La scoperta dell'Universo, parte 2: la vera natura delle "nebulose spiraliformi"

Osserviamo questa foto e proviamo ad andare oltre la mera bellezza. Stiamo ammirando la nebulosa di Andromeda, che copre nel cielo un’area 12 volte superiore a quella della Luna piena vista a occhio nudo ed è un ottimo rappresentante di quella classe di nebulose spiraliformi che fino agli anni ’20 del ‘900 facevano discutere molto gli astronomi circa la loro natura. In questa immagine scattata con un piccolo telescopio da 70 mm di diametro possiamo indagare meglio la struttura di questi strani oggetti.

Il colore, intanto, si conferma differente da quello che ci aspetteremmo da una distesa di gas rarefatto di una vera nebulosa. Se potessimo scomporre la sua luce con una specie di prisma noteremmo molto bene che la luce si estende su una grande varietà di colori, o lunghezze d’onda, al contrario dell’emissione a righe strette e molto rade delle nebulose. Sembra proprio di stare osservando un oggetto che ha proprietà più simili alle stelle, ma non a un singolo astro, piuttosto a un gruppo molto eterogeneo. A proposito di stelle, uno sguardo d’insieme ci dà l’impressione che nei pressi della porzione di colore azzurro il loro numero aumenti. Abbiamo trovato il modo di capire la natura di quest’oggetto misterioso? Se riuscissimo a trovare degli astri particolari, come le Cefeidi, ed essere sicuri che appartengano alla nebulosa di Andromeda, potremmo misurarne la distanza senza grossi problemi.

Eccoci allora arrivati a quello che sembra uno dei due grossi colpi di fortuna della storia dell’astronomia contemporanea citati nel post precedente. Nel 1917 gli Americani, da sempre fautori di opere esagerate, inaugurarono il telescopio più grosso del mondo sulla cima del monte Wilson. Il telescopio Hooker, così era stato chiamato, aveva un diametro di 100 pollici, ben 2,54 metri. Ecco quindi l’avanzamento tecnologico che avrebbe permesso di dirimere la questione sulle nebulose spiraliformi una volta per tutte. A questo punto la fortuna scelse “il chi”, ovvero il personaggio che avrebbe scritto la storia. Era un signore laureato in legge per volere del padre e uno sportivo di ottimo livello, che poi non riuscì a resistere alla passione di una vita e prese un dottorato in astronomia proprio nel 1917. Si chiamava Edwin Hubble e la sua tesi di dottorato sull’investigazione fotografica delle nebulose deboli era l’argomento perfetto per venir approfondito attraverso il telescopio più grande del mondo. Il fondatore, George Hale, lo volle infatti nel suo staff e Hubble divenne a quel tempo uno degli astronomi più invidiati al mondo. Per il come, invece, la sorte scelse una nebulosa famosa e una classe di oggetti appena caratterizzata: la nebulosa di Andromeda e le Cefeidi di Henrietta Leavitt.

Hubble ottenne quelle che al tempo erano le fotografie più dettagliate e profonde che essere umano avesse mai scattato all’Universo e cercando su quelle lastre traccia di stelle particolari notò quella che presto identificò come una variabile Cefeide. Era debolissima, molto più debole di quelle che Ejnar Hertzsprung aveva utilizzato per misurare la distanza delle varie zone della Via Lattea.
Applicando la relazione periodo-luminosità Hubble scoprì che quella debolissima stellina doveva trovarsi molto oltre i confini stimati della Via Lattea. Se quella stella apparteneva alla nebulosa di Andromeda, non poteva trattarsi di una mera distesa di gas dalle proprietà ancora sconosciute, ma di un sistema esteso almeno quanto la Via Lattea e a questo punto contenente miliardi di stelle.

Hubble aveva appena risolto un dilemma che aveva assunto i contorni di un grosso mistero, ma aveva anche lasciato in eredità un fardello difficile da digerire per tutte le generazioni a venire. La cupola protettiva si era sollevata del tutto: l’Universo era cresciuto in dimensioni ben oltre la nostra immaginazione. Da allora niente sarebbe stato lo stesso e tutto, di nuovo, sarebbe stato da scoprire. Quell’insignificante dettaglio che era l’unico dubbio a una conoscenza perfetta di un Universo statico, immobile e dominato dalla Via Lattea quale unica galassia, era stato il cavallo di troia che distrusse le certezze di un’intera generazione di astronomi e aprì le porte alla più grande rivoluzione culturale e scientifica della storia.

Oggi basta un telescopio 10 volte più piccolo di quello utilizzato da Edwin Hubble per ottenere un’immagine 10 volte più dettagliata di quella che gli ha permesso di scoprire la natura extragalattica della nebulosa di Andromeda e non avere più dubbi di alcun tipo, sebbene la nostra mente continuerà a faticare per tutta la vita ad accettare tutto questo.

Quante galassie ci sono nell'Universo? Una nuova, incredibile, stima

Il bello della scienza, sia per chi la fa che per chi ne segue l’evoluzione da spettatore interessato, è il fatto di non essere mai noiosa perché le nostre conoscenze sono in continua evoluzione e si avvicinano sempre di più alla descrizione della realtà che ci circonda. Questo è vero in modo particolare quando vogliamo rispondere alle più importanti domande che riguardano il funzionamento e le proprietà dell’Universo. In un ambiente tanto vasto e complesso, sono molti i campi in cui le nostre conoscenze rappresentano solo un’approssimazione della descrizione della realtà. E’ qui che la scienza deve indagare più a fondo per arrivare a delle risposte quanto più possibile precise.

