L’universo e la percezione delle distanze. Parte III – Verso l’infinito e oltre

RIEPILOGO DELLA PARTE II. Le nebulose a spirale sono argomento di dibattito per gli astronomi: alcuni, come Curtis, ipotizzano che siano galassie, e quindi oggetti esterni alla Via Lattea; altri, come Shapley, sottovalutano la scala delle distanze e rimangono aggrappati alla cosmologia tradizionale.

IL TERZO UOMO E LA SOLUZIONE 
L’anno seguente al “grande dibattito”, Shapley lasciò l’osservatorio di Mount Wilson per occupare la carica di direttore dell’osservatorio di Harvard. Nel 1921 il telescopio Hooker diede il benvenuto ad un altro astronomo statunitense. Si chiamava Edwin Hubble. Assieme al suo assistente Milton Humason, nelle notti di ottobre del 1923, studiò una nova sospetta in M31. Ben presto Hubble si accorse che non si trattava di una nova, bensì di una stella variabile (FIG. 1). Aveva trovato una variabile cefeide in M31.
Le variabili cefeidi sono un tipo di stelle la cui luminosità varia regolarmente nel tempo; aumenta e diminuisce nell’arco di alcuni giorni. Qual era l’importanza di questa scoperta? Una decina di anni prima, all’osservatorio di Harvard, Henrietta Leavitt trovò una relazione di straordinaria utilità, la quale lega la velocità con cui una cefeide cambia la luminosità e la luminosità stessa. Una cefeide intrinsecamente più luminosa impiega maggiore tempo a mutare la propria luminosità. Al fine di stabilire la luminosità intrinseca di una cefeide è sufficiente osservarla per alcuni giorni.
Non finiva qui. Hubble non era interessato espressamente alla luminosità della variabile, ma gli serviva determinarla per risolvere il dibattito cosmologico in corso. Confrontando la luminosità intrinseca di questa stella con la rispettiva luminosità apparente, era possibile dedurre la sua distanza; e con buona approssimazione, anche la distanza di M31. In un certo senso, con questi dati sperimentali Hubble poteva “misurare” l’universo. E in effetti fu quello che fece.
Nel febbraio del 1924, Hubble scrisse a Shapley per annunciargli la sua fondamentale scoperta. Cecilia Payne, allieva di Shapley, era casualmente presente nell’ufficio del direttore quando fu consegnata la posta. Shapley aprì la busta, lesse velocemente, sollevò gli occhi e porse la missiva alla giovane studentessa: «Ecco la lettera che ha distrutto il mio universo», proferì con un filo di voce. Si leggeva: “Caro Shapley, vi interesserà sapere che ho trovato una variabile cefeide nella nebulosa di Andromeda (M31)”. Alla lettera era allegata una curva di luce a prova dei risultati di Hubble: la distanza di M31 risultava essere all’incirca un milione di anni luce. Ciò confermava il fatto che M31 non si trovasse all’interno della Via Lattea, essendo il diametro di questa nettamente inferiore alla distanza trovata.
L’evidenza non travolse le opinioni all’interno della comunità scientifica, per lo meno non subito. Persino Hubble, autore della scoperta, continuò a chiamare questi oggetti così lontani “nebulose extragalattiche”. I collaboratori dell’astronomo cominciarono a chiamarli “galassie” solamente dopo la sua scomparsa.

L’UNIVERSO IN ESPANSIONE
Negli stessi anni, in Russia, Friedmann e il suo allievo Gamow lavoravano ad alcune conseguenze cosmologiche della teoria della relatività generale di Einstein. Ipotizzarono che l’universo potesse espandersi, o contrarsi, contrariamente a quanto sosteneva il padre della relatività. Einstein, infatti, riteneva che l’universo fosse statico ed eterno, richiuso su se stesso come una sfera. Niente di tanto diverso da quello che era stato il cosmo aristotelico: una sfera finita e delimitata dal “nulla”.
Alle stesse ipotesi di Friedmann e Gamow era pervenuto — indipendentemente — anche il prete belga Lemaitre. L’idea di un universo in espansione implicava innumerevoli problematiche, tutte di natura diversa: l’origine e il destino dell’universo, la sua geometria, la sua evoluzione nel tempo.
L’evidenza di questo fatto giunse — ancora una volta — dal telescopio Hooker e fu Hubble ad annunciarla ad Einstein. Intere galassie si allontanano da noi a centinaia di chilometri al secondo. Ciò che Hubble osservò fu lo spostamento verso il rosso degli spettri delle galassie. Questo fenomeno, noto come redshift, si può interpretare come un effetto Doppler: quando un mezzo di soccorso si avvicina con la sirena accesa, percepiamo un suono più acuto (frequenze maggiori); quando si allontana, il suono risulta più grave (frequenze minori). Nel caso di Hubble, le misure spettroscopiche indicavano che la luce rilevata era spostata verso frequenze più basse, quelle del rosso.
Si trattava di una scoperta incredibile: lo spazio si può espandere come un pallone gonfiabile; se ciò accade, le galassie vengono trascinate dall’espansione, come se fossero disegnate sulla superficie del pallone. Le osservazioni di Hubble erano ragionevoli, ma c’era qualcosa di più: in qualunque punto dell’universo ci si trovi, si vedrebbero le altre galassie allontanarsi. Allora la nostra posizione non ha nulla di speciale. Ogni galassia si allontana da ogni altra: le galassie non stanno scappando da noi.
Con questa scoperta, la posizione centrale — prima della Terra, poi del Sole ed ora della Via Lattea — nel cosmo veniva abbandonata per sempre. Siamo dispersi in uno spazio infinito e che si espande in ogni direzione. Le distanze sono incredibilmente vaste, difficili da pronunciare e persino da scrivere. Dopo misure più accurate, fu trovato che la distanza che separa la Terra dalla galassia di Andromeda (M31, FIG. 2) è di circa 2,5 milioni di anni luce, oltre 20 miliardi di miliardi di chilometri. Ma questa splendida galassia è soltanto dietro la porta di casa.

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