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Cosmo

Anno di redazione: 
2002
Duccio Macchetto

I. Introduzione - II. La visione del cosmo con il telescopio spaziale Hubble - III. Orizzonti in espansione: l’interrogativo sulla presenza della vita nell’universo - IV. L’osservazione del cosmo come fonte di stupore.

Nelle finalità che si propone, l’astronomia è una delle scienze più accessibili al grande pubblico e i suoi risultati osservativi catturano l’immaginazione e il senso di meraviglia di tutti perché in essi trovano risposta alcune delle domande fondamentali che gli esseri umani si sono sempre posti: qual è l’origine dell’universo e quale sarà la sua futura evoluzione? Vi è stato un inizio dell’universo e, in quel caso, cosa c’era “prima”? Cosa sappiamo veramente del nostro universo, e come siamo arrivati a questa conoscenza? L’astronomia è una scienza diversa da quasi tutte le altre scienze. A differenza di quanto fa abitualmente la maggioranza degli scienziati, gli astronomi possono misurare e osservare, ma non possono interferire con le cose che osservano. Mentre i fisici, i biologi, i chimici possono realizzare i loro esperimenti su sistemi riproducibili in laboratorio, la scienza dell’universo ha a che fare con un sistema “non riproducibile”. Per questo motivo l’osservazione è stata un elemento fondamentale lungo tutta la storia dell’astronomia, già con le prime misure di posizione fatte ad occhio nudo e poi, soprattutto, a partire dall’impiego del telescopio. Il progresso delle nostre conoscenze in campo astronomico dipende dalla nostra possibilità di misurare l’intensità della radiazione emessa e la sua variazione nel tempo, la sua lunghezza d’onda, e soprattutto la morfologia e la posizione degli oggetti celesti. I grandi passi avanti nella ricerca astronomica sono avvenuti quando il progresso tecnologico ci ha permesso di misurare qualcuno di questi parametri con precisione maggiore. Il primo grande passo fu fatto da Galileo con la sua scoperta del telescopio.

Per molti secoli, il modello dell’universo basato sulle idee di Aristotele (384-322 a.C.) e di Tolomeo (ca. 100-178) è stato molto semplice. La Terra si trovava al centro dell’universo: il Sole, la Luna e i pianeti si muovevano in orbite più o meno complesse attorno alla Terra, mentre le stelle si trovavano su sfere fisse, distanti dalla Terra. Quel modello, messo in discussione per primo da Copernico (1473-1543) nel 1514, fu profondamente modificato solo dopo che le osservazioni di Galileo (1564-1642) fornirono importanti elementi a sostegno della validità delle idee copernicane. In entrambi i modelli, però, si credeva in un universo statico, dove tutto era stato formato (o creato) cosi come si osservava, e l’unica vera “evoluzione” era rappresentata dal moto dei pianeti attorno al Sole e dallo scorrere del tempo. Galileo definì la nuova metodologia della ricerca scientifica, richiedendo la verifica sperimentale ed osservativa delle leggi fisiche, leggi che fino ad allora erano invece solo postulate o basate su considerazioni filosofiche. La metodologia di Galileo, e le misurazioni successivamente realizzate grazie ai lavori di Tycho Brahe e Keplero, dettero lo spunto a Newton (1642-1727) per proporre le leggi del moto e della gravitazione che, collegando lo spazio ed il tempo attraverso espressioni matematiche, forniscono una rappresentazione della realtà fisica.

Le leggi di Newton sono tuttora valide per descrivere il moto di corpi che si muovono con velocità molto minori della velocità della luce e, per esempio, descrivono i moti dei pianeti attorno al Sole con notevole precisione. Una delle conseguenze delle leggi del moto di Newton è che non esiste un sistema assoluto di riferimento, quello che i fisici chiamano un sistema di riferimento “a riposo”. Le leggi del moto valgono ovunque, in qualsiasi sistema di riferimento, indipendentemente della velocità del sistema: valgono cioè sulla Terra, o su un altro pianeta che si muove rispetto al nostro, o su un’altra galassia lontana che si muove con grandissima velocità rispetto alla nostra. Nessuno di questi sistemi è valido più dell’altro e in tutti si possono descrivere le leggi del moto esattamente con le stesse equazioni, contrariamente a quanto voleva la teoria aristotelica, che postulava l’esistenza di un solo sistema fisso e valido (la Terra) dal quale si sarebbero potute determinare le proprietà dell’universo. Lo stesso Newton, però, era preoccupato delle conseguenze filosofiche delle sue teorie, perché temeva che non fossero compatibili con l’esistenza di un Dio assoluto, anche se, con Aristotele, credeva nell’esistenza di uno spazio e di un tempo assoluti ed universali. Per una descrizione corretta del moto, anche quando si ha a che fare con velocità vicine a quella della luce, e del rapporto che esiste tra spazio e tempo, si dovette aspettare ancora qualche secolo, fino all’avvento della teoria della relatività.

