Perché la notte è buia?

[Tomás de Torquemada]

PERCHÉ LA NOTTE È BUIA?
di Claudio Zellermayer

La domanda che pone il titolo può sembrare, ad un primo sguardo, molto banale. Se la si pone ad un bambino delle scuole elementari la risposta più prevedibile che possiamo ottenere è che di notte non c’è il Sole e la luce delle stelle è troppo debole per illuminare la notte.

Naturalmente la risposta non è così semplice, anzi per molto tempo la risposta a questa domanda ha creato una sorta di paradosso, un paradosso che ha smesso di essere tale quando la cosmologia ha fatto il suo ingresso tra le branche dell’astronomia. In queste poche righe si cercherà di dare un breve panorama storico sulla cosmologia per dare in definitiva una risposta scientifica al titolo di questo opuscolo.

Lido di Venezia. Notturno - Immagine tratta dal sito http://www.pandemia.info

Intanto è bene chiarire un primo concetto che riguarda il giorno e la notte.

Si è propensi a pensare che durante il giorno non si vedano le stelle fisse a causa dell’abbagliante luce solare. Niente di più sbagliato. La causa dell’invisibilità delle stelle fisse durante il giorno è da imputare alla presenza dell’atmosfera terrestre. I gas che compongono l’atmosfera della Terra hanno la capacità di diffondere in modo uniforme la luce che proviene dal Sole in modo tale che questa sembra arrivare da tutte le direzioni e non solamente dal Sole. Oltre a ciò il fenomeno della diffusione ci fa percepire il colore azzurro del cielo.

Una situazione analoga di diffusione, più limitata, la si prova guidando nella nebbia: le goccioline di nebbia sparpagliano la luce dei fari rendendo difficile l’illuminazione della strada. Di notte la luce solare non è presente quindi il fenomeno di diffusione o non c’è o è creato, ad esempio, dalla Luna. Chiunque avrà notato che nelle notti di Luna piena il cielo è rischiarato dalla sua luce. La luce della Luna, luce solare riflessa, è meno intensa e di conseguenza il fenomeno della diffusione si fa sentire di meno. Anche le luci artificiali delle nostre città subiscono l’effetto della diffusione rendendo difficile l’individuazione delle stelle meno luminose. Questo problema va sotto il nome di inquinamento luminoso. Se la Terra fosse priva della sua atmosfera, di giorno il cielo si vedrebbe nero e sarebbe possibile notare le stelle fisse. Osservando attentamente le fotografie fatte dagli astronauti sulla Luna si può notare che il cielo durante il giorno lunare è nero e sarebbe possibile vedere le stelle fisse. Gli astronauti sbarcati sulla Luna le hanno proprio viste durante il giorno lunare.

Il problema del perché la notte sia buia è un problema, come detto prima, cosmologico.

Siracusa. Notturno - Immagine tratta dal sito http://www.siciliasearch.com

Fintanto che il cielo veniva osservato ad occhio nudo, quindi senza strumenti ottici, la notte era buia a causa della fievole luce delle stelle e al loro numero limitato, sempre a prescindere dal conoscere il fenomeno di diffusione detto prima. I Greci e gli altri popoli antichi che si dedicavano all’osservazione del cielo erano convinti che le stelle fisse si trovassero tutte alla stessa distanza dalla Terra, incastonate in una sfera cristallina detta appunto delle stelle fisse. Di conseguenza le stelle visibili diventavano le uniche esistenti, perché questa concezione di universo aveva come limite tale sfera: l’universo dei Greci era finito. Nessuno si sognava di pensare che essendo la nostra vista limitata si potesse vedere un numero di stelle inferiore a quello esistente.

Con Galileo cominciano le sistematiche osservazioni del cielo col cannocchiale e appare subito evidente che le stelle sono in un numero enormemente più elevato di quanto fosse fino ad allora immaginato. Newton, nel ‘700 immagina uno spazio che si estende senza limiti dove le stelle sono corpi di natura analoga al Sole e le loro distanze possono valutarsi in base alla luminosità apparente. In questa concezione newtoniana di uno spazio infinito la quantità delle stelle doveva pure essere infinita.

