Non c’è dubbio, per chiunque l’abbia mai sperimentato, che il cielo notturno è effettivamente buio. Ma… spiegare questo semplice fatto, se ci si pensa profondamente, solleva un sacco di domande che devono essere affrontate.
Wikimedia Commons user ForestWander
Dalla nostra prospettiva qui nel sistema solare, ha assolutamente senso intuitivo perché vediamo quello che vediamo di giorno rispetto alla notte. Durante il giorno, la luce del sole inonda la nostra atmosfera in tutte le direzioni, con la luce solare diretta e riflessa che arriva a noi da ogni luogo che possiamo vedere. Di notte, la luce del sole non inonda l’atmosfera, e quindi è buio ovunque nel cielo che non ci sia un punto di luce, come una stella, un pianeta o la Luna.
Ma si potrebbe iniziare a chiedersi un po’ più profondamente di così. Se l’Universo è infinito, la nostra linea di vista non dovrebbe alla fine incontrare una stella in qualsiasi direzione guardiamo? Dato che ci sono trilioni di galassie là fuori, e che i telescopi sono in grado di vedere quelle più deboli che i nostri occhi non possono vedere, perché la luce di tutte loro combinate non illumina ogni punto del cielo? Non è una domanda facile a cui rispondere, ma la scienza è all’altezza della sfida.
La Via Lattea vicino al Grand Canyon, casualmente il primo posto in cui io stesso ho visto la Via Lattea,… il che non è successo fino ai miei 20 anni, essendo cresciuto in aree urbane. Il piano della Via Lattea appare scuro, stagliato contro le stelle di sfondo situate nel piano della nostra galassia.
Bureau of Land Management, sotto una licenza cc-by-2.0
Questo è un enigma che ha turbato gli scienziati per secoli. Se ci pensate profondamente, potrebbe anche non avere senso per voi. Sì, è vero che la nostra atmosfera qui sulla Terra è in gran parte trasparente alla luce visibile, che è ciò che ci permette di vedere nel vasto abisso dello spazio profondo di notte. La nostra posizione nella galassia significa che solo il piano galattico è oscurato dalle polveri e dai gas di primo piano che bloccano la luce della regione centrale della Via Lattea.
Ma al di fuori di questo, ci si potrebbe aspettare di vedere la luce in ogni direzione e in ogni luogo in cui si è in grado di guardare. Dopo tutto, se l’Universo è veramente infinito, allora il vuoto dello spazio profondo continua all’infinito. In qualsiasi direzione tu possa immaginare, alla fine la tua linea di vista si imbatterà in un punto luminoso di luce.
Il composito completo UV-visibile-IR dell’XDF; la più grande immagine mai pubblicata del lontano… Universo. In una regione di appena 1/32.000.000 di cielo, abbiamo trovato 5.500 galassie identificabili, tutte grazie al telescopio spaziale Hubble. Eppure anche in questa visione incredibilmente profonda, che rivela un Universo con centinaia di miliardi (o più) di galassie al suo interno, lo spazio appare ancora buio.
NASA, ESA, H. Teplitz e M. Rafelski (IPAC/Caltech), A. Koekemoer (STScI), R. Windhorst (Arizona State University), e Z. Levay (STScI)
Se questo fosse vero, allora il cielo notturno non sarebbe affatto buio, ma sarebbe illuminato da ogni stella il cui percorso luminoso ha compiuto il lungo viaggio verso la Terra.
Tuttavia, anche quando guardiamo alle profondità di quello che sembra essere lo spazio vuoto, dove nessuna stella o galassia può essere vista da occhi umani o persino dai telescopi convenzionali, i nostri osservatori più potenti rivelano così tanto che c’è, ma sono ancora solo pochi punti di luce sullo sfondo nero dello spazio vuoto.
Sì, l’Universo è pieno di stelle e galassie. Sì, sono a distanze enormi: milioni, miliardi o addirittura decine di miliardi di anni luce di distanza. La luce delle stelle viaggia attraverso l’Universo e raggiunge i nostri migliori strumenti di osservazione, rivelando un Universo ricco e di enorme estensione. Ma enorme, per quanto grande sia, è molto, molto lontano dall’infinito.
Può essere possibile che l’Universo sia veramente infinito, con un numero infinito di stelle e… galassie in tutte le direzioni. Ma se questo fosse il caso, ci si aspetterebbe che alla fine la propria linea di vista intersechi un oggetto luminoso. Se fosse così, l’oscurità sarebbe impossibile.
Andrew Z. Colvin / Wikimedia Commons
La giuria, scientificamente, non ha ancora stabilito se l’universo è finito o infinito; semplicemente non lo sappiamo. Quello che sappiamo, tuttavia, è che la parte dell’Universo che è osservabile per noi deve essere finita. Anche se non sapevamo praticamente nulla della struttura su larga scala dell’Universo fino alla seconda metà del XX secolo, sapevamo comunque che un Universo osservabile infinitamente grande era semplicemente impossibile.
