La cosmologia
 

u Lo studio del Cosmo

La Cosmologia è lo studio del Cosmo, e può essere definita come il complesso delle dottrine scientifiche o filosofiche che studiano l'ordine, i fenomeni e le leggi dell'universo. Difficile dire quando sia nata la Cosmologia. Dal punto di vista filosofico, la Cosmologia è senz'altro una delle discipline più antiche. Chi siamo? Da dove veniamo? Ci sono altre intelligenze nell'universo? Queste sono domande che hanno sempre accompagnato ogni civiltà e a cui ciascun individuo cerca di dare delle risposte. Queste risposte, siano esse di tipo filosofico o religioso, hanno profondamente determinato la nostra storia. E' però anche plausibile che le prime indagini "astronomiche" siano state anche funzionali ad implicazioni più quotidiane. Per esempio la caccia delle specie migratorie, i tempi della semina e del raccolto, ecc. richiedevano di prevedere con un certo anticipo l'avvicendarsi delle stagioni. Così già gli Egizi nel III millennio a.c. stimano con ottima approssimazione la durata dell'anno. Inoltre, l'osservazione del cielo portò sin dall'antichità all'individuazione delle cosiddette "stelle erranti", e cioè dei pianeti Mercurio, Venere, Marte, Giove e Saturno. Lo studio dei pianeti forniva l'evidenza che queste "stelle erranti" in realtà seguivano delle traiettorie ben definite per rioccupare periodicamente la stessa posizione in cielo rispetto alle stelle propriamente dette e considerate "fisse". I pianeti fornivano quindi l'occasione di trovare in un mondo apparentemente impredicibile delle regolarità, degli eventi che potevano essere predetti. Non c'è quindi da stupirsi se la parola Cosmo in greco non vuol dire grande, o infinito o meraviglioso: la parola Cosmo in greco vuol dire "ordine". Dal punto di vista scientifico la Cosmologia è molto giovane. Oggi risulta familiare pensare che l'universo è popolato di galassie e che le galassie sono formate da centinaia di miliardi di stelle. Ma questo modo di vedere il Cosmo è per la maggior parte determinato da studi teorici e sperimentali del XX secolo.

Le domande fondamentali intorno alle quali ha ruotato la Cosmologia sono state essenzialmente due:

qual è il centro dell'universo?;

quanto è grande l'universo?

u Il centro dell'universo

La storia della cosmologia antica coincide con il percorso intellettuale che l'Uomo ha seguito per rispondere alla prima domanda e copre circa 2000 anni. Il Sole sembra muoversi intorno alla Terra. Non c'è quindi da stupirsi se il primo modello cosmologico presupponeva che la Luna, il Sole e i pianeti si muovono intorno alla Terra, che quindi si trova al centro dell'universo. Il più influente di questi modelli fu sviluppato da Tolomeo (140 a.c.) e sopravvisse fino al XVI secolo, quando fu definitivamente sostituito dal modello eliocentrico, prima con Copernico e poi con Keplero. La cosmologia teorica compie un passo in avanti gigantesco con la Teoria della Gravitazione Universale di Newton. Al tempo stesso la cosmologia osservativa consegue un successo importantissimo nel 1672 con la prima misura accurata (al 10%) delle dimensioni del sistema solare ottenuta da Gian Domenico Cassini, un astronomo italiano chiamato nel 1699 a dirigere l'Osservatorio di Parigi.

u Le dimensioni dell'universo

Definito il moto dei pianeti e le dimensioni del sistema solare, si incominciò ad affrontare il problema delle stelle che popolano il cielo notturno e a cercare di rispondere alla seconda domanda: quanto è grande l'universo? E' solo verso la fine del '700 che William Herschel pone le basi per determinare le dimensioni dell'universo. Grazie all'uso di un nuovo telescopio di circa 1,2 metri di diametro, egli contò le stelle in diverse direzioni. Assumendo che le stelle popolassero in modo uniforme una regione finita dello spazio e che tutto intorno ci fosse il vuoto e basandosi sul numero di stelle contato, egli valutò in ogni direzione la profondità dell'universo popolato. Il risultato di queste osservazioni è in accordo con l'idea di Kant, e cioè con una distribuzione discoidale delle stelle. Nel 1901 l'astronomo danese Jacob Kapteyn fu il primo a proporre un modello quantitativo della galassia che risultava formata da un disco di stelle di circa 30.000 anni luce in diametro e 6000 anni luce in spessore. Egli pose il Sole al centro di questo sistema di stelle, che venne presto chiamato come l'universo di Kapteyn.
 

