L’Astronomia è una scienza che deve fare i conti con scale spaziali e temporali straordinariamente ampie. E’ diversa da altre aree di ricerca, dove è possibile condurre esperimenti in laboratorio, manipolarli, e verificare i risultati in tempi brevi.
I fenomeni astronomici spesso si sviluppano in archi temporali molto più lunghi della vita umana, hanno luogo molto lontano da noi, e certamente non possono essere manipolati dagli sperimentatori! Le uniche eccezioni sono le analisi sui campioni provenienti da alcune regioni del sistema Solare, prelevati con missioni spaziali (come i campioni del suolo lunare) o che sono arrivate sulla Terra come meteoriti.
Ma in ogni caso, ci limitiamo a “regali” che appartengono solo al nostro Sistema Solare. E cos’è il nostro piccolo Sistema Solare nella vastità del cosmo?
I limiti spaziotemporali possono essere particolarmente critici per i cosmologi, gli studiosi dell’Universo che si occupano anche di avvenimenti accaduti miliardi e miliardi di anni fa. Però l’Astronomia ha strumenti potenti a suo vantaggio, che consentono di guardare lontanissimo, e può inoltre avvalersi di un “trucco naturale”, offerto dalla fisica, che permette agli esseri umani di sbirciare nel passato.
Gli strumenti potenti per guardare lontano sono i moderni telescopi, capaci di captare non solo la luce visibile, ma anche altri tipi di radiazione elettromagnetica, come l’infrarosso, le microonde o le onde radio. La potenza degli strumenti osservativi si può aumentare notevolmente collegando diversi telescopi insieme, un metodo detto interferometria.
Fondamentali per la cosmologia, ma non solo, sono infine i telescopi spaziali, posizionati in orbita attorno alla Terra o al Sole. Liberi dall’inquinamento luminoso delle nostre città, ma soprattutto senza l’offuscamento delle immagini dovuto all’atmosfera terrestre, i telescopi spaziali possono offrirci immagini nitide e precise di oggetti e fenomeni lontanissimi.
A questi strumenti, di più immediata comprensione per tutti, ormai si accostano anche dispositivi ad alta tecnologia, come i rilevatori di neutrini e di onde gravitazionali. Essi non ci offrono immagini, tuttavia possono aiutarci a captare, e a decifrare, informazioni portate a noi da messaggeri che finora sono rimasti elusivi.
Come detto, gli astronomi possono anche guardare indietro nel tempo. Non in senso figurato, ma assolutamente letterale. E c’è di più! Non solo gli astronomi, ma tutti noi lo facciamo, ogni volta che scrutiamo il cielo. Il “trucco” sta nella velocità finita della luce.
Teniamo presente che l’astronomia e la cosmologia devono affidarsi prevalentemente a informazioni ricevute tramite radiazioni elettromagnetiche emesse da oggetti lontani. Queste informazioni viaggiano naturalmente alla velocità della radiazione elettromagnetica, cioè la velocità della luce (300.000 km al secondo circa), come detto nel capitolo dedicato all’Energia.
Questa velocità, anche se a noi sembra elevatissima, non è comunque infinita. Anche la luce quindi impiega del tempo a percorrere lunghe distanze. 300.000 km sono un’inezia al confronto con la vastità del Cosmo. La durata del viaggio, ovviamente, dipende dalla distanza da cui l’informazione è partita. Questa caratteristica della luce ha un’implicazione fondamentale: le informazioni ci arrivano in ritardo, e quando noi le osserviamo, non sono più aggiornate.
Rimaniamo nel nostro sistema solare. Il Sole, la nostra stella, si trova a circa 150 milioni di km dalla Terra (praticamente appiccicato a noi, considerando le distanze cosmiche). I fotoni vengono emessi dalla superficie del Sole e dispersi nello spazio circostante. Quelli che vediamo con i nostri occhi, o che sentiamo sulla pelle, hanno quindi percorso quasi 150 milioni di km per raggiungerci. E’ semplice calcolare che per la luce, il viaggio è durato circa 8 minuti. In altre parole, noi vediamo il Sole com’era 8 minuti prima. Quindi, se il Sole sparisse magicamente di colpo, noi lo sapremmo solo dopo 8 minuti!
Nota: e c’è anche di più… ricordate quanto detto sul tessuto spazio temporale? L’invalicabilità di “c” vale anche per l’attrazione gravitazionale. In virtù di questo, anche senza Sole, la Terra continuerebbe il suo regolare percorso orbitale per altri 8 minuti, prima di partire alla deriva. Pazzesco eh?
