La regione di M22 centrata sulla posizione della presunta microlente gravitazionale che nel 1999 amplificò la luce di una stella del nucleo galattico per 17,6 giorni. Credit: STScI (Hubble Legacy Archive)

L’istruttiva storia dei pianeti che non erano pianeti ma raggi cosmici

Un articolo sulla straordinaria capacità degli astronomi di produrre congetture elaboratissime sulla base di dati osservativi minimi, ma anche di scoprire e ammettere, se necessario, i propri errori. Con alcune considerazioni finali sul progresso scientifico e i limiti della nostra intuizione


Galassie e ammassi di galassie hanno fornito negli ultimi anni, grazie alle immagini catturate da Hubble, dimostrazioni spettacolari della capacità della gravità di piegare il percorso della luce, secondo quanto aveva previsto un secolo fa la relatività generale di Einstein. È un fenomeno noto come lente gravitazionale: se una galassia o un ammasso di galassie sufficientemente massicci si frappongono sul cammino della luce che giunge fino a noi da un oggetto distante, la luce proveniente da quell’oggetto è deviata e amplificata in modo da formare immagini multiple, la cui geometria e durata dipendono dalle reciproche posizioni della sorgente (l’oggetto da cui proviene la luce), della lente (l’oggetto massiccio interposto) e dell’osservatore.

Cos’è e come funziona una microlente gravitazionale

Anche una stella o un pianeta sono in grado, con la loro massa, di piegare e amplificare la luce proveniente da un oggetto distante, ma le immagini multiple da essi create sono troppo ravvicinate perché anche il più potente dei telescopi possa separarle. Ciò nonostante, l’amplificazione della luce può essere percepita e utilizzata per determinare le caratteristiche fisiche della sorgente luminosa e della lente. Il fenomeno prende il nome di microlente gravitazionale. Uno dei suoi teorizzatori, l’astronomo polacco Bohdan Paczyński, morto nel 2007, lo descrisse così in un articolo pubblicato su Nature a giugno 2001:

Anche singole stelle e pianeti, benché molto meno massicci delle galassie, possono agire, in linea di principio, come lenti gravitazionali. Tuttavia, la separazione prevista tra le due immagini create da queste lenti è troppo piccola per essere risolta da un qualsiasi telescopio ottico. Nondimeno, in ragione di come la sorgente (una stella distante), la lente (una stella o un pianeta prossimi alla linea di vista) e l’osservatore si muovono le une rispetto agli altri, la geometria della lente cambia. L’intensità delle due immagini cambia di conseguenza e la loro luminosità combinata si modifica secondo uno schema prevedibile. Poiché le due immagini non possono essere viste separatamente, questo fenomeno è chiamato microlente gravitazionale. Simili cambiamenti di luminosità si verificano tipicamente lungo periodi di alcune settimane per lenti di massa stellare e di ore o giorni per lenti della dimensione di pianeti.
Illustrazione del fenomeno di microlente gravitazionale: una massa interposta sul cammino della luce emessa da una stella distante amplifica brevemente la luce della sorgente per un tempo che dipende dalla massa e dal moto dell’oggetto che fa da lente. Credit: Ann Feild (STScI)

La microlente gravitazionale è, in sostanza, uno straordinario strumento per determinare la massa, ma innanzitutto per scoprire l’esistenza, di oggetti troppi piccoli e deboli per essere visti anche con i più potenti telescopi. Uno studio del 2002 di B. Scott Gaudi, un astronomo della Ohio State Unversity, ne descrive il principale vantaggio:

La microlente è un metodo unico per scoprire pianeti. Essa offre il significativo vantaggio che il suo effetto è sensibile unicamente alla massa dell’oggetto che fa da lente e non dipende né dal flusso luminoso del pianeta né da quello della sua stella madre. In tal modo, possono essere rilevati per mezzo di una microlente oggetti compatti distanti, estremamente deboli e persino completamente non luminosi, non importa se liberamente fluttuanti o vincolati ad altri oggetti.

Quali sono gli svantaggi di una microlente e come superarli

I vantaggi, come quasi sempre accade, sono però controbilanciati da svantaggi (quasi) altrettanto grandi. Il primo e più notevole, peraltro ineliminabile, è la completa imprevedibilità di una microlente gravitazionale. Il fenomeno può verificarsi in qualsiasi momento e in qualsiasi luogo dello spazio vi sia una sorgente luminosa distante. L’unico modo per non farsene scappare una è monitorare a ciclo continuo vaste regioni di spazio, affidandosi ai grandi numeri (anche eventi rari prima o poi si verificano, se il campione studiato è abbastanza grande e il tempo di attesa abbastanza lungo).