Molto tempo fa, su questo stesso blog, avevo tentato di rispondere a una domanda che molti curiosi si fanno: quante galassie ci sono nell’Universo? La risposta l’avevamo data osservando la più profonda immagine ottica mai scattata dal telescopio spaziale Hubble, dove in una zona di cielo casuale, non disturbata da gas e polveri della nostra galassia, avevamo contato circa 10 mila remote galassie. Da lì il gioco fu semplice: bastava moltiplicare quel numero per tutta l’estensione del cielo, supponendo (a ragione) che le galassie sono distribuite in modo uniforme nello spazio. Il risultato era un numero incredibile: dalle 200 alle 300 miliardi di isole di stelle.

 

Ora si è scoperto che quel valore potrebbe essere sottostimato persino di un fattore 10. Come mai? La domanda che dobbiamo porci per avvicinarci al numero reale di galassie nel nostro Universo è semplice, non prevede una laurea in astrofisica ed è la seguente: riusciamo a osservare tutte le galassie da qui agli albori dell’Universo? Ovvero: ci possono essere, sempre in quell’immagine, galassie tanto deboli e piccole da essere sfuggite all’occhio di Hubble?

L'Hubble Ultra Deep Field: la base di partenza per fare una nuova stima del numero di galassie nell'Universo

Se per farci domande non serve una laurea, per cercare una risposta sì: se non abbiamo le capacità di fare una seria ricerca che possa darci una risposta in modo oggettivo, oltre ogni ragionevole dubbio, dobbiamo affidarci al lavoro di altre persone che lo fanno con serietà e professionalità.

Nel nostro caso uno studio guidato da Christopher Conselice della University of Nottingham, U.K, sembra gettare nuova luce sulla nostra conoscenza delle grandi scale dell’Universo. Conselice e i colleghi si sono infatti guardati intorno e si sono fatti un paio di domande. L’immagine ultra profonda di Hubble mostra tantissime galassie, molte delle quali con una massa simile a quella della Via Lattea. Ma se guardiamo nel nostro “giardino”, ovvero nelle vicinanze della Via Lattea, che tipo di galassie troviamo? Il gruppo a cui appartiene la Via Lattea è composto da 3 galassie di grandi dimensioni (Via Lattea, Andromeda, galassia del Triangolo) e da almeno 40-50 piccole galassie nane di forma ellittica o irregolare, molte delle quali sono tanto deboli da risultare quasi invisibili con i grandi telescopi, nonostante la vicinanza (non più di qualche milione di anni luce). È qui il segreto per capire quante galassie potrebbero esserci nell’Universo e la domanda delle domande è: come sono distribuite in massa le galassie? Quante galassie nane, quasi invisibili, ci sono per ogni isola grande e luminosa come la Via Lattea, Andromeda o la galassia del triangolo? Quante galassie nane, invisibili, ci sono per ogni punto luminoso dell’immagine ultra profonda di Hubble? Probabilmente molte. Se non abbiamo la presunzione di credere che lo spazio locale in cui viviamo sia in realtà un sistema privilegiato dove vigono regole eccezionali, allora è lecito supporre che la proporzione tra galassie brillanti e deboli sia la stessa in ogni altro punto dello spazio. 

Le domande successive non sono meno importanti: come evolvono le galassie con il tempo? Ovvero, 13 miliardi di anni fa, agli albori dell’Universo, quante galassie c’erano e quante se ne dovevano ancora formare? La proporzione tra galassie luminose e brillanti era la stessa o è variata nel tempo? La questione è importante perché in ogni foto profonda, come quella di Hubble, noi stiamo osservando uno spaccato tridimensionale del cielo, la cui profondità contiene tempi diversi: gli oggetti più distanti appartengono a un Universo molto più giovane di quello che compete alle galassie più vicine. Capire come varia il numero di galassie in funzione dell’età dell’Universo è quindi fondamentale per riuscire a contarle tutte. 

C'è ancora un'altra domanda che dobbiamo porci, per avere ben chiara la situazione e procedere, con consapevolezza, alla nuova stima del numero delle galassie e deve tenere conto dell'espansione dell'Universo. L'immagine di Hubble è stata ottenuta alle lunghezze d'onda visibili, dove le galassie emettono la maggior parte della radiazione elettromagnetica. Tuttavia più lontano guardiamo nello spazio e più vediamo la luce spostata verso il rosso. A oltre dieci miliardi di anni luce di distanza lo spostamento verso il rosso è tanto pronunciato che quello che noi pensiamo di osservare nel visibile appartiene invece alla parte ultravioletta dello spettro emesso da quella remota galassia. La domanda è quindi la seguente: quante galassie ha mancato il campo ultraprofondo di Hubble a causa dello spostamento verso il rosso, che ha spostato la banda visibile verso le regioni infrarosse dello spettro per gli oggetti più distanti? Per dare risposta a quest'effetto particolare, che potrebbe regalarci una rappresentazione sballata dell'Universo, bisogna effettuare fotografie altrettanto profonde anche in altre bande, come l'infrarosso.

