cielo di notte

Perché il cielo di notte è buio?

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Il giorno sorge il 7 maggio 1823. Dal secondo piano della sua casa, trasformata in osservatorio amatoriale, Heinrich Olbers mette fine all’articolo che lascerà il suo nome nella storia. A 65 anni si dedica interamente alle sue passioni notturne: le stelle, la luna, gli asteroidi e le comete. Quella notte si conclude con una magnifica alba. Risulta anche nel portare alla luce un paradosso. Questo paradosso affascinerà per secoli generazioni di ricercatori e neofiti.

Come molti studiosi dai tempi di Newton e Cartesio, Heinrich Olbers non poteva accontentarsi di un universo finito. In un mondo limitato e statico, l’attrazione gravitazionale tra le stelle le spingerebbe più vicine tra loro, finché non si incontrano al centro dell’universo.

Al contrario, se la materia si estendesse all’infinito, la massa delle stelle lontane compenserebbe l’attrazione gravitazionale delle stelle più vicine. Così, la visione di un universo eterno e senza limiti, condivisa da Olbers e dai suoi contemporanei, suggeriva che i cieli fossero popolati da un numero infinito di stelle.

Ma Heinrich Olbers si rese conto che questo modello del cosmo non rifletteva le osservazioni. Se il nostro sconfinato universo fosse popolato da un numero infinito di stelle, in qualunque direzione puntiamo gli occhi o i telescopi, il nostro sguardo dovrebbe intercettare la superficie di una stella.

Nel suo articolo presentato il 7 maggio 1823, il dottore solleva una questione seria: il modello cosmologico dell’epoca dovrebbe portare a che ogni punto del cielo sia luminoso come la superficie del sole. Non dovrebbe esserci notte. Ogni volta che alziamo lo sguardo al cielo, dovremmo essere accecati dalla luce di un infinito oceano di stelle.

Questo paradosso della notte oscura potrebbe essere spiegato, secondo Olbers, dal crescente assorbimento della luce di stelle sempre più lontane. Questo argomento sarebbe stato successivamente confutato dall’astronomo John Herschel. Qualsiasi mezzo assorbente che riempie continuamente lo spazio interstellare alla fine si riscalda e riemette la luce ricevuta. La comunità scientifica lascerà irrisolto l’enigma sollevato da Heinrich Olbers fino al suo ultimo respiro all’età di 81 anni, il 2 marzo 1840.

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Quando un poeta si mette in gioco

Eccoci 8 anni dopo, dall’altra parte dell’Oceano Atlantico. Il 3 febbraio 1848 non era uno scienziato, ma il poeta Edgar Allan Poe che stava per discutere il paradosso alla New York Society Library.

Poe è convinto di aver risolto l’enigma reso popolare da Olbers, come indica nella sua corrispondenza. Solo una sessantina di persone si sono riunite alla New York Society Library per la presentazione de La Cosmogonia dell’Universo di Edgar Allan Poe. Il pubblico conosce l’opera del celebre poeta sin dalla pubblicazione di Le Corbeau nel 1845, ma in questo 3 febbraio il pubblico rimane sconcertato da una presentazione che oscilla tra metafisica e scienza.

Poe suggerisce, a differenza del filosofo Emmanuel Kant e del matematico Pierre-Simon Laplace, che l’universo non sia stato formato dalla contrazione di una nebulosa di gas rotante (la rotazione potendo controbilanciare l’attrazione verso il centro). Al contrario, il cosmo sarebbe emerso da un unico stato di materia (“Unità”) che si è frammentato e i cui detriti si sono dispersi sotto l’azione di una forza repulsiva.

L’universo sarebbe quindi limitato a una sfera finita di materia. Se l’universo finito è popolato da un numero sufficientemente piccolo di stelle, non c’è motivo di trovarne una in ogni direzione che osserviamo. La notte può essere buia.

Anche supponendo che l’estensione della materia sia infinita, il tempo impiegato dalla luce per raggiungerci dalla creazione del cosmo limiterebbe il volume dell’universo osservabile. Questo tempo di viaggio costituirebbe un orizzonte oltre il quale le stelle lontane rimarrebbero inaccessibili, anche ai nostri telescopi più potenti. Il saggio di Poe fu pubblicato lo stesso anno del poema in prosa Eureka. Poco diffusa, la prova di Poe non troverà l’imponente accoglienza che il suo autore gli aveva riservato. Edgar Allan Poe morì un anno dopo, il 7 ottobre 1849 all’età di 40 anni, non sapendo che le sue intuizioni avrebbero impiegato più di un secolo per risolvere l’enigma scientifico del cielo notturno.

Visione contemporanea

Passa la seconda metà dell’Ottocento così come la prima metà del Novecento. Il periodo tra le due guerre vide l’avvento di molteplici teorie del cosmo, basate sulla relatività generale di Einstein. Il campo della cosmologia, finora in gran parte lasciato ai metafisici e ai filosofi, comincia a essere messo alla prova dalle osservazioni.

Secondo il radioastronomo Peter Scheuer, tuttavia, la cosmologia nel 1963 si basa solo su “due fatti e mezzo”. Fatto n. 1, il cielo notturno è nero, cosa che sappiamo da tempo. Fatto #2, le galassie si stanno allontanando come mostrato dalle osservazioni pubblicate da Hubble nel 1929. Fatto #2.5, i contenuti dell’universo stanno probabilmente cambiando nel tempo cosmico.

