter Baade, la teoria di come le supernove siano in grado di produrre stelle di neutroni, scoperte da James Chadwick:

Con tutte le riserve avanziamo l'ipotesi che una super-nova rappresenti la transizione di una stella ordinaria in una stella di neutroni, costituita principalmente di neutroni. Una stella di tal genere può possedere un raggio molto piccolo e una densità estremamente grande. Come i neutroni sono impacchettati più strettamente dei nuclei ordinari e degli elettroni, l'energia "gravitazionale di impacchettamento" in una stella di neutroni fredda può diventare molto grande e, sotto certe condizioni, può ulteriormente eccedere la frazione di impacchettamento nucleare. Una stella di neutroni dovrebbe inoltre rappresentare la configurazione più stabile della materia.

Lo stesso articolo si conclude poi nel modo seguente:

Dai dati a pisposizione sulle supernove possiamo concludere:

1. La massa si deve annichilire all'interno dell'ammasso. Con ciò intendiamo che un insieme di atomi la cui massa totale è $M$ può perdere, sotto forma di radiazione elettromagnetica ed energia cinetica, una quantità di energia $E_T$ che probabilmente non può essere considerata per spiegare la liberazione della nota frazione di impacchettamento nucleare. Varie interpretazioni di questo risultato sono possibili e verranno successivamente pubblicate⁽¹⁾.
2. L'ipotesi che la supernova emette raggi cosmici conduce a un accordo molto soddisfacente con alcune delle principali osservazioni sui raggi cosmici.

Le nostre due conclusioni sono essenzialmente indipendenti e dovrebbero forse essere giudicate separatamente, ognuna per i suoi rispettivi meriti.
(dalle conclusioni di Cosmic rays from super-novae)

Sempre con Baade, in un articolo precedente, introdusse la nozione di supernova:

Le indagini estensive di sistemi extragalattici durante gli ultimi anni hanno gettato luce sull'importante fatto che esistono due tipi ben definiti di nuove stelle o novae che possono essere distinti come novae comini e super-novae. Nessun oggetto intermedio è stato ulteriormente osservato.
(da On Super-novae)

Fritz Zwicky mentre osserva al telescopio Schmidt presso l'osservatorio Palomar

L'introduzione della materia oscura, detta da Zwicky a quel tempo materia non visibile, avvenne nel 1933 in Die Rotverschiebung von extragalaktischen Nebeln, riproposto in inglese nel 1937 in On the Masses of Nebulae and of Clusters of Nebulae. Nello stesso anno uscì anche un articolo sulle lenti gravitazionali, Nebulae as Gravitational Lenses, anche se questa proposta era già presente nell'articolo del 1933:

Il metodo iv si richiede per l'osservazione tra le nebulose di certi effetti di lente gravitazionale.

La scoperta della materia oscura avvenne grazie all'applicazione del teorema del viriale ai dati disponibili sulle galassie: grazie all'uso di un teorema della fisica classica Zwicky riuscì a determinare che la velocità di rotazione delle galassie era compatibile con un contenuto di massa superiore a quello osservato.
Il teorema del viriale, il cui nome deriva dal latino vis (forza, energia), afferma che in un sistema di $N$ particelle che si muovono in una regione limitata di spazio, la cui energia cinetica totale sia $T$, vale la relazione \[2 \langle T \rangle = - \sum_{k=1}^N \langle \vec F_k \cdot \vec r_k \rangle\] dove le medie, rappresentate dalle parentesi $\langle \cdots \rangle$, sono calcolate nel tempo, $\vec F_k$ è la forza che agisce sulla $k$-sima particella, $\vec r_k$ la posizione della $k$-sima particella.
Nel caso in cui le particelle sono soggette a un potenziale gravitazionale, dal teorema del viriale segue che: \[2 \langle T \rangle = - \langle U \rangle\] Da qui si capisce come Zwicky ebbe l'idea di applicare, nella terza sezione del suo articolo, il teorema agli ammassi, in particolare a quello della Chioma

L'ammasso della chioma

Dai suoi calcoli determinò la seguente disequazione: \[M > \frac{R \langle v^2 \rangle}{5 G}\] dove $M$ è la massa totale dell'ammasso, $R$ il suo raggio (o comunque il raggio della sfera che racchiude la massa dell'ammasso, ritenuto uniforme), $v$ la velocità mediata sulla massa e sul tempo, $G$ la costante di gravitazione universale.
Merita una citazione finale la teoria della luce stanca, proposta nel 1929 come alternativa al redshift, che venne ben presto rigettata.
Zwicky fu, comunque, un brillante astronomo, più apprezzato, in vita, dalle nuove leve che non dai suoi colleghi. Ci ha lasciato un ampio patrimonio di osservazioni (123 supernove, ad esempio) e un'intuizione che sembra essere basilare per l'evoluzione dell'universo così come lo conosciamo.

Baade, W., & Zwicky, F. (1934). Cosmic Rays from Super-Novae Proceedings of the National Academy of Sciences, 20 (5), 259-263 DOI: 10.1073/pnas.20.5.259 (sci-hub)
Baade, W., & Zwicky, F. (1934). On Super-Novae Proceedings of the National Academy of Sciences, 20 (5), 254-259 DOI: 10.1073/pnas.20.5.254 (sci-hub)
Zwicky, F. (1937). On the Masses of Nebulae and of Clusters of Nebulae The Astrophysical Journal, 86 DOI: 10.1086/143864

(1) Il riferimento, probabilmente, è a Remarks on Super-Novae and Cosmic Rays, scritto sempre con Baade. Ci sono, però, articoli successivi, del solo Zwicky, che fanno riferimento a Cosmic rays from super-novae e sono: Some Results of the Search for Super-Novae (1938), On the Theory and Observation of Highly Collapsed Stars, Cosmic Rays from Supernovae (1939)

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Bibliografia:
Zwicky sulla Wiki: inglese, italiano
Fritz Zwicky di Tom Ritchey
Idea Man (pdf) di Stephen Maurer
Supernovae, an alpine climb and space travel di Oliver Knill