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Gargantua, il primo buco nero più ‘realistico’ del grande schermo

Si tratta di una simulazione senza precedenti, quella concepita da uno degli esperti più rinomati nel campo dei buchi neri, che sarà protagonista del film Interstellar, un epico viaggio nello spazio scritto e diretto da Christopher Nolan, in uscita nelle sale il prossimo 7 Novembre. L’oggetto sembra ruotare quasi alla velocità della luce, trascinandosi con sè lo spaziotempo a causa della sua intensa attrazione gravitazionale. Una volta era una stella ma invece di dissolversi o esplodere è collassata sotto l’effetto della gravità in un ‘punto’ che gli astronomi chiamano singolarità.

Strane cose accadono in prossimità dei buchi neri. Ad esempio, la loro gravità è così intensa da deformare il tessuto dello spaziotempo. L’ho ha detto Einstein nella sua teoria della relatività generale spiegando che tanto più massiccio è un oggetto celeste tanto maggiore è la gravità che esso produce. Ma le cose diventano sempre più bizzarre: infatti, se Voi foste più vicini a un buco nero rispetto a me, le nostre percezioni di spazio e tempo sarebbero alquanto diverse. “Relativamente” parlando, il tempo sembra scorrere più velocemente per me. Ma che cosa significa tutto ciò? Lo scienziato Kip Thorne vede oltre, è un astrofisico teorico e le sue equazioni lo hanno guidato, per così dire, alla costruzione di un effetto visivo affascinante, la simulazione più accurata di come potrebbe apparire in definitiva un buco nero. E’ il risultato di un anno di lavoro che ha coinvolto 30 persone e migliaia di computer. E insieme ad una piccola galassia di stelle di Hollywood, come Matthew McConaughey, Anne Hathaway, Jessica Chastain, Bill Irwin, Casey Affleck e John Lithgow, la simulazione gioca un ruolo centrale nel film Interstellar. Mentre Thorne “vede” la realtà, Nolan, il creatore di immagini, vede la bellezza. I buchi neri, anche quelli immaginari, possono deformare persino la nostra percezione. Thorne non è un qualunque astrofisico. Certo, lui è un teorico famoso e ancora prima del suo ritiro dal Caltech, nel 2009, era profondamente interessato a spiegare le idee inebrianti della relatività generale al grande pubblico. Ma poco prima del suo ritiro, Thorne e la produttrice cinematografica Lynda Obst, che lui aveva conosciuto tramite Carl Sagan all’epoca in cui gli organizzò un appuntamento al buio, stavano lavorando all’idea di un film che avrebbe avuto come protagonista principale le proprietà misteriose dei buchi neri e dei wormhole.

Anche Steven Spielberg fu coinvolto nell’idea e in breve tempo decise di firmare un contratto per dirigere il film con la sceneggiatura di Jonathan Nolan. Ma alla fine Spielberg abbandonò le scene e il fratello di Jonathan, Chris Nolan, noto per aver diretto film come Memento e Inception, ma anche Batman, entrò a far parte del team. E mentre Chris Nolan stava riscrivendo la sceneggiatura di suo fratello, egli pensò di enfatizzare l’aspetto scientifico ponendolo al centro della sua storia. Così iniziò l’incontro con Thorne. Nel corso di un paio di mesi dall’inizio del 2013, Thorne e Nolan approfondirono quello che il fisico chiama “il lato deformato dell’Universo”, cioè come l’intensa forza gravitazionale dei buchi neri deforma lo spaziotempo e piega la luce. “La storia è ormai sostanzialmente di Chris e Jonah“, spiega Thorne. “L’obiettivo è quello di fare un film in cui la scienza fa parte della trama fin dall’inizio, e si tratta di grande scienza“.

La deformazione in falsi colori dello spaziotempo attorno al buco nero elaborato dalle equazioni di Kip Thorne per il film Interstellar.

