Capitolo 6: La luce più antica

Notte 57: Un fruscio sulla linea

La mattina del giorno 57, Noor notò il fruscio durante la prima chiamata con la Terra. Era debolissimo, come il rumore della pioggia lontana, e stava sotto ogni voce che le arrivava nelle cuffie. Le squadre a terra la sentivano ancora chiaramente, e lei riusciva ancora a capirle. Ma il fruscio c’era, e su una stazione spaziale tutto ciò che non dovrebbe esserci merita un’occhiata.

Da terra le chiesero di aiutare a trovarne la causa. Le mandarono una breve lista di controllo, e lei la seguì tra un lavoro e l’altro della giornata. Prima ascoltò con un altro paio di cuffie. Il fruscio rimase. Poi passò a un altro pannello radio. Il fruscio rimase. Poi controllò le impostazioni che le leggevano da terra, una per una. Tutto corrispondeva. All’ora di pranzo aveva escluso quasi tutto ciò che era facile escludere, che è un tipo di progresso utile, anche se sul momento non sembra un progresso.

Nel pomeriggio, uno specialista a terra le chiese di seguire un cavo dal pannello fino alla parete e di controllare un piccolo connettore dietro una copertura. Le ci vollero venti minuti per aprire la copertura, perché ogni vite andava afferrata prima che potesse volare via. Dietro, il connettore sembrava a posto. Lo spinse comunque delicatamente nella sua sede, come diceva la lista di controllo. Lo specialista le chiese di dire qualche parola. Lei contò da uno a dieci. Ci fu una pausa, e poi la voce da terra disse, con calore, che il fruscio era sparito.

Tomás rise e disse che metà dell’ingegneria consiste nel rimettere delicatamente le cose al loro posto. Ade disse che l’altra metà consiste nel credere ai propri strumenti quando ti dicono qualcosa di strano. Noor annotò il risultato nel registro, richiuse la copertura e recuperò le viti dal sacchetto che si era legata alla manica.

Quella sera, quando Noor raccontò a Sami del fruscio, lui le rispose dal furgone, parcheggiato a una banchina di carico. Le disse che la radio nella sua cabina fruscia tutte le notti tra due paesi, sempre nello stesso punto, e che ormai non ci fa più caso. Noor sorrise. Conosceva una storia su un fruscio che due ingegneri non riuscivano a smettere di notare, e su che cosa si rivelò essere. Era la storia giusta per la notte 57.

Una nebbia luminosa

Nella notte precedente abbiamo fatto scorrere all’indietro il film dell’universo. Se oggi le galassie si allontanano, molto tempo fa tutto era più vicino. E quando materia e luce vengono compresse insieme, diventano calde. Lemaître immaginava un «atomo primordiale». I sostenitori dello stato stazionario immaginavano un universo senza alcun inizio. Fred Hoyle, che stava da questa seconda parte, diede alla prima idea il suo nome famoso durante un intervento alla radio. Ma un nome non è una prova. La storia di stanotte parla della prova che chiuse la questione.

Immaginiamo l’universo giovane, qualche centinaio di migliaia di anni dopo l’inizio. Era molto più caldo e più denso di qualsiasi cosa nell’universo di oggi. Era così caldo che gli atomi non riuscivano a restare uniti. Un atomo, come vedremo più nel dettaglio nelle notti successive, è un minuscolo centro chiamato nucleo con intorno particelle ancora più minuscole chiamate elettroni. Nell’universo giovane gli elettroni non riuscivano a restare con i loro nuclei. Ogni volta che un elettrone si sistemava, il calore lo liberava di nuovo.

Gli elettroni liberi hanno un effetto importante sulla luce. Le sbarrano la strada. Un raggio di luce in quell’universo primordiale non poteva viaggiare lontano prima di urtare un elettrone ed essere deviato in una nuova direzione. Poi ne urtava un altro, e un altro ancora. La luce era ovunque, ma non poteva andare da nessuna parte in linea retta. L’intero universo brillava, ma non era trasparente. Era come una nebbia fitta e luminosa.

Probabilmente hai visto qualcosa di simile in una mattina di nebbia. Il sole è già sorto, e l’aria intorno a te è luminosa. Ma non riesci a vedere le case in fondo alla strada, perché la luce che arriva da loro viene diffusa lungo il percorso verso i tuoi occhi. L’universo giovane era così ovunque, in ogni direzione. Se qualcuno avesse potuto starci dentro, avrebbe visto soltanto un bagliore luminoso e uniforme, senza niente dietro.

