Capitolo 3: L’universo era più grande di quanto chiunque pensasse

Notte 19: Lattuga sotto una luce rosa

Il diciannovesimo giorno, Noor passò la mattina a fare la giardiniera. In un angolo della stazione c’è una piccola camera di coltivazione, grande più o meno come un pensile da cucina, dove le piante crescono sotto luci colorate. La luce è un miscuglio di rosso e blu, che fa brillare la camera di rosa. Il rosso e il blu sono i colori che le foglie usano di più per crescere, quindi non serve sprecare energia per gli altri. All’interno, una fila di giovani piantine di lattuga spuntava da piccoli cuscinetti di stoffa riempiti di un materiale di coltura simile all’argilla e di fertilizzante.

Il suo compito era controllare ogni pianta, scattare fotografie, misurare le foglie e aggiungere una quantità d’acqua ben dosata attraverso un tubicino sottile. Nell’assenza di peso, l’acqua non scende verso il basso come fa nel terreno sulla Terra. Può formare una palla e restare in superficie, o scivolare lungo il lato del cuscinetto, quindi va data lentamente. Anche le radici hanno uno strano problema. Sulla Terra le radici crescono verso il basso perché percepiscono l’attrazione della gravità. Qui non c’è un «basso» da sentire, così le piante si affidano soprattutto alla direzione della luce. Le foglie si allungano verso le lampade, e le radici crescono per lo più nella direzione opposta, dentro il materiale di coltura umido.

A Noor piaceva questo lavoro. Le sembrava vicino alla vita di tutti i giorni, come curare un piccolo orto sul balcone. Gli scienziati a terra avrebbero studiato le sue fotografie e le sue misure per capire come un giorno le piante potrebbero nutrire gli equipaggi durante i viaggi lunghi, e tra qualche settimana l’equipaggio avrebbe potuto mangiare alcune foglie. Ade aveva già annunciato che avrebbe portato lui il sale.

Nel pomeriggio, Tomás le chiese di aiutarlo con un lavoro diverso: caricare attrezzature usate e rifiuti in una nave cargo che più tardi avrebbe lasciato la stazione e sarebbe bruciata senza pericolo negli strati alti dell’aria. Era il tipo di lavoro che esiste in ogni luogo di lavoro, quello che nessuno fotografa. Ogni sacca doveva essere etichettata, pesata con un apparecchio speciale e fissata al suo posto, perché niente si spostasse quando i motori della nave si fossero accesi. Quando ebbero finito, la piccola cabina della nave cargo sembrava un furgone da trasloco caricato con cura, e Noor aveva le braccia stanche a forza di spingere sacche pesanti che non pesavano niente.

Quella sera, dopo aver completato l’ultima lista di controllo, Noor andò alla finestra. La stazione entrò nel buio sopra un oceano, dove non c’erano luci di città. Mentre i suoi occhi si abituavano, vide una pallida fascia di luce che attraversava il cielo, irregolare e morbida, come una scia di foschia. Era la Via Lattea. Sulla Terra l’aveva vista solo poche volte, lontano dai centri abitati, ma qui era nitida e ampia. Si ricordò che solo un centinaio di anni fa molti astronomi credevano che questa fascia, e le stelle intorno a essa, costituissero l’intero universo.

Quando quella notte scrisse a Sami, cominciò con una domanda sua. «Sai quanto era grande l’universo nel 1900? Non l’universo vero. L’universo in cui credeva la gente.»

Un universo di una sola galassia

La pallida fascia della Via Lattea è la nostra galassia, vista dall’interno. Una galassia è un’enorme famiglia di stelle, gas e polvere tenuta insieme dalla gravità. La nostra galassia ha più o meno la forma di un disco piatto con un rigonfiamento al centro. Il Sole è una stella di quel disco, lontana dal centro, circa a metà strada verso il bordo. Quando guardiamo lungo il disco, vediamo così tante stelle lontane ammassate insieme che si confondono in una fascia morbida. Quando guardiamo lontano dal disco, vediamo meno stelle e più buio.

Un’immagine semplice può aiutare. Immagina di stare in mezzo a una grande foresta in pianura. Se guardi dritto davanti a te, in qualsiasi direzione lungo il terreno, gli alberi si sovrappongono così fitti che vedi un muro di tronchi. Se guardi dritto verso l’alto, vedi solo qualche ramo e poi il cielo aperto. Noi viviamo dentro il disco della nostra galassia come una persona dentro quella foresta. Guardando lungo il disco, vediamo un muro affollato di stelle, la fascia pallida. Guardando in alto, fuori dal disco, vediamo lo spazio aperto.

