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Indice

Introduzione                              7

Amici e colleghi                         13

Il viaggio e la circolazione delle idee  17

Le grandi scoperte degli anni '60        19

Le ultime scoperte                       37

Ritorno al principio                     45

Il futuro cosmico                        48

Il molto grande e il molto piccolo       58

Astronomia popolare                      61

La vita nello spazio                     64

Il nostro futuro nello spazio            70

Un altro Big Bang?                       77

Il futuro della vita                     88

Glossario                                94

 

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Il bisogno di studiare le sfere celesti è antico quanto il mondo. Credo che nasca dal desiderio di conoscere quello che c'è intorno a noi, oltre il nostro pianeta.

Così, mentre i geofisici rivolgono la loro attenzione allo studio della Terra, gli astrofisici cercano di spiegare - con minor successo, per il momento - quello che succede al di fuori dell'atmosfera.

Sebbene molti scienziati non siano interessati al cosmo in quanto tale, si preoccupano comunque di studiare le leggi basilari e le forze della natura. Per essi, è di fondamentale importanza poter verificare queste leggi fino al punto di rottura, mediante lo studio di situazioni cosmiche estreme, così da scoprire anche nuovi principi.

A partire dagli anni '60, le sorprendenti scoperte che abbiamo fatto ci hanno avvicinato sempre di più alla comprensione dell'universo, ma anche e soprattutto a quella della Terra, in quanto parte di esso.

La teoria dello stato stazionario

Sono state due le ragioni che mi hanno convinto, dopo appena un anno di specializzazione, a onorare l'astronomia come la disciplina nella quale avrei potuto soddisfare le mie esigenze di ricerca scientifica e, forse, raggiungere qualche interessante livello conoscitivo.

La prima è che ho avuto un ottimo supervisore: Dennis Sciama. All'epoca era docente a contratto nel Dipartimento di matematica, a Cambridge. Successivamente è stato a Oxford e poi a Trieste. Personalità entusiasmante e carismatica, era dotato di un eccezionale intuito e aveva esposto, in gioventù, una serie di interessanti idee cosmologiche. Non era soltanto un individuo dotato di una forte carica speculativa; era anche in grado di ispirare entusiasmo negli altri. Per questa sua caratteristica aveva attratto attorno a sé un gruppo di vivaci studenti, al quale riuscii a unirmi anch'io. Oltre a Stephen Hawking, c'erano George Ellis, Brandon Carter, Bill Saslaw e molti altri.

Sciama riusciva a stimolarci, ma anche a consigliarci, nei momenti in cui avevamo uno scambio di idee e durante la frequentazione dei corsi. Grazie anche alle sue indicazioni, riuscimmo a incontrare le personalità scientifiche giuste per il nostro sviluppo professionale. Stephen Hawking, ad esempio, su consiglio di Sciama, decise di frequentare un corso tenuto da Roger Penrose. Questa esperienza fornì a Stephen e a George Ellis l'impulso per approfondire le pionieristiche idee matematiche che Roger Penrose aveva introdotto nella nostra disciplina, infondendo così una nuova vitalità allo studio della relatività generale che, dopo la teorizzazione di Einstein, era divenuta un soggetto sterile, piuttosto al di fuori delle correnti principali della fisica e assai lontana dalle applicazioni pratiche. Fu proprio Penrose a introdurre quelle idee matematiche innovative che, negli anni '60, suscitarono una nuova ondata di interesse verso la relatività.

L'altra ragione, che mi ha convinto allo studio dell'astronomia, risiede nel fatto che, proprio durante gli anni del mio esordio, le osservazioni cosmologiche e astronomiche si svilupparono a dismisura, tanto che molti temi puramente speculativi entrarono nel campo dell'osservazione e della sfida.

In cosmologia era noto già dal 1929 che ci trovavamo all'interno di un universo in espansione, ma benché fossero state sviluppate numerose teorie, nessuna di queste aveva preso il sopravvento. C'era la teoria del Big Bang, risalente agli anni '20, e quella dello "stato stazionario"; teorie in corso di sviluppo che non potevano essere difese o confutate, giacché non si disponeva di alcun valido mezzo di osservazione. L'unico modo di escludere una teoria a favore di un'altra consisteva nell'osservare un oggetto sufficientemente lontano nello spazio, in modo da guardare indietro nel tempo, a una fase in cui si supponeva che l'universo fosse diverso. In pratica, questo significa che occorreva osservare oggetti distanti miliardi di anni luce. In realtà, fino agli anni '60, non ci fu modo di osservare oggetti così lontani, per tentare di capire se l'universo stava evolvendo o si trovava in uno stato stazionario.