Se estendiamo questo trucco all’osservazione di oggetti più lontani, l’effetto sarà molto più rilevante. A seconda della loro distanza da noi, vedremo questi oggetti com’erano migliaia, milioni, o addirittura miliardi di anni fa! Questo offre agli studiosi l’opportunità di assistere, letteralmente, a ciò che è accaduto in passato. Confrontando oggetti simili a distanze diverse, inoltre, è possibile ricostruirne l’evoluzione, e quindi comprendere sempre meglio la storia dell’Universo e dei suoi abitanti.
A proposito: tutti conosciamo il termine “Anno Luce”, ma qualcuno fa un po’ di confusione con il suo significato. L’Anno-Luce è una unità di misura spaziale, e non temporale. Per esprimere le distanze in astronomia, il chilometro è generalmente troppo piccolo. Dovremmo utilizzare cifre con troppi zeri, e non ci capiremmo più nulla! La velocità della luce intesa come costante, ci semplifica notevolmente la vita. Si dice allora, ad esempio, che Proxima Centauri, la stella più vicina alla Terra, dista 4 Anni Luce da noi. Ciò significa che si trova alla distanza che la luce percorrerà in 4 anni. Tempo fa scrissi un articolo sulla consapevolezza delle distanze. Se vi va, dateci un’occhiata prima di proseguire 🙂
Per riassumere, la presenza di tecnologie sofisticate e le proprietà della luce costituiscono davvero un’accoppiata vincente. Scrutiamo sempre più lontano, e quindi sempre più indietro nel passato.
Ma esiste un limite a quanto lontano nello spazio e nel tempo possiamo osservare? In realtà sì. Occorre sempre ricordare che le informazioni di cui disponiamo in astronomia sono trasportate tramite l’energia elettromagnetica. Ciò implica che i fotoni devono poter viaggiare da un luogo all’altro per raggiungere l’osservatore.
Oggi i fotoni si propagano senza problemi nello spazio, e lo fanno da miliardi di anni. Tuttavia, non è sempre stato così facile. Nell’Universo primordiale, infatti, la materia era così calda e densa da non permettere ai fotoni di muoversi liberamente.
Quando la densità e le temperature sono scese a sufficienza, dopo circa 380.000 anni dal Big Bang, i fotoni hanno potuto finalmente circolare, e trasportare le informazioni. Questi fotoni rappresentano la radiazione più antica che esiste, quella prodotta dal Big Bang stesso. E noi possiamo rilevarla ancora oggi! Viene chiamata radiazione cosmica di fondo, e permea l’Universo come radiazione nel microonde. La radiazione cosmica di fondo è una delle prove schiaccianti a favore della teoria del Big Bang, ed è anche una scoperta straordinariamente affascinante. Ma niente fretta! Ne parleremo in dettaglio nei prossimi appuntamenti.
A partire dal prossimo capitolo, infatti, ci tufferemo nell’Universo primordiale. Conosceremo meglio il Modello Cosmologico Standard e racconteremo, tra l’altro, di come la radiazione cosmica di fondo sia stata prima prevista dagli studiosi in base a modelli teorici, della sua scoperta quasi casuale, e delle sue implicazioni.
La rapidissima panoramica che abbiamo fornito finora ci sarà molto utile per iniziare a comprendere la storia del Cosmo, partendo dall’inizio dell’inizio.
E allora… tuffiamoci!
Approfondimenti:
Bene! Questa volta tutto liscio, grazie e alla prossima...
@Francesca Diodati è azzardato dire che l'universo che vediamo rappresenta una realtà soggettiva, cioè legata all'informazione che ci raggiunge con la velocità della luce? Sarebbe, per esempio, possibile ricostruire l'universo come potrebbe ipoteticamente essere ad oggi?
Umm, un bel quesito, forse possiamo immaginare quello che succederà intorno a noi in termini di tempo relativamente breve, per esempio si ipotizza che Vega dovrà essere la prossima stella polare di riferimento, immaginare che nel frattempo si sia pure estinta e non ci sia neanche non saprei, forse cominciamo a designare qualche altro paradosso...
una cosa è sicura: avere dei limiti è proprio un grande vantaggio in questo caso; questa "differita" cosmica progressiva (anzi regressiva) è proprio il fattore che ci ha permesso di studiare,conoscere e confermare l'evoluzione di processi che non potremmo mai percepire non solo nel corso di una vita umana ,ma neanche nei pochi secoli di evoluzione scientifica e tecnologica...viva la velocità (finita) della luce
Ogni volta che alziamo gli occhi al cielo facciamo un viaggio nel tempo. Questa consapevolezza da sola basta per risollevare il morale dopo una brutta giornata. Guardi in su e sei solo nell'universo mentre guardi un film vecchio di milioni di anni. Da brividi
Mi sembra che questo: https://www.ted.com/talks/henry_lin_...far_away#t-326 possa essere in tema.