Capitolo 10: Come sono cresciute le galassie

Notte 110: Una lezione con le gocce d’acqua

Il giorno 110 era un sabato, secondo l’orologio della stazione. In orbita i fine settimana non sono del tutto liberi, perché alcuni lavori non si fermano mai, ma sono più leggeri. Al mattino l’equipaggio pulì la stazione tutti insieme. Passarono il panno sulle superfici, cambiarono i filtri dell’aria e aspirarono le griglie dove si raccolgono polvere, briciole e piccoli oggetti smarriti, trasportati lì dall’aria in movimento. Ade trovò una vite che qualcuno aveva perso settimane prima, e Tomás la proclamò la scoperta del giorno.

I fine settimana portano anche un po’ di tempo per sé. Tomás passò un’ora con la sua musica, suonando piano per conto suo con le cuffie. Ade leggeva un libro sul tablet, con i piedi agganciati sotto una barra. Ognuno di loro aveva una chiamata privata con la famiglia prevista per la sera. Una stazione spaziale è un luogo di lavoro, ma di sabato diventa, per qualche ora, qualcosa di più simile a una casa.

Nel pomeriggio, Noor aveva un compito che aspettava con piacere. La Terra le aveva chiesto di filmare una breve lezione per le scuole. I bambini avevano mandato domande sulla vita sulla stazione, e alcune riguardavano l’acqua. Che cosa succede all’acqua quando niente la tira verso il basso? Si versa? Schizza? Cade?

Noor sistemò una telecamera in un angolo tranquillo e spremette un po’ d’acqua da una sacca per bere. Non si versò. Uscì come una massa tremolante e poi, lentamente, si raccolse in una palla quasi perfetta, che fluttuava nell’aria davanti a lei. La toccò delicatamente con una cannuccia, e la palla fremette tutta e tornò rotonda. Aggiunse una seconda goccia, più piccola, e quando le due si toccarono si unirono subito in un’unica palla più grande.

Spiegò davanti alla telecamera che l’acqua attira se stessa. Sulla sua superficie l’acqua tira sempre verso l’interno, un po’ come una pelle tesa. Sulla Terra la gravità è più forte di questa attrazione, così l’acqua si allarga in una pozzanghera o scorre verso il basso. Sulla stazione, nell’assenza di peso, vince l’attrazione dell’acqua stessa, e la forma che contiene più acqua con la superficie più piccola è una sfera. Alla fine raccolse con cura le gocce con un asciugamano, perché l’acqua libera vicino alle apparecchiature elettriche è un rischio reale.

Quella sera mandò a Sami un breve pezzo del filmato. Lui rispose che sua figlia, che aveva sette anni, lo aveva guardato tre volte e ora voleva diventare astronauta, o forse una goccia d’acqua. Poi le chiese una cosa a cui pensava dalla lezione. Se le gocce piccole si uniscono in gocce più grandi, è così che si sono formate anche le galassie? Noor ci pensò. In un certo senso sì, scrisse. Ma la forza che riunisce le galassie non è l’attrazione della superficie dell’acqua. È la gravità. E una parte viene da qualcosa che nessuno riesce a vedere.

Dalle increspature a una ragnatela

Nella notte precedente abbiamo visto le prime stelle accendersi nel buio. Si formarono in grumi di gas, nei luoghi in cui l’universo giovane era un po’ più denso della media. La storia di stanotte parla di ciò che accadde dopo: come quei primi piccoli grumi crebbero, si unirono e diventarono le galassie che riempiono l’universo di oggi, compresa la Via Lattea, la nostra galassia.

La storia comincia con le minuscole increspature che abbiamo visto nella luce più antica, differenze di circa una parte su 100.000. La gravità trasformò queste piccole differenze in differenze grandi. Un luogo un po’ più denso attira un po’ più forte, raccoglie più materia e diventa ancora più denso. Nel corso di centinaia di milioni e poi di miliardi di anni, le increspature crebbero in grumi, e i grumi crebbero in strutture più grandi.

C’è un motivo per cui la gravità, tra tutte le forze della natura, riuscì a fare questo lavoro. Nella vita di tutti i giorni la gravità è debolissima. Una piccola calamita può sollevare una graffetta contro l’attrazione dell’intera Terra. Ma la gravità ha una qualità speciale: attira soltanto e non respinge mai, e si somma. Le cariche elettriche sono di due tipi, positive e negative, e nelle grandi quantità di materia per lo più si annullano a vicenda. La gravità non si annulla mai. Sulle distanze immense e nei tempi lunghi dell’universo, diventa la forza che dà forma a tutto.