Un secondo svantaggio è dato dall’irripetibilità del fenomeno. Sorgente, lente e osservatore si muovono in modo tra loro indipendente, sicché, inesorabilmente, il fortuito allineamento che produce la microlente è destinato presto a scomparire, per non ripresentarsi più.

Un terzo svantaggio è dato dalla necessità di conoscere il più esattamente possibile la relazione spaziale tra sorgente, lente e osservatore per poter trarre il massimo vantaggio informativo dall’osservazione del fenomeno. Come ricorda B. Scott Gaudi nello studio citato, ciò che l’astronomo tipicamente può misurare imbattendosi in una microlente è la durata dell’evento, non la massa dell’oggetto che fa da lente:

Il problema principale nell’usare una microlente per scoprire oggetti di massa ridotta è che la massa dell’oggetto che fa da lente di solito non può essere misurata direttamente. Si misura invece la scala temporale t, che è una combinazione degenerata della massa della lente nonché della parallasse relativa lente-sorgente e del loro moto proprio. Ciò rende difficoltoso il rilevamento non ambiguo di oggetti di piccola massa.

Come si può uscire da questa difficoltà? Per esempio, cercando microlenti all’interno di regioni di spazio densamente popolate di stelle, in cui la distanza e il moto proprio degli oggetti in primo piano (quelli che potrebbero fare da lente) e degli oggetti di sfondo, cioè le potenziali sorgenti, siano ben conosciuti.

L’ammasso globulare M22 si presta ottimamente a questo scopo: la sua distanza (circa 10.000 anni luce) è nota con buona precisione, così come il suo moto proprio di 10,9 millesimi di secondo d’arco all’anno. Inoltre, attraverso le stelle di M22 sono visibili sullo sfondo — ben più distanti — le stelle del centro galattico. Poiché anche la distanza di queste stelle (circa 25.000 anni luce) e il loro moto proprio sono noti con buona approssimazione, M22 costituisce un’ottima scelta per la ricerca di microlenti gravitazionali. Puntare un telescopio verso quest’ammasso, in attesa che una sua stella o un suo pianeta si allineino casualmente a una stella del centro galattico e ne amplifichino la luce, significa, in caso di successo, poter ottenere informazioni molto più precise e sicure del solito sugli oggetti coinvolti.

Una rappresentazione artistica che mostra il telescopio spaziale Hubble mentre osserva il centro galattico attraverso M22. Credit: Zolt Levay (STScI)

Una microlente creata da una minuscola nana rossa …

Allettati da questa possibilità, Kailash Chandra Sahu e sei colleghi dello Space Telescope Science Institute decisero di usare M22 come finestra sul nucleo galattico, nell’attesa di imbattersi fortunosamente in qualche microlente gravitazionale.

Per 43 volte, dal 22 febbraio al 15 giugno 1999, Hubble acquisì immagini di tre aree nella regione centrale di M22, con un intervallo tipico di tre giorni. Un’ultima osservazione fu eseguita il 18 febbraio 2000, per cercare segni di variabilità a distanza di tempo nelle stelle monitorate. Durante queste osservazioni furono tenute sotto controllo circa 83.000 stelle del nucleo galattico, distinte da quelle di M22 per mezzo del differente moto proprio. I risultati di questo lavoro furono pubblicati su Nature a giugno del 2001.

La regione di M22 osservata da Hubble nel 1999 durante la ricerca di microlenti gravitazionali. In alto a sinistra una vista totale dell’ammasso, tratta da un’immagine ottenuta da un telescopio terrestre. Il rettangolo in sovraimpressione rappresenta il campo osservato da Hubble: il suo lato è di circa 1,3 arcominuti, che, alla distanza di M22, corrispondono più o meno a 3,8 anni luce. Credit: NOAO/NASA/ESA, K. Sahu (STScI)

Al termine del ciclo di osservazioni, almeno un caso di microlente gravitazionale apparve nei dati con innegabile evidenza. La curva di luce di una stella (o più probabilmente di un sistema binario irrisolto per via della distanza) aveva avuto un’improvvisa impennata della durata di 17,6 giorni, nel corso dei quali vi era stato un aumento della luminosità di oltre 3 magnitudini. Gli autori della ricerca identificarono la sorgente con una stella del nucleo galattico:

