Genesi: l’Universo degli Anni Venti

Seconda parte dedicata al . Il grande racconto delle origini, Guido Tonelli, Edizioni Feltrinelli

“Nel 1917 , sviluppando le conseguenze della sua della relatività generale, postula un omogeneo, statico, curvato spazialmente. Massa ed energia deformano lo spazio-tempo e tenderebbero a farlo collassare in un punto, ma se si aggiunge all’equazione un termine positivo che compensa la tendenza alla contrazione, il sistema rimane in equilibrio. L’inizio della moderna nasce con questo scarto. Per evitare la fine catastrofica dell’, che si sarebbe necessariamente prodotta in presenza della sola gravità, ci si inventa un termine arbitrario. Volendo mantenere il pregiudizio di stabilità e persistenza in vigore da millenni e di cui egli stesso era evidentemente prigioniero, Einstein introduce di forza quella che chiamiamo “la costante cosmologica”, una specie di energia del vuoto, positiva, che tende a spingere tutto verso l’esterno e contrasterebbe quindi l’azione gravitazionale garantendo la stazionarietà del tutto”. Guido Tonelli, Genesi

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La teoria dello stato stazionario è una teoria cosmologica che venne proposta agli inizi degli anni Cinquanta dagli astrofisici Hoyle, Bondi e Gold e che tentava di conciliare le recenti (all’epoca recenti) scoperte sull’espansione dell’universo con una visione del cosmo eterna ed immutabile. Questa visione si basava sul cosiddetto “principio cosmologico perfetto” ossia l’universo appare lo stesso su grande scala (non c’è un posto speciale, o centro) quindi l’universo è omogeneo; l’universo appare lo stesso in tutte le direzioni di osservazione (non esistono direzioni speciali o assi), quindi l’universo è isotropo; l’universo appare lo stesso in ogni epoca (non esistono epoche speciali), quindi l’universo è immutabile. Ciò comporta che non vi sia alcuna evoluzione dell’universo, ma che esso si mantenga circa sempre uguale a se stesso; di conseguenza non vi sarebbe mai stato alcun Big Bang ma l’universo sarebbe eterno e nel complesso immutabile (“stazionario” appunto).

Crediti: MAS /articolo 100 Years of Cosmology. Sito web.

Ciò parrebbe in palese contraddizione con l’osservazione dell’espansione dell’universo, in quanto tale espansione comporterebbe che l’universo diventi sempre meno denso e che quindi non possa apparire sempre uguale in ogni epoca della sua storia. D’altro canto i tre astrofisici fecero notare che sarebbe sufficiente che la materia si crei dal nulla nello spazio vuoto ad un tasso estremamente basso (talmente basso che nessun esperimento sarebbe in grado di mettere in evidenza il fenomeno) perché lo spazio che si espande venga progressivamente riempito da nuova materia e nuove galassie, in modo che la densità media si mantenga costante.

Questa affermazione parrebbe in contraddizione col principio di conservazione della massa e dell’energia, ma quest’ultimo è, appunto, un “principio”, cioè un’affermazione indimostrabile che i fisici assumono perché non è mai stata osservata una sua violazione. Se la violazione esistesse, fecero notare Hoyle, Bondi e Gold, sarebbe appunto così piccola da risultare inosservabile! D’altro canto essi posero l’accento sul fatto che accettare la violazione del principio di conservazione della massa è un obbligo anche per i sostenitori della teoria del Big Bang, in quanto al momento della creazione ve ne fu una palese e gigantesca violazione!