Quando gli astronomi tracciano le mappe di dove si trovano oggi le galassie, vedono uno schema straordinario. Le galassie non sono sparse in modo uniforme, come zucchero spolverato su un tavolo. Sono disposte in lunghi filamenti e in sottili pareti, con enormi regioni quasi vuote tra di esse. Dove i filamenti si incontrano ci sono gruppi e ammassi affollati di galassie, alcuni con centinaia o migliaia di galassie. Gli astronomi chiamano questo schema ragnatela cosmica.

Se hai mai visto una ragnatela coperta di rugiada del mattino, o la schiuma su una tazza di caffè quando le bollicine si sono premute l’una contro l’altra, hai visto qualcosa di aspetto simile: bordi sottili e punti di giunzione, con spazi aperti in mezzo. La ragnatela cosmica è, naturalmente, enormemente più grande. Una sola regione vuota può misurare centinaia di milioni di anni luce. Ma l’idea è la stessa. La materia si è raccolta lungo linee e in punti d’incontro, e si è svuotata dagli spazi in mezzo.

I modelli dell’universo al computer, che partono dalle increspature misurate nella luce più antica e poi seguono la gravità in avanti attraverso miliardi di anni, producono una ragnatela molto simile a quella reale. Questo accordo è uno dei motivi per cui gli astronomi pensano di comprendere la storia generale di come è cresciuta la struttura dell’universo. Ma i modelli funzionano bene solo se includono un ingrediente molto importante, qualcosa che nessuno ha mai visto direttamente.

Le persone che notarono che mancava qualcosa

Il primo indizio arrivò nel 1933, da un astronomo di nome Fritz Zwicky. Stava studiando un grande ammasso di galassie nella costellazione chiamata Chioma di Berenice. Misurò quanto velocemente si muovevano le galassie dell’ammasso. Le galassie di un ammasso si muovono le une intorno alle altre, tenute insieme dalla loro gravità complessiva, come persone che si muovono in una stanza affollata senza mai uscirne del tutto. Più si muovono velocemente, più gravità serve per tenerle insieme.

Zwicky trovò che le galassie si muovevano troppo in fretta. Se l’ammasso avesse contenuto solo la materia che gli astronomi potevano vedere, sotto forma di stelle che brillano, si sarebbe disperso molto tempo prima. Eppure era lì. Qualcosa doveva aggiungere moltissima gravità in più. Zwicky scrisse di «materia oscura», materia che non brilla ma attira. Molti astronomi dell’epoca non ne erano convinti. Le misure erano difficili, ed era possibile che qualcosa fosse stato trascurato. L’idea rimase in attesa.

Decenni dopo, negli anni Settanta, l’astronoma Vera Rubin studiò come si muovono le stelle e il gas all’interno delle galassie a spirale. Una galassia a spirale ruota lentamente, come una grande ruota. Ci si potrebbe aspettare che ruoti come il nostro sistema solare, dove i pianeti lontani dal Sole si muovono più lentamente di quelli vicini, perché lontano l’attrazione del Sole è più debole. Gran parte della luce di una galassia viene dal suo centro luminoso, quindi gli astronomi si aspettavano che anche le stelle esterne si muovessero lentamente.

Non è ciò che trovò Rubin. Una galassia dopo l’altra, le stelle e il gas lontani, ai bordi, si muovevano velocemente quanto quelli più interni. Si muovevano così in fretta che avrebbero dovuto essere scagliati via, a meno che nella galassia ci fosse molta più materia di quella visibile, distribuita ben oltre le stelle luminose. Rubin era scrupolosa e paziente, e le sue misure erano difficili da contestare. Insieme al lavoro di altri, convinsero la maggior parte degli astronomi che la materia oscura è reale. Fu un buon esempio di come un lavoro costante e accurato possa cambiare ciò che crede un intero campo di studi.

Da allora si sono aggiunte altre prove. La massa curva il percorso della luce che le passa vicino, e gli astronomi possono vedere galassie sullo sfondo la cui luce è stata curvata e deformata da ammassi che si trovano davanti. La quantità di curvatura mostra quanta massa c’è, e ancora una volta è molto più della materia visibile. Anche gli schemi nella luce più antica si possono spiegare solo se c’è una grande quantità di materia oscura. Oggi gli astronomi stimano che nell’universo ci sia circa cinque volte più materia oscura che materia ordinaria.

Che cosa sappiamo e che cosa non sappiamo

Allora, che cos’è la materia oscura? La risposta onesta è che nessuno lo sa. Sappiamo che ha gravità, perché vediamo la sua attrazione. Sappiamo che non brilla, non riflette la luce e non la blocca, perché altrimenti la vedremmo. Sappiamo che non sembra urtare la materia ordinaria in alcun modo che siamo riusciti a notare. Al di là di questo, la sua natura è una delle più grandi domande senza risposta della scienza.