Vivaci polemiche sull’interpretazione dei fatti N°2 e N°2.5 agitarono la comunità scientifica negli anni ’50 e ’60, l’oscurità del cielo notturno.

Il fisico delle alte energie Edward Harrison risolve il conflitto tra le comunità nel 1964. Dal Rutherford High-Energy Laboratory nella zona rurale di Londra, Harrison dimostra che la luminosità del cielo notturno dipende poco dalle specificità del modello cosmologico rispetto all’età delle stelle. Il numero di stelle nell’universo osservabile è finito. Sebbene siano numerose, le stelle si sono formate in numero limitato dal gas contenuto nelle galassie.

Questo numero limitato, combinato con il gigantesco volume che la materia ricopre oggi nell’universo, lascia trasparire l’oscurità tra le stelle. Durante la sua carriera di astronomo e cosmologo negli Stati Uniti, Edward Harrison si renderà conto che questa soluzione era già stata proposta da Kelvin nel 1901 e da Edgar Allan Poe nelle sue discussioni metafisiche.

Negli anni ’80, dopo essersi scrollati di dosso le ultime teorie stazionarie dell’universo e aver contrastato le fallaci argomentazioni sul paradosso di Olbers, gli astronomi confermarono la risoluzione proposta da Poe, Kelvin e Harrison. Alcuni, come Paul Wesson, desiderano persino che il paradosso di Olbers riposi finalmente in pace.

Un altro punto di vista scientifico contemporaneo

Visto da un’angolazione diversa, il paradosso di Olbers trova formulazione e risoluzione complementari. Dopo la scoperta dell’espansione dell’universo negli anni ’20, gli scienziati si resero conto, non senza polemiche e rettifiche, che l’universo primordiale era più compatto, più denso e più caldo: questo è il modello del big bang caldo.

Una delle principali previsioni di questo modello era l’esistenza di luce fossile emessa durante le prime fasi della tumultuosa evoluzione dell’universo. Questa luce fossile dovrebbe essere osservabile oggi, non nella gamma visibile, ma spostata a lunghezze d’onda maggiori a causa dell’espansione.

Questa radiazione è stata scoperta nel 1964 ed è chiamata fondo cosmico a microonde. Oggi misurata con notevole precisione, la radiazione cosmica di fondo a microonde è la principale fonte di luce nell’universo, sebbene sia invisibile ai nostri occhi.

Fondo cosmico fossile osservato dal satellite Planck
Il fondo cosmico fossile osservato dal satellite Planck. Ultima analisi del 2018. Planck Collaboration/ESA

Sappiamo oggi che il cosmo è immerso anche in un secondo fondo diffuso, molto più sottile, prodotto da generazioni di galassie durante la loro formazione ed evoluzione. A seconda della regione dello spettro in cui questa luce è più intensa, si parla di fondo cosmico ultravioletto, ottico e infrarosso. Considerando questi sfondi diffusi, possiamo anche rispondere che la notte non è nera e che il cielo risplende della debole radiazione reliquia di tutto ciò che è stato durante la vita limitata dell’Universo.

Bicentenario e foreste

Quest’anno celebriamo il bicentenario della pubblicazione del Paradosso di Olbers, una pietra miliare nella storia della cosmologia e nella visione del mondo da parte dell’umanità. L’oscurità del cielo notturno mette ognuno di noi di fronte alla finitezza del numero di stelle nell’universo e all’idea che il nostro universo abbia avuto un inizio.

Questo paradosso può sempre essere argomento di discussione con i tuoi amici. Puoi suggerire la seguente riflessione. Immagina di essere nel mezzo di una foresta, molto grande e molto fitta. Rivolgiamoci su noi stessi: qualunque sia la direzione in cui guardiamo, vediamo un tronco d’albero. Ma allora, se gli alberi sono le stelle e se la foresta è l’universo, come mai il cielo non è interamente ricoperto di stelle?

Da parte nostra, stiamo cercando di simulare la foresta con i supercomputer e di contare i tronchi degli alberi con i nostri telescopi. Il paradosso di Olbers nel 2023 (200 anni dopo il 7 maggio 1823) si è evoluto in una ricca gamma di misurazioni sempre più precise della luminosità del cielo notturno, permettendoci di determinare il numero di stelle nel cielo con una precisione del 5%. Dalle nostre misurazioni, che ora vanno dai raggi gamma alle onde radio, possiamo ricostruire la linea temporale dell’universo. Tuttavia, i puzzle rimangono. Le recenti misurazioni di una sonda nello spazio profondo, oltre l’orbita di Plutone e la polvere del sistema solare, rivelano cieli due volte più luminosi di quanto avremmo potuto prevedere dalle sole stelle.

La questione dell’oscurità del cielo rimane dunque ben posta oggi! Domande come questa attraversano epoche e culture. Gli sviluppi metafisici, filosofici, matematici e osservativi degli ultimi due secoli hanno dimostrato che il nostro sonno notturno si basa sulla finitezza delle risorse necessarie per la produzione di luce nel cosmo. Dormiremo meglio se accettiamo che questa finitezza si applichi anche alle risorse del nostro ambiente immediato.

Autore

Jonathan BiteauUniversité Paris-SaclayDavid Valls-GabaudObservatoire de ParisHervé DoleUniversité Paris-SaclayJosé FonsecaUniversidade do PortoJuan Garcia-BellidoUniversità autonoma di MadridSimon DriverThe University of Western Australia