Cosmologia

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Introduzione

Cosmologia Scienza che studia l’evoluzione e la struttura dell’universo. In particolare, lo studio dell’origine dell’universo e dei sistemi astronomici, come il sistema solare, è detto cosmogonia.

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Prime teorie cosmologiche

Le prime teorie cosmologiche di cui si abbia conoscenza, sviluppate probabilmente intorno al 4000 a.C. presso i popoli della Mesopotamia, erano formulate sulla base di dati empirici raccolti durante semplici osservazioni del cielo. Si fondavano sull’assunzione che la Terra fosse ferma al centro dell’universo, e che tutti i corpi celesti si muovessero lungo orbite stabili intorno a essa. La medesima concezione ricevette il consenso del filosofo Aristotele e dell’astronomo Tolomeo, entrambi sostenitori dell’ipotesi di un universo finito, sostanzialmente statico.

Soprattutto a causa del prestigio di Aristotele, l’ipotesi che la Terra costituisse il centro dell’universo rimase praticamente immutata fino al 1543, quando l’astronomo polacco Niccolò Copernico pubblicò il De revolutionibus orbium coelestium (La rivoluzione delle sfere celesti). Egli propose un nuovo modello planetario che vedeva i pianeti muoversi su orbite circolari intorno al Sole (secondo la teoria, situato al centro dell’universo), riconoscendo così che il moto delle stelle fosse dovuto in realtà alla rotazione della Terra intorno al proprio asse.

Il passo successivo venne compiuto dall’astronomo tedesco Giovanni Keplero il quale, convinto sostenitore del sistema copernicano, enunciò le tre leggi che regolano il moto dei pianeti. L’ipotesi copernicana trovò poi in Galileo uno dei più illustri sostenitori. Il matematico e fisico britannico Isaac Newton dedusse le leggi di Keplero dai principi generali del moto e dalla teoria della gravitazione universale, dimostrando la validità generale di queste teorie.

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Il problema delle distanze

Perché la cosmologia potesse basarsi su considerazioni quantitative, e quindi divenire una scienza esatta, fu necessario attendere che gli astronomi fossero in grado di determinare la distanza dei corpi celesti. Una prima misura della distanza delle stelle venne eseguita all’inizio del XIX secolo dall’astronomo tedesco Friedrich Wilhelm Bessel. Egli valutò che la distanza della stella 61 Cygni fosse pari a 600.000 volte la distanza della Terra dal Sole.

Nel 1917 l’astronomo statunitense Harlow Shapley fornì le prime indicazioni sulle dimensioni della nostra galassia, la Via Lattea, attribuendole un diametro di circa 350.000 anni luce. Egli, tuttavia, trascurò l’assorbimento della luce proveniente dalle stelle distanti da parte delle particelle di polvere galattica. Questo fenomeno riduce la luminosità apparente degli oggetti più lontani, facendoli sembrare più distanti di quanto non siano realmente. Shapley ottenne così una sovrastima delle effettive dimensioni della Via Lattea. Attualmente, per il diametro della parte visibile della galassia si assume il valore di 30.000 parsec (circa 100.000 anni luce).

L’astronomo danese Jan Hendrik Oort scoprì che il Sole impiega circa 250 milioni di anni per compiere un’orbita completa intorno al centro della Via Lattea, e da questo risultato dedusse, in base alla terza legge di Keplero, che la massa della nostra galassia è pari a circa 100 miliardi di masse solari.

Fino all’inizio del XX secolo la natura dei corpi celesti noti come nebulose a spirale e nebulose ellittiche non era definita con certezza: la comunità scientifica era divisa fra coloro che li consideravano oggetti appartenenti alla nostra galassia e coloro che invece li credevano extragalattici.

Nel 1924 l’astronomo statunitense Edwin Hubble riuscì a osservare, all’interno di tali nebulose, alcune stelle variabili di tipo cefeide, per le quali il periodo di variazione della luminosità è legato alla luminosità intrinseca massima. Confrontando la luminosità apparente delle cefeidi con la luminosità intrinseca (o assoluta) delle stesse stelle calcolata grazie alla relazione periodo-luminosità, Hubble dimostrò che le nebulose osservate, ben al di fuori della Via Lattea, sono in realtà galassie vere e proprie, ciascuna contenente centinaia di miliardi di stelle. In base ai suoi calcoli, la galassia di Andromeda risultava situata a 900.000 anni luce di distanza dalla Terra, valore che venne successivamente corretto a 2,2 milioni di anni luce, grazie a osservazioni e ricerche più precise sulle variabili cefeidi.

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La legge di Hubble

Nel 1912 l’astronomo statunitense Vesto M. Slipher osservò che le righe degli spettri di emissione della maggior parte delle galassie presentavano un caratteristico spostamento verso lunghezze d’onda maggiori. Questo fenomeno, interpretato sulla base dell’effetto Doppler, dimostrava che la maggior parte delle galassie si sta allontanando dalla nostra.

Nel 1929, confrontando le distanze di alcune galassie (determinate in base al metodo delle variabili cefeidi), con gli spostamenti verso il rosso osservati da Slipher, Hubble scoprì che la velocità di recessione delle galassie è direttamente proporzionale alla loro distanza. Questo risultato, noto come legge di Hubble, è uno dei più importanti principi della cosmologia. La determinazione del rapporto tra la velocità di recessione e la distanza di una galassia, detto costante di Hubble, costituisce tuttora un problema aperto.

La più recente campagna di misura, effettuata per mezzo del telescopio spaziale Hubble e conclusa nel 2001, ha prodotto un risultato di 72 km/s per Mpc (1 megaparsec equivale a 1 milione di parsec). Prima di questa misura, le stime erano affette da un’incertezza elevatissima a causa della difficoltà di valutazione delle distanze per i corpi celesti, e attribuivano alla costante un valore compreso tra 50 e 100 km/s per Mpc. Il nuovo risultato si colloca in modo promettente al centro dell’intervallo di incertezza delle precedenti misure e appare coerente con le previsioni teoriche.

Il fatto che tutte le galassie si stiano allontanando dalla Via Lattea potrebbe erroneamente suggerire che quest’ultima sia posta al centro dell’universo. Ciò che avviene in realtà può essere descritto con un modello estremamente semplice, costituito da un palloncino gonfiabile sul quale siano disegnate delle macchie equidistanti l’una dall’altra; mentre il palloncino viene gonfiato, un ipotetico osservatore posto su una qualsiasi delle macchie vedrebbe allontanarsi tutte quelle circostanti, esattamente come si verifica per le galassie dell’universo. In altre parole, le osservazioni di Hubble dimostrarono che l’universo non è statico come si era pensato fino allora, ma in continua espansione.

Rimane da determinare il ritmo a cui avviene questa espansione e il destino finale dell’universo, che potrebbe essere destinato a espandersi indefinitamente, a esaurire un giorno il suo moto di espansione per iniziare un processo inverso di contrazione (Big Crunch) o a raggiungere uno stato di equilibrio. Recenti studi sulla luminosità di supernove lontane hanno riportato in auge l’ipotesi di una costante cosmologica non nulla e quindi di un universo piatto. Le ricerche nel campo della cosmologia, dunque, sono oggi indirizzate verso la conferma di questa ipotesi – avanzata per la prima volta da Albert Einstein e a lungo ritenuta inconsistente – la determinazione del valore della costante e del suo senso fisico.