Oggi sappiamo che la Via Lattea misura circa 100.000 anni luce da un capo all’altro e contiene centinaia di miliardi di stelle. È già una grandezza quasi impossibile da immaginare. La luce, la messaggera più veloce, ha bisogno di circa 100.000 anni solo per attraversarla da una parte all’altra. Eppure, all’inizio del Novecento, molti astronomi pensavano che questo fosse tutto. Nel loro quadro, l’universo era una grande isola di stelle che galleggiava in un mare buio e sconfinato, senza nulla oltre.

In quel quadro c’era un enigma. Con i telescopi, gli astronomi avevano trovato molte macchie di luce deboli e sfocate sparse nel cielo. Le chiamarono nebulose, da una parola antica che indicava le nuvole o la nebbia. Alcune di queste nebulose erano chiaramente nubi di gas luminoso tra le stelle. Ma altre erano diverse. Molte avevano una bellissima forma a spirale, come l’acqua che gira scendendo in uno scarico, e sembravano fatte di una luce morbida che nessun telescopio dell’epoca riusciva a separare in singole stelle. Furono chiamate nebulose a spirale.

Che cosa erano? Alcuni astronomi pensavano che fossero piccole nubi dentro la nostra galassia, forse nuovi sistemi di stelle in formazione. Altri pensavano che potessero essere galassie intere, così lontane che i loro miliardi di stelle si confondevano in una foschia, proprio come fa per noi la Via Lattea. L’idea che potessero esistere altre galassie, altri «universi isola», non era nuova. Alcuni pensatori l’avevano proposta più di un secolo prima. Ma nessuno poteva dimostrarla né smentirla, perché nessuno riusciva a misurare quanto fossero lontane le nebulose a spirale.

È questa la difficoltà centrale dell’astronomia. Quando guardi una luce nel cielo, non è facile capire se sia una luce debole vicina o una luce forte lontana. Una candela dall’altra parte di una stanza e un faro su una costa lontana possono sembrare ugualmente luminosi. Per misurare le dimensioni dell’universo, gli astronomi avevano bisogno di un modo per sapere quanto è luminosa davvero una luce. Avevano bisogno di quella che a volte si chiama candela standard: un tipo di luce di cui si conosce la luminosità reale, così che la sua distanza si possa ricavare da quanto luminosa appare.

La donna che misurava le stelle

La chiave arrivò da una donna di nome Henrietta Leavitt. All’inizio del Novecento lavorava in un osservatorio, in una squadra di donne assunte per studiare lastre fotografiche. Erano lastre di vetro ricoperte da uno strato sensibile alla luce, che venivano poste in fondo a un telescopio per registrare le stelle. Notte dopo notte, il telescopio scattava fotografie. Giorno dopo giorno, le donne le esaminavano con le lenti d’ingrandimento, misuravano la luminosità delle stelle, confrontavano lastre riprese in notti diverse e annotavano tutto con cura.

Era un lavoro lento e paziente, e non era pagato bene. Le donne venivano spesso chiamate «calcolatrici», perché il loro compito era fare calcoli, in un’epoca in cui non lo facevano ancora le macchine. Molte di loro erano astronome molto abili, anche se all’epoca raramente ricevevano quel titolo. Il compito di Leavitt era trovare stelle la cui luminosità cambiava nel tempo. Studiò lastre di due piccole galassie simili a nuvole che si possono vedere dalla metà meridionale della Terra. In esse trovò più di mille stelle di questo tipo.

Tra queste c’era un tipo speciale di stella che diventa più luminosa e più debole con un ritmo regolare, come un lento battito del cuore, in un periodo che va da circa un giorno a diverse settimane. Queste stelle si chiamano cefeidi. Leavitt notò in loro qualcosa di straordinario. Le cefeidi più luminose impiegavano più tempo a completare il loro ritmo. Quelle più deboli battevano più in fretta. E poiché tutte le stelle di una di quelle piccole galassie si trovano più o meno alla stessa distanza da noi, la differenza di luminosità doveva essere reale, e non soltanto un effetto dovuto al fatto che alcune stelle fossero più vicine.

Pubblicò questo risultato nel 1912. Significava che il ritmo di una cefeide rivela la sua luminosità reale. Misura quanto tempo impiega la stella a pulsare, e saprai quanto è luminosa davvero. Confronta questo valore con quanto luminosa appare, e potrai calcolare quanto è lontana. Una cefeide era esattamente la candela standard che mancava agli astronomi. Una volta misurate con altri metodi alcune cefeidi vicine, la regola di Leavitt si poteva usare come un metro a nastro steso attraverso il cielo.