Nel 1800, Heinrich Olbers prese nota di un paradosso matematico. Se si avesse un Universo infinito con una densità costante di stelle e/o galassie, allora si finirebbe per vedere una quantità infinita di luce da ogni direzione in cui si guarda. Vedresti tutte le stelle che sono vicine, e poi negli spazi tra le stelle, vedresti le stelle più lontane. Negli spazi tra queste stelle, vedresti ancora più stelle che si trovano ad una distanza maggiore. Indipendentemente dalla distanza da loro – milioni, miliardi, trilioni, quadrilioni di anni luce, ecc. – alla fine, ovunque si guardasse, ci si imbatteva in una stella.
Le stelle si formano in una grande varietà di dimensioni, colori e masse, comprese molte luminose, blu che sono… decine o addirittura centinaia di volte più massicce del Sole. Questo è dimostrato qui nell’ammasso stellare aperto NGC 3766, nella costellazione del Centauro. Se l’Universo fosse infinito, anche un ammasso come questo non mostrerebbe ‘vuoti’ tra le stelle, perché una stella più lontana finirebbe per riempire questi vuoti. Se la densità numerica delle stelle è costante in tutto lo spazio, allora il numero totale di stelle che troverai è uguale alla densità stellare moltiplicata per il volume dell’Universo. Più una stella è lontana, più appare debole: la sua luminosità diminuisce con l’inverso della distanza al quadrato (~1/r2).
Ma il numero totale di stelle che puoi vedere ad una particolare distanza è legato alla superficie di una sfera, che aumenta con la distanza al quadrato. (La formula per la superficie di una sfera è 4πr2.) Moltiplicando il numero di stelle per la luminosità di ogni stella, si ottiene una costante. La luminosità a una certa distanza è un valore particolare: chiamiamolo B. Due volte più lontano, la luminosità è anche B. Tre volte? Ancora B. Quattro? Ancora B.
Un’illustrazione del paradosso di Olbers, e di come, dato un Universo uniformemente denso, ci si imbatta in una… quantità infinita di luce stellare in qualsiasi direzione.
Wikimedia Commons user Htkym
Ora sommate quella serie: B + B + B + B + ….. e così via. Riuscite a capire dove si va a parare? La risposta, purtroppo, è verso l’infinito. A meno che non ci sia qualche limite a quella serie, otterrai un valore infinito per la luminosità del cielo notturno in ogni direzione.
Nel XIX secolo, Olbers usò questa linea di ragionamento per concludere che l’Universo osservabile non poteva essere infinito, ma non poteva esserne sicuro. Dopo tutto, c’erano altre preoccupazioni astronomiche. Una delle obiezioni comuni era che questa analisi ingenua non teneva conto di tutta la polvere che blocca la luce che era chiaramente presente, e che si poteva vedere semplicemente guardando il piano della Via Lattea. Anche ai giorni nostri, molte delle nostre più famose attrazioni astronomiche sono piene di polvere che blocca la luce.
Nuvole molecolari scure e polverose, come questa che si trova nella Via Lattea, collassano nel tempo e… danno origine a nuove stelle, e le regioni più dense al loro interno formano le stelle più massive. Tuttavia, anche se dietro ci sono molte stelle, la luce delle stelle non può sfondare la polvere; viene assorbita.
ESO
In un Universo finito, la polvere può competere con la luce delle stelle, poiché la luce visibile che colpisce la polvere viene assorbita e re-irradiata a energie inferiori. Ma se l’Universo fosse veramente infinito, il problema del Paradosso di Olbers si presenterebbe per ogni granello di polvere là fuori: ogni granello dovrebbe assorbire una quantità infinita di luce stellare, fino a quando anch’esso irradiasse alla stessa temperatura di tutta la luce che ha assorbito!
In altre parole, qualcosa non andava. Il nostro universo non poteva essere statico, infinito e pieno di stelle che brillavano per sempre. Se fosse così, il cielo notturno sarebbe sempre ed eternamente luminoso, in tutti i luoghi e in tutte le direzioni. Chiaramente, c’è qualcos’altro all’opera qui.
L’Universo osservabile potrebbe essere di 46 miliardi di anni luce in tutte le direzioni dal nostro punto di vista,… ma c’è sicuramente di più, Universo non osservabile, forse anche una quantità infinita, proprio come il nostro oltre quello. L’Universo può essere infinito, ma possiamo vedere solo la luce che ha viaggiato per 13,8 miliardi di anni: la quantità di tempo dal Big Bang.
