Capitolo 4: Le galassie si allontanano

Notte 31: Afferrare una nave cargo

Il trentunesimo giorno della sua permanenza, Noor afferrò un veicolo spaziale con un braccio robotico. La nave cargo era stata lanciata due giorni prima e aveva passato quel tempo ad avvicinarsi lentamente alla stazione, accendendo più e più volte i suoi piccoli motori sotto lo sguardo attento delle squadre a terra. Nel pomeriggio era abbastanza vicina da vedersi dalle finestre: un cilindro bianco con ampi pannelli solari, che si muoveva quasi esattamente alla stessa velocità della stazione, tanto da sembrare sospeso e immobile nel cielo nero sopra la Terra luminosa.

Noor si sedette alla postazione di robotica, una piccola scrivania con schermi e due comandi manuali, uno per ciascuna mano. Tomás le sedeva accanto e leggeva ad alta voce la lista di controllo. La nave cargo si fermò a una decina di metri e rimase in attesa. A terra, le squadre confermarono che tutto era pronto. Allora Noor fece avanzare il lungo braccio, molto lentamente. Una mano controllava la direzione, l’altra la rotazione dell’estremità del braccio. Sullo schermo vedeva l’immagine di una telecamera posta in punta al braccio, con un piccolo attacco sulla nave cargo che diventava sempre più grande.

Il lavoro richiedeva mani calme e un respiro regolare. Sia la stazione sia la nave cargo viaggiavano intorno alla Terra a circa 28.000 chilometri all’ora, ma l’una rispetto all’altra erano quasi ferme, come due auto che procedono affiancate in autostrada. Quando l’attacco fu al centro dello schermo, Noor premette il grilletto. L’estremità del braccio si chiuse intorno all’attacco con una presa morbida e salda. «Cattura», disse. A terra, qualcuno cominciò ad applaudire.

Il resto della giornata servì a collegare la nave cargo alla stazione e a controllare che il portello si potesse aprire in sicurezza. Quando finalmente si aprì, la prima cosa che Noor notò fu l’odore. Sapeva di plastica nuova, di imballaggi e, appena appena, di mele. Da qualche parte tra le sacche di attrezzature, pezzi di ricambio, vestiti e cibo, le squadre a terra avevano messo una piccola scatola di frutta fresca. Quella sera l’equipaggio si divise le mele vicino alla grande finestra, tenendole con attenzione perché nessuna goccia di succo scappasse via.

Guardando la nave cargo dalla finestra, poco prima, Noor aveva pensato a quanto sia difficile capire se un oggetto lontano si sta avvicinando o allontanando. Da vicino, la telecamera del braccio robotico lo rendeva facile. Ma come si può capire in che modo si muove una galassia, quando si trova a milioni di anni luce e sembra una macchia immobile in una fotografia? Era la storia di quella notte, e cominciava con un arcobaleno.

La luce ha le impronte digitali

Quando la luce del Sole attraversa un prisma di vetro, o le gocce di pioggia, si apre in una fascia di colori: rosso, arancione, giallo, verde, blu e viola. Quella fascia si chiama spettro. Ogni colore è luce con una lunghezza d’onda leggermente diversa, il che significa che le sue onde sono distanziate in modo leggermente diverso. La luce rossa ha onde più lunghe. La luce blu e viola ha onde più corte. Lo spettro è semplicemente la luce ordinata secondo la lunghezza delle sue onde, come una pila di lettere ordinate per formato.

Nell’Ottocento gli scienziati scoprirono che, se aprivano la luce con cura usando un buono strumento, lo spettro non era uniforme. Era attraversato da sottili righe scure, come gli spazi di un codice a barre. Presto capirono che cosa significavano quelle righe. Ogni tipo di atomo, come l’idrogeno, il sodio o il ferro, assorbe ed emette luce solo a certe lunghezze d’onda precise. Quando la luce attraversa un gas, gli atomi di quel gas tolgono le proprie lunghezze d’onda particolari e lasciano righe scure esattamente in quei punti.

Forse hai visto un esempio semplice di queste impronte senza saperlo. Alcuni vecchi lampioni brillano di una luce giallo-arancione intensa. Sono riempiti di un gas che contiene sodio, e gli atomi di sodio, quando vengono fatti brillare, emettono luce soprattutto a una particolare lunghezza d’onda gialla. Se guardassi la luce di un lampione del genere attraverso un buon prisma, non vedresti quasi nessun arcobaleno, solo una riga gialla luminosa. Ogni tipo di atomo ha il proprio insieme di righe come questa, personale come una firma. Un gas caldo le mostra come righe luminose, e un gas più freddo davanti a una sorgente luminosa le mostra come righe scure negli stessi punti.