Per giungere ad ulteriori e fondamentali progressi nella nostra visione del cosmo, si dovette attendere il XX secolo, con la costruzione di strumenti di osservazione sempre più efficienti e potenti, dapprima per lo studio della radiazione visibile, e poi per lo studio di quelle parti dello spettro elettromagnetico che richiedevano opportuni rivelatori diversi dall’occhio umano. I grandi strumenti terrestri di questo secolo, sia per l’astronomia ottica che per la radioastronomia, hanno caratterizzato con la loro attività delle vere e proprie tappe della ricerca scientifica. Così è avvenuto con i grandi telescopi ottici, quello su Monte Wilson, di 2,5 metri di diametro, costruito negli anni intorno al 1920 e, successivamente, quello sul Monte Palomar, con uno specchio di 5 metri. I più potenti telescopi a terra dei nostri giorni sono i due telescopi Keck di 10 metri di diametro ciascuno, sull’isola di Hawaii, e i quattro telescopi europei VLT (Very Large Telescope) di 8 metri di diametro ciascuno, situati sulle Ande nel nord del Cile. Questi stupendi strumenti ci permettono di osservare l’universo a distanze enormi, corrispondenti ad un’epoca in cui le galassie stesse si stavano formando.

Tuttavia, la maggior parte dello spettro elettromagnetico, cioè la maggior parte dell’informazione emessa da stelle e galassie, è assorbita dall’atmosfera terrestre ed è necessario uscire al di fuori di essa per portare a termine queste osservazioni. La tecnologia del XX secolo ci ha permesso, a partire dagli anni Sessanta, di utilizzare satelliti artificiali per l’astronomia, usando rivelatori sensibili alle radiazioni infrarosse ed ultraviolette, fino alle alte energie dei raggi X e dei raggi gamma. La comunità scientifica si è così avvalsa di telescopi spaziali appositamente costruiti per ciascuna di queste lunghezze d’onda e legati anch’essi a tappe importanti della sperimentazione astrofisica, come furono ad esempio, negli anni Settanta e Ottanta, il satellite Einstein per i raggi X e l’International Ultraviolet Explorer per l’ultravioletto, e come sono poi stati nella decade degli anni Novanta il satellite COBE per lo studio della radiazione di fondo cosmico (l’“eco” del Big Bang), l’Infrared Space Observatory europeo del 1995 ed il Gamma Ray Observatory del 1996.

Ma anche l’astronomia che lavora con le radiazioni visibili può giovarsi grandemente di osservazioni effettuate fuori dell’atmosfera, perché questa trattiene gran parte dell’intensità luminosa dei corpi celesti e ne distorce le immagini, rendendo più problematico lo studio di oggetti deboli e lontani. Per questo motivo, alla fine degli anni Settanta del XX secolo, cominciò la progettazione di quello che pochi anni dopo sarà il primo grande telescopio ottico “spaziale”, intitolato all’astronomo Edwin Powell Hubble (1889-1953), noto per avere per primo individuato, nel 1929, con osservazioni al telescopio di Mount Wilson, la legge sperimentale che mostrava l’allontanamento accelerato delle galassie lontane e, quindi, la conseguente espansione dell’universo. Come accadde per le ricerche dell’astronomo di cui porta il nome, anche al telescopio Hubble occorre associare la nascita di una nuova tappa della storia dell’astronomia.

II. La visione del cosmo con il telescopio spaziale Hubble

1. L’Hubble Space Telescope. Il telescopio Hubble (la cui sigla ricorrente nelle pubblicazioni specializzate è HST, Hubble Space Telescope), è stato posto in orbita attorno alla Terra nel 1990 da una navetta spaziale Shuttle con cinque astronauti a bordo. Lo strumento misura 14 metri di lunghezza e circa 3 metri di diametro esterno e possiede al suo interno uno specchio primario di 2,40 metri di apertura. Si tratta di un progetto il cui costo totale ammontava all’epoca a 2 miliardi di dollari e la cui realizzazione ha richiesto una collaborazione tra la NASA e l’ESA (l’Agenzia spaziale europea). Il tempo di osservazione del telescopio non è però riservato ai ricercatori dei soli Paesi membri: tutti gli scienziati del mondo possono avervi accesso, nel senso che ciascuno di essi può proporre e realizzare, se il permesso viene concesso dal Centro di ricerche di Baltimora, delle osservazioni. Lo strumento si muove lungo un’orbita avente un periodo di appena 90 minuti, ad un’altezza di circa 600 chilometri dalla Terra, una distanza scelta soprattutto per consentire l’invio di astronauti incaricati di effettuare le opportune riparazioni ed occuparsi della sua manutenzione. A partire dall’inizio degli anni Novanta, ogni tre anni una missione dello Shuttle permette ad un gruppo di astronauti di avvicinarsi al telescopio spaziale e di portare a termine gli interventi necessari. Si prevede che il telescopio continui a funzionare secondo queste modalità fino al 2010.

Pochi mesi dopo il lancio del telescopio, fu scoperto che lo specchio principale era difettoso: la superficie parabolica si distanziava di 2 millesimi di millimetro dalla curva teorica prevista, un valore numericamente molto piccolo, ma causa di un difetto abbastanza grande da far sì che le immagini di una stella, in luogo di essere puntiformi, mostrassero anche un debole alone di luce diffusa. L’intensità di energia dispersa in questo alone riduceva sensibilmente l’accuratezza delle misure per buona parte dei rivelatori presenti a bordo. Nel dicembre del 1993, una seconda missione di astronauti inviati nello spazio ha permesso di risolvere questo inconveniente: durante cinque giorni di lavoro è stato introdotto un sistema di specchi che correggeva in modo complementare il profilo ottico dello specchio principale ed è stata anche cambiata parte della vecchia strumentazione scientifica, permettendo alla comunità astronomica di avere un telescopio come nuovo. A partire da quel momento, i risultati ottenuti grazie a questo telescopio hanno consentito agli astrofisici di giungere ad acquisizioni di importanza straordinaria.