Se la materia oscura è fatta di particelle, come pensano molti scienziati, quelle particelle probabilmente non si trovano soltanto lontano, in altre galassie. Potrebbero essere tutto intorno a noi, qui nella Via Lattea, e attraversare silenziosamente la Terra, la stazione e la tua stanza mentre leggi, senza toccare niente. Non è certo, perché non sappiamo che cosa sia la materia oscura. Ma è un pensiero strano e dolce: il tipo di materia più comune dell’universo potrebbe attraversarti proprio adesso, e tu non lo sentiresti mai.

Alcune possibilità sono state in gran parte escluse. La materia oscura potrebbe essere semplicemente materia ordinaria difficile da vedere, come gas freddo, polvere, stelle deboli, stelle morte o buchi neri? Gli astronomi hanno cercato oggetti del genere, e ne trovano alcuni, ma neanche lontanamente abbastanza. C’è anche un motivo più profondo. I primi minuti, che abbiamo incontrato in una notte precedente, hanno fissato la quantità totale di materia ordinaria nell’universo, e la luce più antica conferma quella quantità. È troppo poca per spiegare tutta la gravità in più. Quindi la maggior parte della materia oscura deve essere qualcosa di diverso dagli atomi che formano stelle, pianeti e persone.

Molti scienziati pensano che la materia oscura sia un tipo di particella non ancora scoperto. In tutto il mondo, gli scienziati hanno costruito rivelatori sensibilissimi, spesso nel sottosuolo profondo, dove sono schermati da altre particelle, per cercare di cogliere una particella di materia oscura che urta la materia ordinaria. Altri cercano tracce di materia oscura negli acceleratori di particelle o nel cielo. Finora nessuna di queste ricerche l’ha trovata. Questo non significa che non ci sia. Significa che è più difficile da cogliere di quanto si sperasse, o diversa da come ci si aspettava.

Un piccolo numero di scienziati ha provato un’idea diversa: forse non c’è nessuna materia in più, e invece la gravità si comporta in modo diverso su distanze molto grandi rispetto a quanto dicono le nostre teorie. Questa idea ha avuto alcuni successi nello spiegare come ruotano le galassie. Ma ha avuto grandi difficoltà a spiegare insieme gli ammassi di galassie, la curvatura della luce e gli schemi della luce più antica, che la materia oscura spiega tutti insieme. Per ora la maggior parte degli astronomi pensa che la materia oscura sia la spiegazione migliore. Ma la domanda resta aperta, ed è esattamente così che deve essere finché le prove non la risolveranno.

Qualunque cosa si riveli essere, la materia oscura ebbe un ruolo chiave nella crescita delle galassie. Nell’universo giovane, la materia ordinaria veniva spinta qua e là dalla luce, e non poteva raccogliersi facilmente in grumi finché non fu liberata la luce più antica. La materia oscura non sente affatto la luce. Così poté cominciare prima a raccogliersi in grumi. Quando il gas ordinario fu finalmente libero, cadde nei grumi di materia oscura che lo stavano già aspettando. Senza quel vantaggio iniziale, le galassie avrebbero impiegato molto più tempo a formarsi, e l’universo di oggi potrebbe avere un aspetto molto diverso.

Galassie che si uniscono

Le prime galassie erano piccole. Come abbiamo visto nella notte precedente, il telescopio Webb vede galassie di poche centinaia di milioni di anni dopo l’inizio, e sono molto più piccole della Via Lattea. Come fecero galassie grandi come la nostra a crescere da inizi così piccoli? In parte attirando gas fresco dalla ragnatela cosmica, e in parte unendosi, come le gocce d’acqua di Noor, anche se molto più lentamente e in modo molto meno delicato.

Quando due galassie si avvicinano, la loro gravità le attira l’una verso l’altra. Girano l’una intorno all’altra, a volte più volte nel corso di centinaia di milioni di anni, e da esse vengono strappate lunghe correnti di stelle e di gas. Alla fine spesso si assestano in un’unica galassia più grande. Gli astronomi hanno fotografato molte coppie di galassie in fasi diverse di questo lento incontro. Ogni immagine è come un fotogramma di un film che dura molto più di una vita umana.

La nostra galassia è il risultato di miliardi di anni di crescita di questo tipo. Oggi la Via Lattea è una grande galassia a spirale, larga circa 100.000 anni luce, con centinaia di miliardi di stelle, una delle quali è il Sole. Dalla stazione, durante un passaggio al buio, Noor poteva vedere la sua fascia attraverso il cielo. Ciò che vedeva era la vista dall’interno di un grande disco piatto di stelle, visto di taglio da un punto al suo interno.

La Via Lattea è cresciuta in parte in questo modo. Gli astronomi che studiano i movimenti delle stelle nella nostra galassia hanno trovato gruppi di stelle che si muovono insieme in modi insoliti, e pensano che siano i resti di galassie più piccole inghiottite dalla Via Lattea molto tempo fa. Alcune delle stelle più antiche della nostra galassia si sono formate più di 13 miliardi di anni fa, quindi la Via Lattea cresce da quasi tutta la storia dell’universo. Ancora oggi sta lentamente attirando a sé alcune piccole galassie vicine.

