Indice VII Prefazione IX Prologo 3 Meraviglia n. 1 Abbandonando la terraferma 35 Meraviglia n. 2 Nane e giganti del mondo stellare 91 Meraviglia n. 3 Quando una stella esplode… 129 Meraviglia n. 4 Le pulsar: i cronometri dell’universo 163 Meraviglia n. 5 La gravità: il grande dittatore 217 Meraviglia n. 6 Illusioni dello spazio 261 Meraviglia n. 7 L’universo in espansione 317 Epilogo 337 Indice analitico Le sette meraviglie del cosmo Meraviglia n. I Abbandonando la terraferma Il giorno in cui vidi il Sole sorgere a ovest Era un giorno d’inverno del 1963, il 14 dicembre a essere precisi, quando vidi il Sole sorgere a ovest. No, non vi sto affatto prendendo in giro.Andò proprio così. Ma, per rendere credibile la mia dichiarazione di poco sopra devo raccontarne le circostanze. Ecco quindi tutta la storia… Accadde su un Boeing 707 della British Airways diretto da Heathrow a Chicago. Ero seduto accanto al finestrino, e di fianco a me c’era l’astronomo David Dewhirst, dell’osservatorio della Cambridge University. Stavamo andando a Dallas, in Texas, per un simposio internazionale sul collasso gravitazionale e l’astrofisica relativistica. Il cielo era terso, com’è naturale sopra i diecimila metri. Guardavo fuori dal finestrino, osservando le sfumature cremisi sull’orizzonte sud-occidentale: avevo appena visto tramontare il Sole. Un torpore post-prandiale mi stava invadendo quando, proprio mentre stavo per addormentarmi, all’improvviso David Dewhirst mi scosse: «Guarda, il Sole sta sorgendo di nuovo: eppure sono sicuro di averlo visto tramontare sotto l’orizzonte pochi minuti fa.» Il tono normale e disinvolto tradiva un’eccitazione soffocata. Sbirciai fuori: non c’erano dubbi, il Sole stava spuntando all’orizzonte sud-occidentale. E, nei minuti successivi, sotto i nostri occhi incollati al vetro si alzò visibilmente. Purtroppo quello spettacolo unico non durò a lungo: il Sole interruppe il suo cammino e, alla fine, tramontò mentre l’aereo virava verso sud. Quando iniziammo la nostra discesa verso l’aeroporto O’Hare, era quasi buio. Ecco lo spettacolo di cui David Dewhirst e io fummo testimoni quella sera. Un’esperienza che non dimenticherò mai. 4 Meraviglia n. 1 Perché il Sole era sorto a ovest? La risposta a questa domanda non si richiama né a miracoli né a illusioni ottiche. Si tratta di un evento reale e del tutto naturale, che ha una spiegazione assolutamente ragionevole: un esempio che dimostra quanto diverse possano essere le nostre esperienze non appena si abbandoni la Madre Terra. Prima di tutto, proviamo a capire perché, ogni giorno, vediamo il Sole sorgere a est e calare a ovest. O, in altri termini, perché vediamo le stelle muoversi nel cielo da est a ovest. Oggi persino gli alunni della scuola elementare ne conoscono il motivo: la Terra gira intorno al suo asse nord-sud e, visto da questa piattaforma mobile, il cielo stellato sembra ruotare nella direzione opposta, proprio come quando su una giostra vediamo case e alberi girare in direzione contraria. Se il Sole e le stelle sembrano muoversi da est a ovest, è perché la Terra si comporta come una giostra gigantesca che gira da ovest a est. Semplice, vero? Con l’aiuto di una sfera chiunque può convincersi di una tale ipotesi; ma l’umanità ha impiegato millenni per accettare questa spiegazione. Apriamo una breve digressione, e diamo un’occhiata fugace alla storia. «Eppur si muove» Oltre duemila anni fa i Greci, all’epoca la civiltà europea più sofisticata, credevano che la Terra fosse immobile e che il cosmo le girasse intorno. Immaginate il cielo come una sfera con le stelle incastonate sulla sua superficie interna, e la Terra al suo centro; si pensava che anche il Sole e i pianeti ruotassero intorno alla Terra, pur se a una distanza minore rispetto a quella delle stelle. A un esame superficiale della nostra esperienza, è una teoria che appare del tutto ragionevole. La Fig. 1-1 mostra le traiettorie circolari delle stelle fotografate da un apparecchio lasciato esposto per un’intera notte. Notate che una stella tipica, in qualunque momento la osserviate, appare come una sorgente di luce puntiforme: la sua posizione muta lentamente, e il tutto è difficilmente percepibile se la si guarda solo per pochi minuti. Ma se si torna a osservarla dopo un paio d’ore, quella stella, insieme alle altre, si sarà spostata. La macchina fotografica ha catturato, nella Fig. 1-1, il percorso costante di ciascuna Abbandonando la terraferma 5 1-1. Le traiettorie circolari delle stelle nell’emisfero meridionale, con l’Anglo-Australian Telescope in primo piano. Se nel sud esistesse una stella polare, si presenterebbe come un punto al centro di questi archi stellari (fotografia di David Malin © Anglo-Australian Telescope). stella: perciò vediamo delle traiettorie circolari invece di punti luminosi. Confrontate questa figura con, ad esempio, la Fig. 1-2, che cattura le luci dei fari