Le immagini provenienti dallo Space Telescope sono presto divenute note in tutto il mondo, scientifico e non, anche grazie alla loro diffusione mediante la rete Internet. I dati di Hubble provenienti dallo spazio giungono al centro di ricerche Space Telescope Science Institute (STScI), situato a Baltimora negli Stati Uniti, l’Ente che organizza e gestisce l’intero complesso di ricerche effettuate dal telescopio. I segnali elettronici digitali trasmessi da Hubble vengono inviati ad un satellite di telecomunicazione che poi li rimanda a terra, dove vengono rielaborati e trasformati da immagini digitali in vere e proprie fotografie. Per realizzare la maggior parte delle immagini che siamo abituati a osservare, i fotoni della radiazione luminosa vengono prima trasformati in elettroni i quali, a loro volta, danno una misura fisica delle quantità di energia di flusso provenienti dai diversi oggetti. Successivamente quegli elettroni vengono rielaborati e trasformati in bit (zero-uno) che consentono di ricostruire le immagini digitalizzate di quei flussi di fotoni originariamente emessi dalle stelle o dagli altri oggetti osservati.

Nella rilevazione, come nell’elaborazione dei dati, un ruolo fondamentale viene svolto dal computer, a cominciare da quelli che sono a bordo del telescopio spaziale, al punto da poter considerare Hubble come un unico, complesso sistema di computers. Fra i calcolatori a bordo e i calcolatori a terra esiste una sorta di “dialogo continuo”. I calcolatori a terra inviano precisi ordini ai computers di bordo grazie ai quali si mettono in funzione i vari “sottosistemi” di cui è composto lo strumento, dalle diverse antenne, alle ruote che permettono di cambiare i filtri ottici da utilizzare a seconda del particolare tipo di osservazione richiesta, fino ai pannelli solari, che vengono continuamente orientati in modo da restare perpendicolari ai raggi di luce del Sole allo scopo di ottimizzare la produzione di energia elettrica. Grazie alla possibilità di questi continui e ininterrotti controlli remoti, il telescopio non resta inattivo un solo istante della sua vita. Ogni ora, anzi ogni minuto di tempo è occupato da una specifica osservazione fra quelle richieste da qualche laboratorio astronomico e accettata dal centro di Baltimora. Le osservazioni e le ricerche proposte vengono opportunamente vagliate, verificando attraverso gli archivi che non siano state già effettuate, fino a stabilire una data operativa. La complessità dei moti dello strumento impone di organizzare le diverse ricerche in modo da ottimizzare l'uso del telescopio, ottimizzazione che viene resa possibile solo grazie ad un computer centrale.

Incoraggiati dai risultati dello Space Telescope, è ormai in corso di progettazione un nuovo strumento che possa continuare e migliorarne ancora il lavoro. Si tratta del Next Generation Space Telescope (NGST), uno strumento che apparterrà alla “prossima generazione”, sia dal punto di vista tecnico, perché molto diverso dal primo Hubble, sia per gli obiettivi scientifici che si proporrà. Dal punto di vista tecnico il telescopio avrà un diametro da 6 a 8 metri, cioè due o tre volte maggiore rispetto al telescopio attuale, ma costerà meno grazie alle nuove tecnologie utilizzate. In luogo dello spessore di una trentina di centimetri del primo telescopio, per il nuovo specchio sarà sufficiente uno spessore di qualche millimetro soltanto, affiancato da una sofisticata tecnologia adattiva che consentirà di tenere continuamente sotto controllo il profilo geometrico delle ottiche, ma anche di modificare la forma dello specchio per compensare qualsiasi possibile difetto. Lo specchio sarà operativo ad una temperatura molto bassa, circa 230-240 gradi sotto zero, allo scopo di favorire le osservazioni nella zona infrarossa dello spettro elettromagnetico, disturbate anche dal solo calore di fondo emesso dallo specchio stesso. Inoltre, la diminuzione del peso globale dello strumento, ottenuta grazie all’impiego di specchi con spessori sottili, è particolarmente importante pensando alla logica della tecnologia spaziale, in quanto i costi sono proporzionali al carico che si desidera porre in orbita. L’orbita prevista si trova a più di un milione di chilometri di distanza dalla Terra, attorno ad un punto di equilibrio tra l’attrazione terrestre e quella solare, chiamato “punto Lagrangiano esterno”. Questa posizione è stata scelta per minimizzare il contributo termico sia della Terra che del Sole, ma anche così il NGST dovrà essere schermato con un pannello isolante delle dimensioni di un campo da tennis!