E la Via Lattea ha davanti a sé un grande incontro. In una notte precedente abbiamo visto che la galassia di Andromeda, a circa 2,5 milioni di anni luce, è una delle poche galassie che si muovono verso di noi. Tra circa 4-5 miliardi di anni, la Via Lattea e la galassia di Andromeda dovrebbero avvicinarsi moltissimo, e nel corso di un lungo periodo potrebbero fondersi in un’unica galassia più grande. Le loro traiettorie esatte sono ancora in fase di misura, quindi gli astronomi non sanno ancora con certezza quando, e nemmeno se, la fusione avverrà. Se avverrà, il cielo notturno di qualsiasi pianeta che esisterà allora sarà molto diverso, pieno di nuove correnti e nubi di stelle.

Può sembrare allarmante, ma non c’è motivo di preoccuparsi, per due ragioni. La prima è l’enorme quantità di tempo, molte volte più lunga dell’intera storia umana. La seconda è che le galassie sono fatte soprattutto di spazio vuoto. Le distanze tra le stelle sono così grandi rispetto alle stelle stesse che, quando due galassie si fondono, le stelle non si urtano quasi mai. Si passano accanto a grandi distanze, mentre le nubi di gas delle due galassie si incontrano e possono dare vita a molte nuove stelle.

Un messaggio per Sami

Prima di dormire, Noor guardò ancora una volta il breve filmato delle gocce d’acqua, poi mandò alla Terra la lezione finita. Pensò ai bambini che l’avrebbero guardata in classe, e alla figlia di Sami, che voleva diventare una goccia d’acqua. Pensò anche ai lunghi filamenti della ragnatela cosmica, con le galassie raccolte lungo di essi come gocce su un filo di ragnatela.

Scrisse a Sami: «Di’ a tua figlia che anche le galassie si uniscono, come le gocce, ma molto lentamente. La nostra galassia ne ha inghiottite diverse più piccole. E gran parte di ciò che tiene insieme le galassie è qualcosa di invisibile che nessuno ha ancora identificato. Magari sarà lei a scoprire che cos’è.» Sami rispose che sua figlia si era addormentata, ma che gliel’avrebbe detto la mattina dopo, e che era sicuro che gli avrebbe chiesto che cosa vuol dire «identificato».

Forse, alla fine della tua settimana, anche tu hai una giornata più leggera, con le faccende al mattino e qualcosa che ti piace nel pomeriggio. In un giorno così, se ti versi un bicchiere d’acqua o guardi la pioggia raccogliersi in gocce su una finestra, potresti ricordare il lungo, lento raccogliersi dell’universo. Le cose piccole si uniscono in cose più grandi. Una parte di ciò che le tiene insieme è facile da vedere. Un’altra parte, come molte delle cose buone che tengono unite le persone, non si vede affatto.

Equivoci comuni

Molti pensano che la materia oscura sia semplicemente materia ordinaria troppo scura per essere vista, come polvere, nubi scure o stelle morte. Gli astronomi hanno cercato con cura cose del genere. Esistono, ma non ce n’è neanche lontanamente abbastanza. I primi minuti dell’universo e la luce più antica mostrano entrambi che la quantità totale di materia ordinaria è troppo piccola per spiegare la gravità in più. Quindi la maggior parte della materia oscura deve essere qualcos’altro, probabilmente qualcosa che non è affatto fatto di atomi.

Molti pensano anche che gli scienziati sappiano che cos’è la materia oscura e usino semplicemente un nome misterioso per indicarla. Non lo sanno. Sanno quanta ce n’è, più o meno dove si trova e come attira. Ma di che cosa sia fatta non è stato scoperto, nonostante molti anni di ricerche accurate. La parola «oscura» nel suo nome è un’ammissione onesta. Significa che ne vediamo gli effetti ma non riusciamo a vedere la cosa in sé, e che non la comprendiamo ancora.

Infine, molti immaginano che, quando due galassie si scontrano, le loro stelle si urtino in grandi esplosioni. In realtà le stelle non si scontrano quasi mai, anche quando intere galassie si fondono, perché lo spazio tra le stelle è immenso. Se il Sole fosse grande come un granello di sabbia, la stella più vicina sarebbe un altro granello di sabbia a più di dieci chilometri di distanza. Il vero incontro avviene tra le nubi di gas, che possono essere compresse e formare nuove stelle, e quelle nuove stelle, a loro volta, producono nuovi elementi. Nella prossima notte guarderemo dentro le stelle e vedremo come hanno prodotto gli elementi del nostro stesso corpo.