La storia è ambientata in un futuro lontano in cui l’umanità è sull’orlo dell’estinzione. Un ex astronauta (McConaughey) viene reclutato per un ultimo volo, un tentativo disperato di raggiungere altri sistemi stellari in cui gli esseri umani possono ancora una volta prosperare. E qui sta il problema. Le stelle sono davvero distanti. Per raggiungere anche quelle più vicine occorrerebbero decenni, anche viaggiando con delle velocità che noi umani non siamo in grado nemmeno di immaginare. Già nel 1983, quando Sagan aveva bisogno per la sua storia, che sarebbe poi diventata il film Contact, di una soluzione plausibile per ovviare a questo problema, Thorne suggerì il wormhole, una ipotetica struttura, detta anche ponte di Einstein-Rosen, che collega due punti distanti nell’Universo. Il wormhole è stata una scelta quasi “naturale” anche nel caso di Interstellar. Man mano che Thorne sviluppava il film con Nolan, le loro discussioni sulle proprietà fisiche dei wormhole portarono il regista a porre inevitabilmente una domanda: ma come si fa effettivamente a mostrare un wormhole sul grande schermo? Un mal di testa che ha indotto la squadra degli effetti speciali ha doversi cimentare con una tale difficoltà. La storia di Nolan si basa sulla dilatazione del tempo: il tempo che scorre in maniera diversa per gli osservatori. Per rendere questa conseguenza della relatività speciale scientificamente plausibile, Thorne suggerì che bisognava considerare un buco nero massiccio che ruota quasi alla velocità della luce e che nel film si chiama Gargantua. Come regista, Nolan non aveva idea di come rendere realistica una cosa del genere nonostante avesse in mente come realizzarla. “Chris mi ha chiamato dicendomi che voleva mandare un ragazzo a casa mia per parlarmi a proposito degli effetti speciali“, spiega Thorne. “Ho detto certo, lo mandi pure“. Non è passato molto tempo prima che Paul Franklin si presentasse a casa di Thorne.

Kip Thorne mentre osserva la simulazione del ‘suo’ buco nero Gargantua.

Franklin sapeva bene che il suo computer avrebbe fatto tutto quello che gli imponesse di fare. “E’ molto facile cadere nella trappola di infrangere le regole della realtà“, dice Franklin, un supervisore esperto della Double Negative premiato dall’Accademia per gli effetti visivi. Dunque, Franklin chiese a Thorne di generare quelle equazioni che avrebbero guidato il programma degli effetti speciali nel modo in cui la fisica governa il mondo reale. Così hanno cominciato con i wormhole. Domande: se la luce attorno a un buco nero non viaggia in linea retta, cosa succede? Come può essere descritta matematicamente? Lo scienziato inviò le sue risposte a Franklin, sotto forma di appunti e note. Lunghe pagine riempite di equazioni, come dei veri e propri articoli di riviste scientifiche. La squadra di Franklin si mise al lavoro scrivendo un nuovo programma di visualizzazione sulla base di queste equazioni per generare alla fine un wormhole. Il risultato fu straordinario. Era come creare una sfera di cristallo che riflette lo spazio, un buco sferico nello spaziotempo. “Ciò che stavamo ottenendo dal programma era qualcosa di irresistibile“.

Un esempio di scena prodotta attraverso il ray-tracing.