Spesso, nella scienza, quando non ci sono prove, sono le opinioni a divenire fortemente esasperate, quasi come se fossero dei dogmi teologici. È ciò che in effetti accadde, negli anni '50, con la teoria dello stato stazionario, perché era stata proposta da tre mostri sacri della cosmologia: Fred Hoyle, Thomas Gold e Herman Bondi. Erano stati loro, alla fine degli anni '40, a proporre un universo che, benché in espansione, esisteva nel medesimo stato per l'eternità. Ciò avverrebbe in conseguenza del fatto che, mentre le galassie si allontanano l'una dall'atra in seguito all'espansione, nuove galassie si formano negli spazi vuoti. Quindi, nel suo insieme, l'universo apparirebbe sempre lo stesso e le galassie più vecchie si disperderebbero, mentre se ne formerebbero delle nuove.

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Nel 1965, Penzias e Wilson, nei loro laboratori statunitensi della società telefonica Bell, scoprirono che lo spazio intergalattico non era completamente freddo: l'intero universo è riscaldato a una temperatura di tre gradi sopra lo zero assoluto ed è pervaso da microonde molte deboli.

Nel 1990, John Mather e i suoi collaboratori, utilizzando il COBE, un satellite esplorativo della NASA, dimostrarono che lo spettro obbedisce ai principi di un "corpo nero", o "legge termica", con una precisione di uno su 10.000, esattamente come ci si aspetterebbe, se l'universo fosse davvero il risultato di una "palla di fuoco", risalente al periodo in cui era compresso in qualcosa di molto caldo, denso e opaco. L'espansione cosmica si sarebbe raffreddata, diluendo la radiazione e aumentando la sua lunghezza d'onda, ma essa sarebbe ancora presente nello spazio.

Quasi tutti, tra il 1965 e il 1966, passarono dalla teoria dell'universo stazionario a quella del Big Bang. Ci furono tuttavia altre prove che arrivarono proprio in quel periodo. Persino Sciama si convinse ad abbandonare la teoria dello stato stazionario, grazie anche a una ricerca che svolgemmo insieme. Come già detto, fino a qualche decennio fa non era possibile rilevare le galassie molto lontane, anche con i più grandi telescopi ottici allora disponibili.

Nel 1963, gli astronomi scoprirono degli oggetti, dotati di una luce visibile, molto più brillanti di intere galassie. Sembravano stelle, ma avevano spostamenti molto ampi verso il rosso, il che indicava grandi distanze e quindi l'espansione dell'universo. Questi oggetti furono chiamati quasar e, alla metà degli anni '60, ne erano state scoperte diverse dozzine. Alcuni presentavano spostamenti maggiori verso il rosso rispetto a qualunque galassia osservata.

Analizzando i primi quasar, Sciama ed io fummo in grado di dimostrare che la loro presenza a grandi distanze era quantitativamente superiore alle previsioni della teoria dello stato stazionario. Sciama riteneva questa prova più convincente di quelle basate sulle fonti radio, perché non si poteva mai essere certi che le fonti radio non identificate fossero galassie distanti, in quanto non eravamo in grado di vederle. Dopo l'abbandono della teoria dello stato stazionario, Sciama abbracciò con entusiasmo la teoria del Big Bang. Molto del lavoro che svolgemmo in seguito si fondò su questa sua nuova adesione.