… la curva di luce è molto simile a quella di un evento di microlente ideale. La sorgente stellare è chiaramente più rossa delle stelle di sequenza principale della stessa magnitudine appartenenti all’ammasso. Le sue proprietà sono compatibili con quelle di una subgigante F del nucleo galattico.
Una più dettagliata analisi della curva di luce di questa sorgente mostra una modulazione con un periodo di 30 giorni e un’ampiezza di 0,19 magnitudini, che si estende oltre i limiti dell’evento di microlente. Attribuiamo questa modulazione periodica al fatto che la sorgente sia binaria.
La curva di luce dell’evento di microlente gravitazionale registrato da Hubble nel 1999 puntando verso il nucleo galattico attraverso M22. Si notano chiaramente la lieve oscillazione iniziale dovuta alla probabile natura binaria della sorgente e il picco finale di oltre 3 magnitudini che rappresenta il supposto evento di microlente. Credit: Nature 411, 1022–1024 (28 giugno 2001)

Ma cosa aveva fatto da lente in quei 17 giorni e mezzo, aumentando nettamente la luminosità della sorgente? Non era possibile saperlo con certezza, ma con buona probabilità sì:

Poiché è molto maggiore la probabilità che la microlente sia stata creata da una stella dell’ammasso globulare piuttosto che da una stella del nucleo galattico, assumiamo che la lente si trovi all’interno dell’ammasso e perciò consideriamo note anche la sua distanza e la sua cinematica.

Assumendo dunque che il moto e la distanza della lente corrispondessero ai parametri di M22, gli autori della ricerca calcolarono che l’oggetto che aveva fatto da lente doveva essere una minuscola stella dell’ammasso, di 0,13 masse solari con un errore di 3 centesimi di massa solare in più e 2 centesimi in meno.

… O una nova in eruzione?

Ma è proprio sicuro che quell’improvviso picco di luminosità fosse dovuto a una microlente gravitazionale e non a qualche altro fenomeno? A dire il vero, no. Simili variazioni di luminosità possono accadere, per esempio, nelle cosiddette variabili cataclismiche come le novae. In questo caso, non avremmo più una stella (più o meno) vicina che amplifica con la sua gravità la luce di una stella lontana, ma solo un sistema binario con orbita ristretta, formato da una stella di sequenza principale o da una gigante rossa e da una nana bianca, con quest’ultima che va in eruzione per via del gas strappato alla compagna.

Una nova richiede un sistema binario formato da una nana bianca e da una compagna in orbita ravvicinata. La forte gravità della nana bianca strappa gas alla stella compagna, che si riversa come un flusso continuo sul disco di accrescimento che circonda la nana bianca e poi sulla sua superficie. Superate una certa soglia di temperatura e pressione, si innesca una reazione termonucleare incontrollata che brucia rapidamente la instabile riserva esterna di gas della nana bianca. Visto dalla Terra, l’evento, che si può ripetere periodicamente, appare come un improvviso aumento di luminosità dell’oggetto. Credit: NAOJ

Sahu e i suoi collaboratori avevano ovviamente considerato la possibilità che il fenomeno osservato fosse stato originato non da una microlente, ma dall’eruzione di una variabile cataclismica precedentemente ignota. Scartarono però questa possibilità per una serie di ragioni che riguardavano il colore, l’ampiezza della variazione luminosa osservata e la durata complessiva del fenomeno.

Ma uno studio pubblicato nel 2003 su The Astrophysical Journal a firma di Jay Anderson, Adrienne Cool e Ivan King ribaltò completamente l’interpretazione dell’evento. Per i tre astronomi statunitensi si era trattato proprio dell’eruzione di una nova e non di una microlente gravitazionale. I tre avevano recuperato immagini d’archivio con osservazioni di Hubble risalenti al 1994 e al 1995, che mostravano la stessa regione di M22 in cui era apparsa nel 1999 la presunta microlente (o meglio la presunta nova). Ricorrendo a una serie di elaborazioni software, avevano estrapolato dalle immagini il moto proprio dell’oggetto illuminatosi nel 1999. Secondo loro, lo spostamento della stella nel corso di quei sei anni era una prova indubitabile che essa apparteneva proprio a M22 e non al nucleo galattico, come invece avevano supposto Sahu e colleghi.

A ulteriore conferma della loro interpretazione, Anderson Cool e King riportarono un’osservazione del satellite ROSAT, che aveva visto nel 1992 e nel 1993 una sorgente di raggi X nel cuore di M22. I margini di errore dell’osservazione di ROSAT erano compatibili con la posizione della “loro” nova.

Certo, restavano il problema del colore e della durata del fenomeno: le novae hanno un colore che tende spiccatamente al blu, mentre la stella al centro della controversia era palesemente rossa. Inoltre l’aumento e il declino della luminosità in una nova hanno durate tipiche che non corrispondono a quelle osservate in questo caso. Nel tentativo di conciliare i dati con la loro teoria, i tre ipotizzarono che la luce di questa variabile cataclismica fosse dominata dalla compagna, probabilmente già uscita dalla sequenza principale, una stella che doveva essere dunque più grande del normale e con un’orbita dal periodo insolitamente lungo per questo tipo di sistemi, tale da giustificare l’anomala durata del picco di luminosità osservato nel 1999.

