John Cromwell Mather
Il padre Robert E. Mather, genetista, insegnava al Virginia Tech., mentre la madre Martha Cromwell era insegnante di francese alla scuola superiore.
Quando lui aveva poco più di un anno la famiglia si trasferì a Sussex, nel New Jersey, alla Stazione Sperimentale per l’Agricoltura Rutgers e lì visse fino ai 15 anni frequentando le scuole elementari e si appassionò alle scienze, leggendo molti libri presi in prestito dalla biblioteca scolastica e da una biblioteca viaggiante. Dopo alcune visite al Museo di Storia Naturale a New York il padre gli comprò un piccolo telescopio e alcuni libri divulgativi di astronomia, ma era anche appassionato di fossili e della loro ricerca nei fossi vicino a casa, alle falde dei monti Appalachi.
A nove anni ricevette in dono un kit radio e costruì una radio a valvole a onde corte, propose alcuni progetti per la Fiera Scientifica della scuola e comprando alcune lenti costruì un telescopio. Partecipò anche a campi estivi dedicati alle scienze.
A 13 anni fu iscritto alla High School di Newton dove studiò biologia, chimica e fisica con eccellenti insegnanti. Durante le estati frequentava scuole estive, l’ultimo anno alla Cornell University dove ebbe una introduzione alla meccanica quantistica, relatività, ottica, fisica nucleare e cosmologia, convincendosi che fisica sarebbe stata la sua scelta futura.
Partecipò anche alle gare scolastiche di matematica e di fisica, dove risultò il primo dello Stato e studiò da solo l’analisi matematica su libri del padre.
Si iscrisse allo Swarthmore College, dove frequentò soprattutto corsi di fisica, e ottenne il B.Sc. in Fisica, con lode, nel 1968. Tra gli esaminatori vi era David Wilkinson che più tardi prese parte al progetto COBE.
Per proseguire aveva scelto Princeton, ma un suo amico lo convinse a visitare Berkeley per uno stage estivo al Lawrence Berkeley Laboratory, dove si occupò dell’elettronica per un rivelatore a scintilla, e infine decise di iscriversi a Berkeley, con una borsa della National Science Foundation, soprattutto per il clima caldo della California.
All’inizio pensava di dedicarsi alla fisica delle particelle elementari come il suo idolo Richard Feynman, poi alla fusione nucleare. Era un periodo molto turbolento nel campus per le proteste contro la guerra in Vietnam represse con i gas lacrimogeni dagli elicotteri del governatore Ronald Reagan. Era stato esonerato dal servizio militare perché miope e non era toccato personalmente dalla guerra e cercò di stare fuori dalle proteste che coinvolgevano tanti suoi compagni di studio.
Nel 1970, cercando un argomento per la tesi, gli fu proposto di lavorare con Paul Richards, Charles Townes e Michael Werner, sul Fondo Cosmico a Microonde (CMB) recentemente scoperto. Lavorò ad uno spettrometro per lontano infrarosso destinato ad un laboratorio in alta montagna a White Mountain in California, poi ad un interferometro destinato ad un pallone sonda. Era per lui un nuovo mondo, dovette imparare nozioni di ingegneria meccanica, di criogenia, di elettronica, dimostrandosi più abile nella progettazione che nella pratica manuale.
Lo strumento non funzionò, causando grandi delusioni, tuttavia scrisse ugualmente la tesi, Far Infrared Spectrometry of the Cosmic Background Radiation, contenente il progetto, le basi teoriche e il lavoro di costruzione ed ottenne il Ph.D. nel 1974.
Si trasferì a New York, al Goddard Institute for Space Studies della NASA, per lavorare con Pat Thaddeus ad un ricevitore a microonde col quale rivelarono per la prima volta l’emissione del SiO dallo spazio dagli osservatori McDonald in Texas e Maryland Point.
La NASA in quel periodo cercava progetti per esperimenti su satellite così ripropose il suo esperimento della tesi, che poteva funzionare meglio nello spazio, insieme a Rainer Weiss, David Wilkinson, Michael Hauser, Dirk Muehlner e Bob Silverberg, con quattro strumenti, interferometri a infrarosso per misurare lo spettro della CMB e la sua anisotropia.
Le proposte pervenute erano più di 150, ma la NASA prese in considerazione il progetto, proponendo però di adattarlo, miniaturizzato, al satellite IRAS (Infrared Astronomical Satellite) un progetto congiunto con Olanda e Inghilterra. Questo non si concretizzò, e la NASA accettò di realizzarlo al Goddard Space Flight Center a Greenbelt, Maryland, con un diverso team e unificandolo con i progetti del LBL di Berkeley e del JPL di Pasadena.
Del gruppo originale furono chiamati, oltre a lui, Hauser, Weiss e Wilkinson, con George Smoot da Berkeley e Sam Gulkis da Pasadena, affiancati da tecnici e ingegneri e nacque nel 1976 il progetto COBE (Cosmic Background Explorer).
Da allora, per venti anni, il suo impegno è stato esclusivamente per COBE, un grande, faticoso, ma istruttivo lavoro di squadra, con più di mille persone, tra ricercatori, ingegneri e tecnici, da lui coordinate, raccontato nel libro The Very First Light: The True Inside Story of the Scientific Journey Back to the Dawn of the Universe, scritto con John Boslough (Basic Books, 1998).
La costruzione di tutta la strumentazione fu realizzata al Goddard, cosa insolita per le missioni spaziali dove di solito molte parti vengono commissionate a laboratori o industrie aerospaziali esterne.