Il team di Conselice ha quindi cercato di tenere conto di queste variabili e grazie a un modello computerizzato è arrivato a ricostruire una versione 3D di questa straordinaria immagine di Hubble, che contiene il numero di galassie che ci si aspetta in un tale volume di spazio. Non sono più 10 mila, ma circa 100 mila, sebbene il 90% non sia visibile. A questo punto, moltiplicando per tutta l’estensione del cielo si arriva a una nuova, incredibile, stima del numero di galassie nell’Universo osservabile: circa 2 mila miliardi, ovvero 2 trilioni. Questo non vuol dire che l’Universo è un ambiente più massiccio di quanto pensavamo, anzi. Fino a questo momento il conteggio di galassie sulla base di quelle visibili dall'immagine profonda di Hubble portava a un deficit di massa visibile rispetto a quella calcolata stimando la densità di materia nell'Universo locale. Ora le cose sembrano tornare e l'apparenza inganna, di nuovo: non è detto che ciò che è appariscente rappresenti la maggioranza di una classe di oggetti. È un comportamento, questo, molto simile a quello seguito dalle stelle: gli oggetti di piccola massa sono molto più numerosi di quelli di grande massa, sebbene quest’ultimi si facciano notare molto meglio perché milioni di volte più luminosi. A quanto pare l’Universo ama replicare su scale diverse le cose ben riuscite e noi dovremmo aver imparato la lezione, anche nella vita reale: mai giudicare una situazione dalle apparenze.

Due mila miliardi è quindi la migliore stima che abbiamo delle galassie dell’Universo osservabile. Ricordiamoci, però, qual è il significato dell’aggettivo “osservabile”: la porzione di spazio a noi accessibile. Questa non è limitata dalle nostre capacità tecnologiche, ma dalla velocità finita della luce. Poiché l’Universo ha quasi 14 miliardi di anni, noi non possiamo vedere oltre una sfera dal raggio di circa 14 miliardi di anni luce. Secondo le attuali conoscenze, tuttavia, l’Universo sarebbe un posto molto più grande, almeno miliardi di miliardi di miliardi di volte più esteso. Com’è possibile tutto questo? Alla base c’è un’interessante teoria chiamata inflazione, che agli albori dell’Universo lo ha fatto espandere, per un tempo brevissimo, molto più rapidamente della velocità della luce. Ma questo è un argomento che esula dal nostro post.

Prima di tuffarci verso nuove domande, prendiamoci un momento di riposo per trasformare i meri numeri in emozioni. Siamo consapevoli di quello che abbiamo appena letto? Viviamo in uno spazio in cui ci sono 2 mila miliardi di galassie, tanto immense da contenere centinaia di miliardi di stelle ciascuna, ma talmente lontane le une dalle altre che anche con i più potenti telescopi possiamo osservarne appena il 10%. Riuscite a immaginare l’immensità dello spazio intorno a noi, il numero di stelle totale e quanti pianeti potrebbero esserci solo nella porzione a noi accessibile dell’Universo? Riuscite a comprendere quanto siamo insignificanti, noi e il nostro ego smisurato, per l’Universo? Nessuno riesce a comprendere in fondo queste grandezze, ma è sufficiente avvicinarsi alla consapevolezza quel tanto che basta da provare un lungo brivido sulla schiena. Se riuscissimo ad arrivare a questo punto, avremmo già compreso molto, incluso il modo per rendere migliore questa nostra società, che ha dimenticato del tutto l’ambiente in cui vive e l’Universo immenso che la circonda.

Per approfondire: https://www.nasa.gov/feature/goddard/2016/hubble-reveals-observable-universe-contains-10-times-more-galaxies-than-previously-thought

http://www.nature.com/news/universe-has-ten-times-more-galaxies-than-researchers-thought-1.20809 

La scoperta dell'Universo, parte 1: i primi del '900 e le Cefeidi di Henrietta Leavitt

 Questo rappresenta il primo di una serie di post, estratti dal mio libro "La straordinaria bellezza dell'Universo", in cui si caratterizzano le sorprendenti proprietà dell'Universo a grande scala: dalla scoperta di alcune stelle particolari che hanno consentito rivelare la vera natura delle "nebulose spiraliformi" alla sorprendente espansione dell'Universo, fino alla caratterizzazione del Big Bang e delle prove osservative arrivate nel corso degli anni. Si tratta di poco più di un secolo di astronomia moderna che ha rivoluzionato la nostra idea dell'Universo, della scienza, della fisica e persino del nostro posto nel Cosmo. Una rivoluzione scientifica e culturale che, forse, non ha conosciuto eguali in tutta la nostra storia. 


A partire dalla seconda metà del diciannovesimo secolo, fino agli anni 20 del novecento, l'astronomia si trasformò rapidamente in astrofisica: dallo studio della posizione dei corpi celesti (astronomia) si iniziò a indagare con sempre maggiore dettaglio la loro natura e le loro proprietà (astrofisica). Grazie a telescopi sempre più potenti, alla nascita della spettroscopia che permetteva di scomporre la luce degli oggetti celesti e della fotografia, che forniva uno straordinario e oggettivo strumento di misurazione e confronto tra diversi osservatori, l'Universo divenne in breve tempo un ambiente sempre meno sconosciuto.