Poi, lentamente, l’universo continuò a espandersi e a raffreddarsi. Circa 380.000 anni dopo l’inizio si era raffreddato fino a una temperatura di qualche migliaio di gradi. È ancora molto caldo, più o meno quanto la superficie di alcune stelle fredde, ma era abbastanza fresco per un cambiamento importante. Ora gli elettroni potevano sistemarsi intorno ai nuclei e restarci. Si formarono gli atomi, soprattutto atomi di idrogeno e di elio.

Il momento in cui la nebbia si diradò

Una volta che gli elettroni furono dentro gli atomi, non intralciavano più la luce così facilmente. All’improvviso la luce poteva viaggiare liberamente in linea retta. La nebbia si diradò. Gli astronomi paragonano a volte questo momento a una lampada rimasta dentro una nuvola fitta che all’improvviso si trova nell’aria limpida. La luce liberata in quel momento partì in ogni direzione attraverso l’universo. Una parte viaggia da allora, da circa 13,8 miliardi di anni, e una parte sta arrivando sulla Terra stanotte.

Quando quella luce partì, era il bagliore di qualcosa con una temperatura di qualche migliaio di gradi. La luce di un oggetto così caldo ha onde corte, e una parte sarebbe sembrata arancione o gialla agli occhi umani. Ma nella notte delle galassie che si allontanano abbiamo visto che lo spazio stesso si stira da miliardi di anni. Mentre lo spazio si stirava, le onde di questa vecchia luce si stiravano con lui. Sono state stirate di più di mille volte. Oggi le onde non sono più luce visibile. Sono onde molto più lunghe, del tipo chiamato microonde.

Le microonde sono un tipo di onde radio con onde piuttosto corte. Appartengono alla stessa famiglia di onde che un forno a microonde usa per scaldare il cibo, ma la vecchia luce dell’universo è debolissima. Non scalda niente in un modo che tu possa sentire. La sua temperatura oggi è di soli 2,7 gradi circa sopra lo zero assoluto. Lo zero assoluto è la temperatura più fredda possibile, circa 273 gradi sotto zero, quindi questa vecchia luce si trova a circa 270 gradi sotto zero.

Gli astronomi chiamano questa luce radiazione cosmica di fondo a microonde. «Cosmica» significa che appartiene all’intero universo. «A microonde» ci dice di che tipo di onde si tratta oggi. «Di fondo» significa che sta dietro a tutto il resto, come la parete in fondo a un palcoscenico. In questo libro la chiameremo per lo più semplicemente la luce più antica. È la luce più antica che potremo mai vedere, perché prima di lei l’universo era una nebbia che la luce non poteva attraversare.

In tutto questo c’è qualcosa di straordinario. La luce più antica non viene da una stella o da una galassia. Non viene da una sola direzione. Viene da tutte le direzioni contemporaneamente, da tutto il cielo, di giorno e di notte. Mentre leggi questa pagina, una sua parte debolissima sta attraversando la stanza intorno a te. È come stare dentro l’eco che si spegne in una grande sala, dove il suono arriva da tutte le pareti insieme.

Le persone che la trovarono

Le prime persone a riflettere con attenzione su questa vecchia luce stavano lavorando a una domanda diversa. Nel 1948 il fisico George Gamow e i suoi giovani colleghi Ralph Alpher e Robert Herman cercavano di capire come gli elementi più leggeri potessero essere stati prodotti in un universo primordiale caldo e denso. È la storia della nostra prossima notte. Ma mentre ci lavoravano, Alpher e Herman si resero conto di una cosa. Se l’universo primordiale era stato davvero così caldo, un debole bagliore di quel calore avrebbe dovuto riempire ancora oggi lo spazio. Stimarono che questo bagliore dovesse trovarsi ormai solo pochi gradi sopra lo zero assoluto.

Pensa per un momento a come lavoravano queste tre persone. Non avevano un telescopio capace di vedere l’universo primordiale né computer come quelli che usiamo oggi. Lavoravano con matite, carta, semplici calcolatrici meccaniche e lunghe conversazioni. Gamow era noto per il suo umorismo giocoso e per aver scritto libri cordiali che spiegavano la fisica ai lettori comuni. Alpher e Herman svolsero gran parte del calcolo paziente e accurato. La loro stima, circa cinque gradi, non era esatta, ma era vicina al valore vero, un risultato notevole per un primo tentativo.