Il modello dello stato stazionario riscontrò un notevole successo negli anni Cinquanta. Una ragione fu anche probabilmente di reazione da parte di diversi scienziati al tentativo di strumentalizzazione delle loro scoperte portato avanti dalla Chiesa cattolica, che volle vedere nella teoria del Big Bang una dimostrazione scientifica della creazione e dell’esistenza di Dio. Esso fu però progressivamente abbandonato, non appena venne scoperta la radiazione cosmica di fondo (o “cosmic background”) in quanto quest’ultima ha una spiegazione semplice ed elegante nella teoria del Big Bang (la radiazione cosmica è la radiazione residua dell’energia sviluppata al momento della nascita dell’universo) mentre è difficilmente giustificabile dallo stato stazionario. Inoltre, oggi sappiamo che le galassie molto distanti (e molto giovani se accettiamo il Big Bang) hanno caratteristiche morfologiche piuttosto diverse da quelle vicine e che i quasar furono molto abbondanti in un certa epoca dell’universo mentre oggi sono totalmente scomparsi, il che ancora una volta si scontra col principio cosmologico perfetto.
Oggi lo stato stazionario si può considerare completamente abbandonato.

Oggi che sappiamo che l’universo è composto da centinaia di miliardi di galassie, fa impressione constatare che, nei primi anni Venti del secolo scorso, gli scienziati dell’epoca, e fra loro alcune delle menti più brillanti di sempre, pensassero ancora che tutto fosse costituito dalla sola Via Lattea. Il lento movimento concentrico dei corpi di questa galassia poteva suggerire quindi l’idea di un universo come sistema stazionario, armonioso e ordinato. Ben presto tutto questo sarà messo in discussione da nuove osservazioni, ma la rottura radicale con le vecchie concezioni sarà anticipata dalla geniale intuizione di un giovane scienziato belga.

Nel 1927 Georges Lemaître ha trentatré anni, è un prete cattolico, laureato in Astronomia a Cambridge, e sta completando il suo PhD al Massachusetts Institute of Technology (Mit). Il giovane scienziato è fra i primi a capire che le equazioni di Einstein possono descrivere anche un universo dinamico, un sistema a massa costante ma in espansione, il cui raggio, cioè, cresce con il tempo. Quando presenta la sua idea al più anziano e autorevole collega, il commento di Einstein è tremendo: “I vostri calcoli sono coretti ma la vostra fisica è abominevole”. E’ talmente radicato il pregiudizio millenario di concepire l’universo come sistema stazionario, che persino la mente più elastica e immaginifica del tempo rifiuta l’idea che esso possa espandersi e che quindi il tutto abbia avuto un inizio.
Ci vorranno anni di discussioni e scontri feroci prima che questa novità straordinaria si affermi tra gli scienziati; e dovrà passare ancora più tempo perché diventi di dominio pubblico.

Georges Lemaître e Albert Einstein. Crediti: cittanuova.it

La chiave del successo è suggerita dallo stesso Lemaître che, nell’articolo in cui propone la sua nuova teoria, cita la misura della velocità radiale delle nebulose extra galattiche.
In quegli anni, l’attenzione degli astronomi si stava concentrando su quegli strani oggetti, somiglianti a nuvole, che si immaginavano essere gruppi di stelle aggregati ad agglomerati di polvere o gas. Oggi sappiamo che sono galassie, ciascuna contenente miliardi di stelle, ma i telescopi dell’epoca non erano in grado di distinguere troppi dettagli. Guido Tonelli, Genesi

Edwin Powell Hubble è l’astrofisico che nel secolo scorso rivoluzionò l’astronomia e la conoscenza dell’Universo, così come Copernico e Galileo fecero tra il 1500 e il 1600. Hubble nacque il 20 novembre 1889 in una piccola cittadina del Missouri, poco prima che la sua famiglia si trasferisse nell’Illinois. Da bambino amava i romanzi di fantascienza di Jules Verne e a scuola aveva un ottimo rendimento in tutte le materie (fuorché nello “spelling”). All’indomani della guerra, nel 1919, un giovane , con il dottorato conseguito presso l’Università di Chicago con una tesi dal titolo: “Investigazione fotografica di nebulose deboli”, ebbe una posizione all’Osservatorio di Mount Wilson (Pasadena, California), in quello che in quegli anni era l’osservatorio dotato delle apparecchiature più all’avanguardia a livello mondiale. Hubble accettò e Mount Wilson rimase il suo punto di osservazione dell’Universo per il resto della sua vita.

