Andiamo per ordine: all’inizio del secolo scorso l'astronomia è limitata a una concezione di un Universo statico, non soggetto ad alcuna evoluzione, i cui confini coincidono con quelli della Via Lattea, la nostra Galassia.
La galassia di Andromeda fotografata nel 1899 da Isaac Roberts
In questo contesto, nel 1920, si inserisce quello che prende il nome di “Grande dibattito” sulla natura delle cosiddette nebulose a spirale. Tutto parte dalla misura della distanza di alcune nebulose, di forma appunto spiraleggiante, come quella della nostra Galassia. Il dibattito si accende sulla “Grande Nebulosa di Andromeda”: da una parte Harlow Shapley sostiene che la Nebulosa si trovi all’interno della Via Lattea, contenitore di tutte le strutture dell’Universo. Sul fronte opposto, Heber Curtis propone che Andromeda e le altre nebulose siano oggetti indipendenti, altre galassie appunto. Oggi sappiamo che l’intuizione di Curtis era corretta e che la Via Lattea è solo una delle centinaia di miliardi di galassie che popolano il nostro Universo. La galassia di Andromeda è stata quindi la prima galassia di una lunga serie a essere stata scoperta. Ma come siamo arrivati a questo traguardo?
Edwin Powell Hubble, astrofisico nato in Missouri nel 1889, con alle spalle una carriera sportiva e un primato nel salto in alto, ha a disposizione per i suoi studi l’Osservatorio di Mount Wilson, in California. In quegli anni l’Osservatorio è dotato delle apparecchiature più all’avanguardia a livello mondiale, compreso il telescopio Hooker, un telescopio riflettore di 2,5 m di diametro, il più grande al mondo fino alla costruzione, nel 1948, di un telescopio da 5 metri all'Osservatorio di Monte Palomar.
Hubble, grazie a questo strumento, osserva la Nebulosa di Andromeda e ne identifica all'interno, in un’immagine ormai passata alla storia, la prima stella variabile cefeide.
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H335H, la lastra della Galassia di Andromeda, |
Grazie a questa scoperta, Hubble riesce a misurare la distanza della Nebulosa di Andromeda, trovando un valore di 930.000 anni luce, una distanza dalla Terra troppo grande per trovarsi all’interno della Via Lattea: secondo i calcoli di Shapley, infatti, la nostra galassia aveva un diametro massimo di 300.000 anni luce. Hubble riesce quindi a dilatare i confini dell’Universo, che diventa molto più ampio di quel che si immaginava, e scopre che la nostra Galassia non è l'unica a popolarlo! Dopo questa rivoluzionaria scoperta, Hubble identifica e classifica nuove galassie: oggi sappiamo che esistono galassie a spirale, come Andromeda, galassie a spirale barrata, come la Via Lattea, ma anche ellittiche e irregolari. La rivoluzione di Hubble non si ferma qui: qualche anno dopo, infatti, in concomitanza con gli studi del fisico belga Georges Lemaître, fornisce una misura dell’espansione dell’Universo, aprendo la strada a una comprensione più profonda della sua origine e segnando l’inizio della cosmologia moderna.
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Da un Universo statico e coincidente con la nostra Galassia a quello in espansione che oggi conosciamo, la cosmologia ha attraversato molte epoche e siamo arrivati oggi a parlare di struttura a grande scala. La materia è distribuita in grandi filamenti di superammassi di galassie, alternati a vuoti, che definiscono una forma assimilabile a una spugna e permeata di materia ed energia oscura. L’Universo si presenta, quindi, ancora oggi complesso e affascinante, pronto ad altre rivoluzioni e nuove scoperte.
Cefeidi
Le Cefeidi, chiamate spesso candele standard, sono stelle la cui luminosità pulsa con regolarità: viste da Terra appaiono quindi come stelle variabili. Il periodo della pulsazione è legato alla luminosità (magnitudine assoluta) della stella: misurando quindi il periodo di variazione della stella, possiamo conoscerne la magnitudine e quindi misurarne la distanza. La determinazione della distanza di una variabile cefeide tramite la sua magnitudine si deve agli studi di Henrietta Leavitt, pochi anni prima della scoperta di Hubble, durante la sua attività di donna computer presso l’Osservatorio di Harvard.
All’epoca, infatti, alle donne era riservato il compito di calcolatori manuali, senza essere prese in considerazione come astronome. La Leavitt si occupava, come direttrice del dipartimento di fotometria, di classificare e determinare le magnitudini stellari tramite lastre fotografiche. Fu proprio durante queste classificazioni che scoprì la relazione che lega il periodo di variabilità di una stella alla sua luminosità assoluta, scoperta senza la quale probabilmente la rivoluzione di Hubble non sarebbe stata possibile.
Legge di Hubble-Lemaître
Hubble realizzò che le galassie erano in moto di allontanamento dalla Terra e trovò una correlazione tra la distanza a cui si trovavano e la loro velocità di recessione, cioè la velocità con la quale si allontanavano dalla Via Lattea. I suoi studi si basavano sulle misure di 24 nebulose extragalattiche di cui conosceva distanza e velocità. La misura della distanza era ottenuta attraverso il metodo della Leavitt, mentre misurando lo spostamento verso il rosso delle righe spettrali di un oggetto luminoso, si calcolava di quanto la sorgente luminosa si stava allontanando dall’osservatore. Il fenomeno è noto con il nome di redshift. Nel 1929 Hubble pubblicò la legge che prenderà il suo nome e che lega la velocità e la distanza delle galassie e che di fatto afferma che il nostro Universo è in espansione: la velocità di recessione delle galassie aumenta con la distanza non perché la Terra sia il centro dell’Universo, ma perché lo spazio, isotropo e omogeneo, si dilata costantemente.
I dati inseriti da Hubble nell’articolo A relation between distance and radial velocity among extra-galactic nebulae del 1929, ora disponibile su PNAS
Pochi anni prima, indipendentemente, anche Lemaître, sacerdote belga che aveva conseguito un dottorato in matematica per poi specializzarsi in astronomia, propose la stessa teoria cosmologica ricavando come velocità di recessione un valore molto simile a quello calcolato da Hubble.
La legge che ha permesso di determinare il tasso di espansione dell'Universo e la sua accelerazione, quindi, oggi è nota come legge di Hubble-Lemaître.
Referenze iconografiche: NASA images/Shutterstock; Wikimedia Commons;
SMITHSONIAN INSTITUTION / SCIENCE PHOTO LIBRARY; NASA, ESA and the Hubble Heritage Team (STScI/AURA)