La loro previsione all’epoca non attirò molta attenzione. Misurare un bagliore così debole sembrava molto al di là degli strumenti di allora, e molti scienziati non erano ancora convinti che l’universo avesse avuto un inizio caldo. L’idea fu in gran parte dimenticata per alcuni anni. Nella scienza succede più spesso di quanto si pensi. Una buona idea può aspettare in silenzio in vecchi articoli finché non arrivano lo strumento giusto o la persona giusta.

All’inizio degli anni Sessanta, due ingegneri radio cominciarono a lavorare con una grande antenna a forma di tromba, costruita per ricevere segnali rimbalzati dai satelliti. Volevano usarla per misure accurate di deboli onde radio provenienti dallo spazio. Per farlo, dovevano prima capire ogni minimo rumore che l’antenna e il suo ricevitore producevano da soli. Così misurarono, controllarono e misurarono di nuovo. E trovarono un debole fruscio che non riuscivano a spiegare. Era uguale in ogni direzione verso cui puntavano l’antenna, a ogni ora del giorno e in ogni stagione.

Fecero ciò che fanno i bravi ingegneri. Cercarono la causa nella loro attrezzatura. Controllarono il ricevitore e i collegamenti. Scoprirono perfino che una coppia di piccioni aveva fatto il nido dentro la tromba e aveva lasciato escrementi sulla sua superficie interna. I piccioni furono portati via, e gli ingegneri pulirono la tromba con cura. Il fruscio rimase. Non veniva dall’antenna, e non veniva da nessun luogo vicino. Veniva dal cielo.

Più o meno nello stesso periodo, un gruppo di fisici non molto lontano stava costruendo uno strumento per cercare proprio un bagliore del genere, perché aveva rielaborato l’idea per conto proprio. Quando i due gruppi vennero a sapere l’uno del lavoro dell’altro, capirono che cosa fosse il fruscio. Nel 1965 i risultati furono pubblicati. Gli ingegneri avevano trovato la luce più antica. Per molti astronomi fu il momento in cui l’idea dello stato stazionario perse il suo sostegno più forte, perché un universo senza un inizio caldo non aveva un modo naturale per riempire tutto lo spazio di un bagliore simile.

Una mappa di differenze minuscole

Dopo il 1965 la luce più antica diventò una delle cose più studiate di tutto il cielo. All’inizio sembrava perfettamente uniforme. Aveva la stessa temperatura in ogni direzione, per quanto si riuscisse a misurare. Questo era a suo modo un enigma. Se l’universo giovane fosse stato perfettamente uniforme, come avrebbe fatto a diventare poi irregolare, con galassie da una parte e spazio vuoto dall’altra? Da qualche parte dovevano esserci piccole differenze, se solo qualcuno fosse riuscito a misurarle.

Misurarle da terra era molto difficile, perché l’aria stessa brilla un po’ nelle microonde e l’acqua presente nell’aria fa da ostacolo. Così gli scienziati costruirono satelliti per misurare la luce più antica da sopra l’aria. Un satellite lanciato nel 1989 misurò il bagliore con grande cura, e nel 1992 la sua squadra annunciò di aver trovato le differenze. Erano minuscole, circa una parte su 100.000. Alcune zone del cielo erano leggerissimamente più calde e altre leggerissimamente più fredde della media.

Il satellite non scattò un’immagine in un solo momento, come fa una macchina fotografica. Scandagliò tutto il cielo più e più volte, per anni, e la sua squadra sommò le misure in modo che le differenze minuscole potessero emergere sopra il rumore dello strumento. In questo, la squadra affrontò lo stesso problema dei due ingegneri con la loro antenna a tromba. Prima di potersi fidare di ciò che il cielo diceva loro, dovevano capire ogni minimo rumore prodotto dalla loro stessa attrezzatura.

Per immaginare quanto sia piccola questa differenza, pensa a un grande lago calmo. Se il lago fosse perfettamente immobile, la sua superficie sarebbe del tutto piatta. Differenze di una parte su 100.000 sono come increspature così piccole che non potresti mai vederle con gli occhi. Eppure queste increspature minuscole contano moltissimo. Dove l’universo giovane era leggerissimamente più denso, la gravità tirava un po’ più forte. Nel corso di centinaia di milioni di anni, quei luoghi raccolsero sempre più materia. Le increspature minuscole nella luce più antica sono i semi delle galassie, compresa la nostra.

I satelliti successivi realizzarono mappe di tutto il cielo sempre più nitide. Le mappe sembrano un uovo maculato, con macchie di luce un po’ più calda e un po’ più fredda. Studiando le dimensioni e gli schemi di queste macchie, gli astronomi possono misurare molte cose sull’universo: quanti anni ha, quanta materia ordinaria contiene e quanta della strana materia e della strana energia che incontreremo nelle notti successive. L’età di circa 13,8 miliardi di anni che usa questo libro viene in gran parte da mappe come queste.