Se la seconda metà del diciannovesimo secolo aveva fornito le basi tecnologiche per la seconda rivoluzione astronomica della nostra storia, il nuovo secolo fu caratterizzato da un personaggio eccezionale: Albert Einstein. Nel 1905 diede una risposta definitiva al bizzarro comportamento dell'effetto fotoelettricoo, lo stesso alla base del funzionamento di tutti i sensori digitali, che aprì la strada alla meccanica quantistica. Nello stesso anno (anzi, nella stessa pubblicazione!) espose la teoria della relatività ristretta, rivoluzionando i concetti di spazio e tempo. Nel 1916 descrisse più in dettaglio le straordinarie proprietà dello spazio-tempo e raccontò di un Universo statico, che probabilmente era sempre esistito. Sir Arthur Eddington utilizzò a stretto giro le scoperte di Einstein per teorizzare e provare la struttura delle stelle, il loro ciclo vitale, la loro composizione chimica e la fonte della loro energia. In questo contesto la spiegazione dei diversi tipi di nebulose divenne una logica conseguenza dei modelli di evoluzione stellare. Era l’età d’oro dell’astronomia: la nebbia su quel cielo oscuro si era diradata in modo spettacolare e con una velocità esponenziale.

Restavano due punti delicati, che sembravano solo dettagli in attesa di essere chiariti da lì a breve con migliori osservazioni, che non avrebbero comunque messo in pericolo tutto l’apparato di conoscenze che si era creato.
Il primo punto era un cruccio di Einstein, chiamata costante cosmologica. Tra tutta l’eleganza e l’ineccepibile apparato fisico e matematico della teoria della relatività generale, quel parametro, identificato come Lambda (Λ), stonava un po’ perché appariva più come un atto di fede che una grandezza con un fondamento fisico. L’atto di fede, consapevole o meno, era la convinzione più forte che l’uomo si era mai creato, ancora più vigorosa dell’immutabilità dello spazio e del tempo: la certezza di un Universo immobile.
Le equazioni della relatività di Einstein dimostravano, invece, che in un Universo dominato dalla forza di gravità, capace di alterare spazio e tempo, non era previsto il concetto di staticità. Tutta la struttura dello spazio e del tempo avrebbe dovuto variare in dimensioni con il passare del tempo, come se tutto l’Universo fosse una rete elastica che poteva allungarsi e accorciarsi. Impossibile anche solo concepire una cosa del genere! Sarebbe come dire che lo spazio che separa me e tutte le altre persone è destinato a cambiare nel corso del tempo, che un giorno l’Universo potrebbe disintegrarsi e che un tempo lontano non doveva nemmeno esistere! Così Einstein introdusse il parametro di costante cosmologica, assegnandogli il giusto valore per convalidare la propria convinzione e quella di tutta l’umanità: l’Universo non si stava né contraendo né espandendo e aveva quindi vita infinita.

Il secondo punto delicato riguarda una questione puramente osservativa. In effetti fino a questo momento ci siamo concentrati a cercare oggetti peculiari come ammassi stellari e nebulose diffuse lungo la porzione più evidente della Via Lattea, là dove si concentra la grandissima parte delle stelle della Galassia. Tuttavia, puntando il telescopio lontano dalle zone più affollate scopriamo che il numero di stelle diminuisce in modo drastico, come ci si aspetta, ma non accade la stessa cosa agli oggetti diffusi. Lontano dalla Via Lattea si trovano ancora migliaia di nebulose, solo che hanno un aspetto molto particolare e in qualche modo differente rispetto a quelle finora classificate. Di cosa si tratta? Che tipo di nebulose sono? Perché si trovano dove le stelle, gli ammassi e tutte le nebulose conosciute diminuiscono in numero? E perché non ne vediamo di forme simili lungo la Via Lattea? Forse già sappiamo la risposta a queste domande, ma per rendere giustizia agli sforzi di generazioni di astronomi che hanno impegnato la loro vita per dare risposte che a noi sembrano scontate, ma che non lo erano affatto solo 100 anni fa, ripercorriamo in modo sintetico il percorso che deve fare la scienza per fornire prove oltre ogni ragionevole dubbio della realtà che vogliamo descrivere.