Un altro concetto legato alla visione newtoniana dell’Universo è che le stelle devono anche essere distribuite uniformemente nel cielo, cioè la loro densità deve essere costante. Si aveva quindi un universo omogeneo ed isotropo. Se la Terra viene spodestata, dalla rivoluzione copernicana, dal suo punto privilegiato dell’Universo allora questo deve apparire uguale in qualsiasi suo punto, cioè non esistono punti di vista privilegiati all’interno dell’Universo. Naturalmente col termine Universo a cavallo tra il ‘700 e l’800 si intendeva la sola Via Lattea; ancora era di là da venire il concetto di galassie ed altri termini cari alla cosmologia di questo inizio secolo. Questi concetti di omogeneità (densità di stelle costante), isotropia e infinitezza dello spazio portarono al cosiddetto Paradosso di Cheseaux-Olbers. Arriviamo per gradi a capire questo apparente paradosso.

La luce di una qualsiasi fonte luminosa tende ad affievolirsi con la distanza della sorgente dall’osservatore: una lampadina da 100 watt ci fornisce molta luce se è posta al centro di una stanza mentre ci appare molto poco luminosa se la vediamo ad un centinaio di metri da noi. Quando gli astronomi credevano che le stelle fossero tutte uguali giudicavano le distanze di esse dalla Terra in base all’affievolimento della loro luce.

Ora noi sappiamo che le stelle non sono fisicamente tutte uguali. L’affievolirsi della luce con la distanza è conseguenza del fatto che a distanze via via maggiori dalla sorgente luminosa la stessa quantità di luce deve illuminare una superficie maggiore. In termini matematici si dice che la luminosità cala con il quadrato della distanza dalla sorgente. In termini più pratici diciamo che se la distanza raddoppia allora la luminosità cala di quattro volte, se la distanza triplica, la luminosità cala di nove volte, se quadruplica cala di sedici volte e così via. Se le stelle che vediamo ad occhio nudo fossero le sole presenti allora il problema della notte buia sarebbe risolto: la luce delle stelle più distanti finirebbe per non essere percepita. Però la concezione di Universo descritta prima ci diceva che lo spazio è infinito ed anche le stelle sono in numero infinito. Se poi la densità delle stelle è costante allora il loro numero dovrà crescere con il volume di spazio considerato cioè, sempre in termini matematici, con la terza potenza della distanza. Ancora una volta, se raddoppia la distanza il volume cresce di otto volte, se triplica la distanza il volume cresce di 27 volte e così via. Se mettiamo insieme questi due concetti otteniamo il paradosso in questione.

Michelangelo, La notte - Immagine tratta dal sito http://www.oraculartree.com

La luce delle stelle cala secondo una certa legge con la distanza però il loro numero cresce con un’altra legge sempre con la distanza. Le due leggi sono diverse nel senso che il numero delle stelle aumenta più velocemente con la distanza di quanto cali la loro luce con la distanza stessa. Facendo un semplice conto (che non si fa qui) risulta che complessivamente la luminosità delle stelle cresce in modo proporzionale con la distanza: al raddoppiare di essa la luminosità raddoppia, al suo triplicare la luminosità triplica e così via. Se l’universo è infinito allora la luminosità deve pure essere infinita e di conseguenza di notte il cielo dovrebbe essere più luminoso che di giorno. La luce delle stelle fisse dovrebbe offuscare la luce del Sole! Questo è il paradosso in questione.

Dato che noi vediamo la notte buia ci deve essere da qualche parte in questo ragionamento appena fatto un errore. Per capire perché il paradosso di Cheseaux-Olbers non è un paradosso (e quindi trovare l’errore) si deve aspettare i primi anni di questo secolo e la nascita della moderna cosmologia.

I concetti di universo extragalattico come noi ora sappiamo sono legati ad una serie di scoperte osservative e teoriche datate intorno agli anni ‘20.

