Parallasse, cefeidi, candele standard, supernovae: cose dell’universo. La storia di come gli astronomi hanno costruito la scala delle distanze cosmiche, un gradino alla volta, nel corso di tre secoli.
Misurare la distanza di qualcosa che non puoi raggiungere sembra un problema senza soluzione. Eppure gli astronomi sono riusciti a calcolare la distanza di galassie nell’universo che si trovano a miliardi di anni luce, con un margine di errore ragionevole, partendo da un principio semplice: la parallasse.
Il pollice teso e le stelle
Tendi il braccio e alza il pollice, dopo chiudi l’occhio destro: il pollice sembra in una posizione precisa. Adesso chiudi il sinistro e guarda: sembra spostarsi. Più la distanza tra i tuoi occhi è grande rispetto all’oggetto osservato, più lo spostamento apparente è misurabile. Gli astronomi usano lo stesso principio, ma invece degli occhi usano la Terra stessa. Osservano una stella in gennaio e poi di nuovo in luglio, quando la Terra si trova dall’altra parte della sua orbita attorno al Sole. La distanza tra i due punti di osservazione è di circa 300 milioni di chilometri. Lo spostamento apparente della stella rispetto alle stelle di sfondo lontanissime permette di calcolare la distanza con trigonometria semplice. Questo metodo si chiama Parallasse Trigonometrica, ed è l’unico modo diretto di misurare una distanza stellare senza fare assunzioni.
Il problema è che funziona solo fino a qualche migliaio di anni luce, oltre quella soglia infatti, lo spostamento apparente diventa troppo piccolo per essere misurato con precisione, anche con i migliori strumenti. La stella Proxima Centauri, la più vicina al Sole, ha una parallasse di circa 0,77 secondi d’arco. Superata qualche centinaia di anni luce, le parallassi diventano frazioni di millesimi di secondo d’arco: misure quasi impossibili anche per il telescopio spaziale Gaia dell’ESA, che ha misurato con precisione la parallasse di oltre un miliardo di stelle.
La donna che aprì l’universo
Il secondo gradino fu costruito da una donna che non aveva, come abbiamo visto di recente con la storia di Vera Rubin, nemmeno il permesso di usare il telescopio. Henrietta Swan Leavitt lavorava all’Osservatorio di Harvard all’inizio del Novecento come “computer umana”: il suo compito era analizzare lastre fotografiche e catalogare la luminosità delle stelle. Per questo complesso lavoro guadagnava la bellezza di 25 centesimi l’ora. Studiando le Cefeidi, un tipo particolare di stelle variabili che pulsano gonfiandosi e contraendosi in modo periodico, notò qualcosa di straordinario: le stelle più luminose impiegavano più tempo a completare un ciclo di pulsazione.
Questo significava che osservando il periodo di pulsazione di una Cefeide si poteva risalire alla sua luminosità reale. Confrontando quella con la luminosità apparente che si osservava dal telescopio, si poteva dunque ricavare la distanza. Le Cefeidi diventavano candele standard: oggetti di luminosità nota che funzionano come lampioni disseminati nell’universo. Nel 1924, Edwin Hubble trovò Cefeidi nella nebulosa di Andromeda e calcolò che si trovava a circa 900.000 anni luce, ben oltre i confini della Via Lattea.
L’universo era improvvisamente diventato immensamente più grande di quanto chiunque avesse mai immaginato fino a quel momento. La scoperta di Leavitt fu pubblicata nel 1912 su un articolo firmato dal direttore dell’osservatorio, Edward Pickering, che la citò nella prima riga come autrice del lavoro. Lei morì nel 1921. Nel 1925, il matematico svedese Gösta Mittag-Leffler voleva nominarla per il Nobel, senza sapere fosse morta quattro anni prima.
La scala si allunga ancora
Le Cefeidi permettono di misurare distanze fino a decine di milioni di anni luce, ma anche questo metodo ha un limite: oltre una certa soglia, le Cefeidi non si distinguono più singolarmente nelle galassie lontane, anche con i telescopi più potenti. Serviva un gradino in più, lo fornirono le supernovae di tipo Ia. Queste esplosioni si producono in sistemi binari dove una nana bianca accumula materia da una stella compagna fino a raggiungere una massa critica, chiamata limite di Chandrasekhar, e poi detonano.
Dato che il meccanismo è sempre lo stesso e la massa critica è sempre la stessa, l’esplosione rilascia sempre all’incirca la stessa quantità di energia. Sono candele standard cosmiche, ma molto più luminose delle Cefeidi: visibili a miliardi di anni luce. Sono state proprio le supernovae di tipo Ia, alla fine degli anni Novanta, a rivelare che l’espansione dell’universo sta accelerando. Quella scoperta valse il Nobel nel 2011 a Saul Perlmutter, Adam Riess e Brian Schmidt.
La radiazione cosmica di fondo
Oggi la scala delle distanze cosmiche è una catena di metodi che si sovrappongono e si calibrano a vicenda: parallasse, cefeidi, supernovae, redshift. Ogni anello dipende dall’affidabilità di quello precedente. Quando nel 2019 le misurazioni del telescopio Hubble e quelle della radiazione cosmica di fondo hanno restituito valori leggermente diversi per la costante di Hubble, l’intera comunità scientifica ha capito che da qualche parte nella catena c’è ancora qualcosa che non torna. La scala delle distanze cosmiche è la cosa più precisa che l’astronomia abbia mai costruito, ma non è ancora finita.
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