Fu una scoperta meravigliosa, perché significava che la luce porta con sé delle impronte digitali. Osservando lo schema delle righe nella luce di una stella, gli astronomi potevano dire quali tipi di atomi vi fossero presenti, senza mai andarci. Lo schema dell’idrogeno è sempre lo stesso, che la luce venga da una lampada in un laboratorio o da una stella dall’altra parte della galassia. Gli astronomi impararono a riconoscere questi schemi con la stessa facilità con cui tu riconosci la calligrafia di un amico.

Ma presto gli astronomi notarono anche qualcos’altro. Nella luce di alcune stelle e nebulose c’erano tutti gli schemi di righe conosciuti, ma non erano proprio al loro posto. L’intero schema era spostato un po’, verso l’estremità rossa dello spettro oppure verso quella blu. L’impronta era la stessa, ma era scivolata lungo la fascia dei colori. Quel piccolo spostamento si rivelò portatore di un messaggio enorme.

Una sirena che passa

Hai sentito qualcosa di simile a questo spostamento molte volte, con il suono invece che con la luce. Pensa a un’ambulanza che ti passa accanto per strada con la sirena accesa. Mentre si avvicina, la sirena suona più acuta. Quando ti supera e si allontana, il suono diventa all’improvviso più grave. La sirena in sé non è cambiata. L’autista non ha toccato nessun interruttore. Ciò che cambia è la distanza tra le onde sonore quando arrivano alle tue orecchie.

Quando l’ambulanza si avvicina, ogni nuova onda sonora parte un po’ più vicino a te della precedente, così le onde arrivano ammassate. Le onde ammassate suonano più acute. Quando l’ambulanza si allontana, ogni nuova onda parte un po’ più lontano, così le onde arrivano stirate. Le onde stirate suonano più gravi. Più l’ambulanza va veloce, più il cambiamento è grande. Un orecchio allenato, o un buono strumento, potrebbe perfino capire a che velocità andava solo dal cambiamento di tono.

La luce si comporta in modo simile. Quando una sorgente di luce si avvicina a noi, le sue onde arrivano un po’ ammassate, così la sua luce è spostata leggermente verso l’estremità blu dello spettro. Quando una sorgente si allontana da noi, le sue onde arrivano stirate, così la sua luce è spostata verso l’estremità rossa. Questo slittamento verso l’estremità rossa ha un nome: spostamento verso il rosso. Più è grande lo spostamento verso il rosso, più velocemente la sorgente si allontana. Le righe scure dello spettro permettono di misurarlo con precisione, perché gli astronomi sanno esattamente dove dovrebbe trovarsi ogni riga quando la sorgente non si muove.

Con le galassie, come vedremo tra poco, lo stiramento della luce viene soprattutto dallo stiramento dello spazio stesso, e non solo da galassie che sfrecciano nello spazio come ambulanze. Ma la sirena è un buon modo per cominciare. Il punto importante è semplice: osservando quanto è scivolata l’impronta, gli astronomi possono capire se una galassia lontana si sta avvicinando o allontanando da noi, e più o meno a che velocità.

Di solito questi spostamenti sono minuscoli. Per le stelle della nostra galassia, che si muovono a velocità di decine di chilometri al secondo rispetto al Sole, le righe si spostano solo di pochissimo lungo lo spettro, e misurarle richiede buoni strumenti e grande cura. Gli astronomi usano lo stesso metodo per trovare pianeti intorno ad altre stelle, misurando il piccolo movimento avanti e indietro che l’attrazione di un pianeta imprime alla sua stella. Per le galassie lontane, come Slipher stava per scoprire, gli spostamenti possono essere molto più grandi.

Le persone che se ne accorsero

La prima persona a misurare i movimenti delle nebulose a spirale fu Vesto Slipher, che cominciò questo lavoro nel 1912 in un osservatorio con un buon telescopio e con un atteggiamento molto paziente. La luce di una nebulosa a spirale è debole, e aprirla in uno spettro la rende ancora più debole. A volte Slipher doveva tenere esposta una sola lastra fotografica per diverse notti, aggiungendo la debole luce a poco a poco, per ottenere un solo spettro utilizzabile.

La sua prima misura, della nebulosa di Andromeda, mostrò uno spostamento verso il blu: Andromeda si sta avvicinando a noi. Ma man mano che misurava sempre più nebulose a spirale, negli anni Dieci del Novecento, scoprì che la maggior parte mostrava spostamenti verso il rosso, e che alcune si allontanavano a centinaia di chilometri al secondo. Era molto strano. Se le nebulose a spirale erano piccole nubi dentro la nostra galassia, perché la maggior parte di esse si allontanava di corsa? A quel tempo nessuno sapeva ancora che erano galassie separate, e nessuno aveva una buona spiegazione.