Le osservazioni fatte con telescopi via via migliori mostravano tra i vari oggetti celesti delle “nebulose a spirale” chiamate così perché apparivano proprio come nebulosità biancastre a forma di spirale. L’avvento della fotografia astronomica migliorava di molto la definizione dei particolari mettendo in mostra sempre meglio la forma spiraleggiante di questi corpi celesti. Noi oggi le chiamiamo galassie. Tuttavia in quegli anni il problema che assillava gli astronomi era capire dove fossero situate queste nebulose a spirale: dentro o fuori la Via Lattea?

Per capire ciò era necessario avere un metodo di misura delle distanze di questi oggetti. Misurare le distanze astronomiche, data l’impossibilità di percorrerle, è un problema piuttosto serio, anche oggi. Per misurare le distanze delle galassie si usa un metodo che richiama i concetti di affievolimento della luce espressi prima. Se è possibile distinguere nella galassia di cui si vuole misurare la distanza una stella particolare di cui già si conosce la sua luminosità intrinseca, cioè legata alla sua natura fisica, ecco che eufemisticamente il gioco è fatto.

Tornando all’analogia della lampadina, in commercio non esistono solo lampadine da 100 watt quindi se in un qualche modo si capisce che tipo di lampadina stiamo vedendo allora possiamo, dall’affievolirsi della luce, valutare la distanza. Capire che lampadina stiamo vedendo è fondamentale: una luce fievole può arrivare da una lampadina da 100 watt posta a grande distanza o da una lampadina da 25 watt posta a distanza minore!

Tornando all’astronomia, esistono delle stelle chiamate Cefeidi che per la loro natura fisica si riconoscono dalle altre quindi basta trovare una Cefeide in una galassia di cui si desidera misurare la distanza ed ecco che il problema è più o meno risolto. Nel 1917 un astronomo americano scoprì questo metodo di misura e verso il 1924 l’astronomo Hubble vide delle cefeidi nella galassia di Andromeda e ne valutò la distanza.

Roma. Il colosseo di notte - Immagine tratta dal sito http://www.brics.dk

Tutto ciò fu possibile anche grazie alla costruzione di un telescopio con uno specchio di 2,5 metri di diametro: per l’epoca era il migliore al mondo. Le misure di Hubble della distanza di Andromeda e di altre galassie mostrarono che esisteva un universo extragalattico perché le distanze misurate (seppure sottostimate) erano di gran lunga maggiori delle dimensioni della Via Lattea (nome con cui chiamiamo la nostra galassia). Le osservazioni di Hubble però non mostrarono solo questo. Analizzando la luce proveniente da oggetti celesti siano questi stelle, nebulose o galassie è anche possibile agli astronomi valutare le velocità di spostamento di questi oggetti: le stelle fisse non sono affatto fisse. L’analisi della luce delle galassie di cui Hubble misurava le distanze mostrava che questi oggetti si allontanavano gli uni dagli altri, come se fossero animati da un moto di espansione il cui centro fosse, ancora una volta, la Terra.

Casualmente e senza nessuna pretesa Hubble scoprì l’espansione dell’Universo e trovò anche una relazione matematica empirica di questa espansione: all’aumentare della distanza delle galassie l’espansione cresce in maniera proporzionale. In poco tempo la concezione dell’universo cambiò radicalmente: esisteva un universo al di fuori della nostra galassia e questo universo era dinamico, in espansione.

Contemporaneamente la cosmologia teorica tramite la teoria della relatività di Einstein mostrava che le osservazioni erano perfettamente compatibili con i vari modelli di universo che via via venivano trovati a livello teorico.

L’analisi della luce, detta anche spettroscopia, mostrava dunque un moto di espansione delle galassie tipiche cioè di quelle galassie che non mostravano altri movimenti dovuti alla forza gravitazionale che agisce all’interno di un ammasso di galassie. Tutto ciò si traduce in un cambiamento della luce degli oggetti che sono in allontanamento da noi. Cerchiamo di spiegare un po’ meglio questo concetto che va sotto il nome di “redshift cosmologico”.

