Capitolo 2: La luce è una messaggera del passato

Notte 8: Due ore sul tapis roulant

All’ottavo giorno sulla stazione, Noor aveva trovato il suo ritmo. Si svegliava quando la sveglia vibrava piano dentro il sacco a pelo, apriva la cerniera e usciva fluttuando nello stretto corridoio. Si lavava i denti con un dentifricio che si può ingoiare, perché non c’è un lavandino in cui sputare. Si lavava il viso con un panno umido e i capelli con uno shampoo che non ha bisogno di risciacquo. La colazione era una busta di porridge, riempita di acqua calda da un piccolo rubinetto, e una sacca di caffè bevuto con una cannuccia.

Poi, come ogni giorno, veniva l’esercizio fisico. Nell’assenza di peso, il corpo si accorge presto di non dover più sostenere se stesso. Le ossa perdono parte della loro forza, e i muscoli, soprattutto quelli delle gambe e della schiena, si indeboliscono. Per rallentare questo processo, ogni persona sulla stazione si allena per circa due ore al giorno. Noor cominciò con il tapis roulant. Poiché altrimenti se ne sarebbe semplicemente allontanata fluttuando, indossava un’imbracatura con due cinghie elastiche che la tiravano verso il nastro. Le cinghie premevano sui fianchi e sulle spalle, e correre le sembrava stranamente pesante e leggero allo stesso tempo.

Dopo il tapis roulant veniva la bicicletta, che non ha ruote e ha un sellino su cui nessuno si siede davvero, e poi una macchina per il sollevamento. La macchina non usa pesi, perché un peso non cadrebbe. Invece tira contro braccia e gambe con una forza costante, così lei può fare squat e sollevamenti come farebbe in una palestra sulla Terra. Alla fine, la maglietta era umida. Nell’assenza di peso il sudore non scorre lungo il corpo. Si raccoglie in piccole chiazze lucide sulla pelle, e lei lo asciugava con un asciugamano. Più tardi, le macchine della stazione avrebbero raccolto quell’umidità dall’aria e l’avrebbero trasformata di nuovo in acqua da bere.

Il resto della giornata fu dedicato alla manutenzione: sostituire un filtro, controllare una pompa, seguire una lunga lista di controllo inviata dalle squadre a terra. Quella notte, prima di dormire, Noor andò alla grande finestra. La stazione era appena entrata nell’ombra della Terra. Con le luci della piccola stanza spente, i suoi occhi si abituarono lentamente, e le stelle comparvero una dopo l’altra. Notò qualcosa di cui aveva letto ma che non aveva mai visto. Le stelle non scintillavano. Ognuna era un punto calmo e fermo.

Sulla Terra le stelle scintillano perché la loro luce attraversa l’aria in movimento sopra di noi, che la piega un po’ da una parte e un po’ dall’altra. Sopra l’aria non c’è niente che disturbi la luce. Noor guardò a lungo una stella luminosa e pensò a una domanda che Sami le aveva mandato la notte prima: «Quando guardo una stella, la vedo com’è proprio adesso?» Sapeva che la risposta era no. E sapeva che proprio questa era la chiave di tutta la storia dell’inizio.

La messaggera più veloce

La luce è la cosa più veloce che conosciamo. Viaggia a circa 300.000 chilometri al secondo. È abbastanza veloce da fare il giro della Terra più di sette volte in un solo secondo. Se accendi una lampada in cucina, la luce raggiunge la parete opposta così in fretta che sembra istantanea. Per quasi tutti gli scopi della vita quotidiana, possiamo trattare la luce come se arrivasse nel momento stesso in cui parte.

Forse conosci già un modo per sentire la differenza tra una messaggera veloce e una più lenta. Durante un temporale vedi prima il lampo e poi senti il tuono. La luce ti raggiunge quasi subito, mentre il suono, che viaggia quasi un milione di volte più lentamente, impiega qualche secondo per ogni chilometro. Molte persone contano i secondi tra il lampo e il brontolio per capire quanto è lontano il temporale. Gli astronomi fanno qualcosa di simile con la sola luce, ma i loro secondi diventano minuti, anni e milioni di anni.

Ma la luce non è istantanea. Impiega tempo, e sulla scala dello spazio quel tempo diventa molto evidente. È uno dei fatti più utili di tutta l’astronomia. Quasi tutto ciò che sappiamo sulle stelle e sulle galassie lo sappiamo grazie alla luce che ci mandano. La luce è la messaggera che porta notizie dal resto dell’universo. E come ogni messaggera che ha fatto un lungo viaggio, porta notizie che non sono più del tutto fresche.