u Le galassie

L'osservazione del cielo aveva anche rivelato l'esistenza di alcune "nebulose", regioni di luminosità diffusa, diverse dalle stelle che invece ci appaiono puntifomi. Nel 1771, Charles Messier, astronomo a Parigi e appassionato cultore e cacciatore di comete, diffuse un catalogo di 102 oggetti nebulari che avrebbero potuto essere scambiati per comete. Questi oggetti non erano comete perchι mantenevano immutate la loro luminosità e posizione sulla volta celeste. La lista di Messier gode ancor oggi di una vasta popolarità perchè contiene oggetti celesti che si sono rivelati tra i più interessanti obiettivi dell'astrofisica moderna: M1 è la Nebulosa del Granchio, M31 è la galassia di Andromeda e ben 27 dei 102 oggetti di Messier sono ammassi globulari, complessi stellari di centinaia di migliaia di stelle tenuti assieme dalla gravità. Verso la metà dell'800 William Parson, usando un telescopio di 1,8 metri fu in grado di mettere in evidenza la struttura a spirale di alcune nebulose e concluse che queste possano essere sistemi di stelle così come proposto da Kant circa 70 anni prima. Sebbene nessuno fosse in grado di misurare le distanze di questi oggetti, molti astronomi incominciarono a pensare che le nebulose fossero sistemi di stelle esterni e del tutto simili alla nostra Galassia. Questa teoria prese il nome di teoria degli universi-isola.

Arriviamo così al 1920, l'anno della grande controversia tra due grandi dell'astronomia dell'epoca, Harlow Shapley (1885-1972) e Heber D. Curtis (1872-1942). In un pubblico dibattito Shapley presentò un nuovo modello per la Galassia, proponendo che la Galassia fosse circa dieci volte più grande di quanto sostenuto da Kapteyn. Inoltre, e questa è la grossa novità, Shapley pose il Sole circa 60.000 anni luce lontano dal centro della galassia. Nel suo modello le nebulose erano una popolazione di oggetti gassosi presenti all'interno della nostra Galassia. Curtis propose invece un modello alternativo per la nostra Galassia, le cui dimensioni erano più vicine a quelle suggerite da Kapteyn e quindi molto più piccole di quelle proposte da Shapley. In accordo con Kapteyn egli pensava ad un modello della nostra galassia simile ad una lente con il Sole al centro. Curtis sosteneva che le nebulose erano dei sistemi stellari esterni alla nostra galassia. Così, agli inizi degli anni '20 si profilano su basi rigorosamente scientifiche due grandi rivoluzioni concettuali: il Sole non è al centro della nostra Galassia; esistono altre galassie, esterne e simili alla nostra. Mentre la prima affermazione è dovuta a Shapley, la seconda, seppur sostenuto con forza da Curtis, era il risultato del lavoro di alcuni anni fatto da diversi astronomi e poneva su basi scientifiche un punto di vista che si stava diffondendo nella comunità scientifica. Nel 1924 Edwin Hubble fu in grado di osservare le Cefeidi nella nebulosa di Andromeda (M31) e nella nebulosa del Triangolo (M33). Le Cefeidi sono stelle pulsanti di cui Hubble potè, in base ad un modello teorico, calcolare la distanza. Egli stimò che questa valeva circa 900.000 anni luce, ben di più del raggio della nostra galassia. Quando Shapley venne a conoscenza del risultato di Hubble ammise subito di avere torto sulla questione delle distanze delle nebulose. E' quindi Hubble che pose fine alla grande controversia, stabilendo che esistono sistemi stellari esterni alla nostra galassia e del tutto simili ad essa.