Henrietta Leavitt non visse abbastanza per vedere quanto sarebbe diventata importante la sua scoperta. Morì nel 1921, dopo molti anni di lavoro silenzioso, pochi anni prima che la sua regola venisse usata per rispondere a una delle più grandi domande dell’astronomia. La sua storia ricorda bene che i grandi risultati nascono spesso da un lavoro attento e poco appariscente, svolto da persone il cui nome non sempre viene ricordato.

Una discussione senza risposta

Nel 1920 la questione delle nebulose a spirale era diventata così importante che due astronomi di primo piano presentarono le loro opinioni opposte durante un incontro scientifico. Questo evento è spesso ricordato come il Grande Dibattito. Uno dei due sosteneva che la nostra galassia fosse enorme, molto più grande di quanto si pensasse, e che le nebulose a spirale fossero piccoli oggetti al suo interno o vicini a essa. L’altro sosteneva che la nostra galassia fosse più piccola, e che le nebulose a spirale fossero galassie lontane a tutti gli effetti.

La cosa interessante del dibattito è che ciascuna parte aveva in parte ragione e in parte torto. Il primo astronomo aveva usato le cefeidi e altri indizi per mostrare, correttamente, che la nostra galassia era molto grande e che il Sole non si trovava al suo centro. Era un passo importante. Il secondo astronomo aveva ragione sul fatto che le nebulose a spirale fossero galassie separate, ma pensava che la nostra galassia fosse più piccola di quanto sia in realtà. Nessuno dei due aveva prove sufficienti per chiudere la questione.

Il dibattito non fu una gara con un vincitore annunciato alla fine. Ciascun astronomo presentò le sue prove, e in seguito entrambi scrissero articoli più lunghi per spiegare le loro ragioni. Altri astronomi li lessero, ne discussero nelle lettere e negli incontri e tornarono ai loro telescopi. Alla fine, la questione non fu risolta da chi aveva parlato in modo più convincente. Fu risolta, qualche anno dopo, da una misura. È così che dovrebbe andare nella scienza, anche se non sempre accade così in fretta.

Nella scienza succede spesso. Due persone attente guardano prove incomplete e arrivano a conclusioni diverse. Nessuna delle due è sciocca. Entrambe fanno del loro meglio con ciò che hanno. La discussione stessa è utile, perché chiarisce quali prove servono. In questo caso, tutti erano d’accordo su che cosa avrebbe risolto la questione: una misura affidabile della distanza di almeno una nebulosa a spirale. Se qualcuno fosse riuscito a trovare una cefeide in una di esse, la regola di Leavitt avrebbe dato la risposta.

La difficoltà era pratica. Una cefeide in una lontana nebulosa a spirale sarebbe stata debolissima, troppo debole perché la maggior parte dei telescopi dell’epoca riuscisse a distinguerla come una singola stella. Per vederla, un astronomo avrebbe avuto bisogno di uno dei telescopi più grandi del mondo, di moltissima pazienza e di molte notti fredde di lavoro.

Una stella in Andromeda

Quell’astronomo fu Edwin Hubble. Nel 1923 e nel 1924, lavorando notte dopo notte a uno dei telescopi più grandi dell’epoca, su una montagna lontana dalle luci delle città, fotografò la più grande e la più luminosa delle nebulose a spirale, quella nella costellazione di Andromeda. Confrontando le sue lastre fotografiche, trovò una stella la cui luminosità saliva e scendeva con un ritmo regolare. Era una cefeide. Presto ne trovò altre.

Di questa storia si è conservato un piccolo dettaglio. Quando Hubble vide per la prima volta la stella su una delle sue lastre di vetro, la segnò come una possibile stella nuova, del tipo che si accende all’improvviso una volta e poi svanisce. Quando la confrontò con lastre più vecchie dello stesso tratto di cielo e vide che la sua luce saliva e scendeva con un ritmo che si ripeteva, cancellò il primo segno e scrisse una breve nota per dire che si trattava di una stella variabile, cioè di una stella che cambia luminosità. Quella lastra, con la sua nota corretta, è conservata ancora oggi. È un bel promemoria del fatto che anche le grandi scoperte cominciano con una persona che corregge la propria prima ipotesi.

Usando la regola di Leavitt, Hubble calcolò quanto fossero lontane queste stelle. La risposta era molto più grande delle dimensioni della nostra galassia, anche secondo le stime più ampie dell’epoca. La nebulosa di Andromeda non era una piccola nube dentro la Via Lattea. Era un’altra galassia, molto al di fuori della nostra, fatta di un numero enorme di stelle sue. Il suo risultato fu annunciato intorno all’inizio del 1925.