Henrietta Swan Leavitt

La storia che ha portato alla classificazione della classe di nebulose spiraliformi si intreccia in modo inevitabile con le vicende umane di quel periodo e riguarda personaggi e situazioni che ora ci sembrano lontanissimi dal nostro modo di pensare.
Presso l’osservatorio di Harward, il direttore Pickering era un amante delle donne, giudicate piacevoli da guardare, di basso costo e molto brave nello svolgere mansioni noiose e ripetitive. Era la fine dell’800 e in attesa dei primi computer digitali ci si accontentava dei cosiddetti calcolatori manuali: le donne. Il loro compito era molto semplice ma piuttosto noioso: elaborare e catalogare i dati fotometrici e spettroscopici di migliaia e migliaia di stelle attraverso l’attenta analisi di grosse lastre fotografiche. La più famosa calcolatrice umana è di sicuro Annie Jump Cannon, il computer più potente del mondo che riusciva a classificare e archiviare fino a 3 spettri stellari al minuto. Nella sua vita si dice che abbia classificato più di mezzo milione di stelle.
Ma questa storia non riguarda lo straordinario lavoro o la proverbiale pazienza di Miss Cannon, piuttosto le vicende di un’altra calcolatrice umana di umili origini, con una famiglia da sfamare e per di più sorda: Henrietta Leavitt. Il suo compito era catalogare e calcolare la luminosità apparente delle stelle delle Nubi di Magellano. Con una lente di ingrandimento e pochi altri strumenti rudimentali, annotava la posizione degli astri ripresi sulle lastre fotografiche, ne stimava la luminosità apparente e si curava di vedere se questa fosse variata da una fotografia all’altra.

Questo lavoro lungo e noioso, che avrebbe messo a dura prova la sanità mentale di molte persone, venne ripagato con una straordinaria scoperta: alcune stelle cambiavano la propria luminosità in modo regolare, con un periodo legato alla magnitudine apparente media. Stelle più brillanti impiegavano più tempo per variare luminosità e tornare allo splendore iniziale, mentre quelle meno potenti compivano il percorso in un tempo minore. Poiché le stelle che stava osservando si trovavano tutte alla stessa distanza dalla Terra, in una piccola galassia satellite distante qualche centinaio di migliaia di anni luce, queste differenze in luminosità non erano dovute a differenti distanze, ma a variazioni reali della struttura delle stelle, a cambiamenti nella quantità di potenza emessa. Fu la svolta: Henrietta Leavitt aveva appena scoperto su scala cosmica un meccanismo simile a quello che nelle fredde serate di Dicembre fa variare la luminosità delle luci dell’albero di Natale, con la fondamentale proprietà che nell’Universo le luci più potenti hanno un periodo di pulsazione più lungo di quelle meno potenti.

Queste stelle vennero chiamate Cefeidi e rappresentano ancora oggi uno straordinario strumento per misurare la distanza degli oggetti. Una volta calibrata quella che viene chiamata relazione periodo-luminosità, ovvero una volta che si ha un campione di Cefeidi di distanza conosciuta a cui associare una potenza reale e non più una luminosità apparente che dipende dalla distanza, possiamo usare questi astri come se fossero i cartelli che sulle nostre strade segnano i chilometri percorsi. Questa è infatti un’altra spettacolare e inaspettata legge dell’Universo: tutte le Cefeidi si comportano allo stesso modo, senza eccezioni. Tutte le Cefeidi dell’Universo possono quindi essere utilizzate per stimare la distanza in modo piuttosto preciso, annotando semplicemente il periodo che impiegano a compiere un’intera pulsazione. Il metodo è potentissimo e straccia tutti gli altri, molto limitati, che erano fino a quel tempo serviti per misurare in modo piuttosto rozzo la distanza degli oggetti celesti. Per di più le Cefeidi sono tra le stelle più luminose dell’Universo, quindi visibili anche a enormi distanze.

Questa nuova scoperta diede un forte impulso all’astronomia, che stava cercando con enorme fatica un modo per determinare con facilità le distanze degli oggetti che in cielo, a noi, sembrano purtroppo tutti proiettati sulla stessa cupola di cristallo.
Cosa c’entra il metodo di misura delle distanze attraverso le Cefeidi con la natura di quelle misteriose nebulose spiraliformi e con la struttura dell'Universo? Se il caso nel funzionamento dell’Universo non esiste, molte delle vicende umane legate alla sua comprensione sembrano invece caratterizzate da eventi fortuiti; quei colpi di fortuna che nessuno si aspetta e che di punto in bianco rivoluzionano la nostra conoscenza delle cose. Nell’astronomia dell’ultimo secolo sono stati due i colpi di fortuna più spettacolari. Uno lo vedremo nel prossimo post; per l’altro dovremo aspettare un po' di più. Prestissimo, però, capiremo che, a un certo punto del nostro percorso di indagine di un fenomeno, la fortuna si limiterà a scegliere il chi e il come, ma raramente determinerà il se. In altre parole: quello che sembra un colpo di fortuna spesso è solo la naturale conseguenza di un processo di avanzamento tecnologico e mentale che non può più evitarci quella scoperta.

L'ipnotica danza di quattro pianeti extrasolari

Moltissimi pianeti extrasolari, o esopianeti, sono tanto deboli e vicini alle proprie stelle da non essere visibili nemmeno con i più potenti telescopi. Per mettere in evidenza la loro presenza e scoprire le loro proprietà, quindi, ci si affida ai metodi indiretti che, a dispetto del nome poco rassicurante, sono molto precisi e affidabili. In pratica, si studiano le variazioni di velocità e/o luminosità che la stella subisce a causa dell'eventuale presenza di uno o più corpi celesti che le orbitano attorno. È tutto molto bello, elegante e funzionante ma anche l’occhio a volte vuole la sua parte e non sarebbe male riuscire a fotografare in modo diretto questi lontani mondi.