delle auto in movimento nel traffico cittadino. Analogamente, durante il giorno vediamo il Sole muoversi lungo 6 Meraviglia n. 1 1-2. I fari delle automobili mostrano traiettorie rettilinee nelle superstrade trafficate (confrontatele con le traiettorie stellari della Fig. 1-1). una traiettoria circolare da est e ovest, solo che la sua luminosità è eccessiva per una macchina fotografica! Ecco il motivo per cui, per un osservatore sulla Terra, era assolutamente naturale supporre che la Terra fosse immobile e tutto il cosmo le ruotasse intorno. Un filosofo greco, però, la pensava diversamente. Aristarco di Samo (310-230 a.C. circa) sosteneva che quelle osservazioni potessero essere spiegate più facilmente partendo da un’altra premessa: che la Terra ruotasse da ovest a est, mentre il cosmo rimanesse fisso.Aristarco, la cui opera andò perduta nell’incendio della celebre biblioteca di Alessandria d’Egitto, riteneva inoltre che la Terra ruotasse intorno al Sole, e non il contrario (vedi Fig. 1-3). Ma le sue idee non incontrarono un grande consenso, e per buone ragioni.Vediamo perché. Prima di tutto ritorniamo all’esempio della giostra. Una persona che vi si trovi sopra, sperimenta una forza che tende a trascinarla lontana dal centro. È lo stesso effetto che sentiamo quando, in auto, imbocchiamo una curva ad alta velocità e siamo spinti lontano dal centro della curva. Dunque, stando sulla Terra che ruota, perché non Abbandonando la terraferma 7 1-3.Aristarco di Samo (su gentile concessione di Spiros Cotsakis, Samo). siamo scagliati lontani dall’asse di rotazione? Questa domanda non poteva ricevere una risposta al tempo di Aristarco. In secondo luogo considerate il seguente, semplice esperimento: in un parco, guardate un albero da una distanza di, diciamo, circa 50 metri. Poi, spostatevi lateralmente, rispetto all’albero, di una decina di metri, e guardatelo di nuovo. La sua posizione rispetto agli alberi sullo sfondo risulterà diversa.Analogamente, se guardiamo una stella e poi la riguardiamo sei mesi dopo, la sua posizione risulterà diversa rispetto alle stelle più lontane e ciò vorrà dire che la Terra, in quei sei mesi, si è spostata dalla sua posizione originale.Aristarco si aspettava una simile conclusione, e cercò di dimostrarla per convalidare le sue teorie, ma non vi riuscì. 8 Meraviglia n. 1 Le sue ipotesi fallirono su entrambi i fronti. Noi oggi sappiamo che, nonostante queste obiezioni, Aristarco aveva ragione. Il motivo per cui non veniamo spinti via dalla Terra in rotazione è che l’intensità di questa forza è minima rispetto alla forza d’attrazione esercitata dalla Terra su tutti noi, la forza di gravità. È grazie alla forza di gravità che restiamo attaccati alla superficie della Terra e tendiamo a ricadere quando proviamo a saltare in alto. È la forza che ci fa “sentire il nostro peso”. Paragonata alla gravità, la forza centrifuga generata dalla rotazione della Terra è trascurabile: infatti è solo del 3 per mille all’equatore, e persino meno potente a latitudini maggiori. Per quanto riguarda il secondo effetto,Aristarco aveva grossolanamente sottostimato la distanza dei corpi stellari, e i suoi calcoli sui cambiamenti previsti nella direzione di una stella superavano di gran lunga i valori reali. (Tornando al nostro esempio sull’osservazione dell’albero sappiamo che, quando è questo lontano, la sua posizione muta di poco al variare della nostra posizione, mentre quando è vicino il cambiamento è sensibile.) La posizione di una stella, inoltre, è effettivamente diversa se la riguardiamo dopo sei mesi, ma molto, molto meno di quanto pensasse Aristarco. I reali mutamenti nelle posizioni delle stelle sono troppo esigui perché fossero misurabili con le tecniche disponibili all’epoca, basate su osservazioni a occhio nudo. L’effetto che Aristarco si aspettava di vedere è oggi conosciuto come parallasse, una grandezza che è stata misurata, con l’aiuto dei moderni telescopi, per stelle relativamente vicine. La prima misurazione della parallasse stellare fu effettuata dall’astronomo tedesco Friedrich Wilhelm Bessel nel 1838 per la stella 61 Cygni, più di duemila anni dopo Aristarco. Quant’era piccolo il cambiamento osservato? Se usiamo i gradi di un angolo, un’unità di misura a noi familiare, be’, il cambiamento osservato è di circa un decimillesimo di grado! Ben al di là della capacità di misurazione degli antichi Greci al tempo di Aristarco. Non stupisce che i suoi contemporanei non rilevassero alcun cambiamento nella posizione stellare, come invece il filosofo sosteneva. Non è raro, nella storia della scienza, che uno studioso, con un’ipotesi corretta ma controcorrente e in anticipo sui tempi, si sia ritrovato ad affrontare la derisione o l’oblio. L’ironia sta nel fatto che, quando alla fine quelle idee vengono verificate e accettate, l’identità del loro creatore spesso è andata perduta nelle nebbie del tempo.