Hubble iniziò a osservare che la luce proveniente da galassie lontane appariva con lunghezze d’onda maggiori ed energie minori di quelle attese. Questo effetto è del tutto simile a quello di un suono che si sta muovendo rispetto all’osservatore, proprio come quando una sirena si allontana dal punto in cui ci troviamo e la sua lunghezza d’onda aumenta mentre la sua frequenza diminuisce (effetto Doppler).  Analizzando lo spettro di frequenze luminose emesse dai vari corpi celesti si può misurare per ciascuno questo spostamento verso il rosso, il red shift appunto, e ricavarne la velocità radiale con la quale si stanno allontanando.
Ma non era facile misurare la distanza di queste formazioni e capire quindi se si trovavano all’interno della nostra galassia o meno.

Hubble realizzò che le galassie erano in moto di allontanamento dalla Terra e che la loro velocità aumentava proporzionalmente alla loro distanza. Nel 1929 pubblicò la legge che prenderà il suo nome e che lega la velocità e la distanza delle galassie:

velocità = H x distanza

H è la cosiddetta costante di Hubble, il cui valore in realtà è cambiato nel tempo (Hubble aveva misurato un valore che in seguito si è dimostrato troppo elevato) e viene continuamente raffinato da misure sempre più precise. L’Universo dunque era più vasto di quanto non si pensasse e per di più era in espansione.

Edwin Hubble al telescopio di Mount Wilson, 1937. Crediti: M. Bourke-White/Time & Life Picutres/Getty Images.

La tecnica utilizzata si basava sull’uso delle Cefeidi, stelle pulsanti di luminosità variabile. Quando Hubble comincia il suo lavoro era morta da pochi anni , una delle prime astronome americane, una giovane scienziata che diede un contributo enorme a questo campo di ricerca senza riceverne, come spesso accade in questi casi, i riconoscimenti appropriati.

Henrietta Swan Leavitt al lavoro. Crediti: Wikiquote.org

Infatti, ai primi del Novecento, era considerato impensabile che una donna utilizzasse un telescopio e le rarissime giovani scienziate venivano impiegate in attività di servizio. Alla Leavitt venne affidato il ruolo, del tutto secondario e malamente pagato, di computer umano: il suo compito, cioè, consisteva nell’esaminare, una dopo l’altra, migliaia di lastre fotografiche contenenti immagini prese attraverso i telescopi e annotare le caratteristiche di stelle e oggetti celesti. In particolare, le fu affidato l’incarico di misurare e catalogare la luminosità apparente delle stelle.

La giovane astronoma concentrò i suoi studi sulle stelle a luminosità variabile appartenenti alla Piccola Nube di Magellano, nebulosa che, al tempo, si pensava facesse parte della nostra galassia. L’osservazione geniale della Leavitt fu che le stelle più luminose erano anche quelle che avevano il periodo di pulsazione più lungo. Una volta stabilita questa correlazione, si poteva ricavare una stima della luminosità assoluta di una stella, cosa che avrebbe permesso di misurarne la distanza. La luminosità di un oggetto varia con l’inverso del quadrato della distanza dall’osservatore, quindi conoscendo l’intensità luminosa assoluta del campione, basta misurare la luminosità apparente per ricavarne la distanza.

La Leavitt misurò la relazione fra luminosità e periodo delle Cefeidi della Piccola Nube di Magellano e ipotizzando che le stelle si trovassero grosso modo alla stessa distanza poté costruire la scala di luminosità intrinseca a partire da quella apparente registrata sulle lastre.
Grazie all’incredibile intuito di una giovane e geniale astronoma, si avevano a disposizione candele standard, cioé sorgenti luminose di intensità conosciuta, tramite le quali era possibile ricavare una misura assoluta della distanza.