Gli astronomi sono capaci di valutare gli spostamenti delle sorgenti di luce tramite il noto “effetto Doppler”. Tale effetto si manifesta per tutti i fenomeni ondulatori quindi anche per le onde sonore. Sarà capitato a tutti di sentire, durante il sopraggiungere di un’ambulanza o di un treno, che il fischio o la sirena cambiano la loro frequenza col movimento della sorgente del suono: è acuto quando si avvicina alle nostre orecchie, è greve quando se ne allontana. Anche la luce, che ha anche un comportamento ondulatorio, subisce lo stesso effetto solo che invece di un suono che cambia qui è il colore a cambiare. Se la stella si sta avvicinando a noi la sua luce tenderà ad essere leggermente più blu (questo lo si deduce dal suo spettro) e gli astronomi chiamano ciò “blueshift” o spostamento verso il blu; se la stella si sta allontanando la sua luce sarà un po’ più rossa, quindi “redshift” o spostamento verso il rosso. Se la sorgente in allontanamento è una galassia che partecipa al moto di espansione dell’universo allora avremo il redshift cosmologico citato prima.

Napoli. Notturno - Immagine tratta dal sito http://www.posillipodream.it

Per non perdere il filo del discorso sul paradosso di Cheseaux-Olbers vediamo perché non è un paradosso utilizzando una serie di concetti cosmologici e relativistici.

Si diceva prima che dato che la notte è buia ci doveva essere un difetto nel ragionamento della luminosità delle stelle che cresce all’infinito. I difetti sono addirittura due.

* l’Universo non è infinito seppure illimitato
* il contributo alla luminosità non è costante

1) Sappiamo dalla relatività di Einstein che la luce viaggia alla velocità di 300.000 km/sec e che tale velocità è un limite invalicabile della natura: nessun corpo materiale può superare tale limite e nemmeno raggiungerlo, solo la luce può raggiungere tale limite. Allora se l’espansione dell’Universo ne decreta una sua origine (la teoria del Big Bang) noi non possiamo vedere oggetti più lontani di una certa distanza data dal prodotto della velocità della luce ed il tempo di vita dell’Universo. Se anche l’universo fosse infinito, la velocità di propagazione della luce pone un limite a ciò che può essere visto.

2) Data la validità della legge di Hubble, necessaria nei modelli teorici di Universo ricavati dalla relatività generale, risulta allora che le galassie più lontane hanno velocità di allontanamento sempre maggiori e per effetto del redshift cosmologico la loro luce tende ad essere più rossa rispetto ad analoghe galassie più vicine. Non solo. L’affievolimento della luce a causa dell’espansione dell’universo è più consistente dell’aumento del numero delle galassie con l’aumentare del volume. Il problema del paradosso era che in un universo infinito il numero di sorgenti luminose cresceva di più dell’affievolimento della loro luce con la distanza.
L’espansione dell’Universo rovescia questa situazione rendendo più consistente l’affievolimento della luce rispetto all’aumentare degli oggetti luminosi. Ecco perché più ci si allontana dal nostro posto di osservazione e meno diventa determinante la luce degli oggetti più lontani. Il paradosso di Cheseaux-Olbers non è più un paradosso perché la moderna cosmologia ha mostrato e continua a mostrare una immagine dell’Universo totalmente diversa non solo da quella che potevano avere i Greci ma anche da quella di astronomi più moderni. Tutto ciò è stato possibile grazie da due linee di ricerca diversa ma strettamente legate. La cosmologia osservativa, avviata da Hubble con le sue misure di distanze ed analisi dello spettro della luce delle galassie ha reso evidente il moto di espansione dell’Universo oltre a mostrare proprio un universo extragalattico. La teoria generale della relatività di Einstein è stato invece lo strumento teorico per la descrizione del comportamento della materia nell’Universo.

Naturalmente la storia della cosmologia non si ferma qui, dato che è una disciplina in continua evoluzione, tuttavia per gli scopi di queste poche righe è bene fermarsi per poter riflettere su una serie di concetti, forse nuovi a qualcuno, che non sempre sono di immediata assimilazione.

