Capitolo 9: L’età oscura e le prime stelle

Notte 97: Fotografie del lato notturno

Il giorno 97, la Terra aveva chiesto all’equipaggio delle fotografie notturne del pianeta. Gli scienziati a terra usano queste immagini per studiare molte cose: il bagliore dei centri abitati e delle strade, il diffondersi delle luci nel corso degli anni, i temporali e la forma delle coste nel buio. Il compito sembra semplice. In pratica è uno dei lavori più difficili sulla stazione, perché la stazione si muove così velocemente.

A circa 28.000 chilometri all’ora, il suolo sottostante scorre via in fretta. Una fotografia del lato notturno richiede una lunga esposizione, perché c’è pochissima luce, ma una lunga esposizione viene mossa quando la macchina fotografica e il suolo si spostano l’una rispetto all’altro. Così Noor usava un supporto che ruotava lentamente per seguire il suolo, e controllava ogni immagine sullo schermo prima di scattare la successiva. Ade fluttuava accanto a lei e leggeva gli orari in cui la stazione sarebbe passata sopra ciascuna delle zone richieste dagli scienziati.

Tra una foto programmata e l’altra, vedevano cose che nessun programma poteva prevedere. Lontano, da un lato, un temporale lampeggiava di fulmini, una nuvola che si illuminava dopo l’altra, come lampade accese e spente in una grande casa buia. Vicino al bordo della Terra, una tenda verde di aurora ondeggiava lentamente, con un debole tocco di rosso in cima. Sopra tutto questo, lungo la curva del pianeta, si stendeva una sottile fascia pallida di aria luminosa, e più in alto il cielo nero e le stelle.

Noor sapeva che cosa stava vedendo. L’aurora compare quando minuscole particelle che fluiscono dal Sole vengono guidate dal magnetismo della Terra verso le regioni vicine ai poli, dove fanno brillare l’aria rarefatta degli strati alti, un po’ come il gas di un’insegna luminosa. La fascia pallida lungo il bordo del pianeta era l’aria stessa, che restituiva, debolissimamente, parte dell’energia raccolta dalla luce del Sole durante il giorno.

Quando la stazione tornò alla luce del Sole, Noor ripose la macchina fotografica e guardò le immagini. Quasi tutte erano buone. Alcune erano mosse, e lei le segnò perché gli scienziati lo sapessero. Poi rimase per un momento con l’ultima immagine sullo schermo: una Terra buia, poche luci sparse e, sopra, il buio completo. Le ricordò qualcosa che aveva letto sull’universo dopo la luce più antica, un’epoca in cui non esisteva ancora nemmeno una stella.

Quella sera, invece di rispondere a una domanda, fu lei a farne una a Sami. Gli chiese quale fosse il posto più buio del suo giro notturno. Lui rispose che era una lunga strada tra i campi, senza paesi e senza lampioni, dove a volte spegneva la radio e guidava in silenzio. Noor gli disse che un tempo l’universo aveva avuto un buio così, ma molto più lungo, durato milioni di anni. E che le prime luci a comparirvi erano state le prime stelle.

Dopo la luce più antica

In una notte precedente abbiamo visto la nebbia diradarsi circa 380.000 anni dopo l’inizio. Si formarono gli atomi, e fu liberata la luce più antica. All’inizio quella luce era calda e luminosa, il bagliore di qualcosa a una temperatura di qualche migliaio di gradi. Se avessi potuto trovarti lì, tutto il cielo avrebbe brillato di una morbida luce arancione. Ma l’universo continuò a espandersi, e la luce continuò a stirarsi. Nel corso di alcuni milioni di anni, le sue onde diventarono più lunghe di quanto l’occhio possa vedere. Agli occhi umani, il cielo si fece buio.

Non c’erano ancora stelle a sostituire quella luce. L’universo era pieno di gas, quasi tutto idrogeno ed elio, gli elementi semplici dei primi minuti. Era distribuito nello spazio in modo abbastanza uniforme, anche se non perfettamente, a causa delle minuscole increspature che abbiamo visto nella luce più antica. E c’era qualcos’altro, che conosceremo meglio nella prossima notte: una grande quantità di materia invisibile, chiamata materia oscura, che non brilla ma attira con la sua gravità.

Quanto durò l’età oscura? Cominciò quando la luce più antica svanì alla vista e finì quando le prime stelle cominciarono a brillare. Poiché le prime stelle si formarono probabilmente entro le prime poche centinaia di milioni di anni, l’età oscura durò probabilmente cento milioni di anni o più. Nessuno ne conosce la durata esatta. Fu, in ogni caso, una notte lunghissima, molto più lunga di tutta la storia umana, molte volte.