2. L’osservazione dell’universo con Hubble. Il telescopio spaziale Hubble è stato impiegato per osservazioni di tutti i maggiori oggetti di interesse astronomico ed astrofisico, dai pianeti del sistema solare, come Marte, Giove o Saturno, fino ai nuclei di galassie più lontani. Per fare alcuni esempi limitati ad oggetti del sistema solare, sono stati scoperti 3, forse 4 nuovi satelliti in orbita attorno a Saturno e sono state fatte misure sulla struttura degli anelli di Urano — di cui si conosceva già l'esistenza — con una precisione di dettagli simile a quella con cui si studiano da terra gli anelli di Saturno, oltre ad individuare, anche per Urano, un nuovo satellite. Le immagini inviate dal telescopio hanno consentito di conoscere con maggiore accuratezza le fasi che precedono la formazione delle stelle, grazie alle osservazioni delle tenui nubi di idrogeno che costituiscono la materia dalla quale hanno origine gli oggetti proto-stellari. Alcune di queste immagini, come quella della nebulosa nella costellazione di Orione, sono particolarmente spettacolari e sono ormai note anche al grande pubblico. Sono dovute ad Hubble le osservazioni di pianeti attorno a stelle diverse dal nostro Sole, con una statistica ancora scarsa ed incompleta, ma significativa.

In campo extragalattico, lo studio più accurato di galassie attive ha fornito nuovi dati sulla presenza di massicci «buchi neri» (black holes) al loro interno. Fra le osservazioni dello Space Telescope vi è quella di una galassia che si trova a circa 60 milioni di anni luce e che presenta un getto di materia di gas che si estende per ben 15.000 anni luce. La quantità di energia necessaria per mantenere questo getto di energia durante 15.000 anni è assai probabilmente fornita proprio da un buco nero, la cui efficienza è tale da trasformare in energia, ogni anno, 10 volte la massa del nostro Sole. Ancora, hanno rappresentato una certa novità le immagini di galassie in interazione (ad esempio quella di due galassie con grosse code che si avviano lentamente a diventare una sola galassia), rivelando che il fenomeno dell’attrazione distruttiva fra galassie è più frequente di quanto si pensasse. Ma al di là di queste scoperte sommariamente accennate, la cosa più importante del primo decennio di lavoro del telescopio spaziale è che i suoi risultati stanno cambiando il nostro modo di conoscere e di capire l'universo.

È stata in particolare la cosmologia osservativa a giovarsi grandemente delle osservazioni dello Space Telescope. Tale ambito di ricerche si fonda in primo luogo sull’osservazione delle galassie, in particolare dei densi ammassi nei quali esse sono legate gravitazionalmente. Ricordiamo, a titolo di esempio, che fra le immagini più note di Hubble vi è anche quella di un ricco insieme di galassie trovato puntando il telescopio verso una delle zone più “vuote” del cielo, appositamente scelta per evitare la presenza di altri oggetti (stelle della nostra Via Lattea oppure altre galassie) sulla medesima linea visuale: in tale zona si sono potute vedere più di cinquemila galassie, la cui distanza dalla Terra varia dai 5-6 miliardi di anni-luce nel caso delle più vicine, fino ai 13 miliardi per le più lontane, cioè galassie che si sono formate solo uno o due miliardi di anni dopo il Big Bang.

Un dato di estremo interesse per la cosmologia è la misura della distanza delle galassie, la cui velocità di allontanamento ci è nota grazie allo spostamento delle righe spettrali verso il rosso, che consente di discriminare quale sia il modello cosmologico cui obbedisce il nostro universo. A questo proposito si impiegano vari “calibratori di distanza”. In virtù del comportamento assai regolare della loro luminosità intrinseca, le Supernovae sono fra i candidati preferiti dagli astronomi. Il telescopio spaziale ha potuto osservare Supernovae molto deboli e così calibrare la distanza di galassie lontane, aumentando considerevolmente la statistica a disposizione. Una misura più precisa della velocità di espansione dell’universo ha permesso di propendere ora verso un modello nel quale l’universo continuerà ad espandersi per sempre. Naturalmente si tratta di misure che richiederanno ulteriori verifiche, anche grazie al futuro impiego del Next Generation Space Telescope.

Un importante risultato emerso dall’osservazione delle galassie è una nuova conferma alla teoria della relatività di Einstein. All’inizio del XX secolo egli aveva suggerito che la curvatura dello spazio, dovuta alla presenza di una massa, doveva causare la deflessione dei raggi luminosi le cui traiettorie vi passassero accanto. Tale fenomeno può dar luogo a ciò che si chiama una «lente gravitazionale»: se c’è un oggetto luminoso davanti al quale si trova, prospetticamente, un altro oggetto di grande massa (per es. una galassia massiccia o un buco nero), allora un osservatore perfettamente allineato con i due oggetti, in luogo dell’oggetto luminoso, vedrà un anello luminoso, formato dalla deviazione, circolarmente simmetrica, dei raggi provenienti dall’oggetto luminoso lontano (ad es. un’altra galassia). Tale fenomeno può servire per calcolare la massa dell’oggetto posto nel mezzo: più grande è la massa, più grande è la deviazione prodotta. Va ricordato che le misure della massa delle galassie sono particolarmente importanti poiché è la quantità totale di materia dell’universo a determinare la struttura generale dell’universo e la sua futura storia dinamica.

