di C’è un filo rosso che attraversa oltre quarant’anni di ricerca e lega tra loro biomedicina, telecomunicazioni in fibra ottica e la caccia agli esopianeti: è la luce del laser. Paolo Laporta, laureato al Politecnico di Milano nel 1979 e oggi professore ordinario di Fisica Sperimentale, ha costruito la sua carriera scientifica esplorando le potenzialità di questa sorgente luminosa straordinaria. Dai primi studi sui laser a colorante, quando in Italia il dottorato ancora non esisteva, alle collaborazioni con l’industria delle telecomunicazioni, fino allo sviluppo di sofisticati pettini ottici di frequenza per osservare pianeti lontani anni luce, il suo percorso racconta come la ricerca di base possa aprire strade inattese e connettere mondi solo apparentemente distanti.
Oggi, con il progetto NIR AstroComb, la fisica dei laser incontra l’astrofisica e contribuisce a una delle domande più affascinanti di sempre: siamo soli nell’Universo?
Professore, qual è il suo ambito di ricerca e come si è evoluto nel tempo?
Il filo conduttore della mia attività scientifica è sempre stato la fisica del laser e lo sviluppo di sorgenti laser per applicazioni specifiche. Quando mi sono laureato, nel 1979, il laser era stato inventato da più di dieci anni: esistevano già risultati importanti, ma c’erano ancora enormi margini di sviluppo sia nello studio dei dispositivi sia nelle applicazioni.
All’inizio mi sono occupato di laser a colorante e di applicazioni in ambito biomedico. Successivamente ho studiato aspetti più fondamentali di questo dispositivo, come i risonatori ottici, uno dei componenti essenziali del laser, e le proprietà di propagazione dei fasci laser.
Negli anni Novanta, dopo un periodo all’Università di Roma Tor Vergata e il rientro al Politecnico di Milano nel 1991, mi sono dedicato intensamente alle comunicazioni ottiche. È stato un periodo di grande fermento: la diffusione della fibra ottica stava cambiando radicalmente il modo di trasmettere informazioni. Abbiamo lavorato in particolare su una nuova sorgente, il laser a erbio-itterbio, collaborando con aziende leader come Italtel e Pirelli.
Negli anni successivi mi sono concentrato sui laser a stato solido per applicazioni spettroscopiche, spostando l’interesse verso l’infrarosso. In particolare, mi sono occupato di laser in modalità mode-locking e dei cosiddetti frequency comb, o pettini ottici di frequenza: dispositivi che oggi rappresentano il cuore del progetto di cui stiamo parlando.
In tutto questo percorso, il nostro approccio è sempre stato duplice: approfondire la fisica del dispositivo e, allo stesso tempo, svilupparlo in funzione di un’applicazione concreta, spesso in collaborazione con altri gruppi di ricerca.
Entriamo nel vivo del progetto NIR AstroComb: di cosa si tratta e perché è così innovativo?
Il nome stesso sintetizza l’idea: “NIR” sta per “Near Infared” e indica il vicino infrarosso; “AstroComb” unisce astrofisica e laser frequency comb, cioè pettine ottico di frequenza. Si tratta quindi di un laser a pettine ottico di frequenza progettato per operare nel vicino infrarosso e applicato all’astrofisica.
Il progetto nasce dall’incontro tra il nostro gruppo, composto da ricercatori del Dipartimento di Fisica del Politecnico e dell’Istituto di Fotonica e Nanotecnologie del CNR – che ha sede nel nostro Dipartimento – e astrofisici dell’Università di Catania e dell’INAF. È un progetto PRIN finanziato a livello nazionale, che ci ha consentito di sviluppare un nuovo tipo di sorgente laser pensata specificamente per un’applicazione astronomica.
