Da Galileo all'universo in espansione

Quattrocento anni fa Galileo Galilei, puntando il suo telescopio verso il cielo, avviò una straordinaria rivoluzione scientifica, una rivoluzione che ha avuto luogo a ritmo accelerato e che prosegue tuttora.
Sulla Luna - di cui Galileo osservò crateri e montagne - si è posato quarant'anni fa il piede dell'uomo, mentre i pianeti sono divenuti oggetto di studio in situ da parte di sonde automatiche, le quali, nell'esplorazione del Sistema Solare, hanno, ad esempio, inviato dati preziosi e immagini spettacolari dei quattro satelliti "galileiani"di Giove (Io, Europa, Ganimede, Callisto). La sonda Cassini è attualmente in orbita attorno a Saturno, dopo aver trasportato il modulo europeo Huygens che nel 2005 si è posato su Titano, la sua luna più grande, mentre in orbita attorno a Marte e sulla sua superficie operano diverse sonde americane ed europee, che hanno rivelato la presenza d'acqua e cercano eventuali tracce di vita. Anche al di là del Sistema solare il progresso scientifico e tecnologico, di cui il metodo galileiano è uno dei pilastri portanti, ha ampliato enormemente i confini dell'Universo osservabile. A partire dal 1995 gli astronomi hanno potuto disporre di strumentazione sufficientemente sensibile per rivelare pianeti in orbita attorno ad altre stelle. Oggi se ne conoscono più di trecento, con un numero in continuo aumento, ed è certo che in un futuro non lontano se ne scopriranno di simili alla Terra: si tratterà allora di capire se su alcuni di questi, come da noi, è nata la vita. Inoltre, fino al XIX secolo, le osservazioni astronomiche erano ristrette all'intervallo di onde elettromagnetiche percepibili dal nostro occhio (la "luce") e per le quali l'atmosfera terrestre è trasparente. Oggi abbiamo strumentazione sensibile a un vasto intervallo di lunghezze d'onda, da quelle radio e infrarosse a quelle X e gamma e, per superare l'ostacolo dell'atmosfera, inviamo telescopi e strumenti nello spazio. Possiamo qui menzionare soltanto alcuni fra i più importanti strumenti a partecipazione italiana: oltre naturalmente al Telescopio Nazionale Galileo alle Canarie, abbiamo i quattro telescopi con specchi da 8 metri di diametro che costituiscono il Very Large Telescope dell'European Southern Observatory in Cile e il Large Binocular Telescope (due specchi da 8 metri) in Arizona, mentre nello spazio orbitano il telescopio spaziale Hubble, i satelliti per osservazioni in banda X, Newton e Chandra, il telescopio nella banda infrarossa Spitzer e quello nella banda gamma Integral. Infine, nel XX secolo, la nostra visione del cosmo è stata rivoluzionata da un lato dalla teoria della Relatività (Ristretta e Generale) di Einstein, dall'altro dalla Meccanica Quantistica; teorie che rappresentano l'estensione nei domini dell'infinitamente grande e dell'infinitamente piccolo delle leggi della fisica classica, di cui Galileo è uno dei fondatori. A tale proposito, ricordiamo che la seconda legge della dinamica fu formulata da Newton proprio tenendo conto del principio di relatività di Galileo (non compatibile con la meccanica aristotelica!) e che proprio tale principio, esteso ai fenomeni elettromagnetici, è alla base della rivoluzione einsteniana.
Proprio grazie a questi sviluppi teorici gli astronomi hanno compreso che le stelle risplendono a causa delle reazioni nucleari che avvengono al loro interno e hanno potuto costruire modelli che descrivono la loro evoluzione. In un altro settore, quello dell'universo "invisibile", gli astronomi hanno scoperto oggetti sorprendenti, come le stelle di neutroni e i buchi neri. Inoltre, la cosmologia - ovvero lo studio dell'universo nella sua globalità - è divenuta una branca dell'astrofisica.
Negli ultimi decenni, in effetti, è stata progressivamente svelata la complessa e sorprendente struttura dell'universo. Se al tempo di Galileo la Terra era considerata dai più al centro dell'universo e all'inizio del XX secolo si riteneva ancora che il Sole fosse al centro della Via Lattea e che la Via Lattea fosse un sistema stellare isolato nello spazio vuoto, nella seconda metà degli anni Venti l'astronomo americano Edwin Hubble ha dimostrato che l'universo è popolato da sistemi stellari paragonabili alla Via Lattea.