Tutte le osservazioni finora svolte dallo spazio confermano il quadro cosmologico generale di un universo in espansione che ha origine da un punto primordiale di altissima densità, capace di contenere tutto: la massa, l'energia, lo spazio e il tempo, incluse le leggi della fisica, e che per qualche motivo che non conosciamo ha cominciato a espandersi (Big Bang). Grazie al telescopio spaziale abbiamo cominciato a capire meglio non solo il nostro passato, ma anche che cosa succederà nel futuro, poiché siamo per la prima volta in grado di valutare con sufficiente precisione se l’espansione dell'universo stia accelerando o decelerando. Se la quantità di materia nell'universo è sufficientemente grande, questa espansione sarà frenata dalla gravità di tutta la materia dell'universo e l'universo ricadrà su se stesso. Se invece non c'è abbastanza materia, l'universo continuerà a espandersi all'infinito. L'indicazione fornita dalle attuali osservazioni, come abbiamo già segnalato, è che non vi è abbastanza materia per frenare l'espansione dell'universo. Il prossimo Hubble, quello della seconda generazione, ci aiuterà a capire di più.

III. Orizzonti in espansione: l’interrogativo sulla presenza della vita nell’universo

Fra le osservazioni astronomiche che hanno destato l’attenzione dei ricercatori e l’interesse del pubblico vi è la scoperta di pianeti in orbita intorno ad altre stelle. Si tratta di corpi piuttosto diversi dalla nostra Terra, mediamente più massicci e a distanze dalla stella centrale maggiori di quelle che separano la Terra dal Sole. L’interesse sta però nel fatto di avere ora una prova che la presenza in orbita attorno a stelle di pianeti, formatisi assai probabilmente nella stessa epoca di condensazione della massa stellare, può considerarsi un fenomeno non del tutto eccezionale nell’universo, anzi, da un certo punto di vista, del tutto normale. Trattandosi di corpi oscuri (al contrario delle stelle, i pianeti non producono energia luminosa propria), essi vengono oggi rilevati mediante metodi gravitazionali indiretti oppure potranno esserlo in futuro con delicate osservazioni nell’infrarosso.

I “sistemi stellari” individuati sono finora circa una quarantina, un numero ancora insufficiente per stilare statistiche attendibili. Non conosciamo ancora il numero dei loro pianeti, se hanno caratteristiche simili a quelle della nostra Terra, quanti di essi hanno la massa e la distanza “giuste” (cioè adatte a poter ospitare qualche forma di vita), quanti hanno un’atmosfera. Anche se questi elementi restano per noi sconosciuti, è possibile considerarli mediante un approccio statistico, a partire dal numero totale di galassie e di stelle presenti nell’universo, sebbene con tutte le limitazioni legate al tipo di analisi. Nell’universo ci sono circa 100 miliardi di galassie. In media contengono almeno 100 miliardi di stelle ciascuna: 100 miliardi di galassie e 100 miliardi di stelle per ogni galassia. Come abbiamo segnalato, è plausibile che nei processi di formazione delle stelle si formino anche i pianeti, ma non sappiamo né in che quantità, né come. Il processo di formazione delle stelle inizia da una nube di gas che, attratta dalla propria forza di gravità, comincia a cadere con movimento a spirale verso un centro comune. Quando la densità e la temperatura al centro della nube in condensazione sono abbastanza alte, si innescano le reazioni nucleari che trasformano l’idrogeno in elio: l’oggetto comincia ad emettere energia luminosa e si avvia a diventare una stella. Poiché la materia del gas che si condensa sotto la sua stessa forza di gravità tende a cadere preferenzialmente formando dapprima una superficie piana, più precisamente un disco in rotazione, l’energia che comincia a prodursi nelle reazioni nucleari fuoriesce più facilmente lungo le direzioni perpendicolari al disco stesso. La formazione di questo disco è molto importante perché è lì che si formeranno i pianeti, se giungeranno a formarsi.

Questa teoria può essere verificata con il telescopio spaziale Hubble, ed in parte lo è già stata. Ad esempio, è stato visto che il 50% delle stelle nella nebulosa di Orione, una nebulosa con migliaia di stelle blu in formazione, presenta questo tipo di dischi proto-planetari ed ammette quindi la possibilità che, attorno ad esse, possano successivamente formarsi dei pianeti. A motivo della estrema lentezza di questi processi, il fatto che attorno a stelle in questo momento in formazione, giungano poi a formarsi in questa determinata nebulosa anche dei pianeti, potremo verificarlo fra milioni di anni. Al momento attuale non possediamo alcuna “immagine” di altri pianeti in un sistema stellare esterno, ma solo misure indirette della loro presenza e delle loro possibili dimensioni. Queste deboli indicazioni sono tuttavia una prima basilare condizione perché si possa pensare a luoghi ove la vita, in luoghi dell’universo diversi dalla Terra, possa originarsi e svilupparsi. Partendo dal numero totale di galassie e di stelle che compongono il cosmo osservabile e dalla relativa frequenza della formazione di pianeti da dischi proto-stellari, anche se ci ponessimo nell’ipotesi assai pessimistica che solo una stella su un milione abbia attorno a sé qualche corpo con le caratteristiche giuste per potervi ospitare la vita, i numeri in gioco restano davvero enormi. Ciò porta ad avvalorare la convinzione che nell’universo esista la vita, che la vita, cioè, sia un fenomeno non limitato al pianeta Terra.