Pensa a una lettera spedita per posta da un’amica lontana. Quando la apri, leggi che cosa faceva e che cosa provava la tua amica il giorno in cui l’ha scritta. Quando la leggi, lei potrebbe aver cambiato casa, cambiato lavoro o dimenticato che cosa aveva scritto. La lettera è vera, ma è un’immagine vera del passato. La luce del cielo è come quella lettera. Dice sempre la verità sul momento in cui è partita, e mai sul momento in cui arriva.

Con la luce, il ritardo dipende dalla distanza. Più una cosa è lontana, più a lungo la sua luce ha viaggiato, e più vecchie sono le notizie che porta. Da vicino il ritardo è minuscolo. Da lontano diventa enorme. Questa idea semplice significa che quando guardiamo il cielo non stiamo guardando un solo momento. Stiamo guardando molti momenti diversi del passato, tutti insieme, sovrapposti come le pagine di un libro.

La Luna di un attimo fa, il Sole di qualche minuto fa

Cominciamo vicino a casa. La Luna è a circa 384.000 chilometri dalla Terra. La sua luce, che in realtà è luce del Sole riflessa dalla sua superficie grigia, impiega circa 1,3 secondi per raggiungerci. Così, quando guardi la Luna, la vedi com’era poco più di un secondo fa. È un ritardo quasi troppo piccolo per avere importanza, ma è reale. Quando, un tempo, gli astronauti parlavano con la Terra dalla Luna, in ogni conversazione c’era una breve pausa, perché le loro voci, trasportate da onde radio che viaggiano alla velocità della luce, avevano bisogno di quel tempo per percorrere la distanza, all’andata e al ritorno.

Il Sole è molto più lontano, a circa 150 milioni di chilometri. La sua luce impiega circa 8 minuti per raggiungerci. Questo significa che il Sole che vedi nel cielo del mattino è il Sole di 8 minuti prima. Se il Sole cambiasse all’improvviso in qualche modo, non lo sapremmo per circa 8 minuti. Non succederà niente del genere, ma è un pensiero che colpisce. Ogni alba che Noor osserva dalla stazione, sedici volte al giorno, è in realtà un’immagine del Sole com’era qualche minuto prima.

I pianeti tra noi e le stelle mostrano lo stesso ritardo in modo molto pratico. I veicoli robotici che esplorano la superficie di Marte non si possono guidare come una macchinina con il telecomando. Un segnale radio impiega diversi minuti per raggiungerli, e a volte più di venti minuti, a seconda di dove si trovano Marte e la Terra lungo i loro percorsi intorno al Sole. Quando un’immagine del robot arriva sulla Terra, il robot è già fermo lì da minuti. Così le squadre che li guidano pianificano in anticipo i movimenti di ogni giornata e inviano un elenco di istruzioni, un po’ come un responsabile che lascia dei biglietti per il turno di notte.

Oltre il Sole, le distanze fanno un salto enorme. La stella più vicina dopo il Sole è così lontana che la sua luce impiega poco più di quattro anni per raggiungerci. La luce che arriva da lei stanotte è partita circa quattro anni fa. La maggior parte delle stelle che puoi vedere a occhio nudo in una notte limpida è molto più lontana. La loro luce si è messa in viaggio decine, centinaia o perfino qualche migliaio di anni fa. Parte della luce delle stelle che arriva nei tuoi occhi stanotte ha cominciato il suo viaggio prima che nascessero i tuoi nonni.

E poi ci sono le galassie. La grande galassia chiamata Andromeda, che conosceremo meglio nella prossima notte di questo libro, è a circa 2,5 milioni di anni luce. La debole macchia della sua luce che puoi vedere da un luogo molto buio è partita da lei circa 2,5 milioni di anni fa. In altre parole, la luce che arriva ai tuoi occhi da Andromeda viaggia da più tempo di quanto esista la nostra specie. Le galassie più lontane che i grandi telescopi riescono a vedere mandano luce partita miliardi di anni fa.

Un rompicapo da orologiaio nel cielo

Per moltissimo tempo, molti pensatori credettero che la luce viaggiasse davvero in modo istantaneo. Altri sospettavano che impiegasse del tempo, ma nessuno riusciva a misurarlo, perché sulla Terra è semplicemente troppo veloce. La prima buona prova che la luce impiega tempo arrivò dal cielo, e dal lavoro paziente di un giovane astronomo di nome Ole Rømer, nel 1676.