Per capire quanto è difficile riuscire a rubare un’immagine di un pianeta extrasolare, possiamo fare un paragone con il nostro Sistema Solare e il gigante dei pianeti: Giove. Ebbene, se osservato alla distanza di appena 30 anni luce (molto vicino!) apparirebbe separato dal Sole di appena mezzo secondo d'arco, circa le dimensioni apparenti di una moneta da due euro vista a più di 8 chilometri di distanza. Ma questa è solo una parte del problema, che diventa ancora più complicato se consideriamo la differenza di luminosità tra il Sole e Giove: diversi milioni di volte. In queste condizioni risulta quasi impossibile, con l'attuale generazione di telescopi, riuscire a osservare la debole luce del pianeta, che sarà soffocata dalla luminosità della stella. Meglio non pensare, allora, a come possa essere la situazione per i corpi più piccoli e interni (e interessanti) come Marte o, peggio, la Terra. 

Non tutti i pianeti extrasolari, però, sono oltre le possibilità dei nostri migliori telescopi e un bell'esempio è rappresentato dalla stella HR8799, un astro nella costellazione di Pegaso, 1,5 volte più massiccio del Sole, formatosi solo 60 milioni di anni fa e distante circa 130 anni luce dalla Terra. Attorno a questa stella sono stati scoperti, con il metodo diretto, ben quattro pianeti giganti, con una massa dalle 7 alle 10 volte superiore a quella di Giove. Questi corpi celesti orbitano a grande distanza dalla propria stella, da 14,5 Unità Astronomiche per il più interno a 68 Unità Astronomiche per il più esterno, vale a dire da 2 miliardi a 10 miliardi di chilometri, una distanza ben superiore a quella che nel Sistema Solare è occupata dai pianeti (Nettuno, il più esterno, arriva a 4,5 miliardi di chilometri). Stiamo osservando quindi un sistema molto particolare, che non ha niente in comune con il nostro, sia per quanto riguarda la massa dei pianeti che la loro distanza. Meglio non pensare nemmeno a eventuali forme di vita perché questi oggetti potrebbero somigliare più a una debole stella che a un pianeta come siamo abituati a considerarlo.


Questi quattro pianeti giganti sono stati scoperti e seguiti con il telescopio Keck situato nelle Hawaii, un grande strumento dotato di ottiche adattive che riescono ad attenuare la turbolenza atmosferica della Terra muovendo diverse volte al secondo i tasselli che compongono lo specchio primario. Con particolari tecniche di elaborazione si è ridotto l’enorme disturbo della luce stellare e, come per magia, attorno a quest’anonima stellina sono comparsi quattro deboli punti. Sono pianeti o stelle che sembrano prospetticamente vicine? Per scoprirlo, senza l’ausilio dei metodi indiretti, l’unico modo è seguirne il movimento: se questi quattro deboli punti ruotano attorno alla stella centrale allora non c’è dubbio: sono dei pianeti. La conferma della natura planetaria è arrivata poco dopo la loro scoperta ma ora, a distanza di oltre 7 anni da quella prima, spettacolare, foto, è trascorso sufficiente tempo per vedere un’altra piccola parte di Universo evolvere. L’animazione, composta dallo studente Jason Wang dell'università della California, raccoglie le immagini acquisite al telescopio Keck dal 2009 al 2016 da parte di Christian Maois del National Research Council of Canada's Herzberg Istitute of Astrophysics e mostra il lento ma evidente moto di questi lontanissimi mondi. I periodi di rivoluzione sono di circa 40 anni per il più interno e di 400 anni per il più esterno: servirà ancora molto tempo per osservare un’orbita completa ma questa animazione rappresenta un altro piccolo, e fondamentale, tassello della storia della nostra conoscenza del Cosmo.

Siamo ancora lontani dall’osservare pianeti di taglia terrestre vicini alle proprie stelle, e probabilmente sarà impossibile riuscire a risolvere il disco di questi oggetti e scrutare quindi la loro superficie (servirebbero telescopi ottici di centinaia, migliaia di chilometri di diametro), ma non c’è dubbio che in questo caso l’occhio è stato accontentato. Questi pianeti, anche per i più scettici, ora esistono, si possono osservare e se ne può tracciare il moto attorno alla stella.

Non sarà l’animazione più bella del mondo; non ci sono colori, sfumature, contrasti degni di spettacolari opere d’arte che inondano gli occhi di meraviglia, ma nonostante questo non riesco a smettere di osservarla, ipnotizzato dall’Universo in movimento, da quei mondi lontani centinaia di migliaia di miliardi di chilometri che obbediscono alle stesse leggi della fisica che permettono alla Terra di vivere tranquilla attorno alla nostra Stella. Quei mondi sono reali, ci stanno comunicando la loro esistenza, le loro proprietà, il loro moto, così come appariva circa 130 anni fa. Quando la luce che stiamo osservando è partita da quel sistema, non avevamo ancora idea che nell'Universo ci fossero altri pianeti, persino altre galassie. Non eravamo neanche in grado di volare nell'aria, figuriamoci nello spazio. Il tempo che la luce ha impiegato ad attraversare un centomillesimo del diametro della Galassia, uno schiocco di dita per l'Universo, è stato sufficiente per trasformarci da una società che usava i cavalli per spostarsi a una specie che ha camminato sulla Luna e ha esplorato tutti i pianeti del Sistema Solare. Una specie che ha costruito una mastodontica stazione spaziale a 400 km dalla superficie e che anche grazie a questa ha fatto immensi progressi in ogni ambito della scienza, dalla medicina all'astrofisica, dalla biologia alla geologia. Questo, e molto altro, ci comunicano le immagini dell'Universo, se si guarda oltre la mera bellezza che colpisce la retina. Perché vedere attraverso gli occhi è bello, ma riuscire a osservare con la mente regala un'estasi ben più duratura e profonda di qualsiasi bella immagine.