Come possiamo pensare all’origine della vita sul nostro pianeta? Possono essere fatte diverse ipotesi, ma astronomi e biologi, principali esperti in materia, non sanno ancora con certezza né come, né dove, essa abbia avuto inizio. Forse nel ghiaccio delle comete, dove esisterebbero tutti i materiali chimici che, di per sé, pur non essendo parte di un organismo vivente, concorrono alla formazione delle molecole necessarie a produrre le prime forme di vita. Potrebbe, però, aver avuto origine anche in ambienti molto caldi; sappiamo ad esempio che esiste vita in zone assai profonde del mare, vicino alle sorgenti termiche di vulcani sottomarini. In linea generale, è nell’acqua che si pensa possa essersi originata, perché questa possiede tutti gli elementi chimici necessari. In definitiva, sappiamo che per formare la vita è necessario un universo, una galassia, una stella, un pianeta con la giusta chimica e con la giusta atmosfera, che ne consenta poi un successivo stabile sviluppo: quello che non sappiamo è quante altre volte tali condizioni si siano riprodotte nel nostro universo. Non conoscendo in dettaglio quali siano i processi che determinano il sorgere della vita su un determinato pianeta (BIOLOGIA, V), le precedenti condizioni vanno dunque tutte considerate come condizioni necessarie, ma non sufficienti.

Se vogliamo invece pensare a dei nostri possibili “interlocutori”, va tenuto presente che non sappiamo se, laddove la vita si fosse eventualmente originata, questa abbia avuto il tempo sufficiente per evolvere verso forme superiori, forme di vita intelligente come la nostra. Una simile conclusione è ancora molto al di là delle nostre possibilità osservative, ed in buona parte anche teoriche: non abbiamo assolutamente alcun numero, né alcuna prova, che un’altra forma di vita intelligente esista o meno, possiamo solo speculare e fare ipotesi. La “storia” dell’universo ha avuto una durata di circa 15 miliardi di anni: i primi 8-9 miliardi di anni sono stati necessari per formare le galassie; solo 5 miliardi di anni fa si è formato il Sole; 4 miliardi e mezzo di anni fa la Terra e da solo 4 miliardi di anni è iniziata la vita. Negli ultimi 200-800 milioni di anni sono apparsi e sono vissuti i dinosauri, scomparsi poi circa 60 milioni di anni fa; le forme di Primati che hanno poi condotto fino all’homo sapiens sono comparse in tempi relativamente recenti, soltanto negli ultimi milioni di anni. Se per i pianeti attorno ad altre stelle accade qualcosa di analogo, vuol dire che è relativamente poco probabile trovare altri esseri evoluti, ma non è improbabile trovare vita a livelli più elementari.

Dunque, anche l’astrofisica, con l’importante contributo del telescopio, pone la domanda sulla presenza nell’universo di altre forme di vita. Alla luce delle precedenti riflessioni, non pare incauto dare a questa domanda risposta affermativa. Questione più difficile e complessa, che forse saremo in grado però di risolvere in un prossimo futuro, è quella di stabilire poi se, da qualche parte nel cosmo, ci sia vita intelligente, anche se possiamo già oggi affermare che ciò è possibile. Si tratta comunque di una domanda che non appartiene soltanto alla fisica, all’astrofisica o alla biologia, ma contiene anche dei riflessi dal punto di vista filosofico e della fede religiosa.

IV. L’osservazione del cosmo come fonte di stupore

Alla fine del XX secolo siamo giunti ad una tappa molto importante nella nostra comprensione dell’universo, del quale possiamo ora intravedere la struttura su grande scala. È stato questo il risultato del lavoro di centinaia di astronomi, fisici ed ingegneri che, costruendo ed usando telescopi con diverse tecnologie, ci permettono di raccogliere e di studiare la luce che proviene dai punti più remoti del cosmo. Ma la struttura che l’universo ci presenta non corrisponde sempre a ciò che ci aspettiamo, ed è appunto questo che affascina sia gli scienziati che le persone meno esperte. I progressi nel campo dell’astronomia conducono a porci delle domande alle quali noi astrofisici, spesso, non abbiamo risposta.