Monografia n.30-1998/9


Dal sito http://www.racine.ra.it - Pagina Web http://www.racine.ra.it/planet/testi/olbers.htm

[Silvia]

Anche Edgar Allan Poe s'interessò al buio della notte. Nella sua conferenza sull'universo tenuta a New York nel 1848, e poi pubblicata con il titolo di "Eureka: a prose poem", affermò (testualmente): "... se la successione delle stelle fosse infinita, lo sfondo del cielo ci apparirebbe uniformemente luminoso, poiché non vi potrebbe essere nessun punto in tutto quello sfondo in cui non esistesse una stella..."

E poi: "... percepiamo l'isolamento del nostro universo, la solitudine di tutto quello che afferriamo con i sensi. Sappiamo che esiste un ammasso degli ammassi, e che probabilmente questo ammasso degli ammassi non è che una successione interminabile di ammassi degli ammassi o di universi più o meno simili..." in cui la distanza progredisce in tal modo "che la diffusione della luce è tale da non impressionare le nostre retine..."

E aggiunge fascinosamente: "... Forse non esiste affatto
un'emanazione simile alla luce in quei mondi indicibilmente lontani..."

[uqbar (POL)]

In Origine Postato da Silvia


E aggiunge fascinosamente: "... Forse non esiste affatto
un'emanazione simile alla luce in quei mondi indicibilmente lontani..."

La luce non è solo quella che i nostri occhi riescono a percepire.
Anzi, quella che riescono a percepire gli occhi è una piccolissima parte dell'intero spettro.

C'è un aspetto che appare davvero misterioso nei raggi X (che è luce) ed è che alcune persone (rarissime, statisticamente ce ne saranno non più di 100 in tutto il mondo) riescono a vederli.

La luce più affascinante è quella emessa "a freddo" direttamente dagli atomi come le lampade al neon o i laser.

[Tomás de Torquemada]

In Origine Postato da uqbar
La luce non è solo quella che i nostri occhi riescono a percepire.
Anzi, quella che riescono a percepire gli occhi è una piccolissima parte dell'intero spettro.

C'è un aspetto che appare davvero misterioso nei raggi X (che è luce) ed è che alcune persone (rarissime, statisticamente ce ne saranno non più di 100 in tutto il mondo) riescono a vederli.

La luce più affascinante è quella emessa "a freddo" direttamente dagli atomi come le lampade al neon o i laser.

Interessantissimo, non sapevo che ci fosse chi percepisce i raggi X a occhio nudo... Disponi di altre notizie a tal proposito? :)

Certo, a colui che fosse perfettamente sensibile ai medesimi il cielo notturno apparirebbe molto diverso... Ecco la Via Lattea "fotografata" ai raggi X...

Immagine tratta dal sito http://www.cassiopeaonline.it

Le radiazioni sono concentrate in gran parte nella zona centrale della galassia, laddove si son verificati - o ci sono ancora - "eventi violentissimi ad altissima temperatura".

[uqbar (POL)]

In Origine Postato da Tomás de Torquemada
Interessantissimo, non sapevo che ci fosse chi percepisce i raggi X a occhio nudo... Disponi di altre notizie a tal proposito?

Purtroppo non ricordo la rivista che riportava questa notizia ....comunque si trattava di una fonte seria e scientifica ... molto probabilmente Scientific American.
Riguardava dei casi di visione da apparecchiature di diagnosi medica .... le comuni lastre.

[Tomás de Torquemada]

In Origine Postato da uqbar
Purtroppo non ricordo la rivista che riportava questa notizia ....comunque si trattava di una fonte seria e scientifica ... molto probabilmente Scientific American.
Riguardava dei casi di visione da apparecchiature di diagnosi medica .... le comuni lastre.

Grazie lo stesso! Se ti ricapitasse la notizia sotto mano, facci sapere...