Rømer studiava le lune del pianeta Giove. Giove ha diverse grandi lune, viste per la prima volta con un telescopio all’inizio del Seicento, che girano intorno al pianeta come le lancette di un orologio molto regolare. Una di esse, la più interna tra le lune grandi, compie il giro di Giove in meno di due giorni. Ogni volta che passa dietro il pianeta, scompare nell’ombra di Giove e poi ricompare. Poiché queste sparizioni avvengono con tanta regolarità, gli astronomi speravano di usarle come un orologio nel cielo, che marinai e cartografi potessero consultare da qualsiasi luogo.

Ma c’era un problema. Le sparizioni della luna non erano perfettamente puntuali. Nel corso dei mesi sembravano anticipare di qualche minuto in certi periodi dell’anno e ritardare di qualche minuto in altri. Rømer notò che i ritardi seguivano uno schema. Quando la Terra, lungo il proprio percorso intorno al Sole, si allontanava da Giove, le sparizioni arrivavano sempre più tardi. Quando la Terra si avvicinava a Giove, arrivavano prima.

La spiegazione di Rømer fu semplice e audace. La luna era perfettamente puntuale. Ciò che cambiava era la distanza che la luce doveva percorrere per raggiungerci. Quando la Terra si trovava sul lato lontano del suo percorso, la luce proveniente dal sistema di Giove doveva fare diversi minuti di viaggio in più, così la notizia di ogni sparizione arrivava in ritardo. La luce, concluse, non era istantanea. Aveva una velocità. I calcoli fatti a partire dal suo lavoro diedero un valore un po’ più basso di quello moderno, ma dell’ordine giusto. Per la prima volta le persone ebbero un’idea di quanto velocemente viaggia la messaggera.

In questa storia c’è qualcosa di molto umano. Rømer non cercava di fare una grande scoperta sulla luce. Cercava di costruire un orologio migliore, per un lavoro pratico. Notò che l’orologio sbagliava e, invece di ignorare il piccolo errore, lo prese sul serio. Molte scoperte nella storia dell’universo cominciano così, con una persona che fa attenzione a una piccola cosa che non torna.

Guardare lontano è guardare indietro

Poiché la luce impiega tempo, gli astronomi misurano le grandi distanze dello spazio in base a quanto tempo la luce impiega ad attraversarle. La più famosa di queste misure è l’anno luce. Un anno luce è la distanza che la luce percorre in un anno. Corrisponde a circa 9.500 miliardi di chilometri. È un numero così grande che è difficile immaginarlo, ma l’idea che c’è dietro è semplice: un anno luce è la strada che la messaggera più veloce percorre in un anno di viaggio senza sosta.

Usare gli anni luce dà insieme distanza e tempo. Se una galassia si trova a 10 milioni di anni luce, la sua luce viaggia da 10 milioni di anni. Se una galassia si trova a un miliardo di anni luce, la sua luce è partita un miliardo di anni fa. Così, ogni volta che gli astronomi guardano più in profondità nello spazio, guardano anche più indietro nel tempo. Un telescopio capace di vedere galassie molto deboli e molto lontane è anche un telescopio capace di vedere l’universo quando era più giovane.

È per questo che lo studio dell’inizio dell’universo è possibile. Non possiamo tornare indietro di 13 miliardi di anni. Ma la luce di 13 miliardi di anni fa sta ancora arrivando oggi, da luoghi molto lontani. Raccogliendola, gli astronomi possono osservare le galassie com’erano quando l’universo era giovane, confrontarle con le galassie vicine a noi e vedere come sono cambiate le cose. È un po’ come avere le fotografie di un paese scattate nel corso di molti anni, che arrivano tutte per posta nello stesso giorno.

Immagina di fare il turno di notte in un grande luogo di lavoro e di arrivare proprio mentre i lavoratori del giorno se ne vanno. Non vedi mai la loro giornata di lavoro. Ma puoi leggere i biglietti che hanno lasciato, vedere quali macchine sono ancora calde, quali scatole sono state spostate e quali lavori sono a metà. Da queste tracce puoi ricostruire un buon quadro di ciò che è successo mentre non c’eri. Gli astronomi sono un po’ come quel lavoratore notturno. Arrivano molto tempo dopo che l’universo primordiale è passato, ma la luce che ha lasciato permette loro di ricostruire la sua giornata.

C’è un limite a quanto indietro la luce può portarci, e lo raggiungeremo in una notte successiva. Prima di un certo momento, l’intero universo era pieno di una nebbia calda e luminosa che la luce non poteva attraversare liberamente. La luce più antica che può raggiungerci viene dal momento in cui quella nebbia si diradò. Oltre quel punto dobbiamo usare altri indizi. Ma l’idea resta sempre la stessa: l’universo ci ha lasciato dei messaggi, e i messaggi stanno ancora arrivando.