Può essere ricordata in proposito una nota frase di Albert Einstein che ci sembra sintetizzare lo spirito di ricerca che guida ogni scienziato che osserva il cosmo: «Voglio sapere come Dio ha creato questo universo: non sono interessato a questo o a quell'altro fenomeno fisico, voglio conoscere il suo pensiero. Il resto sono dettagli». Ma per giungere a questa profonda conoscenza, che rappresenta per il ricercatore, evidentemente, solo uno stimolo ideale, rispettare i dati è il punto di partenza: non si può non rispettarli perché essi sono parte di quella realtà che si vuole conoscere, sono quello che serve. Per verificare le nostre teorie, la nostra idea della verità o della realtà, occorrono i dati raccolti con pazienti osservazioni: la nostra visione del cosmo cambia nel tempo e lungo gli anni a misura di quanto i nuovi dati osservativi ci costringeranno a rivedere le nostre intuizioni. Le osservazioni sono necessarie per confrontare quelle verità (con la «v minuscola») che riteniamo acquisite dalla nostra mente con la realtà che ci sta attorno, consentendoci così, nel tempo, una comprensione sempre più estesa, ma anche sempre più complessa del cosmo. Ignorare o sottovalutare i dati è il peggior errore che possa fare un ricercatore, perché ciò equivarrebbe ad ignorare la realtà e, in un certo senso, a “volersi mettere al posto di Dio”, anziché “conoscere il pensiero di Dio”, cercando di costruirsi un “proprio” universo, un proprio mondo diverso da quello che esiste in realtà. Dio ha creato la realtà così com’è, e noi possiamo solo osservarla e interpretarla, non possiamo pensare di fare noi la nostra realtà, allontanandoci da quella che abbiamo. Osservare è un’esperienza molto arricchente, ma anche molto lunga e faticosa: per questo ogni nuova tessera che si aggiunge al mosaico va apprezzata in tutto il suo valore.

Chi perde il senso di meraviglia e di stupore rispetto a quello che sta osservando smette, in realtà, di essere un ricercatore: per la ricerca scientifica, lo stupore non è infatti solo la molla iniziale che fa partire una ricerca, ma anche la condizione permanente, rinnovata giorno dopo giorno, di ogni autentica conoscenza. Chi non si stupisce più ha già un’idea di cosa “debba essere” la realtà e, magari, sta cercando di “soffocare” la realtà piuttosto che trovare nuove idee, nuovi concetti. Nel nostro lavoro, quando osserviamo l’universo, non cessiamo mai di stupirci, né di quello che vediamo, né di quello che osserviamo, né di quello che pensiamo.

Si comprende bene anche un’altra riflessione di Einstein, quella che il seme della vera scienza, così come dell’arte, è il senso del mistero. Chi fa ricerca ha infatti, come punto di partenza, il mistero. Quello che cerchiamo di fare è in fondo di chiarire il mistero, cercando di capire come funzionano le cose: come il DNA si moltiplica o si divide, perché le stelle hanno quelle caratteristiche che osserviamo e non altre, soprattutto capire l’architettura e la struttura globale di tutto l’universo, in tutti i suoi dettagli, non soltanto dal punto di vista della formazione ed evoluzione delle galassie e delle stelle, ma anche riguardo tutto ciò che contiene. Il mistero è il nostro punto di partenza: nel nostro lavoro cerchiamo di fare qualche passo avanti per capirlo meglio e poterlo poi spiegare agli altri. Ma il “mistero” più interessante non è forse ancora questo, bensì il fatto che noi, come esseri umani, cerchiamo il “perché” delle cose, e lo cerchiamo non solo attraverso le osservazioni scientifiche, ma anche interagendo con altre forme di sapere diverse da quelle con le quali abbiamo a che fare nel nostro mestiere quotidiano, cioè attraverso il nostro rapporto con la religione, con la fede, attraverso la nostra ricerca di Dio. Quello che cerchiamo in definitiva è solo questo: perché Dio ci ha fatto così come ci ha fatti, perché ha fatto questo universo, fino a quei dettagli che sono le galassie e le stelle, fino a quei “dettagli” che siamo noi.

La ricerca scientifica è basata sulla nostra curiosità di individui che si chiedono: chi siamo? da dove veniamo? chi ci ha creato? chi ha creato la nostra Terra? chi ha creato tutto ciò che ci circonda? chi ha creato le stelle e chi ha creato l'Universo? E non solo Chi l'ha creato, ma come è stato creato? cosa accadrà a quanto è stato creato lungo la sua evoluzione? Il grande interesse di queste domande deriva dal fatto che possiamo cercarvi delle risposte, sia come uomini, sul piano religioso e filosofico, sia come astrofisici, sul piano scientifico. Una prima risposta ci viene dal primo versetto della Sacra Scrittura: «In principio Dio creò il cielo e la terra. Ora la terra era informe e deserta e le tenebre ricoprivano l'abisso e lo spirito di Dio aleggiava sulle acque. Dio disse: “Sia la luce!”. E la luce fu. Dio vide che la luce era cosa buona e separò la luce dalle tenebre e chiamò la luce giorno e le tenebre notte. E fu sera, e fu mattina: primo giorno» (Gen 1,1-5). Una narrazione che, come sappiamo, continua per altri sei giorni. I termini impiegati posseggono però dei significati allegorici. Sant’Agostino, ad esempio, spiega che il giorno e la notte sono collegati con l’intelligibilità che si può avere delle cose create. Nei suoi commenti al Libro della Genesi, egli suscita temi che sono in stretto rapporto l’uno con l’altro e non possono essere separati: il tempo, la memoria, la dinamica interna del nostro essere, l’onnipotenza di Dio, l’azione di Dio sulla nostra anima, prima come creazione continua e poi come rigenerazione attraverso la grazia. Questo contesto, che esula dal campo scientifico, ci permette di cominciare a rispondere alle nostre domande.