La galassia a spirale M31 ai raggi X - Immagine tratta dal sito http://www.astropa.unipa.it

[Tomás de Torquemada]

Perché la notte é buia?
di Marco Bersanelli
L'abisso nero del cielo, oltre le stelle e le galassie, porta il segno dell'origine. Un astrofisico fa il punto sulle ricerche cosmologiche più avanzate. Trattando il suo oggetto con serietà, la scienza si imbatte in un fattore che deve riconoscere come «oltre». Glielo impone la fedeltà al metodo

Perché la notte è buia?». Pare una di quelle domande di un bimbo di tre o quattro anni, che di fronte a qualunque cosa non sa trattenere quella strana paroletta: «perché?». Eppure, presa sul serio, questa domanda porta a conseguenze notevoli per la comprensione della struttura dell'universo su grande scala e sulla sua evoluzione nel tempo. In altre parole, è una domanda cosmologica. La cosmologia è il ramo dell'astrofisica che ha come oggetto (unico, per definizione) l'intero universo fisico. La cosmologia non ha come scopo lo studio dei pianeti, le nebulose, le stelle o le galassie; bensì l'insieme di tutte queste cose.

Sulla domanda del nostro bambinetto ha riflettuto seriamente Olbers nel 1826. Egli si rese conto che se l'universo fosse infinito e riempito in modo più o meno uniforme di sorgenti luminose (stelle, galassie), allora il fondo del cielo invece che nero ci dovrebbe apparire luminoso, tanto brillante quanto la superficie del sole, e la temperatura ovunque nell'universo sarebbe di migliaia di gradi. Sarebbe un universo davvero poco ospitale. Ma evidentemente, e per fortuna, le cose non stanno così.

Circa un secolo dopo, nel 1929, Hubble fece la scoperta che può essere considerata la base della cosmologia moderna. Hubble osservò con grande cura e tenacia le galassie più distanti osservabili con i telescopi allora disponibili, e di ciascuna misurò la distanza e la velocità. I risultati del suo studio mostravano un fatto sconvolgente: le galassie si allontanano le une dalle altre con una velocità tanto più grande quanto maggiore è la loro distanza reciproca. Per cogliere la situazione possiamo immaginare un palloncino gonfiabile, tutto giallo con dei piccoli pois rossi. Quando il palloncino viene gonfiato, i puntini rossi si allontanano gli uni dagli altri proprio come le galassie nell'universo. È nella natura stessa dello spazio (palloncino giallo) il fatto di non essere una realtà statica, ma in continua espansione. In un certo senso le galassie sono «ferme» nello spazio (come i pois sono fissati sulla plastica gialla), ma lo spazio nel quale si trovano si dilata.

Così Hubble scoprì il primo fondamentale fatto che, sommato a una grande quantità di altre evidenze accumulate dalla ricerca astrofisica negli ultimi 60 anni, ha rivoluzionato la nostra visione cosmologica: l'universo fisico nel suo insieme non è una realtà statica ed immutabile, ma è in moto. Viviamo in un cosmo che muta nel tempo, che ha un passato, un futuro, una storia. Il fatto che il cosmo debba essere guardato come una realtà in movimento rende piena giustizia alla parola «uni-verso»: suggerisce che l'unità del tutto è convogliata in una direzione, verso uno scopo.

Londra, Notturno - Immagine tratta dal sito http://www.raybowers.com/

La scoperta fondamentale di Hubble è all'origine del modello del Big Bang, proposto per la prima volta da George Gamow nel 1946. Se l'universo si espande significa che nel passato la stessa quantità di energia e materia doveva essere contenuta in un volume più piccolo. Di conseguenza la temperatura e la pressione dovevano essere sempre più grandi via via che ci spingiamo indietro nel passato. Il grande esercizio della cosmologia moderna è dunque quello di studiare la fisica dell'universo andando a ritroso nel tempo cosmico, considerando situazioni sempre più estreme di densità e temperatura.

Ma, se le cose stanno così, a che punto siamo di questa storia cosmica? Dalla osservazione della velocità con cui si espande è possibile calcolare l'età dell'universo: esiste un tempo finito nel passato in cui la distanza tra due punti qualunque dello spazio (due puntini rossi sul palloncino) tende a zero. Questo tempo corrisponde a circa 15 miliardi di anni fa.