Per approfondire:  https://astrobiology.nasa.gov/news/a-four-planet-system-in-orbit-directly-imaged-and-remarkable/

Infiniti universi o un'enorme simulazione cosmica?

Questo post è estratto dal mio ultimo libro: La straordinaria bellezza dell'Universo.

Perché questo Universo si è dotato di una struttura e di leggi fisiche tanto perfette da renderlo un luogo stabile al punto da riuscire a creare, dopo miliardi di anni di evoluzione, persino esseri senzienti, un capolavoro di complessità difficile da immaginare? Se è davvero frutto del caso, perché tra le possibili, infinite combinazioni con cui l’Universo poteva evolvere è stata scelta proprio l’unica che permettesse la vita? Basterebbe variare di pochissimo, anche di una parte su miliardi di miliardi di miliardi, qualche grandezza fisica, il tasso di espansione, la percentuale di materia oscura o di energia oscura, per scatenare dei cambiamenti mastodontici che con tutta probabilità non ci avrebbero visti nascere. In questa situazione stiamo portando di fatto all’estremo il cosiddetto effetto farfalla, che nella versione che più ci interessa è stato ben espresso dal genio matematico Alan Turing: “Lo spostamento di un singolo elettrone per un miliardesimo di centimetro, a un momento dato, potrebbe significare la differenza tra due avvenimenti molto diversi, come l'uccisione di un uomo un anno dopo, a causa di una valanga, o la sua salvezza.” Ecco, se l’elettrone avesse avuto una massa di un miliardesimo di volte diversa da quella attuale, tutto l’Universo sarebbe stato differente.

Com’è possibile vivere in un luogo che sembra quindi essere perfetto per la nascita e l’evoluzione di creature senzienti? La prima risposta, logica, è semplice: se qualcosa fosse stato diverso noi non ci saremmo stati a porci queste domande. In effetti l’intuizione è giusta e se la sviluppiamo meglio, magari con la consapevolezza dell'Universo e delle leggi che lo regolano che abbiamo acquisito nel corso dei secoli, possiamo arrivare a teorizzare un mondo che non richieda necessariamente la semplicistica spiegazione di un intervento divino cosciente chiamato Dio, almeno non nell’accezione antropocentrica a cui siamo stati abituati da gran parte delle religioni, perché di quel Dio, decantato da tutte le religioni monoteiste, non c'è traccia. Non solo, non c'è traccia alcuna del modo in cui gli esseri umani hanno immaginato il modo di agire del Dio che si sono inventati.

Certo, la cosa più semplice è ammettere l’esistenza di un Dio dalle sembianze umane che ha creato un unico Universo secondo questa perfetta ricetta, proprio per ospitare noi esseri senzienti, fatti a sua immagine e somiglianza. Ma ormai che conosciamo la vastità e la complessità del Cosmo, sappiamo quanto sia limitata una risposta del genere; limitata nella logica, nello spazio e nel tempo. Può non piacerci questa affermazione, come da piccoli non ci è piaciuto scoprire che Babob Natale non esisteva, però questa è la realta. È quindi davvero sensato immaginare l’intervento di una mente superiore che ha dovuto inventarsi tutto questo caos per creare esseri senzienti? Sarebbe bastato molto meno se dietro ci fosse stata la mano cosciente di un creatore.

Una delle più interessanti deduzioni logiche di un Universo che tra le infinite combinazioni possibili ha scelto quella che ci vede coscienti di poterlo ammirare è che in realtà di Universi ve ne siano tanti, tantissimi, forse infiniti. In pratica, se la combinazione vincente per noi ha una probabilità quasi nulla di realizzarsi, basta giocarsele tutte e prima o poi qualcuno vincerà. Non diventa più una questione di una sfacciata sfortuna (o fortuna) tipica delle umane interpretazioni, ma qualcosa di inevitabile e ben più plausibile con quello che conosciamo sul funzionamento del Cosmo.