È una cosa strana e meravigliosa. Non ti serve nessuna attrezzatura speciale per prenderne parte. Ogni volta che guardi una stella, ricevi un messaggio che viaggia da anni o da secoli. Il passato non è del tutto scomparso. Una parte di esso è ancora in viaggio verso di noi, e attraversa il buio a circa 300.000 chilometri al secondo.

Un messaggio per Sami

Noor rimase a fluttuare ancora un po’ nella stanza buia, finché la stazione tornò alla luce del Sole e le stelle svanirono nel bagliore. Poi tornò nella sua cabina, si chiuse nel sacco a pelo e scrisse al fratello. «Risposta alla tua domanda: no. Vedi sempre una stella com’era quando la sua luce è partita. Il Sole, 8 minuti fa. La maggior parte delle stelle, molti anni fa. Le galassie lontane, milioni o miliardi di anni fa. Guardare lontano è guardare indietro.»

Qualche ora dopo, parcheggiato accanto a una strada silenziosa con una tazza di caffè del thermos, Sami lesse il messaggio e alzò lo sguardo attraverso il parabrezza del furgone. Non c’erano molte stelle, per via delle luci lungo la strada, ma ne trovò una luminosa sopra gli alberi. Pensò a quanto a lungo la sua luce avesse viaggiato, fino al suo parabrezza, alle tre del mattino, nel mezzo della sua notte di lavoro.

Se stanotte hai un momento, potresti fare lo stesso. Guarda una stella qualsiasi tra quelle che riesci a vedere. La sua luce è partita molto tempo fa, prima ancora che cominciassero molte delle cose che oggi ti preoccupano. Ha viaggiato per tutto questo tempo e arriva stanotte, alla tua finestra, perché tu la noti oppure no. In questo c’è una specie di compagnia silenziosa.

Equivoci comuni

Molti pensano che la maggior parte delle stelle che vedono di notte sia già morta, e che noi vediamo soltanto la loro vecchia luce. È vero che la luce delle stelle è vecchia, ed è vero che le stelle non vivono per sempre. Ma le stelle che puoi vedere a occhio nudo sono, in termini astronomici, piuttosto vicine. Quasi tutte si trovano entro qualche migliaio di anni luce. Stelle come queste vivono di solito milioni o miliardi di anni. Così la loro luce è vecchia per i parametri umani, ma giovanissima rispetto alla vita delle stelle stesse. Quasi ogni stella che vedi stanotte sta ancora brillando.

Un secondo errore comune nasce dal nome dell’anno luce. Poiché contiene la parola «anno», molte persone pensano che sia una misura di tempo, come un mese o un decennio. In realtà un anno luce è una distanza, circa 9.500 miliardi di chilometri. Si chiama anno luce perché è la distanza che la luce percorre in un anno. Se qualcuno dice che una galassia si trova a un milione di anni luce, ti sta dicendo quanto è lontana e, allo stesso tempo, senza dirlo, da quanto tempo viaggia la sua luce.

Alcuni immaginano che gli astronauti su una stazione spaziale siano molto più vicini alle stelle di quanto lo siamo noi a terra. La stazione si trova a circa 400 chilometri sopra la Terra. La stella più vicina dopo il Sole è a più di quattro anni luce. Rispetto a quella distanza, 400 chilometri sono molto meno dello spessore di un capello rispetto alla larghezza di una strada di città. Noor vede le stelle più nitide di quanto le vedi tu, perché non c’è aria di mezzo, e le vede senza scintillio. Ma non è vicina a loro in nessun senso significativo. Dalla stazione le stelle sembrano lontane esattamente come dalla soglia di casa tua, e in tutti i sensi che contano lo sono davvero.

Ciò che la stazione offre a Noor è una vista da sopra l’aria, ed è anche per questo che alcuni telescopi vengono mandati nello spazio: non per essere più vicini alle stelle, ma per sfuggire all’aria che offusca e blocca la loro luce. Ciò che conta è la luce stessa, ed è una testimonianza onesta del luogo da cui proviene. Durante il suo lungo viaggio può attraversare polvere o essere un po’ deviata dall’attrazione delle galassie, e gli astronomi imparano a tenerne conto, ma niente di tutto questo cambia il punto da cui la luce è partita o ciò che ha portato con sé da lì. Per questo gli astronomi se ne fidano tanto, e per questo, nella prossima notte di questo libro, la seguiremo fino a una scoperta che rese all’improvviso l’universo molto più grande di quanto chiunque avesse immaginato.