La teoria di Einstein e i buchi neri

I quasar rappresentavano un mistero per gli astrofisici: emettevano più energia di un'intera galassia di stelle, a dispetto del fatto che erano assai più piccoli di una galassia e forse non più grandi del sistema solare. La maggior parte degli studiosi (Hoyle fu uno dei pionieri nello studio dei quasar) sospettava che la loro energia fosse prodotta dalla gravità; cosa che comporterebbe l'esistenza di una massa molto grande in uno spazio molto piccolo, di modo che l'energia di legame gravitazionale sia abbastanza alta. Simili realtà possono anche trasformarsi in buchi neri. Quindi, a partire dal 1963, ci si rese conto che la relatività generale di Einstein non era semplicemente una piccola correzione alla teoria di Newton; al contrario, diventava cruciale per la comprensione di queste zone dell'universo, in cui la forza di gravità era incredibilmente elevata. Si sapeva già che la teoria di Einstein forniva una migliore descrizione della gravità, rispetto alla teoria dì Newton, ma le correzioni introdotte da Einstein erano quasi irrilevanti nel nostro sistema solare. La teoria dì Newton era dunque, fino a quel momento, perfettamente accettabile (probabilmente, l'unico contesto pratico in cui i parametri introdotti da Einstein hanno una qualche rilevanza, all'interno del nostro sistema solare, sono i satelliti GPS).

Ad ogni modo, adesso sappiamo che le differenze più vistose, tra la teoria di Einstein e quella di Newton, si evidenziano ogni qual volta la gravità diventa così forte che gli oggetti orbitanti raggiungono velocità prossime a quella della luce. La scoperta dei quasar ci ha dunque dimostrato che esistono, nell'universo, delle realtà per le quali è essenziale la teoria di Einstein; realtà in cui, forse, enormi masse di gas hanno collassato a formare buchi neri. Così dalle speculazioni degli anni '30 e '40, si è passati al definitivo riconoscimento della relatività generale e allo studio dei buchi neri.

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Le stelle a neutroni

Il satellite lanciato da Giacconi ha avuto altresì il merito di provare l'esistenza delle stelle a neutroni: corpi in cui la massa di un'intera stella viene "strizzata" nelle dimensioni di circa 10 chilometri. Le stelle a neutroni si formano nella fase finale dell'evoluzione stellare: quando le stelle massicce affrontano una crisi di energia, esplodono, facendo scoppiare i loro strati esterni e lasciandosi dietro una cenere densa. Le stelle a neutroni sono affascinanti per i teorici, perché esemplificano la fisica estrema: la materia si concentra in modo così denso, che il volume di una zolletta di zucchero contiene la massa di una montagna. Si tratta appunto di fenomeni estremi, che spiegano anche la ragion d'essere dell'astronomia. Nell'ambito delle ricerche fisiche, infatti, sussiste un limite a ciò che possiamo sperimentare nei nostri laboratori; limite determinato dalle temperature e dalle pressioni che possiamo raggiungere, anche con gli acceleratori più potenti. Ma per fortuna, la natura a volte esegue degli esperimenti al posto nostro e ci fornisce condizioni estreme, molto al di là di quelle che noi stessi potremmo procurarci. Le stelle a neutroni sono appunto un esperimento estremo della natura: i neutroni e i protoni al loro interno sono così stipati gli uni sugli altri - molto più che nei nuclei atomici - che si generano campi magnetici miliardi di volte più intensi di quelli che potremmo produrre sulla Terra. Tali campi emettono radiazioni i cui raggi sono ben più concentrati di un laser.

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Il destino dell'intero universo è una questione di cruciale importanza, non solo cosmologica. L'universo verrà sgretolato da un enorme collasso oppure continuerà a espandersi per sempre? Fino a pochissimi anni fa si trattava di una questione irrisolta, ma i progressi fatti in cosmologia, su diversi fronti, ci consentono di dire - in modo abbastanza sicuro - di cosa sia fatto e quale sarà il suo destino. Sappiamo che l'universo contiene atomi e materia oscura, ma contiene anche - e questa è stata ben più di una sorpresa - qualcosa che chiamiamo "energia oscura", ovvero energia latente nello spazio che crea un'ulteriore forza in grado di governare il movimento dell'universo su larga scala.

Tra cinque miliardi di anni il Sole morirà e la Terra con esso. Nello stesso periodo - miliardo più, miliardo meno - Andromeda potrebbe schiantarsi contro la nostra galassia. Ma l'universo continuerà a espandersi per sempre? O piuttosto il nostro firmamento si sgretolerà? Lo spazio è già pieno di buchi neri, che potrebbero precorrere un collasso che ci inghiottirà tutti.