Nel 1912 l’astronoma Henrietta Leavitt studiando un centinaio di Cefeidi presenti nella piccola Nube di Magellano scoprì che il periodo di queste stelle è in stretta relazione con la loro luminosità; poiché le differenze nella distanza dalla Terra di queste stelle sono percentualmente insignificanti, ne segue che il periodo è in relazione con la magnitudine assoluta. Il diagramma è tratto dal Moulton e mostra come le stelle della piccola Nube di Magellano e di altri due ammassi stellari si addensino intorno a una linea curva ben delineata. Fonte: astro.bonavoglia.eu

Fu quello che fece Hubble, che utilizzò le Cefeidi della nebulosa di Andromeda per giungere alla conclusione che questi corpi celesti si trovavano a distanze troppo grandi per essere parte della nostra Via Lattea.
Lemaître è a conoscenza delle prime misure effettuate da Hubble, che non solo collocavano queste nebulose al di fuori della nostra galassia, ma attribuivano loro impressionanti velocità di allontanamento. La sua teoria dell’universo in espansione permette di spiegare queste nuove osservazioni a patto di accettare l’idea che si tratti di un sistema enorme, mostruosamente più grande di quello che fino ad allora si pensava. Una gigantesca struttura in cui sono presenti innumerevoli galassie simili alla nostra, con tutto che si allontana da tutto.

Dopo aver collocato per millenni la Terra al centro dell’universo e aver accettato a malincuore che il nostro pianeta sia uno dei tanti che ruotano attorno al Sole, crolla di colpo anche l’ultima illusione. Il Sistema Solare e la nostra cara Via Lattea non hanno alcuna collocazione speciale. Siamo una componente insignificante di un’anonima galassia, una fra le tante che popolano, a miriadi, l’universo intero. Come se ciò non bastasse, l’intero sistema evolve nel tempo: come tutte le cose materiali, ha avuto un inizio e avrà, probabilmente, anche una fine.

L’intuizione di Lemaître, confermata dalle misure di Hubble, getterà le basi della nuova visione del mondo. Nel suo articolo originale, in francese, il prete-astronomo si era spinto a prevedere una relazione di stretta proporzionalità fra distanza e velocità di recessione degli oggetti astronomici. Se la sua idea dell’universo in espansione fosse stata giusta, le galassie più distanti avrebbero dovuto allontanarsi da noi a velocità più elevata, avrebbero cioè esibito un red shift maggiore. Ed è proprio il risultato che ottenne Hubble, man mano che il suo catalogo di osservazioni diventava sempre più ricco. Ma l’intuizione di Lemaître fu a lungo ignorata, perché la rivista belga su cui aveva pubblicato l’articolo non aveva grande diffusione. Per questo motivo, fino a pochissimo tempo fa, il mondo scientifico ha sempre chiamato “legge di Hubble” questa correlazione. Grazie a un paziente lavoro di ricostruzione, il contributo dello scienziato belga è stato finalmente riconosciuto. Ci sono voluti quasi cento anni, ma oggi la relazione che ha permesso di stabilire la natura dinamica dell’universo si chiama “legge di Hubble-Lemaître”.

Nei primi anni Trenta, di fronte alla grande quantità di osservazioni sperimentali, anche Einstein finirà per abbandonare il suo iniziale scetticismo. La leggenda vuole che, nell’ammettere a malincuore che il prete belga e l’astronomo americano avevano ragione, il grande scienziato si rammaricasse per non averlo capito prima: “La costante cosmologica è stato l’abbaglio più grosso che ho preso in vita mia”. (Guido Tonelli, Genesi)

Crediti: CaffèBook.it

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Informazioni su Sabrina Masiero

Direttore Responsabile della Didattica e Divulgazione presso la Fondazione GAL Hassin-Centro Internazionale delle Scienze Astronomiche, Isnello, (Palermo) e associata INAF-Osservatorio Astronomico di Palermo. Ho lavorato presso INAF-Osservatorio Astronomico di Padova e la Fundaciòn Galileo Galilei, FGG-Telescopio Nazionale Galileo, La Palma, Isole Canarie nell'ambito dei pianeti extrasolari.

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