Alla fine degli anni Quaranta, a conclusione di un originalissimo studio teorico, Gamow e i suoi due studenti Alpher e Hermann si convinsero che poteva essere rinvenuta una traccia diretta dell'esistenza di una fase iniziale della storia dell'universo caratterizzata da una altissima temperatura. I loro risultati avevano portato a prevedere l'esistenza di un residuo di energia, oggi debolissima ma ancora osservabile, proveniente direttamente dal bollente universo primordiale. Ma ci volle un puro imprevisto perché la verità emergesse.

Non erano i tempi di Internet o di World Wide Web, sicché non molti vennero a sapere dei lavori di Gamow. Di sicuro non ne sapevano niente, quindici anni dopo, Penzias e Wilson del Bell Laboratory, che stavano facendo dei test su una grossa antenna per telecomunicazioni. Nel corso delle loro misure registrarono un modesto «eccesso di segnale». I due scienziati non trascurarono questo fatto apparentemente marginale, ma lo guardarono dritto in faccia. Inizialmente attribuirono il fenomeno a un difetto della loro antenna. Una attenta analisi, tuttavia, mostrò che né gli strumenti né sorgenti astronomiche note potevano spiegare quell'effetto. Penzias menzionò l'episodio a un suo amico dell'università di Princeton, il quale gli suggerì la possibilità che si trattasse di un segnale di origine cosmologica, come Gamow aveva previsto. Fu in questa maniera che Penzias e Wilson si resero conto di aver captato per la prima volta quello che è stato chiamato l'eco del Big Bang, una traccia diretta dell'universo primordiale, e che ha fatto fare un balzo incredibile alla cosmologia negli ultimi trent'anni. Per questa scoperta nel 1978 Penzias e Wilson ricevettero il premio Nobel.

Per capire meglio di che si tratta basta guardare un oggetto qualunque. Per esempio, il vaso di fiori che sta di fronte a me, a tre metri di distanza. Siccome la luce viaggia a 300 mila chilometri al secondo, la luce che parte dal vaso di fiori in un dato istante raggiungerà i miei occhi un centomilionesimo di secondo dopo: un tempo molto piccolo, nessuno se ne accorge, neanche i più pignoli. Se ora alzo lo sguardo e vedo la luna, la luce che vedo è partita effettivamente dalla luna circa un secondo fa. Nel caso del sole il ritardo è di 8 minuti. Noi vediamo le cose come erano nel passato, con un ritardo tanto più pronunciato quanto più distante è l'oggetto: dobbiamo concedere alla luce il tempo di attraversare la distanza che ci separa da esso. Noi oggi vediamo le stelle come erano decine, centinaia, o migliaia di anni fa. Le galassie sono tanto distanti che la luce ha impiegato molti milioni di anni per raggiungerci. Le galassie più distanti ci mandano un segnale che è partito oltre 10 miliardi di anni fa. Se andiamo oltre, il messaggio che riceviamo proviene da un passato così profondo che le stelle e le galassie ancora non avevano avuto il tempo di formarsi ed emettere la loro energia: è questo che spiega perché il cielo è oscuro! Infine, dal fondo «ultimo» del cielo riceviamo una immagine di come l'universo era nella sua prima infanzia, circa 15 miliardi di anni fa. A causa dell'espansione dell'universo, l'energia che oggi riceviamo è molto inferiore a quella emessa in quel lontano passato: essa è equivalente a una temperatura di circa 3 gradi sopra lo zero assoluto. Questo è il segnale che Penzias e Wilson hanno registrato: una sorta di luce fossile (il «Fondo Cosmico») che ha viaggiato per 15 miliardi di anni prima di raggiungerci, e che perciò ci porta un messaggio diretto sulle condizioni fisiche dell'universo primordiale. L'abisso nero del cielo, oltre le stelle e le galassie, porta il segno dell'origine.

Parigi, Notturno - Immagine tratta dal sito http://home.att.ne.jp/

A causa della estrema debolezza del segnale cosmico gli esperimenti possono essere fatti solo da regioni isolate - per evitare interferenze - e con una atmosfera particolarmente trasparente (come certe montagne desertiche o il centro dell'Antartide). Le condizioni ideali per queste misure sono però date dallo spazio. Nel 1992 il satellite Cobe ha fatto la prima vera e propria mappa globale dell'universo primordiale, misurando con grande sensibilità il «Fondo Cosmico» in tutte le direzioni.