Nel frattempo, la teoria necessaria per spiegarle era già pronta. Nel 1915 Albert Einstein aveva pubblicato la sua teoria della relatività generale, una nuova descrizione della gravità in cui lo spazio e il tempo possono curvarsi e stirarsi. Nel 1917 la applicò all’universo nel suo insieme. Come quasi tutti all’epoca, credeva che l’universo fosse immobile, né in crescita né in contrazione. Le sue equazioni non davano spontaneamente un universo immobile, così vi aggiunse un termine in più per tenerlo fermo.

Altri guardarono le stesse equazioni e vi videro qualcosa di diverso. Nel 1922 un matematico e fisico di nome Alexander Friedmann mostrò che le equazioni ammettevano un universo che cresce o si contrae nel tempo. Nel 1927 un sacerdote che insegnava fisica, Georges Lemaître, trovò in modo indipendente lo stesso tipo di soluzione. Andò oltre: la collegò agli spostamenti verso il rosso misurati nelle galassie e suggerì che l’universo si stia espandendo. Il suo articolo uscì su una rivista che pochi astronomi leggevano, e all’inizio ricevette poca attenzione.

Poi, nel 1929, Edwin Hubble, che aveva già mostrato che le nebulose a spirale erano galassie, confrontò le loro distanze con i loro spostamenti verso il rosso. Trovò uno schema chiaro. Più una galassia è lontana, più velocemente si allontana da noi. Una galassia due volte più lontana si allontana a una velocità circa doppia. Oggi gli astronomi chiamano spesso questa regola legge di Hubble-Lemaître, per riconoscere il merito di entrambi. Dopo che l’espansione dell’universo fu accettata, Einstein rinunciò al termine in più che aveva aggiunto per tenere fermo l’universo.

I numeri di Hubble non erano perfetti. Poiché le distanze che usava erano troppo piccole, il suo valore per la velocità dell’espansione era diverse volte troppo grande, e ci vollero decenni di ulteriore lavoro da parte di molti astronomi per correggerlo. Ma lo schema in sé, più distanza e più velocità insieme, è stato confermato più e più volte con strumenti migliori. Nella scienza è comune. La prima misura mostra che qualcosa c’è, e le misure successive, spesso fatte da altre persone, mostrano esattamente quanto. In una notte successiva vedremo che il termine in più di Einstein tornò molti anni dopo, con un nuovo ruolo sorprendente.

Il pane che lievita nel forno

Che cosa significa che le galassie più lontane si allontanano più in fretta? L’immagine più semplice è una che i fornai conoscono bene. Immagina una palla di impasto per il pane con l’uvetta mescolata dappertutto. Mentre l’impasto lievita in un luogo caldo, ogni sua parte si gonfia. Ogni chicco d’uvetta si allontana da tutti gli altri. Nessun chicco spinge gli altri. Vengono semplicemente separati dall’impasto che sta tra loro, mentre cresce.

Ora scegli un chicco d’uvetta qualsiasi e immagina di starci sopra. Mentre l’impasto lievita, i chicchi vicini a te si allontanano lentamente, perché tra te e loro c’è solo un po’ di impasto. I chicchi lontani da te si allontanano molto più in fretta, perché tra te e loro c’è molto impasto, e tutto si gonfia nello stesso momento. È esattamente lo schema che trovò Hubble. E non importa quale chicco scegli. Da ogni chicco, tutti gli altri sembrano allontanarsi, e quelli più lontani più in fretta.

Nell’universo, l’impasto è lo spazio stesso. Le galassie, o meglio i gruppi di galassie, sono i chicchi d’uvetta. Non volano nello spazio allontanandosi da un punto centrale. È invece lo spazio tra di loro che si stira, così le distanze tra loro crescono. E mentre la luce viaggia attraverso lo spazio che si stira, anche le sue onde vengono stirate. È questo il motivo principale per cui la luce delle galassie lontane arriva con uno spostamento verso il rosso. Più a lungo la luce ha viaggiato nello spazio che si stira, più le sue onde sono state allungate verso il rosso.

Ogni immagine ha i suoi limiti, e anche quella del pane. Una palla di impasto ha un bordo e un centro, e sta dentro un forno più grande. Per quanto ne sappiamo, l’universo non ha un bordo né un centro, e non si espande dentro qualcosa che sta al di fuori. Quindi l’immagine dell’uvetta va usata per una sola idea: tutto che si allontana da tutto il resto, con le cose più lontane che si allontanano più in fretta. Per quell’idea funziona benissimo.