Una costruzione piuttosto ad hoc, a dirla tutta. Ma i tre suggerirono correttamente di continuare a monitorare la stella anche con telescopi terrestri, per verificare eventuali nuovi aumenti di luminosità, che avrebbero confermato al di là di ogni dubbio che si trattava di una nova e non di una microlente.

La prima microlente confermata in M22

Lasciata nell’incertezza la natura dell’evento osservato dal gruppo di Sahu, si dovette attendere l’inizio del 2012 per avere la prima conferma non ambigua di una microlente gravitazionale generata da una stella di M22.

In alto, un riquadro di 20 secondi di lato dell’immagine acquisita nell’infrarosso con il Very Large Telescope nel 2011. Il riquadro interno, riportato ingrandito nel pannello al centro, misura 4 secondi di lato e mostra l’area in cui fu osservata la microlente nel 2000. Il riquadro in basso è l’immagine residuale ottenuta sottraendo la luce delle stelle più luminose dal riquadro centrale. La debole stella che si vede sulla sinistra all’interno del cerchio centrale è quella che fece da lente nell’evento del 2000. Credit: P. Pietrukowicz et al 2012 ApJ 744 L18

In uno studio pubblicato su The Astrophysical Journal Letters, l’astronomo polacco Pawel Pietrukowicz, insieme con quattro colleghi, riportò le conclusioni a cui il team era giunto confrontando le immagini, prese a distanza di quasi 11 anni, di una regione distante circa 2 minuti d’arco dal centro di M22.

Il campo era stato osservato una prima volta per dieci settimane tra luglio e agosto del 2000 con un telescopio terrestre da 1 metro presso l’osservatorio di Las Campanas in Cile. In quell’occasione, una stella situata a 2,33 minuti d’arco dal centro fotometrico dell’ammasso era aumentata di 0,8 magnitudini nella banda V, raggiungendo il 5 agosto 2000 una luminosità massima di 19,1 magnitudini, per poi ritornare stabilmente al livello precedente (V = 19,9 mag).

L’evento era stato interpretato come un caso di microlente gravitazionale, in cui una debole stella di M22 aveva amplificato la luce proveniente da una stella più luminosa appartenente al nucleo galattico (la medesima ipotesi avanzata da Sahu e colleghi nello studio esaminato in precedenza).

Per avere conferma della congettura, il team di Pietrukowicz doveva aspettare che lente e sorgente si muovessero l’una rispetto all’altra, diventando visibili separatamente. Perciò osservò nuovamente la medesima area a quasi undici anni di distanza, usando stavolta uno dei telescopi da 8,2 metri del Very Large Telescope dell’ESO, sempre in Cile. L’osservazione, eseguita nell’infrarosso e con l’ausilio delle ottiche adattive per compensare i disturbi atmosferici, ebbe luogo il 17 luglio 2011.

L’elevata risoluzione della nuova immagine consentiva finalmente di separare la sorgente dalla lente: le due stelle risultavano separate da soli 4,59 pixel, pari a una distanza angolare di 124,6 millesimi di secondo d’arco. A partire dalla sovrapposizione ottica di sorgente e lente avvenuta nel 2000, lo scostamento tra le due stelle misurato nel 2011 indicava un moto proprio annuale della lente di 11,38 ± 0,24 millesimi di secondo d’arco l’anno, in ottimo accordo con la direzione e l’entità del moto proprio annuale di M22. La lente, a differenza della sorgente, era dunque senza dubbio un oggetto dell’ammasso.

Anche la posizione e la luminosità della sorgente (la stella distante) erano in accordo con le previsioni scaturite dall’evento osservato nel 2000. C’erano insomma elementi sufficienti per giungere all’attesa conclusione:

… essendo la posizione e la luminosità osservate di entrambe, lente e sorgente, in perfetto accordo con le attese, viene confermata in modo non ambiguo la natura di microlente e la geometria dell’evento rilevato nel 2000.

In base ai calcoli, la stellina che aveva fatto da lente era probabilmente una nana di tipo spettrale M5, con una magnitudine visuale assoluta pari a circa 11,1, cioè circa 320 volte meno luminosa del Sole. La massa della stella era di 0,18 ± 0,01 masse solari.

