Universo istruzioni per l'uso

Dobbiamo dare a Cesare quel che è di Cesare. Grazie agli articoli del «New York Times», ai programmi della PBS e di Discovery Channel, e ad altri libri divulgativi sul tema, alcune tipiche espressioni scientifiche sono entrate a far parte della coscienza collettiva. Ad esempio, provate a chiedere a un passante che cosa sta accadendo in questo preciso momento nell’Universo: ci sono buone probabilità che vi dica che l’Universo si sta espandendo. Su, andate: vi aspettiamo qui.

Adesso tornate dalla stessa persona e chiedetele cosa vuol dire esattamente che l’Universo si sta espandendo. Scommettiamo che questa volta non avrà la risposta così pronta? Ed è qui che entriamo in scena noi.

Cominciamo con due parole su che cosa non vuol dire. Avete presente quella scena di Quarto potere in cui Charles ed Emily fanno colazione, e con il passare degli anni la tavola si allunga sempre più e la distanza tra Kane e sua moglie aumenta a dismisura?. L’espansione dell’Universo è un’altra cosa. La tavola dove fate colazione non si espande. La Terra non si espande, e neanche il Sistema Solare. La Via Lattea (le cui dimensioni sono dell’ordine di decine di migliaia di anni-luce) è ancora troppo «locale» per risentire dell’espansione dell’Universo nel suo insieme.

Persino la galassia di Andromeda, distante 2,2 milioni di anni-luce, sta precipitando verso di noi a una velocità di circa 440 000 chilometri all’ora: un giorno potrebbe addirittura scontrarsi con la Via Lattea, anche se si dovranno aspettare tre miliardi di anni per poter assistere all’evento. È quasi sicuro che Douglas Adams avesse visto giusto quando, nella Guida galattica per autostoppisti, scriveva: «Lo spazio è vasto. Veramente vasto. Non riuscireste mai a credere quanto enormemente incredibilmente spaventosamente vasto esso sia. Voglio dire, magari voi pensate che sia un bel tratto di strada andare fino alla vostra farmacia, ma quel tratto di strada è una bazzecola in confronto allo spazio». In gran parte di questo capitolo si parlerà di quanto sia vuoto lo spazio; tanto per darvi subito un’idea, comunque, sappiate che quando si apriranno le danze tra la Via Lattea e Andromeda la probabilità che le stelle delle due galassie si scontrino sarà bassissima. È praticamente certo che non sarà una collisione stellare a segnare la fine del genere umano. Purtroppo passerà solo un altro paio di miliardi di anni, dopo di che il nostro Sole si trasformerà in una gigante rossa e farà di ogni forma di vita presente sulla Terra un gran fritto misto.

Adesso, però, non preoccupiamoci di cosa ucciderà chi. Questo è un libro che deve ispirare buon umore, e ciò di cui vogliamo parlarvi è l’espansione – apparentemente innocua – dell’Universo. Se osserviamo cosa capita a una distanza dell’ordine di trenta milioni di anni-luce da noi, vediamo che praticamente tutte le galassie si stanno allontanando. Il fatto ancora più strano è che all’aumentare della distanza delle galassie sembra aumentare anche la loro velocità di allontanamento.

Il primo a osservare la recessione di quasi tutte le galassie fu Vesto Slipher, del Lowell Observatory, nel 1917. A quell’epoca, però, non c’era modo di sapere quale fosse la distanza tra la Via Lattea e un’altra galassia. A dire il vero, a quell’epoca si discuteva animatamente sull’interpretazione da dare alle fioche macchioline luminose visibili al telescopio: si trattava di nebulose facenti parte della Via Lattea o di interi «universi-isola» indipendenti? Oggi sappiamo che l’ipotesi giusta è la seconda.

Misurare la distanza di una galassia è un’impresa più difficile di quel che potrebbe sembrare. Non sappiamo cosa potreste aver letto nei racconti di fantascienza, ma in ogni caso è impossibile volare su un’altra galassia (o anche su una stella vicina alla Terra) portando con sé un metro a fettuccia. Perciò quando gli astronomi dicono: «La galassia Vortice dista ventitré milioni di anni-luce dalla Terra» (ad esempio), è normale chiedersi da dove ricavino tale informazione.