La ricerca di tali risposte conduce fino al problema delle origini. Gli scienziati cercano di trovare delle risposte nell’ambito della cosmologia e noi tutti, come uomini, le cerchiamo invece, di natura più trascendente, negli ambiti della metafisica e della filosofia. Nella cosmologia contemporanea il modo in cui l’universo si forma ed evolve è determinato dalle leggi della fisica, abbastanza note, ed anche dai valori delle costanti fondamentali, come la velocità della luce o la costante di Planck, nonché dai valori dei parametri presenti al momento della sua formazione. Uno dei problemi più importanti è l’esserci resi conto che per poter avere l’universo in cui viviamo, le condizioni iniziali, la forma delle leggi fisiche e il valore delle costanti fondamentali debbono avere tutti dei valori in perfetta sintonia tra di loro. Se queste costanti avessero valori anche lievemente diversi, il nostro universo potrebbe essere oggi costituito da uno spazio completamente vuoto, nel quale nessun aggregato di materia sarebbe più grande di una particella elementare, oppure l’intero universo potrebbe essere un oggetto non più grande di un pallone da calcio, con densità e temperature ancora talmente enormi da superare la densità di un nucleo atomico. In entrambi i casi, in questi ipotetici universi sarebbe ovviamente esclusa qualsiasi possibilità di vita. Queste considerazioni hanno portato a postulare il cosiddetto Principio Antropico nelle sue diverse formulazioni. Quella chiamata “debole” sostiene che, se l’universo fosse stato diverso da come è, non si sarebbe sviluppata vita intelligente, e quindi nessuno avrebbe mai potuto accorgersi della sua esistenza. Del Principio Antropico “forte” si hanno diverse formulazioni che possono essere così riassunte: «l’universo ha le proprietà che conosciamo perché deve consentire di viverci»; «lo scopo dell’universo è quello di far evolvere degli osservatori»; oppure «la nostra presenza è indispensabile affinché l’universo esista». La cosmologia moderna ha cercato di dare una serie di risposte a questi interrogativi, ma senza mai riuscire a risolvere il problema fondamentale: come e perché è stato deciso che “questo” universo in particolare debba esistere con le giuste condizioni per permettere la vita? Chi ha fissato i parametri perché questo possa accadere?

Più ci avviciniamo al momento della formazione dell’universo, o addirittura a cosa poteva esserci “prima”, più le nostre conclusioni dipendono dalle nostre posizioni filosofiche. Lontane dal convergere su una posizione scientifica predominante, quando discutiamo di queste primissime fasi, le teorie producono una molteplicità di opzioni e di scelte diverse. Più fondamentali sono i temi che queste scelte coinvolgono, più esse diventano problematiche dal punto di vista della loro coerenza logico-scientifica. Per esaminare e discutere questi problemi in futuro, non solo dobbiamo proseguire la strada della ricerca fisica e matematica, ma dobbiamo anche fare più attenzione a quali basi filosofiche sostengano le diverse teorie, in particolare esplorare e definire quali siano i criteri corretti che ci permettono di sceglierne in modo obiettivo una piuttosto che un’altra. Ma, all’interno delle possibili scelte, la risposta contenuta nella narrazione dei sei giorni della Genesi continua ad avere la sua validità se pensiamo ai rapporti con Dio che essa rivela, rapporti che la nostra sempre più accurata conoscenza del cosmo non muta, ma forse, piuttosto, arricchisce.

 

Bibliografia: 

F.D. MACCHETTO, R.J. LAURANCE, The faint object camera, European Space Agency, Paris 1977; P. MORRISON, P. MORRISON, Potenze di dieci, Zanichelli, Bologna 1986; N.S. HETHERINGTON, Hubble’s Cosmology, “American Scientist” 78 (1990), pp. 142-151; P.C.W. DAVIES (a cura di), La nuova fisica, Bollati Boringhieri, Torino 1992; B.A. SMITH, New Eyes on the Universe, “National Geographic” 185 (1994), n. 1, pp. 2-41; P.C.W. DAVIES, Siamo soli? Implicazioni filosofiche della scoperta della vita extraterrestre, Laterza, Roma-Bari 1994; G. SMOOT, Nelle pieghe del tempo. La scoperta dell'universo neonato, Mondadori, Milano 1994; C.C. PETERSEN, G.C. BRANDT, Hubble vision. Astronomy with the Hubble Space Telescope, Cambridge Univ. Press, Cambridge (MA) 1995; G. VANIN, Atlante fotografico dell’universo, Mondadori, Milano 1995; P. BENVENUTI, F.D. MACCHETTO, E.J. SCHREIER (a cura di), Science with the Hubble Space Telescope, Space Telescope Science Institute, Baltimore 1996; G.V. COYNE, G. GIORELLO, E. SINDONI (a cura di), La favola dell'universo, Piemme, Casale Monferrato 1997; J. GRIBBIN, Enciclopedia Garzanti dell’astronomia e della cosmologia, Garzanti, Milano 1998; F.D. MACCHETTO, M. DICKINSON, Le prime galassie dell’universo, “Le Galassie - I Quaderni di Le Scienze” (1998), n. 105; K. SAWYER, L’ultima frontiera: Universo, “National Geographic Italia” 4 (1999), n. 4, pp. 8-41; L.R. DOYLE ET AL., In cerca dell’ombra di altre Terre, “Le Scienze” 33 (2000), n. 387, p. 38-46.