Il successo ottenuto elaborando il wormhole incoraggiò i creativi a provare ad utilizzare lo stesso approccio per simulare un buco nero. Ma questi oggetti, come suggerisce il nome, sono ‘divoratori’ di luce. Tuttavia, i realizzatori degli effetti visivi usano spesso una tecnica di geometria ottica, chiamata ray tracing, che si basa sul calcolo del percorso fatto dalla luce, seguendone i raggi attraverso l’interazione con le superfici: lo scopo è quello di creare effetti di luce e riflessi nelle immagini. “Però il programma di ray-tracing presuppone che la luce viaggi in linea retta“, dice Eugenia von Tunzelmann, che fa parte del team della Double Negative. Si tratta di un altro tipo di fisica. “Abbiamo dovuto scrivere un nuova sequenza“. Per completare il rendering di alcuni singoli fotogrammi ci sono voluti fino a 100 ore di calcolo poichè bisognava tener conto degli effetti di distorsione causati da un fenomeno previsto dalla relatività generale chiamato lente gravitazionale. Alla fine il rendering ha occupato 800 terabyte di dati. “Ho pensato che avremmo superato addirittura la soglia dei petabyte“, dice von Tunzelmann. “Chris ci voleva vendere davvero l’idea che il buco nero fosse sferico“, spiega Franklin. “Ma io ho detto invece che era come guardare ad una sorta di disco. L’unica cosa che si può vedere è il modo in cui viene deformata la luce delle stelle“. Fu a quel punto che Franklin iniziò a studiarsi i dischi di accrescimento, agglomerati di materia, gas e polveri che orbitano attorno ai buchi neri. Franklin pensò che avrebbe potuto usare questo “anello di materia” orbitante per definire la sfera. Allora Von Tunzelmann fece una prova molto complicata, generando un un anello-multicolore piatto per simulare il disco di accrescimento, posizionandolo attorno al buco nero rotante. Ma nel fare ciò, accadde qualcosa di molto, molto strano. “Abbiamo scoperto che la deformazione dello spazio attorno al buco nero influisce anche sul disco di accrescimento“, spiega Franklin. “Quindi, non è come guardare gli anelli di Saturno attorno ad una sfera nera, dato che la luce crea questo straordinario alone.” Nel momento in cui i realizzatori mostrarono a Thorne l’effetto finale, egli esclamò inizialmente: “Perché?” Ma subito dopo disse: “Ma certo!” Il team della Double Negative pensò che ci doveva essere un errore nel rendering ma Thorne si rese conto di aver costruito un modello corretto di un fenomeno estremo che era comunque consistente con le sue equazioni.

Diagrammi elaborati da Kip Thorne.

Eppure, nessuno sapeva esattamente come si sarebbe presentato un buco nero, prima di questa spettacolare simulazione. In un certo senso è stato grazie agli effetti della luce che è stato possibile produrre inaspettatamente un modello così complesso. La sorpresa è arrivata proprio dal disco di accrescimento che è presente sopra, sotto e di fronte al buco nero. “Non mi sarei mai aspettato una cosa simile“, ha affermato poi lo stesso Thorne. Insomma, l’effetto finale è stato semplicemente fantastico. Alla fine, Nolan ha ottenuto una serie di immagini eleganti che portavano avanti la storia. Ora, se da un lato Thorne ha partecipato come supervisore scientifico in un film che trasmette al grande pubblico un pò di realtà, la scienza precisa, dall’altro ha anche ottenuto qualcosa di inaspettato: un risultato che si potrebbe paragonare ad una vera e propria scoperta scientifica. “Questi sono i nostri dati osservativi, questo è il modo in cui si comporta la natura“, ha detto Thorne. Inoltre, lo scienziato ha addirittura pensato di poter pubblicare almeno due articoli su questo lavoro. Certo, quando Thorne spiega l’astrofisica che più gli aggrada usa un sacco di analogie. Ma spesso le metafore possono essere ingannevoli e fuorvianti. Ma i buchi neri e i wormhole descritti da Thorne non sono solo metafore. Dunque, quando il pubblico assisterà alle spettacolari sequenze del film Interstellar, osservando le immagini del wormhole e del buco nero, potrà pensare “Wow. Questo è proprio bello!” Thorne, invece, potrà dire da parte sua “Wow. Questo è proprio vero!” E da un certo punto di vista, si tratterà senza alcun dubbio del primo film dove la scienza non è mai stata così vicina alla realtà.

Wired: Wrinkles in Spacetime. The wrapped astrophysics of Interstellar

MailOnline: Does new film Interstellar have the most realistic black hole EVER?


Video: The Science Behind Interstellar