u Il moto delle galassie

Era noto sin dai primi del '900 che molte nebulose sembravano allontanarsi da noi. La prima evidenza sistematica fu fornita da Vesto Melvin Slipher (1875-1969) a seguito di una campagna osservativa condotta dal 1912 fino alla metà degli anni '20. Slipher potè determinare che la luce delle nebulose ci giunge spostata in frequenza rispetto al suo spettro originale. Lo spostamento registrato era solitamente verso il colore rosso e testimoniava del moto generale di allontanamento delle nebulose. L'importanza del risultato di Slipher non fu subito riconosciuta perchè a quel tempo non era ancora chiaro, come abbiamo visto, cosa erano le nebulose. L'osservazione di Cefeidi in 18 galassie consentì ad Hubble di valutarne la distanza. La scoperta fondamentale fatta da Hubble nel 1929 è che le galassie si stanno allontanando dalla nostra con una velocità che è direttamente proporzionale alla loro distanza: questa relazione è nota come legge di Hubble. Questo fatto trova una sua naturale spiegazione all'interno dei modelli cosmologici sviluppati, sulla base della teoria delle relatività generale di Einstein, da Friedmann nel 1922 e nel 1924. L'insieme di questi modelli, sviluppati indipendentemente da George Lemaitre nel 1927, costituisce la teoria del Big Bang: è una grande esplosione iniziale che ha originato l'espansione dell'universo.

u La radiazione di fondo

La Bell, il colosso della telefonia americana e mondiale, aveva costruito presso i suoi laboratori un'antenna radio per portare avanti il programma di comunicazione intercontinentale via satellite (il satellite Echo). Quest'antenna aveva caratteristiche tecniche notevolissime per quel periodo: in particolare era un'antenna in grado di ricevere segnali molto deboli. Proprio per questo, Arno Penzias and Robert Wilson pensarono di utilizzarla per fare della radioastronomia. Preliminarmente, Penzias e Wilson "sintonizzarono" la loro antenna sulla lunghezza d'onda di 7 cm per poter valutare quale era il rumore di fondo del loro strumento. Con loro grande disappunto, trovavano che il loro strumento aveva un rumore di fondo più grande, sebbene di poco più grande, di quello che il progetto dell'antenna prevedeva. Dopo diversi tentativi, Penzias e Wilson si convinsero che questo eccesso di rumore era in realtà un "segnale" cosmico, che doveva provenire dallo spazio più profondo. Infatti lo stesso "segnale" era registrato indipendentemente dalla direzione di osservazione (quindi non era legato ai particolari oggetti celesti esaminati). Quello che Penzias e Wilson avevano scoperto era la cosiddetta "radiazione cosmica di fondo", radiazione che ci raggiunge con la stessa intensità indipendentemente dalla direzione di osservazione. E' per questa scoperta che Penzias e Wilson vinsero il premio Nobel per la Fisica nel 1978. La scoperta della radiazione cosmica di fondo marca una transizione importantissima nella storia della cosmologia. E' proprio con la scoperta della radiazione cosmica di fondo che la cosmologia diventa scienza. Alla domanda "E' l'universo sempre uguale a se stesso o in evoluzione?" abbiamo oggi una risposta che non si basa su preconcetti religiosi o su argomentazioni filosofiche: è una risposta che si basa sull'esistenza stessa della radiazione cosmica di fondo. E' solo nella teoria del Big Bang, e quindi in universo in evoluzione, che la radiazione cosmica di fondo può avere quelle caratteristiche che sono state misurate con grande precisione dall'esperimento FIRAS a bordo del satellite COBE. E' solo nella teoria del Big Bang, e quindi in un universo in evoluzione, che è possibile spiegare le abbondanze osservate di elementi leggeri quali il Deuterio e l’Elio.