Frédéric MICHEL e Andrew Z. Colvin, annotato da E. Siegel
Il fatto che ci salva, che Olbers non aveva modo di sapere ai suoi tempi, non è che l’Universo non sia di estensione infinita (potrebbe ancora esserlo), ma che non va indietro, nella sua forma attuale, di un tempo infinito. L’Universo che abitiamo oggi ha avuto un inizio: un giorno senza un ieri. Quell’inizio è conosciuto come il Big Bang, che pone una linea di partenza per tutta la materia, la radiazione, l’energia e la luce che possono esistere nell’Universo osservabile.
L’Universo non esiste da sempre, e quindi possiamo solo osservare stelle e galassie che sono a una distanza specifica e finita. Pertanto, possiamo ricevere solo una quantità finita di luce, calore ed energia da loro, e non può esserci una quantità arbitrariamente grande di luce nel nostro cielo notturno.
Concezione su scala logaritmica dell’universo osservabile. Le galassie cedono il passo alla struttura su larga scala… e il plasma caldo e denso del Big Bang alla periferia. Cercare di capire quante galassie esistono nell’Universo visibile è una delle grandi ricerche cosmiche del nostro tempo.
Utente di Wikipedia Pablo Carlos Budassi
Ma questo porta un altro pezzo del puzzle. Se l’Universo era caldo e denso e pieno di materia e radiazioni all’inizio, come sostiene il Big Bang, allora quella radiazione del primo tempo dovrebbe arrivare ai nostri occhi. Ovunque guardiamo, in tutte le direzioni, non dovrebbe sfuggire a quella radiazione.
In effetti, basandoci sulle osservazioni moderne, possiamo calcolare quanti fotoni rimasti dal Big Bang riempiono l’Universo oggi, e la risposta è 411 di essi per ogni centimetro cubo di spazio. Se vi state chiedendo perché non lo rileviamo, la risposta è che lo facciamo, e lo facciamo continuamente. Se tu prendessi un televisore molto vecchio stile, uno di quelli con le antenne ad orecchio di coniglio, nelle profondità dello spazio intergalattico, lontano da qualsiasi fonte radio stellare o terrestre, potresti sintonizzarlo sul canale 3. Vedresti ancora circa l’1% della “neve” che vedi sulla Terra; quella è la radiazione del Big Bang.
Questo televisore in stile vintage ha in cima le antenne vecchia scuola, usate per captare… i segnali televisivi. Qui sulla Terra, una piccola frazione di quel segnale ‘neve’, circa l’1%, è dovuto alla radiazione del Big Bang.
Getty
Il fatto è che noi riceviamo questa luce dal Big Bang, e che si trova in tutto il cielo in modo inevitabile. L’unica ragione per cui non la vedi ad occhio nudo è che l’Universo si è espanso nel corso della storia cosmica, e quindi questa luce, una volta visibile, è ora spostata su lunghezze d’onda così lunghe che i tuoi occhi non possono vederla, la tua pelle non può sentirla e il tuo corpo non può rilevarla.
Ma le tue antenne a microonde e radio possono captarla. Infatti, è così che questa radiazione è stata scoperta per la prima volta, e come il Big Bang è stato confermato per la prima volta: con una gigantesca antenna radio che captava questo segnale, non importa quando o dove gli scienziati che la utilizzavano stessero guardando. Se i nostri occhi si fossero adattati a vedere le microonde o la luce radio, vedremmo, infatti, un cielo notturno uniformemente luminoso in ogni direzione, senza macchie scure da nessuna parte.
Secondo le osservazioni originali di Penzias e Wilson, il piano galattico emetteva alcune… fonti astrofisiche di radiazione (centro), ma sopra e sotto, tutto ciò che rimaneva era un fondo quasi perfetto e uniforme di radiazione. La temperatura e lo spettro di questa radiazione sono stati misurati, e l’accordo con le previsioni del Big Bang è straordinario. Se potessimo vedere la luce a microonde con i nostri occhi, l’intero cielo notturno assomiglierebbe all’ovale verde mostrato.
NASA / WMAP Science Team
Sono necessari due fatti, insieme, per spiegare perché il cielo notturno è scuro. Il primo è che l’Universo esiste solo da un tempo finito, il che limita l’estensione e la quantità della radiazione che è attualmente osservabile per noi. Il secondo è che possiamo vedere la luce solo in una parte limitata dello spettro elettromagnetico: la porzione ottica.
Se potessimo, invece, vedere il cielo in luce a microonde, il cielo apparirebbe luminoso in tutte le direzioni in ogni momento. È un po’ ironico, se ci si pensa, che sono solo le nostre limitazioni molto umane che hanno fatto apparire il cielo notturno come un posto interessante da esplorare. Oggi, abbiamo costruito satelliti progettati per misurare squisitamente questa radiazione, e ci hanno insegnato molto di più sull’origine e le proprietà del nostro Universo di quanto avremmo mai imparato usando solo i nostri sensi limitati. Il cielo notturno può sembrarci buio, ma la luce che è sempre lì ci ha insegnato la risoluzione definitiva di questo paradosso cosmico.