Poiché ora erano noti il moto proprio relativo di lente e sorgente, la durata dell’evento del 2000 nonché la massa e la distanza della lente (3,2 kiloparsec, cioè la distanza di M22), si poteva finalmente derivare mediante un’apposita formula la distanza della sorgente, che risultò pari a 6,0 ± 1,5 kiloparsec, cioè poco meno di 20.000 anni luce (l’ampiezza dell’errore era dovuta all’incertezza relativa all’esatta durata della microlente). Ciò piazzava la sorgente — probabilmente una stella di tipo solare — nel nucleo galattico, confermando anche da questo punto di vista la congettura all’origine di questa ricerca.

Ma M22 ha anche un’oscura popolazione di pianeti solitari …

Possiamo tornare ora a occuparci dello studio pubblicato da Sahu e colleghi su Nature nel 2001, in particolare della sua seconda parte. Infatti, oltre all’evento durato 17,6 giorni, attribuito a una possibile microlente gravitazionale causata da una stella di piccola massa in M22, gli astronomi dello Space Telescope Science Institute avevano registrato anche altri sei eventi di illuminazione, molto più brevi e misteriosi.

Ognuno di questi eventi consisteva in un aumento di luminosità di una stella compreso tra 0,3 e 0,8 magnitudini. L’improvvisa illuminazione appariva in entrambe le immagini di uno stesso campo, acquisite da Hubble a distanza di sei minuti l’una dall’altra nel corso della stessa orbita. La durata esatta di ciascun fenomeno non era nota, ma quel che è certo è che nel corso delle successive osservazioni di quei campi da parte di Hubble, in tutti e sei casi, la luminosità delle stelle era ritornata al livello precedente.

La prima e più naturale spiegazione dello strano fenomeno era da ricercarsi nel possibile inquinamento delle immagini da parte di raggi cosmici o pixel difettosi. Ma gli autori dello studio ritennero di poter scartare questa eventualità dopo un’attenta ispezione delle immagini e del loro processo di elaborazione.

Esclusi gli artefatti, possibili cause di natura astronomica di quei sei eventi potevano essere brillamenti di nane particolarmente attive oppure, di nuovo, eruzioni di variabili cataclismiche. Ma i ricercatori esclusero anche queste due possibilità: per quanto riguarda i brillamenti, le nane che ne producono sono stelle di classe M, in genere troppo deboli o troppo rosse per corrispondere alle caratteristiche delle sei che si erano illuminate; per quanto riguarda invece le variabili cataclismiche, queste sono generalmente blu, mentre le stelle interessate dal fenomeno erano rosse.

L’ipotesi che a Sahu e colleghi sembrava la migliore era, ancora una volta, quella della microlente:

D’altra parte, la luminosità e le distribuzioni di ampiezza dei candidati sono esattamente quelle che ci si attenderebbe da microlenti di stelle del nucleo.

Ma, se quello era davvero il caso, ne scaturivano conseguenze a dir poco bizzarre:

Se questi eventi rappresentano davvero delle microlenti gravitazionali, il limite statistico superiore per la loro durata (a un livello di confidenza del 95%) è di 0,8 giorni, corrispondente a una massa pari all’incirca ad appena 0,25 volte quella di Giove. Simili oggetti devono essere o liberamente fluttuanti o, come minimo, a diverse unità astronomiche di distanza da qualsiasi oggetto di massa stellare: in caso contrario, l’effetto dell’oggetto stellare sulla curva di luce sarebbe stato facilmente rilevabile. Il contributo totale di questi pianeti liberamente fluttuanti (se davvero esistono) rispetto alla massa dell’ammasso è incerto, ma prendendo in considerazione l’area e la sensibilità del nostro programma di monitoraggio, stimiamo che sia nell’ordine del 10%.

Se il 10% della intera massa di M22 fosse distribuita in pianeti solitari, il loro numero sarebbe davvero enorme. Dato che la massa di Giove è circa un millesimo di quella solare, se attribuiamo 29.000 masse solari (il 10% della massa stimata di M22) a pianeti da 1/4 della massa di Giove, otteniamo un totale di 116 milioni di pianeti “oscuri”, cioè o liberamente fluttuanti o molto lontani dalla stella madre. Ma il numero di tali corpi potrebbe essere di gran lunga maggiore, dal momento che i pianeti di taglia sub-gioviana rappresentano solo il limite superiore di un’ampia scala di masse planetarie possibili.