Oggi sappiamo che la Via Lattea è un sistema stellare - la nostra Galassia - che rientra nella categoria delle galassie a spirale, con un disco stellare del diametro di circa 100.000 anni-luce (un anno-luce è la distanza percorsa dalla luce in un anno: dal momento che la luce viaggia nel vuoto a trecentomila chilometri al secondo, un anno-luce equivale a 10.000 miliardi di chilometri e la nostra Galassia ha dunque un diametro di un miliardo di miliardi di chilometri!). Assieme alla vicina grande galassia di Andromeda, situata a una distanza di due milioni e mezzo di anni-luce, e a una corte di galassie più piccole, alcune delle quali vengono attratte e inesorabilmente fagocitate dalle galassie più grandi, la Via Lattea è situata nel Gruppo Locale, che si trova in una struttura più grande, il Superammasso Locale, dominata dall'ammasso della Vergine, a una sessantina di milioni di anni-luce da noi (per ovvie ragioni ci asterremo dal convertire queste lunghezze in chilometri ). In generale le galassie sono distribuite nell'universo lungo strutture filamentari e planari, alle cui intersezioni si formano grandi ammassi e in mezzo alle quali si estendono vaste regioni vuote.
Una delle scoperte più sorprendenti dell'astronomia è stata quella dell'espansione dell'universo, divenuta evidente grazie a un altro lavoro dello stesso Hubble, pubblicato ottant'anni or sono, nel 1929. Nei decenni successivi e grazie ai diversi contributi di fisici ed astronomi ha preso forma la celebre teoria del Big Bang. Nel passato, a un istante che oggi sappiamo collocare a circa 13,8 miliardi di anni fa, l'universo si trovava in uno stato primordiale a densità e temperatura elevatissime. Durante i primi minuti ebbero luogo importanti reazioni nucleari che portarono alla formazione degli elementi più leggeri; queste reazioni cessarono quando, a causa dell'espansione, l'universo divenne troppo freddo. Gli elementi più pesanti, fra i quali quelli fondamentali alla vita come il carbonio, furono successivamente prodotti dalle stelle nel loro interno con le reazioni nucleari e diffusi nel mezzo circostante dalle supernovae, ovvero dall'esplosione delle stelle più massicce giunte all'esaurimento del loro combustibile nucleare. Trecentottantamila anni dopo il Big Bang, l'universo divenne "trasparente". Noi oggi possiamo osservare ciò che rimane della radiazione emessa a quell'epoca sotto forma di un segnale di fondo presente in ogni direzione del cielo, corrispondente a una temperatura inferiore ai tre gradi sopra lo zero assoluto (circa duecentosettanta gradi sotto lo zero della nostra comune scala di temperatura). Da una regione all'altra del cielo, però, ci sono delle piccole variazioni in questa temperatura, che corrispondono alle fluttuazioni di densità dalle quali hanno avuto origine le galassie. A loro volta, si ritiene che queste fluttuazioni derivino da fluttuazioni microscopiche dello spazio-tempo che furono amplificate da un'iniziale espansione esponenziale, detta "inflazione", di una piccola regione del vuoto primordiale ...
Nonostante i formidabili progressi che hanno permesso agli astronomi di avere l'affascinante quadro generale del cosmo in evoluzione che abbiamo brevemente descritto, rimangono ancora molti problemi aperti, alcuni di natura fondamentale, la cui soluzione potrebbe condurre nel XXI secolo a una nuova rivoluzione scientifica. In particolare, diverse osservazioni concordano nell'indicare che la materia a noi nota è una componente quasi trascurabile dell'universo. Circa un quinto della densità dell'universo è costituito da una forma di "materia oscura", ancora non identificata, e i tre quarti della densità da una forma di "energia oscura" che sta facendo attualmente accelerare l'espansione. Nuove osservazioni da Terra e dallo spazio, nuovi esperimenti a Terra (con il Large Hadron Collider del CERN a Ginevra) e nuovi sviluppi teorici potranno forse darci una risposta nei prossimi anni. Più in generale, notiamo che, come in passato, il progresso astronomico dipenderà anche in futuro dalla disponibilità di strumentazione sempre più avanzata. Sono in fase di preparazione telescopi e strumenti di nuova generazione, dei quali dobbiamo limitarci a citare pochi importanti esempi: il telescopio spaziale Hubble sarà sostituito il prossimo decennio da un telescopio più grande, dal diametro di 6,5 metri, il James Webb Space Telescope; l'European Space Agency sta per lanciare il satellite Planck che misurerà la radiazione cosmica di fondo con una precisione mai raggiunta finora; entreranno progressivamente in funzione a terra grandi reti di radiotelescopi (Low Frequency Array, Square Kilometer Array, Atacama Large Millimeter Array) che permetteranno di osservare l'universo all'epoca remota della formazione delle galassie; l'ESO realizzerà l'Extremely Large Telescope, con uno specchio da 42 metri di diametro.
Sottolineiamo che l'astronomia nazionale è oggi all'avanguardia e competitiva: i gruppi di ricerca italiani svolgono un ruolo di primo piano a livello internazionale, un ruolo che purtroppo sarà difficile da mantenere, se dovesse proseguire la miope politica dei sistematici tagli alla ricerca (di base e applicata) perseguita nel nostro Paese. In conclusione, nessuno, neppure Galileo, avrebbe potuto immaginare 400 anni fa quanti sorprendenti segreti del cosmo sarebbero stati svelati, così come nessuno è in grado di dire quali sorprese ci riserva ancora il futuro dell'astronomia.
Alberto Cappi e Luca Ciotti