Man mano che si allontanano, le stelle e le galassie appaiono sempre meno luminose. Possiamo sfruttare tale effetto servendoci di una «candela standard».

Supponete di andare dal ferramenta e di comprare una lampadina da cento watt. Avvitatela, accendetela e allontanatevi. All’aumentare della distanza dalla lampadina, la sua luce vi apparirà sempre più fioca. Dato che sapete quanto brilla la lampadina quando le siete vicini, man mano che vi allontanate sarete comunque in grado di valutare la distanza misurando la luminosità apparente della sorgente luminosa. C’è solo una difficoltà: visto che le galassie non si comprano al supermercato, è difficile sapere quanti watt emettono.

Persino Edwin Hubble, che forse fu l’autore delle più belle osservazioni astronomiche dell’inizio del XX secolo, era riuscito a calibrare le distanze in modo particolarmente accurato. Nel 1929 misurò le distanze e le velocità di recessione apparenti di diverse galassie, ottenendo quella che oggi chiamiamo «legge di Hubble». Nell’articolo originale, tuttavia, la sua valutazione delle distanze risultò sottostimata di un fattore otto, e ancora vent’anni fa erano molti gli articoli in cui si affermava che l’incertezza sulle distanze (e quindi sulla costante di Hubble) poteva essere addirittura di un fattore due. Grazie ai dati forniti dal satellite Hipparcos (lanciato nel 1989) e dal telescopio spaziale Hubble (il nome è quanto mai appropriato), messo in orbita nel 1990, gli astronomi sono riusciti a misurare la costante di Hubble con una precisione di pochi punti percentuali.

L’altro aspetto dell’enigma dell’espansione dell’Universo riguarda la misura della velocità di recessione delle galassie. Per misurarla si usa più o meno la stessa tecnica utilizzata dalla polizia per misurare a che velocità state guidando, cioè l’effetto Doppler. È un effetto che forse avete già notato ascoltando il suono di un’ambulanza che vi passa davanti a sirene spiegate. Quando l’ambulanza è in avvicinamento, il tono della sirena sembra più alto; quando l’ambulanza si allontana, invece, il tono si abbassa. Con la luce succede qualcosa di analogo, con la differenza che quando la sorgente luminosa viene verso di noi la luce emessa sembra essere più blu del dovuto; se la sorgente si allontana, invece, la frequenza della luce si sposta verso il rosso. Lo spostamento verso il rosso («redshift») aumenta all’aumentare della velocità di allontanamento della sorgente. Immaginate di prendere il Cookie Monster di Sesame Street, di lanciarlo nello spazio a un quarto della velocità della luce e di osservarlo al telescopio.

La sua pelliccia, che normalmente è di colore blu scuro, ci apparirà di un rosso sgargiante. Un astronomo potrebbe scambiarlo per Elmo, pur non avendone la stessa sensibilità al solletico.

Sappiamo bene che gran parte dei libri sull’argomento amano ripetere che le galassie si stanno allontanando da noi e basta; noi, invece, abbiamo fiducia nelle vostre facoltà, e quindi vi racconteremo che cosa succede realmente.

L’Universo si sta espandendo. La maggior parte delle galassie è ferma: è lo spazio circostante che si deforma, dilatandosi. Vi direte che stiamo cercando il pelo nell’uovo, ma si tratta di un dettaglio importante. Quando una galassia distante emette luce, i suoi fotoni intraprendono il lungo cammino che li porterà fino a noi. Mentre sono in viaggio, l’Universo si espande, e all’aumentare del tempo impiegato dai fotoni a giungere fin qui aumenta anche l’espansione effettiva dell’Universo.

L’espansione modifica le proprietà della radiazione luminosa – l’effetto di cui abbiamo appena parlato. Quando si dice che un fotone «si espande», in realtà si intende che la sua lunghezza d’onda aumenta. La lunghezza d’onda della luce ne determina il colore: perciò se l’Universo si espande mentre il fotone è in viaggio, il colore di quest’ultimo tenderà al rosso. Più è distante la sorgente e maggiore sarà l’espansione dell’Universo nel tempo impiegato dal fotone a giungere fino a noi, e lo spostamento verso il rosso sarà ancora più marcato.