A tal proposito, Jarrod R. Hurley e Michael M. Shara, due astronomi dello American Museum of Natural History, scrissero in uno studio pubblicato nel 2002:

Se questi oggetti di massa planetaria liberamente fluttuanti sono gioviani, allora la loro grandezza relativa suggerisce che devono esserci 60 gioviani per stella in M22 e, pertanto, che essi costituiscono circa il 10% della massa dell’ammasso. Se essi sono oggetti di tipo terrestre, allora il loro numero sale a 600 per stella, ma formano soltanto lo 0,3% della massa dell’ammasso.

Secondo i due autori, il cui intero studio era dedicato ad analizzare l’esito di una simulazione sui pianeti liberamente fluttuanti in M22, la possibilità che esistesse in quel globulare una simile schiera di pianeti invisibili non era poi così sorprendente.

Alla base della fiducia di Hurley e Shara nell’abbondanza di pianeti liberi in M22 c’era l’ipotesi che la densità stellare al centro dell’ammasso globulare creasse un tal numero di interazioni gravitazionali tra stelle vicine da condurre all’espulsione di un gran numero di pianeti dai loro sistemi d’origine. La simulazione da loro creata, usando 22.000 stelle sintetiche di cui 4.000 in sistemi binari, aveva lo scopo di valutare appunto come evolvono nel tempo le orbite di stelle e pianeti all’interno dell’ammasso in ragione delle complesse influenze gravitazionali in gioco. I risultati sono riportati nella tabella seguente.

La tabella riporta la media dei risultati della simulazione condotta da Hurley e Shara, relativamente alla sorte toccata ai pianeti all’interno di un ammasso a intervalli di un miliardo di anni. La colonna Time riporta il tempo, espresso in milioni di anni. Total è la percentuale totale di pianeti liberati dall’attrazione della propria stella madre. Kept è la percentuale di pianeti liberati che rimangono nell’ammasso trascorso il cosiddetto crossing-time (il tempo necessario per percorrere una distanza pari al raggio di metà-massa dell’ammasso, che è in questo caso tra 2 e 10 milioni di anni). Current è la percentuale di pianeti liberati che si trovano nell’ammasso trascorso il tempo indicato all’inizio della riga. Escaped è la percentuale di pianeti sfuggita all’ammasso insieme alla propria stella madre. Swallowed è la percentuale di pianeti distrutti dalla propria stella, inghiottiti per esempio dopo che questa è diventata una gigante rossa. Exchanged è, infine, la percentuale di pianeti che finiscono per orbitare intorno a una stella differente da quella del proprio sistema d’origine. Credit: The Astrophysical Journal, 565:1251— 1256, 1/2/2002

L’esito della simulazione indicava che, dopo 4 miliardi di anni, circa i due terzi dei pianeti liberati dalla propria stella madre rimangono all’interno dell’ammasso per un tempo molto più lungo di quello necessario ad attraversarlo (crossing time) fino al raggio di metà-massa. Ciò sembrava confermare l’ipotesi che i sei eventi descritti nello studio di Sahu e colleghi fossero davvero dei casi di microlente gravitazionale e che in M22 albergasse una vasta popolazione di pianeti liberamente fluttuanti.

Ma se davvero questi pianeti nascosti nel buio costituivano una frazione significativa della massa di M22, restava da capire come potesse formarsi da normali dischi protoplanetari, in un ambiente così affollato, un numero così alto di pianeti per ogni stella (le stime più prudenti indicavano tra 100 e 200 pianeti per stella).

Hurley e Shara elencarono a sostegno di questa possibilità alcune ipotesi derivate da studi precedenti di altri autori:

Mentre va sottolineato che la scoperta di pianeti liberamente fluttuanti in M22 è preliminare nonché speculativa, essa suggerisce nondimeno che si sia formato un minimo di 100 pianeti per ciascuna stella. Ciò può suonare non plausibile, ma è supportato in effetti da recenti simulazioni. Ida & Kokubo (2001) hanno mostrato che in un disco protoplanetario dove la densità superficiale della componente solida è bassa, la massa d’isolamento dei pianeti è piccola e possono formarsi molti pianeti di tipo terrestre. È anche possibile che in un disco protoplanetario avente metallicità inferiore a quella solare possano formarsi molti pianeti simili alla Terra: forse 50–100 per stella. Una popolazione di oggetti substellari liberamente fluttuanti è stata inoltre rilevata nel giovane ammasso σ Orionis (Zapatero-Osorio et al. 2000). È stata anche sollevata la possibilità che essi possano essersi formati così come sono (Boss 2001), cioè non collegati a una stella madre.
Rappresentazione artistica di un pianeta liberamente fluttuante, cioè non orbitante intorno a una stella. Credit: ESO/L. Calçada

… O forse no

Ma altre simulazioni fornivano indicazioni differenti. In un articolo pubblicato nel 2001 su Astronomy & Astrophysics, Carlos e Raúl de la Fuente Marcos, due astronomi della Universidad Complutense di Madrid, discussero i risultati, sia pure ancora parziali, di una simulazione eseguita con software e parametri differenti da quelli utilizzati da Hurley e Shara nello studio appena esaminato.