Dunque la regione più estrema che possiamo direttamente osservare corrisponde a un'epoca in cui l'età dell'universo era circa un ventimillesimo di quella attuale: se paragoniamo l'età dell'universo attuale all'età di un adulto di 50 anni, ciò equivale alle prime 20 ore di vita. Osservazioni dirette di quanto è avvenuto prima non sono possibili, perché in epoche precedenti la temperatura era tanto elevata da sbriciolare gli atomi in protoni ed elettroni. In queste condizioni l'universo è opaco: la luce non può attraversare liberamente lo spazio. È come se ci fosse un velo sui primissimi drammatici avvenimenti. Ma anche dietro il velo, indirettamente, qualche forma si intravede. Ci sono vari fenomeni fisici accaduti nei primissimi minuti di vita dell'universo che sono noti e descrivibili con ragionevole sicurezza, le cui tracce indirette sono osservabili tutt'oggi. In particolare, dopo circa 3 minuti di espansione, il miscuglio uniforme di particelle e di radiazioni che riempiva l'universo doveva avere una temperatura di circa un miliardo di gradi, e si trovava in condizioni del tutto analoghe a quelle esistenti all'interno di un nucleo stellare: come se l'universo, per un certo breve periodo, si fosse trovato in una fase di «stella totale». In quella fase primordiale le stesse reazioni termonucleari che oggi fanno risplendere il nostro sole devono aver prodotto elio e altri elementi leggeri secondo quantità che possono essere valutate con calcoli accurati. Ebbene, le osservazioni astronomiche confermano la presenza di una componente cosmologica di elementi leggeri secondo le abbondanze previste. Questo fatto è un altro dei pilastri osservativi fondamentali che sostengono l'attuale ricostruzione cosmologica.

Andando a tempi ancora più primordiali (e quindi a energie ancora più elevate) lo studio della cosmologia si connette in modo forte con le conoscenze che derivano dall'infinitamente piccolo: la fisica delle particelle elementari. Infatti, quando i fisici fanno scontrare, ad esempio, fasci di protoni e antiprotoni ad alta energia, in un grande acceleratore di particelle, riproducono in un piccolissimo volume condizioni simili a quelle che dovevano esistere ovunque nell'universo primordiale. Negli anni più recenti si sono formulate ipotesi teoriche che descrivono le primissime frazioni di secondo di vita dell'universo, quando le dimensioni dell'attuale universo osservabile dovevano essere circa quelle di una arancia.

Dunque l'universo ha una storia, e come ogni storia anche quella cosmica sembra avere avuto un punto di partenza. Questo è, in estrema sintesi, l'ipotesi per il futuro. Tuttavia, alla domanda: «Che cosa accadde all'inizio?» la cosmologia non dà risposte. Via via che ci avviciniamo a quel punto limite le variabili fisiche che usiamo per descrivere l'universo assumono valore infinito, e le equazioni su cui ci siamo appoggiati per compiere tutti i passi intermedi che ci hanno fatto giungere fino a questo punto perdono di significato. Lo spazio e il tempo, e con essi l'energia (di cui la materia è una forma) sembrano emergere da un evento alle soglie del quale la scienza ci conduce, ma che la scienza non afferra. È uno di quei punti di frontiera in cui la scienza, trattando il suo oggetto particolare con serietà e secondo il proprio metodo, va a cozzare contro un fattore della realtà che essa stessa, per rimanere coerente, deve riconoscere come «oltre», come «inconcepibile». Questa situazione caratterizza sempre la conoscenza scientifica, ma forse emerge in modo più suggestivo quanto più è «fondamentale» l'oggetto in questione. Del resto ciò non riguarda solo l'origine della realtà fisica nel senso cosmologico (storia e passato), ma anche l'origine della realtà fisica nel presente. Se torno a guardare il vaso di fiori che ho nella mia stanza, sono ancora davanti allo stesso mistero: di che cosa è fatto?

Dal sito http://www.pubblinet.com/