L’obiettivo è contribuire alla ricerca e alla caratterizzazione degli esopianeti. Fino al 1995 non avevamo alcuna evidenza sperimentale dell’esistenza di sistemi planetari simili al sistema solare orbitanti attorno ad altre stelle. Quell’anno due astronomi svizzeri, Michel Mayor e Didier Queloz, scoprirono il primo esopianeta a cinquanta anni luce dalla Terra, una scoperta che valse loro il Nobel nel 2019. Da allora il numero di esopianeti individuati è cresciuto enormemente, arrivando a diverse migliaia. Ma la vera sfida oggi non è solo trovarne altri: è capire quanti possano essere simili alla Terra.
Un esopianeta è un pianeta che orbita attorno a una stella diversa dal Sole, quindi al di fuori del nostro Sistema Solare. Noi conosciamo bene il nostro: il Sole al centro e i pianeti che gli ruotano attorno, tra cui la Terra. Ma nella nostra galassia esistono milioni, anzi miliardi di altre stelle. Fino a trent’anni fa non sapevamo se attorno a esse esistessero pianeti. Oggi stiamo iniziando a capire che i pianeti sono numerosissimi. Il passo successivo, ancora più affascinante, è scoprire quanti si trovino nella cosiddetta zona abitabile, cioè a una distanza dalla loro stella tale da poter potenzialmente ospitare, o aver ospitato, forme di vita simili a quelle che conosciamo sulla Terra.
Come si collega un laser alla scoperta di un pianeta lontano anni luce?
I pianeti non emettono luce propria e, a differenza delle stelle, non brillano di luce autonoma. Questo significa che, salvo casi eccezionali, non possiamo osservarli direttamente. Il metodo oggi più efficace per individuarli è quello delle velocità radiali.
Quando un pianeta orbita attorno a una stella, non è soltanto il pianeta a muoversi. Per effetto dell’attrazione gravitazionale reciproca, anche la stella compie un piccolo moto periodico attorno al centro di massa del sistema. L’orbita del pianeta può essere molto ampia, mentre lo spostamento della stella è estremamente modesto, ma regolare nel tempo.
Questo movimento produce uno spostamento minuscolo delle righe spettrali della luce stellare, dovuto all’effetto Doppler. Molti conoscono l’effetto Doppler in ambito acustico: quando una sirena si avvicina, il suono appare più acuto; quando si allontana, più grave. La frequenza percepita cambia in funzione del movimento della sorgente rispetto all’osservatore.
Lo stesso fenomeno avviene con la luce. Se la stella si avvicina, le frequenze della sua radiazione risultano leggermente più alte; se si allontana, leggermente più basse. Si tratta naturalmente di variazioni infinitesime.
E in questo processo che ruolo giocano i laser e i pettini ottici di frequenza?
Il problema centrale è la precisione della misura. Gli spostamenti Doppler delle righe spettrali stellari sono infinitesimi e richiedono una calibrazione dello spettrografo estremamente stabile nel tempo.
Qui entrano in gioco i laser frequency comb, cioè i pettini ottici di frequenza. A differenza di un laser tradizionale, che è sostanzialmente monocromatico, un laser in mode-locking emette migliaia di frequenze diverse. Grazie ai lavori pionieristici di Theodor Hänsch e John Hall – anche loro premi Nobel per la Fisica nel 2005 proprio per l’invenzione dei laser frequency comb e per la spettroscopia di precisione – questi sistemi sono stati stabilizzati in modo tale che le frequenze risultino perfettamente equispaziate e assolutamente stabili nel tempo, con precisioni dell’ordine di una parte su 10¹².
Il risultato è un vero e proprio “pettine” di frequenze: una serie di “denti ottici” equidistanti che coprono un’ampia regione spettrale e che costituiscono un righello ottico di riferimento.
La luce del frequency comb viene accoppiata allo spettrografo astronomico insieme alla luce proveniente dalla stella. Il pettine funge da sistema di taratura estremamente preciso e continuo, permettendo di calibrare lo strumento con una stabilità che prima era impensabile.
Questo è fondamentale perché le osservazioni devono durare mesi o anni per evidenziare la periodicità del moto stellare. Senza una calibrazione così fine e stabile nel tempo, gli spostamenti Doppler non sarebbero distinguibili. È in questa capacità di misura che la fisica dei laser diventa uno strumento decisivo per la ricerca degli esopianeti.
