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Il dibattito che cambiò la nostra concezione dell’Universo

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Oggi diamo per scontato che nell’Universo ci siano miliardi di galassie (secondo la stima più recente 2000 miliardi) e che la galassia in cui ci troviamo, la Via Lattea, non abbia nulla di speciale nell’immensità straordinaria del cosmo. Ma quello che nel 2020 ci può sembrare quasi banale è il risultato di un cammino lungo e difficile, percorso da tanti scienziati che, grazie allo studio e alla ricerca, a volte anche sbagliando, si sono spinti ai limiti della conoscenza del loro tempo. Esattamente 100 anni fa, il 26 aprile, due astronomi, dalla storia e dalla personalità molto differenti, si affrontarono in un dibattito, che sarebbe passato alla storia come ‘Il Grande Dibattito’: nell’austera cornice dello Smithsonian Museum of National History di Washington, Harlow Shapley, dell’Osservatorio di Mount Wilson e Heber Doust Curtis, dell’Osservatorio di Lick, discussero sul tema intitolato “La Scala dell’Universo”. Quanto era grande la Via Lattea? Quanto erano distanti le cosiddette ‘nebulose a spirale’?

Ciascuno parlò per circa quaranta minuti, portando a sostegno della propria tesi gli studi svolti fino a quel momento: Shapley sosteneva che la Via Lattea misurasse circa 300mila anni luce e che il Sistema Solare non si trovasse al centro della galassia ma in una posizione periferica; tuttavia, per Shapley la Via Lattea era essa stessa l’Universo e non c’era nulla al di fuori. Curtis era invece convinto che le nebulose a spirale che venivano osservate fossero altri universi-isola, cioè altre galassie come la nostra. Tuttavia, riteneva che il Sole costituisse il centro della Via Lattea, che, secondo lui, era estesa circa 30mila anni luce.

Come vedete, i due contendenti avevano ragione su alcuni aspetti e torto su altri e, sul momento, non uscì dalla discussione un vero vincitore. Anzi, probabilmente chi assistette a questo dibattito non si rese conto di essere di fronte a un momento fondamentale nel divenire degli eventi che in brevissimo tempo avrebbero cambiato la nostra visione dell’Universo. Dopo solo tre anni, le scoperte di Edwin Hubble avrebbero confermato la tesi di Curtis sulla natura extra-galattica delle nebulose a spirale e dato inizio alla concezione odierna delle galassie.

I modelli della Via Lattea secondo Shapley (in alto), Curtis (al centro) e secondo le conoscenze attuali (in basso). Crediti: Coelum Astronomia.
A sinistra Harlow Shapley (1885 – 1972) e a destra Heber Doust Curtis (1872 – 1942), i due protagonisti del Grande Dibattito.

Quali argomentazioni utilizzarono Shapley e Curtis per sostenere le loro diverse visioni dell’Universo? Purtroppo, non esistono trascrizioni dei loro interventi. Tuttavia, dopo più di un anno, vennero pubblicati sul bollettino del Consiglio Nazionale per la Ricerca due articoli che trattavano gli stessi temi della discussione, sebbene in forma notevolmente più estesa.

Di sicuro sappiamo che Shapley parlò per primo: innanzitutto sottolineò come, grazie allo sviluppo delle conoscenze, l’umanità avesse capito di non avere un ruolo privilegiato nell’Universo e fosse pronta a compiere un nuovo balzo che avrebbe ampliato le dimensioni di quest’ultimo.

Abbiamo detto che per Shapley la Galassia aveva una dimensione di 300 mila anni luce. Ma perché la Via Lattea doveva essere così grande? L’astronomo basava la sua tesi sullo studio degli ammassi globulari, dei quali aveva misurato la distanza al fine di stabilire le dimensioni della Via Lattea. Il ‘metro’ da lui utilizzato erano le Cefeidi, stelle variabili il cui periodo è legato alla loro magnitudine assoluta. La relazione tra il periodo di variazione e la luminosità delle Cefeidi era stata scoperta nel 1906 da Henrietta Swan Leavitt e permetteva di usare queste stelle come candele standard, cioè come veri e propri ‘righelli’ cosmici. Sebbene l’idea fosse corretta (d’altra parte non era il primo a fare questo tipo di misure), i risultati erano viziati da alcuni fattori, come la mancata conoscenza dell’assorbimento interstellare. Quando gli ammassi non contenevano Cefeidi, Shapley usava un metodo alternativo basato sulle giganti blu (classe spettrale B). Anche queste stelle infatti costituivano per Shapley un valido ‘metro’, in quanto nel diagramma di Hertzsprung-Russel avevano luminosità simili. Tuttavia, l’astronomo di Mt. Wilson non sapeva che in realtà le stelle blu degli ammassi globulari non sono stelle di sequenza principale, ma più deboli stelle dello stesso colore ma di piccola massa che hanno iniziato a bruciare Elio e si sono spostate in quello che gli astrofisici chiamano “Ramo Orizzontale”. L’errore sovrastimava quindi la luminosità di queste stelle, confermando le misure (anch’esse sovrastimate) fatte con le Cefeidi.

Con una Via Lattea così grande non c’era spazio per altre galassie e quindi le nebulose a forma di spirale che venivano osservate non potevano essere esterne alla Galassia. L’Universo coincideva con la Via Lattea.