Il satellite, con i tre strumenti previsti, doveva essere messo in orbita con lo Space Shuttle da Cape Canaveral, approvato in quegli anni, ma durante il lavoro molti ingegneri e tecnici esperti venivano poi trasferiti ad altri progetti e questo rallentava l’avanzamento, ma in quegli anni il telescopio spaziale Hubble aveva la priorità.
Il progetto fu completamente rivisto dopo l’esplosione dello Shuttle Challeger e la temporanea sospensione dei voli Shuttle, e non volendo la NASA per orgoglio nazionale che fosse lanciato con un razzo francese Ariane, la migliore alternativa al momento, era il razzo Delta, molto più piccolo dello Shuttle, il che esigeva in poco tempo una grande riduzione del peso e quindi una riprogettazione.
Finalmente il satellite, costato 180 milioni di dollari, fu lanciato dalla Base Aerea Vandenbergh in California il 18 novembre 1989, e messo in un’orbita polare a 900 km di altezza.
A bordo tre strumenti: DIRBE (Diffuse Infrared Background Experiment) un rivelatore di radiazione cosmica di fondo infrarossa, DMR (Differential Microwave Radiometer) per una mappa ad alta sensibilità della radiazione, FIRAS (Far Infrared Absolute Spectrophotometer) destinato ad un confronto tra lo spettro della CMB con un corpo nero, questo progettato e seguito in particolare da Mather.
La missione fu un successo. Dopo aver trovato che la CMB ha uno spettro di corpo nero ad una temperatura di (2,725 ± 0,002) K, in perfetto accordo con le previsioni teoriche sul Big Bang, nel 1992 furono pubblicate le mappe della CMB, che per la prima volta rivelavano anisotropie spaziali dell’emissione. La misura di queste piccolissime variazioni (dello 0,0001 % rispetto al valore medio) è fondamentale per le teorie cosmologiche, e per questo COBE è stato seguito da una lunga serie di esperimenti (BOOMERanG, WMAP e Planck), per misurare con maggiore dettaglio le proprietà della CMB, in particolare il suo spettro angolare e la sua polarizzazione.
Terminato il lavoro con COBE nel 1995 la NASA lanciò l’idea di un telescopio spaziale di nuova generazione destinato a sostituire l’Hubble Space Telescope. Un comitato presieduto da Alan Dressier preparò un report che prevedeva un telescopio infrarosso, un interferometro destinato alla ricerca di pianeti extrasolari, ma l’amministratore della NASA, Dan Goldin, al meeting della American Astronomical Society, annunciò che il progetto era troppo limitato e che la NASA avrebbe costruito un telescopio molto più grande.
È nato così il progetto del James Webb Space Telescope (JWST), approvato dalla NASA e finanziato con priorità nel piano decennale del 2000, in collaborazione con ESA e l’Agenzia Spaziale Canadese. Prevede uno specchio di 6,5 m che sarà messo in orbita chiuso e verrà aperto successivamente, visto che nessun vettore è in grado di collocare direttamente in orbita un oggetto così grande. Sarà posizionato in un’orbita molto più elevata rispetto a Hubble, a circa 1,5 milioni di chilometri dal sistema Terra-Luna, al secondo punto di Lagrange dell’orbita terrestre. Tale posizione infatti, offre il minimo segnale di fondo termico e quindi la massima sensibilità alla radiazione infrarossa.
La necessità di porre JWST in un un’orbita tanto elevata renderà virtualmente impossibile qualunque missione di manutenzione o aggiornamento (cosa che per Hubble è avvenuta più volte) per cui il minuzioso lavoro di prova di tutte le componenti ha rallentato la realizzazione e fatto crescere i costi, tanto che nel 2011 il Congresso degli Stati Uniti d’America ha proposto la cancellazione del programma nonostante gli oltre 3 miliardi di dollari già spesi e oltre il 75% dell’hardware già ultimato. Dopo varie dispute politiche il Senato riuscì a trovare un compromesso e fornire il budget necessario, limitandolo però ad un massimo di 8 miliardi di dollari. Il lancio, previsto per l’ottobre 2018, è stato ulteriormente rinviato a marzo 2021. Nel progetto Mather è attualmente capo della parte scientifica.
Oltre a ciò propose insieme a David Leisawitz una missione chiamata SPECS (Submillimeter Probe of the Evolution of Cosmic Structure) con un interferometro nel lontano infrarosso, ora evoluta nel progetto SAFIR (Single Aperture Far InfraRed telescope) destinato a succedere a JWST.
Collabora anche ad un progetto di un telescopio spaziale destinato alla ricerca di pianeti extrasolari (GEST – Galactic Exoplanet Survey Telescope) presentato nel 2000.
Nel 2006 ha ricevuto il Premio Nobel per la Fisica insieme a George F. Smoot per their discovery of the blackbody form and anisotropy of the cosmic microwave background radiation.
Dal 2007 è Scienziato Capo nella Direzione delle missioni spaziali della NASA, è anche professore associato di Fisica all’Università del Maryland a College Park.
Nel 1980 aveva sposato Jane Hauser, conosciuta nel 1974 a New York, una insegnante di danza, che però aveva studiato matematica e informatica, e con la moglie ama viaggiare soprattutto in siti archeologici, meravigliato dalle tecnologie antiche.
Oltre al Nobel ha avuto numerosi altri premi tra cui il Premio Rumford (AAAS -1996), la Medaglia Franklin (Franklin Institute – 1999), il premio Dannie Heineman per l’astrofisica (American Astronomical Society e American Institute of Physics -1993), il premio George Goddard (SPIE – 2005), e dottorati onorari.
È membro delle American Astronomical Society, American Physical Society, International Astronomical Union, National Academy of Sciences, American Academy of Arts and Sciences, Optical Society of America, American Institute of Aeronautics and Astronautics, Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers (SPIE), American Association for Advancement of Science.