Così la luce più antica non è soltanto la prova di un inizio caldo. È anche una specie di foto da neonato dell’universo, scattata quando aveva circa 380.000 anni. Rispetto alla sua età di oggi, è come la fotografia di una persona scattata nel primo giorno di vita. Il viso non è ancora quello dell’adulto, ma la forma c’è già.

Un messaggio per Sami

Prima di dormire, Noor rimase qualche minuto a fluttuare vicino alla grande finestra. La stazione si trovava sopra il lato notturno della Terra, e il cielo sopra la sottile linea dell’atmosfera era nero e pieno di stelle. Sapeva che anche la luce più antica era lì, tra le stelle e dietro di esse, invisibile ai suoi occhi ma presente in ogni direzione. La finestra, la stazione e le sue stesse mani ne erano bagnate, debolissimamente.

Prima, in serata, Ade aveva mostrato a Tomás e a Noor una delle mappe della luce più antica su uno schermo nella zona cucina. Tomás aveva detto che sembrava la buccia di un’arancia vista da molto vicino. Ade aveva detto che ogni galassia che potevano vedere dalla finestra era cresciuta da piccole differenze come quelle macchie, ingrandite dalla gravità nel corso di miliardi di anni. Dopo, per un po’, nessuno aveva parlato, e su una stazione indaffarata questo è una specie di complimento.

Scrisse a Sami: «Il fruscio della tua radio viene probabilmente da un ripetitore vicino o dal motore. Ma nel fruscio della radio una piccolissima parte può venire dalla luce più antica dell’universo. In un certo senso, durante i tuoi viaggi notturni potresti aver ascoltato una debole traccia dell’inizio.» Sami rispose un’ora dopo, durante la pausa, che non si sarebbe mai più innervosito per quel fruscio tra i due paesi.

Forse, dopo la tua giornata di lavoro, anche nella tua vita c’è un suono così: il ronzio di un frigorifero, il rumore del traffico, il fruscio di una vecchia radio. La maggior parte, naturalmente, viene da cose comuni e vicine. Ma la luce più antica è lì anche lei, ogni sera, e arriva da ogni lato. È stata liberata molto prima che esistessero le stelle, molto prima della Terra, e ha viaggiato per tutto questo tempo per raggiungere il posto in cui ti trovi adesso.

Equivoci comuni

Molti pensano che la luce più antica venga da un solo luogo, lontano, in cui è avvenuto il Big Bang. È naturale immaginarla così, perché di solito pensiamo alla luce come a qualcosa che viene da una lampada o da una stella. Ma la luce più antica arriva in modo uguale da ogni direzione, perché la nebbia calda riempiva l’intero universo, non un punto al suo interno. Ovunque guardiamo, vediamo il luogo lontano in cui la nebbia si diradò per la luce che ci sta raggiungendo adesso. Un’astronoma in una galassia lontanissima vedrebbe lo stesso bagliore tutto intorno a sé, proveniente dai suoi lontani dintorni.

Molti pensano anche che, con un telescopio abbastanza grande, potremmo guardare oltre la luce più antica e vedere l’inizio stesso. Con la luce normale, e con qualsiasi altro tipo di onda simile, non possiamo. Prima di circa 380.000 anni l’universo era una nebbia che la luce non poteva attraversare, quindi nessuna luce di epoche precedenti può raggiungerci in linea retta. È come cercare di vedere l’interno di una nuvola dall’esterno. Gli scienziati imparano qualcosa sulle epoche precedenti in altri modi: dalle quantità degli elementi più leggeri, che è la storia della prossima notte, e dagli schemi presenti nella luce più antica stessa.

Infine, alcuni hanno sentito dire che la luce più antica era «solo la neve dei vecchi televisori». La verità è un po’ più gentile. I vecchi televisori mostravano un disegno di puntini in movimento, chiamato neve, quando non erano sintonizzati su un canale. Quasi tutta quella neve veniva dall’apparecchio stesso, da altre apparecchiature elettriche e da sorgenti radio vicine. Ma una piccola parte veniva davvero dalla luce più antica. Così chiunque si sia mai seduto davanti a un televisore non sintonizzato stava guardando, senza saperlo, una minuscola eco dell’universo giovane. Nella prossima notte torneremo ancora più indietro, ai primi minuti, e vedremo di che cosa era fatta la nebbia calda.