La risposta dipende da quanto sta decelerando l'espansione cosmica. Ogni cosa esercita una spinta gravitazionale su un'altra ed è facile calcolare che basterebbe solo la massa di cinque atomi di idrogeno per metro cubo per fermare l'espansione, a meno che non intervenga qualche altra forza. Non ci sembra molto. Ad ogni modo, se tutte le galassie fossero smantellate e le stelle che le costituiscono si diffondessero in modo uniforme nello spazio, insieme ai gas, creerebbero un vuoto ancora più vuoto: un atomo in un volume di dieci metri cubi. Sembra esserci una simile quantità di materia nel gas intergalattico diffuso, ma anche aggiungendo questo, la densità che ne risulta ammonterebbe appena a 0,2 atomi di idrogeno per metro cubo, ovvero l'equivalente di pochi granelli di sabbia in un volume pari a tutto il pianeta Terra.

Le informazioni a nostra disposizione sembrano dunque implicare un'espansione perpetua, con ampio margine. La materia oscura contribuisce da 5 a 10 volte più della materia visibile, ma comunque non è maggiore dello 0,3 della densità necessaria a fermare l'espansione. Questa scoperta ci fa pensare che l'universo non stia rallentando abbastanza per giungere a un arresto.

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La visione classica partiva dall'assunto che tutto, nella "sfera sublunare", fosse costituito dai quattro elementi - terra, aria, fuoco e acqua - mentre i cieli fossero composti da qualcosa di diverso, la "quinta essenza". Questo concetto venne messo a riposo nel XIX secolo, quando gli studi sugli spettri stellari dimostrarono che le stelle erano fatte degli stessi elementi della Terra. La moderna cosmologia ha invece ridato vita a questa antitesi: sembra infatti che la misteriosa "sostanza antigravità" - energia del vuoto o quintessenza - fornisca la massa-energia che domina il nostro universo, pur non avendo alcun ruolo nelle stelle o nelle galassie. Potrebbe essere una traccia di una forza molto potente, che secondo la teoria dell'"inflazione" ha guidato la rapida espansione dell'universo appena nato; ma resta ancora da affrontare la questione del perché questa forza, un tempo così potente, sia ora tanto debole. La sua natura è una sfida per i teorici e porta con sé importanti tracce sull'inizio della vita dell'universo e la natura dello spazio.

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Se un giorno dovessimo riuscire a stabilire un contatto con alieni intelligenti, la fisica, l'astronomia e la matematica potrebbero colmare un eventuale abisso culturale, fornendoci una base comune su cui discorrere. Infatti, anche se vivessero sul pianeta Zog e avessero sette tentacoli, gli alieni sarebbero comunque costituiti da atomi come noi. Ricondurrebbero la loro origine a un Big Bang avvenuto 13,7 miliardi di anni fa e vanterebbero le stesse nostre ambizioni in un futuro magari infinito. Ma la nostra esistenza (e quella degli eventuali alieni) dipende dal fatto che l'universo è un posto speciale: qualunque luogo in grado di ospitare la vita (che potremmo definire "bio-amichevole") deve essere "aggiustato" in modo particolare. Anche per il più fantasioso degli scrittori di fantascienza, la "vita" oppure l'"intelligenza" richiedono la nascita di una qualche struttura complessa: non potrebbero esistere in un universo omogeneo o che contiene solo poche dozzine di particelle. La nostra è un'alternativa vitale selezionata tra migliaia di possibilità meno clementi: avrebbe potuto trattarsi di un universo formato solo da buchi neri e materia oscura inerte o di un universo soggetto a un'espansione tanto rapida da non consentire la formazione delle stelle e delle galassie. Viviamo insomma in un luogo speciale, anche per il fatto che abbiamo tre dimensioni spaziali: un mondo a quattro dimensioni sarebbe instabile, mentre in due soltanto non potrebbe esistere nulla di complesso.

Qualora la nostra esistenza (o l'esistenza di un qualunque universo "interessante") dovesse dipendere da una ricetta cosmica specifica, che significato dovremmo darle? Ci sono tre possibili modi di intendere la questione: possiamo liquidarla come una circostanza casuale oppure possiamo acclamarla come provvidenza o, ancora, possiamo supporre che il nostro universo sia un dominio particolarmente favorito, all'interno di un multi-universo ancora più vasto.

Magari è sufficiente una serie di equazioni fondamentali che un giorno verranno immortalate su una maglietta - per determinare tutte le proprietà chiave del nostro universo. Se così fosse, ritengo comunque che ci sarà ancora qualcosa di cui meravigliarsi: non è garantito, infatti, che equazioni semplici permettano conseguenze complesse.

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