Henrietta Swan Leavitt (1968 – 1921), l’astronoma che scoprì la relazione periodo – luminosità per le variabili Cefeidi.

Un’altra argomentazione che Shapley portava a sostegno della natura non galattica delle nebulose a spirale era legata agli studi dell’astronomo olandese Adriaan Van Maanen, suo collega a Mt. Wilson. Maanen aveva misurato il periodo di rotazione di alcune di queste spirali: il risultato ottenuto indicava dei periodi molto brevi che erano incompatibili con un oggetto delle dimensioni di una galassia. Se nebulose come M51 o M33 fossero state davvero grandi quanto la Via Lattea, la loro velocità di rotazione sarebbe stata maggiore di quella della luce! Dunque, doveva trattarsi di oggetti molto piccoli, composti da gas e non da stelle e soprattutto situati all’interno della Via Lattea. Una deduzione logica da parte di Shapley ma basata su misure, quelle di Maanen, che si sarebbero rivelate completamente sbagliate.

Infine, oggetti come Andromeda non potevano essere galassie, anche perché alcune stelle osservate al loro interno avrebbero avuto una luminosità elevatissima e incompatibile con quella delle novae galattiche. Bisogna dire che allora non si conosceva ancora la distinzione tra novae e supernovae. Curtis, l’altro protagonista del dibattito, aveva intuito che esistevano due classi di novae, una più brillante e una più debole. E aveva azzeccato nella sua ipotesi, anche se ci sarebbero voluti ancora diversi anni prima che Baade e Zwicky coniassero il termine di “supernova”.

Harlow Shapley insieme ad Albert Einstein. Crediti: Science Source

Tornando a Shapley, egli aveva compreso, studiando la distribuzione degli ammassi globulari, che il centro della Galassia era situato in direzione della costellazione del Sagittario e aveva concluso che il Sistema Solare si doveva trovare nella periferia della Via Lattea piuttosto che nelle zone centrali, a 55mila anni luce dal nucleo.

E come rispose Curtis? Prima di tutto, cercò di confutare i metodi impiegati dal suo ‘rivale’ per calcolare le distanze, metodi spesso basati su supposizioni effettivamente spericolate (come quella sull’omogeneità delle magnitudini delle giganti blu all’interno degli ammassi). Anche i dati di Maanen non erano attendibili, dato che avevano un’approssimazione dello stesso ordine degli errori strumentali.

Poi, espose la sua visione della Via Lattea, che era molto più piccola (con un diametro di 30mila anni luce) e aveva il Sole in una posizione piuttosto centrale. Una dimensione decisamente sottostimata in quanto basata sulla misura della densità stellare della Via Lattea: misurare la densità delle stelle lungo il piano galattico in modo corretto era impossibile se non si considerava l’estinzione da polveri.

Inoltre, se alcune supposizioni di Shapley erano state errate, anche Curtis aveva preso un abbaglio paragonando la magnitudine media delle stelle rosse a quella delle stelle d’ammasso, che invece appartengono al Ramo delle Giganti.

Heber Curtis vicino al riflettore Crossley del Lick Observatory. Crediti: Coelum Astronomia

Egli, però, aveva ragione quando sosteneva che le nebulose a spirale costituissero altri ‘universi-isola’, cioè altre galassie situate al di fuori della Via Lattea.

A sostegno della natura galattica delle nebulose a spirale, Curtis portò varie argomentazioni: intanto, c’era una zona di cielo in cui questi oggetti non venivano osservati, circostanza che l’astronomo spiegava attribuendo alla polvere interstellare presente sul piano della Via Lattea l’oscuramento di queste nebulose, che di conseguenza dovevano trovarsi al di là della Galassia.

Inoltre, gli spettri delle nebulose a spirale presentavano le caratteristiche delle stelle della Via Lattea ed erano completamente diversi dagli spettri delle nebulose. Questo faceva intuire a Curtis che tali nebulose dovevano essere costituite da stelle non risolte ed erano quindi ‘universi-isola’ analoghi alla nostra galassia.
C’era anche un’altra motivazione che Curtis adduceva a favore della natura extra-galattica delle nebulose a spirale, ovvero le velocità radiali di questi oggetti, che risultavano molto più elevate di quelle delle stelle facenti parte della Via Lattea.

Una ripresa amatoriale della Galassia di Andromeda M 31, ad opera di Corrado Gamberoni Crediti: PhotoCoelum

Queste, in sintesi, sono state le argomentazioni esposte dai due contendenti. Come vedete, anche guardando il dibattito alla luce delle conoscenze odierne, non c’è stato un vero e proprio vincitore. Certo Curtis aveva ragione, ma solo in parte; e il contributo di Shapley è stato altrettanto significativo.

Oggi i ‘dibattiti’ sono rivolti ad altre tematiche, che risultano però controverse quanto quelle di allora, come la misurazione della costante di Hubble o la reale natura dell’energia oscura. La domanda che titolava il comunicato stampa del Grande Dibattito era: “Quanti universi esistono”? Una domanda ancora attuale in un mondo in cui tra le varie ipotesi cosmologiche c’è anche quella del multiverso, ossia dell’esistenza di miliardi di universi paralleli. Se Shapley sosteneva che fosse arrivato il momento di fare un balzo in avanti, anche noi abbiamo da fare ancora tanti grandi balzi nella conoscenza del cosmo.

di Luciana Ziino