Gli astronomi chiamano questo lungo periodo età oscura cosmica. Non era buio perché fosse vuoto. Era buio perché niente al suo interno brillava ancora. Immagina un grande teatro dopo l’ultimo spettacolo della sera. Il pubblico se n’è andato, le luci sono spente e il palcoscenico è silenzioso. Ma l’edificio non è vuoto. Le poltrone, i sipari e il palco sono ancora tutti lì, in attesa della prossima rappresentazione.

Durante l’età oscura la gravità lavorava lentamente. Nei luoghi in cui l’universo era leggerissimamente più denso, la gravità tirava un po’ più forte. Quei luoghi attiravano più materia, il che li rendeva ancora più densi, il che rendeva la loro attrazione più forte. È il lavoro paziente della gravità: le piccole differenze crescono con il tempo. La materia oscura invisibile si raccolse per prima in grumi, e il gas ordinario cadde dentro quei grumi, come l’acqua che scorre nelle conche del terreno.

Mentre il gas si raccoglieva e diventava più denso, diventava anche più caldo al centro, nello stesso modo in cui l’aria si scalda in una pompa da bicicletta quando la comprimi. Per molto tempo i grumi di gas crebbero senza diventare stelle. Poi, nei luoghi più densi, il gas al centro diventò così caldo e così compresso che cominciò un nuovo tipo di processo. I nuclei di idrogeno cominciarono a unirsi in elio, liberando energia, in un processo chiamato fusione, che esploreremo in una notte successiva. Quando questo accadde, nacque una stella. La prima luce dopo l’età oscura si era accesa.

Le prime stelle

Quando comparvero le prime stelle? Gli astronomi pensano che si siano formate probabilmente entro le prime poche centinaia di milioni di anni dopo l’inizio. Il momento esatto non è noto, e potrebbe essere stato diverso in luoghi diversi, perché i grumi più densi avrebbero formato stelle per primi. Rispetto all’età totale dell’universo, circa 13,8 miliardi di anni, qualche centinaio di milioni di anni è piuttosto presto. Nella storia di una lunga giornata di lavoro che racconteremo nell’ultima notte, si trova da qualche parte nella prima mezz’ora dopo la mezzanotte.

Le prime stelle erano probabilmente molto diverse dal Sole. Erano fatte quasi interamente di idrogeno e di elio, perché non c’erano ancora elementi più pesanti. Gli elementi più pesanti aiutano le nubi di gas a raffreddarsi e a spezzarsi in pezzi più piccoli. Senza di essi, le nubi di gas dell’universo giovane rimasero probabilmente più calde e collassarono in ammassi molto più grandi. Per questo molti astronomi pensano che le prime stelle fossero spesso molto grandi, forse molte volte più pesanti del Sole.

Le stelle grandi vivono in fretta. Una stella molto più pesante del Sole consuma il suo combustibile molto più rapidamente di una stella piccola, perché il suo centro è molto più caldo e più denso. Il Sole brilla da circa 4,6 miliardi di anni ed è solo a metà circa della sua vita. Le più grandi tra le prime stelle potrebbero essere vissute solo pochi milioni di anni. Poi finirono, probabilmente con grandi esplosioni, e quelle esplosioni sparsero nello spazio i primi elementi più pesanti. È l’inizio di una storia che seguiremo nelle notti successive.

Qui è importante essere onesti. Gran parte di ciò che abbiamo detto sulle prime stelle viene da calcoli accurati e da modelli al computer, non dall’osservazione diretta. Gli astronomi sono abbastanza sicuri che le prime stelle fossero fatte di idrogeno e di elio e che molte fossero grandi. Ma quanto fossero grandi, quante fossero ed esattamente come si siano formate sono questioni ancora allo studio. Modelli diversi danno risposte un po’ diverse. Nessuno ha ancora visto chiaramente una delle primissime stelle con la certezza di sapere che cosa fosse.

C’è anche un bellissimo effetto delle prime stelle che gli astronomi possono studiare. Le stelle grandi e calde emettono moltissima luce intensa, in gran parte ultravioletta, il tipo di luce che scotta la pelle in una giornata di sole. Questa luce intensa riusciva a strappare gli elettroni agli atomi di idrogeno nel gas intorno alle stelle. Lentamente, intorno a ogni stella primordiale e a ogni galassia primordiale, crebbero bolle di gas con elettroni liberi. Le bolle si allargarono e si unirono. Quando l’universo aveva circa un miliardo di anni, la maggior parte del gas tra le galassie era stata trasformata in questo modo. La luce delle prime stelle aveva dissipato le ultime tracce di buio.