Sotto questo punto di vista la teoria dei multiversi appare molto logica e persino plausibile. Alla fine, tutto sembra rientrare nella solita affermazione: se qualcosa sembra funzionare, questa potrà ripetersi infinite volte. Anche la nascita del nostro Universo, a prescindere dalle regole particolari che si è dato, potrebbe essere solo un evento che si è ripetuto, si ripete e si ripeterà infinite volte. Forse stiamo parlando di un unico Universo che a un certo punto inverte l’espansione e torna quel punto indefinito, pronto per un nuovo Big Bang, oppure dell’esistenza contemporanea di infinite bolle, ognuna diversa dalle altre. Questi infiniti universi posseggono proprietà differenti, leggi della fisica diverse, variabili con altri valori, fino a provare di fatto tutte le combinazioni possibili. È allora normale, anzi, inevitabile, che tra uno di questi infiniti universi esistano specie senzienti in grado di ammirare tutto questo capolavoro.
Ma se gli Universi paralleli sono davvero infiniti, esistono anche infinite specie senzienti, infinite versioni di noi che potrebbero differire di pochissimo. Potrebbe esistere un Universo in cui i nazisti hanno vinto la seconda guerra mondiale, uno in cui l’umanità si è annientata con una guerra nucleare, uno in cui i dinosauri non si sono mai estinti. Il concetto di infinito è molto potente, perché rende tutto… infinito, quindi infinite sono le possibili combinazioni e nulla diventa impossibile!

C’è un’ipotesi alternativa a questa infinita sequenza di Universi leggermente diversi l’uno dall’altro, che asseconda l’idea di un creatore senza renderlo umanamente irrazionale e si basa su una possibile proiezione di un nostro lontano futuro. Il nostro Universo, dominato da rigide regole matematiche, privo di contraddizioni, senza eccezioni, che non sbaglia mai un calcolo. Questo Universo che alle scale piccolissime diventa indistinto, al punto che non possiamo più identificare l’esatta posizione delle particelle, come se ci fosse una scala al di sotto della quale non possiamo più scendere (vedi meccanica quantistica), ma che non è in grado di provare sentimenti, sensazioni, emozioni… assomiglia al comportamento che ci aspetteremmo da un computer.

L’idea, folle ma di certo più razionale di un divino creatore con il dito magico, è che il nostro Universo sia il risultato di una mastodontica simulazione di un computer potentissimo. Noi non saremmo allora reali ma una parte di codice che ha preso coscienza di sé stesso. Che sia un’idea molto forte e particolare non c’è dubbio, però allo stesso tempo potrebbe essere più sensata di quanto immaginiamo ora.
Pensiamoci bene. Noi esseri umani in meno di un secolo siamo stati in grado di sviluppare computer tanto potenti da poter simulare l’evoluzione dell’Universo a grande scala. Le più potenti simulazioni hanno riprodotto la nascita e lo sviluppo di milioni di galassie a partire da quel primordiale brodo identificato come radiazione cosmica di fondo. Dall’osservazione di quel dettaglio e dall’applicazione delle leggi della fisica, con un po’ di materia ordinaria e tanta materia oscura, siamo riusciti a ricreare un Universo in miniatura che ha generato ammassi di galassie, galassie, stelle. Un Universo che evolve attraverso gli scontri galattici, che modifica le proprie componenti, che vive. La nostra capacità di calcolo ancora non è sufficiente per simulare tutto l’Universo con una risoluzione microscopica in grado di spiegare anche il comportamento dell’infinitamente piccolo, eppure potrebbe essere possibile un giorno. Il dubbio si è insinuato, vero?

Con il progredire della scienza e della tecnologia è solo questione di tempo prima che la potenza di calcolo dei nostri supercomputer sia in grado di simulare un numero maggiore di galassie, con una risoluzione che dapprima vedrà le stelle, poi i pianeti e infine, chissà, si spingerà sempre più nel dettaglio. Sotto questo punto di vista, il bizzarro comportamento della meccanica quantistica, che invito ad approfondire in altri lidi, sembrerebbe allora un espediente informatico per mettere un limite alla risoluzione di questa immane simulazione cosmica, come se fossero i pixel di un sensore digitale che non potranno mai mostrare dettagli più piccoli di una certa scala.
Non sappiamo se una specie aliena abbia creato la simulazione di questo Universo; se questa sia a immagine e somiglianza di quello esistente davvero, o solo uno dei tanti modelli matematici che funzionano. Non sappiamo se siamo l’esperimento informatico di un ragazzino con cui vincerà il concorso di scienze a scuola o la più grande simulazione mai tentata nella storia delle simulazioni. Non sappiamo se siamo la simulazione di un mondo a sua volta simulato da un'altra specie e se creeremo a nostra volta una nuova simulazione, un giorno, in cui compariranno pezzi di codice autocoscienti, in grado di creare a loro volta altre simulazioni. Non sappiamo nulla ma forse un giorno capiremo, quando anche noi riusciremo a creare un universo, com’è possibile sentirsi vivi pur restando in un ambiente che per altri è virtuale, in uno spazio matematico e in un tempo che scorre secondo le regole imposte dai programmatori.

A questo punto delle nostre conoscenze, anche un’ipotesi del genere può sembrare accettabile, sebbene, come l’altra degli infiniti universi, sia ancora lungi dall’essere provata o smentita. Probabilmente è frutto della nostra voglia di trovare uno scopo in tutto quello che siamo e che vediamo; uno scopo che anche se diluito come un rimedio omeopatico, arrivati a questo punto della conoscenza facciamo ancora fatica ad abbandonare fino in fondo. L’unica cosa di cui abbiamo la certezza, giunti alle ultime parole del nostro viaggio, è la grandiosa  potenza della nostra mente, capace di viaggi interminabili attraverso la straordinaria bellezza del Cosmo. Guardare l’Universo per capire chi siamo. È sempre stato così, sin dalla notte dei tempi.