I de la Fuente Marcos trovarono che, al centro di un ammasso globulare, per via del fenomeno della segregazione di massa e delle frequenti interazioni gravitazionali con le stelle vicine, solo i pianeti con orbite molto ristrette possono sopravvivere a lungo imperturbati, mentre quelli più esterni finiscono abbastanza rapidamente espulsi dal proprio sistema d’origine e, avendo alte velocità di fuga, anche dall’ammasso globulare.

La conseguenza di ciò è che è molto improbabile che i sei eventi osservati da Sahu e colleghi fossero microlenti originate da pianeti nella regione centrale di M22. Infatti, se ad agire da lente fossero stati pianeti ancora in orbita intorno alla propria stella madre nel cuore dell’ammasso, sarebbe stata un’orbita molto ravvicinata e sarebbe così apparso nelle curve di luce anche il contributo, invece assente, di una massa stellare.

Se, invece, a fare da lente fossero stati pianeti solitari, questi non si sarebbero trovati più nell’affollata regione centrale di M22, ma nella sua periferia. Ciò rende però non plausibile, da un punto di vista statistico, averne trovati sei tutti insieme, casualmente allineati lungo la nostra linea di vista, in un’area che costituisce una piccola regione dell’alone di M22. Se, infatti, l’espulsione di pianeti dal cuore dell’ammasso è avvenuta isotropicamente, cioè senza una direzione preferenziale, allora quelle sei microlenti richiedono che il numero totale di pianeti espulsi sia assurdamente alto. Il che induce a scartare l’ipotesi che ad aver causato quegli eventi siano stati degli ipotetici pianeti solitari.

C’è però anche un’altra possibilità da considerare, secondo i due autori, cioè che gli oggetti che avevano causato le sei microlenti non fossero pianeti solitari espulsi dal nucleo di M22, ma pianeti distanti dalla propria stella madre, situati all’interno di sistemi planetari nati e sopravvissuti indisturbati nell’alone dell’ammasso:

D’altra parte è anche possibile che gli oggetti rilevati siano proiettati contro il nucleo, ma facciano parte in realtà dell’alone di M22, dove la densità stellare è sufficientemente bassa da consentire la sopravvivenza di sistemi (probabilmente con più pianeti) relativamente primordiali e imperturbati. I nostri risultati suggeriscono che, nell’alone di un tipico ammasso stellare, la percentuale di sistemi planetari disgregati è veramente trascurabile […]. Se questo è il caso, il numero di sistemi multipianeta simili al nostro sistema solare in M22, e forse in altri globulari, potrebbe essere molto più alto di quanto ci si aspettasse.

Molto più alto, sì, ma quanto? Anche in questo caso, bastano delle semplici considerazioni statistiche per giungere a numeri troppo alti per essere plausibili. Gli elementi da considerare sono questi: in un’area di circa 1 parsec di lato si sono osservati, in base ai dati forniti dallo studio del 2001 di Sahu e collaboratori, 1 evento di microlente di origine stellare e 6 di origine planetaria. Inoltre, se questi ultimi sono da ascrivere a pianeti dell’alone invece che del nucleo di M22, va tenuto in conto che il volume dell’alone (entro il quale i pianeti devono essere uniformemente distribuiti) è 1000 volte maggiore di quello del nucleo, mentre la sua densità stellare è circa 100 volte minore. Tutto ciò si traduce in un rapporto numerico pianeti/stelle semplicemente improponibile:

… se, come suggerito dalle osservazioni, la proporzione pianeti/stelle disponibili per creare microlenti è di 6 a 1, allora il numero medio di compagni di dimensione planetaria per stella dell’alone potrebbe arrivare fino a 20.000 se consideriamo oggetti sub-saturniani o a circa 2.000.000 se le lenti sono di dimensioni terrestri. In ogni caso, il risultato di questa analisi quantitativa rende difficile attribuire gli eventi osservati a oggetti planetari in M22, a meno di non ammettere che negli ammassi globulari (o nell’universo primordiale, per quel che conta) i pianeti si siano formati in modo fondamentalmente diverso dai pianeti nel disco galattico.

Tutto ciò considerato, la conclusione più probabile, secondo i de la Fuente Marcos, è che i sei brevi eventi di illuminazione registrati nella direzione di M22 non furono causati da microlenti gravitazionali.