La prima stima di Hubble della distanza era meno della metà del valore di oggi, a causa di errori nel metro a nastro che furono corretti in seguito. Oggi sappiamo che la galassia di Andromeda si trova a circa 2,5 milioni di anni luce. Ma anche il suo primo numero bastava. In poco tempo l’universo era passato da una sola galassia a innumerevoli galassie, sparse nello spazio in ogni direzione. La Via Lattea non era più l’universo. Era un’isola tra moltissime altre.

È difficile esagerare la portata di questo cambiamento. Nel corso della vita lavorativa di una sola generazione, l’universo conosciuto diventò così tanto più grande che il vecchio quadro sembrava minuscolo. E questo era solo l’inizio. Hubble e altri cominciarono presto a esaminare più da vicino la luce di queste galassie, e trovarono qualcosa di ancora più strano, che è la storia della prossima notte di questo libro.

Prima di dormire

Noor rimase alla finestra finché la stazione non tornò alla luce del giorno. Poi scrisse a Sami. «Nel 1900 molti astronomi pensavano che la nostra galassia fosse l’intero universo. Poi una donna che misurava le stelle su lastre di vetro trovò un modo per misurare le distanze, e un uomo a un grande telescopio lo usò per mostrare che la nebulosa di Andromeda è una galassia separata. All’improvviso le galassie erano innumerevoli. Compito per oggi: se ti capita una notte buia, cerca una fascia pallida che attraversa il cielo. È la nostra galassia, vista dall’interno.»

Sami rispose la mattina dopo, prima di andare a dormire dopo il turno. Scrisse che una volta, anni prima, aveva visto la Via Lattea durante un giro di consegne in campagna, quando si era fermato sul ciglio di una strada senza luci. Aveva pensato che fosse una nuvola sottile. «Adesso so che erano qualche centinaio di miliardi di stelle», scrisse. «Guarderò di nuovo.»

Noor lesse il suo messaggio a colazione, fluttuando accanto ad Ade, che mangiava frutta secca da una busta. Glielo mostrò. Ade disse che gli piaceva l’idea di un autista di furgoni sul ciglio di una strada buia che guarda qualche centinaio di miliardi di stelle e pensa che siano una nuvola. «La maggior parte delle persone che sono mai vissute ha pensato la stessa cosa», disse. «Tuo fratello è in buona compagnia.»

Se vivi in un paese o in una città, forse vedi raramente la Via Lattea, perché i lampioni e le finestre illuminate rischiarano il cielo. Non è qualcosa per cui essere tristi. È semplicemente un motivo per alzare lo sguardo per un po’, se un giorno ti capita di trovarti lontano dalle luci in una notte limpida. La fascia pallida sarà lì, come c’è stata in ogni notte della storia umana, ad aspettare chiunque abbia un momento per notarla.

Equivoci comuni

Molti pensano che la Via Lattea sia la stessa cosa dell’universo, o che le due parole significhino quasi lo stesso. Come abbiamo visto, era la convinzione di molti astronomi appena un secolo fa. Ma oggi sappiamo che la Via Lattea è una galassia tra un numero immenso di galassie, troppe per contarle una per una. La Via Lattea è la nostra galassia di casa, quella in cui viviamo. L’universo è tutto: tutte le galassie, tutto lo spazio tra di esse e tutto ciò che esiste.

Alcuni credono che le altre galassie si possano vedere solo con i grandi telescopi. È vero che la maggior parte è troppo debole per l’occhio. Ma alcune si possono vedere senza alcuno strumento. La galassia di Andromeda, in una notte limpida e buia lontano dalle luci, appare come una piccola macchia debole, un ovale di luce morbida. Non somiglia alle fotografie di spirali che si vedono nei libri, perché l’occhio riesce a vedere solo il suo centro luminoso. Eppure, se la trovi, vedi con i tuoi occhi una luce partita da un’altra galassia circa 2,5 milioni di anni fa. Dalla metà meridionale della Terra si possono vedere anche le due piccole galassie studiate da Henrietta Leavitt, come due nuvole pallide in un cielo buio.

Un terzo equivoco riguarda la parola nebulosa. Oggi gli astronomi la usano per le nubi di gas e polvere nello spazio, come i luoghi luminosi in cui nascono nuove stelle. In passato la stessa parola indicava qualsiasi macchia debole e sfocata vista al telescopio, comprese le nebulose a spirale che si rivelarono galassie. Per questo i libri vecchi parlano della nebulosa di Andromeda, mentre i libri moderni parlano della galassia di Andromeda. Sono lo stesso oggetto. È cambiata solo la nostra comprensione. Cambiamenti come questo, in cui il nome resta ma la conoscenza cresce, fanno parte della storia della scienza, e nella prossima notte vedremo come uno sguardo attento ai colori delle galassie cambiò ancora una volta il nostro quadro dell’universo.