Perché avete scelto di lavorare nel vicino infrarosso?
La maggior parte dei pettini ottici utilizzati finora in astrofisica opera nel visibile. Noi abbiamo deciso di spostarci nel vicino infrarosso per una ragione ben precisa: circa il 70% delle stelle della nostra galassia sono nane rosse, cioè stelle più piccole e più fredde del Sole.
Le nane rosse sono estremamente interessanti dal punto di vista astrofisico. Sono molto longeve: mentre il Sole ha una vita stimata di circa dieci miliardi di anni — e oggi si trova più o meno a metà del suo ciclo, quindi è una stella “adulta” — le nane rosse possono vivere decine e decine di miliardi di anni. Questo significa che hanno tempi evolutivi lunghissimi, e quindi potenzialmente maggiori opportunità per lo sviluppo di sistemi planetari stabili.
Se consideriamo che sono anche le stelle più numerose della galassia, è plausibile che il numero di esopianeti, anche simili alla Terra e situati nella zona abitabile, possa essere estremamente elevato proprio attorno a queste stelle.
C’è però un aspetto fondamentale: essendo più fredde del Sole, le nane rosse emettono la maggior parte della loro radiazione non nel visibile ma a frequenze più basse, quindi nel vicino e medio infrarosso. Per studiarle in modo efficace bisogna quindi lavorare in quella regione spettrale. È per questo che abbiamo sviluppato un laser frequency comb che opera nel vicino infrarosso.
Il nostro sistema copre un intervallo spettrale molto ampio, da circa 900 nanometri fino a 2,4 micrometri — più di un’ottava in estensione — anche grazie a tecniche di generazione di supercontinuo in mezzi non lineari. È stato progettato specificamente per accoppiarsi allo spettrografo infrarosso GIANO-B, installato presso il Telescopio Nazionale Galileo (La Palma, Isole Canarie).
Il pettine è stato quindi “disegnato su misura” per coprire l’intero intervallo spettrale di GIANO-B e fungere da sistema di taratura estremamente preciso e stabile nel tempo. Attualmente lo stiamo validando nei nostri laboratori a Milano; l’obiettivo è trasferirlo al Telescopio Nazionale Galileo entro la fine dell’anno e renderlo operativo nel corso del 2027.
In prospettiva, strumenti analoghi potrebbero essere sviluppati anche per altri grandi osservatori internazionali, come quelli dell’ESO in Cile, dove è operativo lo spettrografo ESPRESSO. Ogni spettrografo, tuttavia, richiede un pettine progettato specificamente per le proprie caratteristiche ottiche e per la banda spettrale di interesse.
Oltre agli esopianeti, quali altre prospettive apre questa tecnologia? E che consiglio darebbe ai giovani ricercatori?
Una calibrazione così precisa può essere utile non solo per la ricerca di esopianeti, ma anche per lo studio delle atmosfere stellari o per verificare la costanza nel tempo di alcune costanti fondamentali della fisica. Inoltre, i pettini ottici hanno potenziali applicazioni nelle comunicazioni ottiche: migliaia di righe spettrali significano migliaia di canali trasmissivi disponibili in parallelo.
Per quanto riguarda i giovani, credo che la ricerca richieda prima di tutto passione. È un’attività che può dare grandi soddisfazioni, ma anche momenti di frustrazione, soprattutto in un contesto di forte competizione internazionale. È importante scegliere un ambito che entusiasmi davvero, costruire nel tempo una competenza solida e diventare riconoscibili come esperti.
Allo stesso tempo, bisogna mantenere uno sguardo aperto e curioso. La ricerca contemporanea tende ad una crescente specializzazione, ma le innovazioni più interessanti nascono spesso dall’incontro tra discipline diverse. Il nostro progetto ne è un esempio: la fisica dei laser ha incontrato l’astrofisica, e da questa contaminazione è nata un’idea nuova.
Coltivare assieme rigore e apertura, competenza e curiosità, è forse la sfida più impegnativa – e al tempo stesso più stimolante – per chi intraprende oggi il cammino della ricerca scientifica.