Le persone che guardarono indietro

Come cercano gli astronomi le prime stelle e le prime galassie? La risposta risale alle primissime notti di questo libro. La luce impiega tempo per viaggiare. Più una cosa è lontana, più a lungo la sua luce ha viaggiato per raggiungerci, quindi più indietro nel tempo la vediamo. Per vedere le galassie più antiche, gli astronomi devono guardare quelle più lontane. Sono debolissime, quindi servono telescopi molto grandi e molto sensibili.

Nel 1990 fu lanciato in orbita intorno alla Terra un telescopio, sopra l’aria che offusca la vista da terra. Si chiama telescopio spaziale Hubble, dal nome dell’astronomo Edwin Hubble che abbiamo incontrato nelle notti precedenti. A metà degli anni Novanta, la sua squadra fece qualcosa che all’inizio sembrava quasi uno spreco. Puntarono il telescopio per molti giorni su un minuscolo tratto di cielo che sembrava completamente vuoto, un tratto molto più piccolo della Luna piena. Quando sommarono tutte le immagini, il tratto vuoto era pieno di galassie, migliaia, molte così lontane che la loro luce aveva viaggiato per miliardi di anni.

Ma anche quel telescopio aveva un limite. Come abbiamo visto nella notte delle galassie che si allontanano, la luce delle galassie molto lontane viene stirata dall’espansione dello spazio. La luce partita dalle prime galassie come luce blu o ultravioletta arriva oggi come luce infrarossa, con onde troppo lunghe per i nostri occhi. La luce infrarossa è quella che sentiamo come calore, per esempio da una stufa. Per vedere bene le galassie più antiche, gli astronomi avevano bisogno di un telescopio costruito apposta per la luce infrarossa.

Quel telescopio è il telescopio spaziale James Webb. Fu lanciato nel dicembre 2021, dopo molti anni di progettazione e costruzione da parte di un gran numero di ingegneri, tecnici e scienziati. Il suo grande specchio era troppo grande per stare dentro un razzo, così fu realizzato in molti pezzi che si aprirono nello spazio, come un fiore che sboccia. Poiché il telescopio cerca un calore debolissimo, deve essere mantenuto estremamente freddo, così porta con sé un grande scudo che blocca il calore del Sole. E fu mandato molto più lontano dalla Terra della Luna, in un luogo tranquillo dove il Sole, la Terra e la Luna restano tutti dalla stessa parte, dietro lo scudo.

Il viaggio stesso fu un lungo lavoro fatto con cura. Il telescopio impiegò circa un mese per raggiungere la sua posizione, e in quel periodo si aprì passo dopo passo: lo scudo, i pezzi dello specchio e molte parti più piccole. Ogni passaggio era stato provato a terra, e ognuno doveva funzionare nello spazio, dove nessuno avrebbe potuto andare a ripararlo. Molte delle persone che lo avevano costruito seguirono quelle settimane con grande attenzione, dopo anni della loro vita lavorativa dedicati a quest’unica macchina.

Da quando ha cominciato il suo lavoro, il telescopio Webb ha trovato galassie la cui luce è partita quando l’universo aveva solo poche centinaia di milioni di anni. Alcune di queste galassie primordiali sono più luminose e più sviluppate di quanto molti astronomi si aspettassero. Questo ha avviato vivaci discussioni su quanto rapidamente siano cresciute le prime galassie. Queste discussioni sono ancora in corso. È un buon esempio di come un nuovo strumento non risponda soltanto a vecchie domande. Ne pone anche di nuove.

Ancora alla ricerca delle primissime

Nemmeno il telescopio Webb ha ancora visto chiaramente le primissime stelle da sole. Le galassie più antiche che vede contengono già molte stelle, e alcune di quelle stelle potrebbero contenere già elementi più pesanti prodotti da stelle precedenti. Le primissime stelle, fatte solo di idrogeno e di elio, sono probabilmente troppo deboli e troppo lontane per essere viste una per una. Gli astronomi sperano di trovarne le tracce in altri modi, per esempio nella luce delle galassie più antiche o nei lampi luminosi delle loro esplosioni.

Ci sono anche altri modi di cercare. Il gas di idrogeno dell’età oscura emetteva un suo segnale radio debolissimo. Diversi gruppi di scienziati stanno costruendo strumenti radio per cercare di rilevarlo. È un lavoro molto difficile, perché il segnale è debolissimo e il rumore radio della Terra e della nostra galassia è fortissimo. È un po’ come per gli ingegneri della luce più antica, che cercavano di sentire una voce sommessa in una stanza piena di fruscio. Nessuno ha ancora misurato questo segnale in un modo su cui tutti siano d’accordo.