C’è ancora una cosa che il pane può mostrare. Se potessi osservare l’impasto che lievita da un chicco d’uvetta, potresti misurare quanto velocemente si allontanano i tuoi vicini e quanto sono lontani. Da quei due numeri potresti calcolare quanto tempo fa tutti i chicchi erano stretti insieme in una piccola palla compatta, prima che l’impasto cominciasse a lievitare. Gli astronomi hanno fatto esattamente questo con le galassie. La velocità dell’espansione e le distanze delle galassie, insieme, danno un’età approssimativa dell’universo. Il valore moderno e accurato, ottenuto usando anche molti altri indizi, è di circa 13,8 miliardi di anni.

Questa scoperta cambiò completamente la domanda sull’inizio. Se le galassie si allontanano adesso, ieri erano un po’ più vicine, l’anno scorso ancora di più e molto tempo fa molto più vicine. Un universo che cresce è un universo con una storia. Per la prima volta, la domanda «Come è cominciato tutto?» non era più soltanto una domanda per i racconti e per la filosofia. Era diventata una domanda che si poteva studiare con i telescopi e con le misure.

Un messaggio per Sami

Dopo le mele, Noor scrisse al fratello. «Oggi ho afferrato una nave cargo con un braccio robotico. La storia di stanotte: la luce delle galassie lontane è stirata verso il rosso, come una sirena che si abbassa di tono quando l’ambulanza si allontana. Più la galassia è lontana, più la luce è stirata. È lo spazio stesso che si stira, come il pane con l’uvetta che lievita. A proposito, nel carico c’era frutta fresca. Ho pensato a te.»

La risposta di Sami arrivò dopo il turno. «Sento sirene tutte le notti», scrisse. «Non le sentirò mai più allo stesso modo.» Aggiunse che una delle persone a cui faceva le consegne, un’anziana fornaia che cominciava a lavorare alle quattro del mattino, si era messa a ridere quando le aveva raccontato del pane con l’uvetta. Aveva detto che da quarant’anni costruiva modelli dell’universo senza saperlo.

Noor rise leggendolo, e a colazione lo lesse ad alta voce a Tomás e ad Ade. Tomás disse che le spiegazioni migliori sembravano venire sempre da chi lavora con le mani. Ade disse che avrebbe voluto il parere della fornaia sulla storia della notte successiva, che parlava di far scorrere all’indietro tutto il film dell’universo.

Forse stanotte, se senti passare un’auto o un treno, puoi ascoltare come cambia il suo suono quando passa dall’arrivare all’andarsene. È una piccola cosa di tutti i giorni. Ma la stessa idea, applicata con grande cura alla luce delle galassie lontane, ha mostrato che viviamo in un universo che cresce, e che un tempo doveva essere molto diverso.

Equivoci comuni

Molti pensano che, se tutte le galassie si allontanano da noi, allora dobbiamo trovarci al centro dell’universo. Da qui sembra proprio così. Ma ricorda l’uvetta. Da ogni chicco nell’impasto che lievita, tutti gli altri chicchi sembrano allontanarsi. Un’astronoma che vivesse in una galassia a miliardi di anni luce da noi vedrebbe esattamente la stessa cosa: tutte le galassie lontane che si allontanano da lei, quelle più lontane più in fretta. Non c’è un centro speciale. Ogni luogo vede se stesso al centro, e nessuno lo è.

Un’altra convinzione comune è che le galassie volino nello spazio allontanandosi da un unico punto, come i frammenti di un’esplosione. È un’immagine molto naturale, ma non è la descrizione migliore. Le galassie si muovono un po’ nello spazio, attirate dalle vicine. Ma il motivo principale per cui le distanze crescono è che lo spazio stesso si stira tra di loro. È anche per questo che non esiste un punto dello spazio in cui l’espansione sia cominciata. Lo stiramento avviene ovunque nello stesso momento, ed è così fin dall’inizio.

Alcuni si chiedono se tutto si stia espandendo, compresi la Terra, la stazione e il loro stesso corpo. Se lo spazio si stira, ci stiriamo anche noi? La risposta è no. Lo stiramento conta solo attraverso le enormi distanze vuote tra i gruppi di galassie. Dentro un atomo, una persona, un pianeta, un sistema solare o una galassia, le forze che tengono insieme le cose sono molto più forti del dolce stiramento dello spazio, quindi queste cose conservano le loro dimensioni. Il tuo corpo, il tavolo della tua cucina e il braccio robotico di Noor non stanno crescendo. E non tutte le galassie si allontanano da noi. La nostra vicina Andromeda si sta avvicinando, attirata dalla gravità, proprio come Slipher scoprì con la sua primissima misura. L’espansione è uno schema dell’universo sulla scala più grande, non una regola per ogni oggetto che contiene. Nella prossima notte seguiremo quello schema all’indietro nel tempo e vedremo dove porta.