Gli astronomi studiano anche stelle antiche vicine a casa, nella nostra galassia. Alcune stelle della Via Lattea sono molto antiche e contengono solo minuscole quantità di elementi più pesanti. Non sono le primissime stelle, ma potrebbero esserne le figlie o le nipoti, formate da gas arricchito da una sola o da poche generazioni precedenti di stelle. Studiando le piccole quantità di elementi più pesanti in queste stelle antiche, gli astronomi possono imparare qualcosa sulle stelle che le hanno precedute. È un po’ come conoscere i bisnonni osservando la somiglianza di famiglia nei loro discendenti.

Così la ricerca delle prime stelle avviene in molti luoghi contemporaneamente: con telescopi nello spazio che guardano lontano, con strumenti radio che ascoltano l’età oscura e con telescopi a terra che studiano le stelle più antiche vicine a noi. Ogni metodo dà una parte del quadro. Nessuno dà ancora il quadro completo. Gran parte della scienza funziona così, attraverso molti lavori piccoli e accurati, svolti da molte persone nel corso di molti anni, che lentamente si incastrano.

Prima di dormire

Prima di dormire, Noor guardò ancora una volta fuori dalla finestra. La stazione era di nuovo sopra il lato notturno, e questa volta spense la luce nella piccola stanza rotonda, così che i suoi occhi potessero abituarsi. Dopo qualche minuto comparvero altre stelle, poi altre ancora, finché il cielo nero ne fu pieno. Dalla stazione non scintillavano. Brillavano ferme, ognuna un sole, alcune vicine e altre lontane.

Ade entrò piano, fluttuando, e per un po’ guardò fuori accanto a lei. Disse che ogni volta che vedeva così tante stelle faceva fatica a credere che un tempo non ce ne fosse nemmeno una. Noor disse che lei faceva fatica a credere che qualcuno fosse riuscito a capirlo. Poi tornarono entrambi nelle loro cabine, perché la giornata di lavoro successiva sarebbe cominciata presto.

Scrisse a Sami: «La prossima volta che percorri la tua strada buia, pensa a questo. Per cento milioni di anni o più, l’intero universo è stato più buio di quella strada. Poi, una dopo l’altra, le prime stelle si sono accese, come le prime luci di un paese al tramonto.» Sami rispose che sulla sua strada buia la prima luce che di solito vede è il distributore di benzina dove compra il caffè, e che d’ora in poi lo avrebbe considerato una stella.

Dopo una lunga giornata di lavoro, forse anche tu torni a casa a piedi o in auto nel buio. Quando ti compare davanti la prima luce della tua strada o di casa tua, è un piccolo conforto di tutti i giorni. L’universo ebbe la sua versione di quel momento, molto tempo fa, quando le prime stelle cominciarono a brillare nel buio. Tutto ciò che venne dopo, le galassie, il Sole e la Terra, nacque da quell’inizio.

Equivoci comuni

Molti pensano che l’età oscura cosmica fosse buia perché l’universo era vuoto. Non era affatto vuoto. Era pieno di gas di idrogeno e di elio, pieno di materia oscura invisibile e ancora pieno della luce più antica, che ormai si era stirata oltre ciò che gli occhi possono vedere. L’età oscura era buia perché niente brillava ancora. Fu anche un periodo intenso, a modo suo silenzioso, perché la gravità attirava lentamente la materia nei grumi in cui si sarebbero formate le prime stelle.

Molti immaginano anche che le prime stelle fossero come il Sole. Erano probabilmente molto diverse. Erano fatte quasi soltanto di idrogeno e di elio, senza gli elementi più pesanti che il Sole contiene. Molte erano probabilmente molto più grandi e più calde del Sole, e vissero vite molto più brevi. Il Sole è una stella molto più tarda. Come vedremo in una notte successiva, si è formato da un gas già arricchito da molte generazioni di stelle prima di lui.

Infine, alcuni credono che, se trovano un luogo molto buio e alzano lo sguardo, possono vedere le prime stelle con i propri occhi. Purtroppo non è così. Le prime stelle sono finite molto tempo fa, e la loro luce, se ci raggiunge, è troppo debole e troppo stirata per essere vista senza i telescopi più grandi, e nemmeno quelli le hanno ancora viste chiaramente. Le stelle che vedi in una notte buia sono molto più vicine e molto più giovani, e quasi tutte si trovano nella nostra galassia. Ma ognuna di esse fa parte della stessa lunga storia. Nella prossima notte vedremo come i primi grumi di stelle crebbero fino a diventare galassie, e come qualcosa di invisibile li aiutò a crescere.