Se, tuttavia, si vuol continuare a dar credito all’interpretazione della microlente, occorre trovare altri oggetti responsabili del fenomeno, diversi dagli ipotetici pianeti di M22. I due astronomi li indicarono in possibili ammassi di oggetti oscuri (dark clusters), situati lungo la nostra linea di vista verso il centro galattico, davanti o forse dietro a M22:

Se essi [i sei eventi di microlente] sono davvero dovuti a oggetti substellari appartenenti al campo, questi devono trovarsi raggruppati; e una stima di massima suggerisce che la popolazione dell’ammasso oscuro deve essere almeno 100 volte più numerosa di quella nel nucleo di M22, avendo lo stesso diametro apparente. Ciò vuol dire che l’ammasso oscuro potrebbe comprendere tra 10 e 100 milioni di membri con una massa totale tra diecimila e centomila masse solari. In linea di principio, l’oggetto potrebbe trovarsi sia davanti sia dietro M22. Per una medesima durata (il cui limite superiore è 0,8 giorni), la lente è più massiccia se l’ammasso oscuro è vicino al nucleo galattico e se la sua velocità trasversale relativa alla linea di vista osservatore-sorgente è maggiore. In ogni caso gli oggetti sono ben al di sotto di 13 masse gioviane.

13 masse gioviane è il limite di separazione che distingue, piuttosto arbitrariamente, i corpi planetari dalle nane brune, cioè le stelle fallite. Al di là della massa, la differenza principale tra pianeti e nane brune è il processo di formazione: i pianeti nascono, secondo la teoria più accreditata, dai residui del disco protoplanetario sopravvissuto alla formazione della stella madre, mentre le nane brune si formano per condensazione di una nube molecolare, analogamente alle normali stelle, anche se poi non raggiungono una massa sufficiente a creare le condizioni per l’innesco delle reazioni di fusione termonucleare.

Non esistono prove conclusive a favore o contro l’esistenza di ammassi di oggetti oscuri nel disco o nell’alone galattico del tipo di quelli ipotizzati da i de la Fuente Marcos. Tuttavia diversi studi sono stati condotti finora per cercare le loro tracce, nell’ambito di programmi di ricerca come MACHO e RAMBO, il cui scopo era determinare se la materia oscura è normale materia barionica che semplicemente non vediamo oppure qualcosa di completamente diverso ed estraneo. Quel che è certo è che quei sei brevi picchi di luce iniziarono a condurre gli astronomi molto lontano dal nucleo di M22…

Rappresentazione artistica del disco di gas e polveri che circonda una nana bruna in formazione. Credit: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO)/M. Kornmesser (ESO)

Sulla stessa lunghezza d’onda dei due de la Fuente Marcos sono le conclusioni di un articolo del 2002 di B. Scott Gaudi:

… la sola spiegazione per l’origine degli eventi di picco che sia coerente con tutte le osservazioni disponibili e la teoria è una oscura, massiccia struttura composta da oggetti compatti leggeri (all’incirca minori di 1 massa gioviana), disposti accidentalmente lungo la nostra linea di vista verso M22. Una spiegazione che, nel migliore dei casi, pare ad hoc. L’alternativa più semplice è che questi eventi non siano stati causati da microlenti.

Finalmente si scopre l’errore

Gli studi appena citati, insieme ad alcuni altri pubblicati nello stesso periodo, chiamavano direttamente in causa Sahu e gli altri autori della scoperta delle sei presunte microlenti di origine planetaria.

Ma a questo punto succede qualcosa che va ad onore di Kailash Sahu e dei suoi sei coautori, qualcosa che distingue nettamente il metodo della scienza da quello di altre forme di sapere umano: una chiara, inequivocabile e argomentata ammissione di errore.

All’inizio del 2002 viene infatti pubblicato su The Astrophysical Journal Letters uno studio con lo stesso Sahu come primo autore, in cui si spiega che, da un successivo riesame dei dati, era emerso che quei sei eventi non erano stati causati da microlenti gravitazionali. Si trattava invece di artefatti prodotti da raggi cosmici. Non c’era stato, insomma, alcun picco di luminosità, né breve né lungo, che avesse interessato stelle in M22 o nel nucleo galattico, al di fuori dell’unico evento chiaramente registrato, durato 17,6 giorni, del quale abbiamo ampiamente discusso nei paragrafi precedenti.

Ma com’è possibile, allora, che Sahu e i suoi collaboratori fossero caduti in un simile errore? Nell’articolo pubblicato su Nature, avevano infatti esplicitamente escluso i raggi cosmici come possibile causa dei sei presunti eventi, inducendo così non solo loro stessi, ma anche gli autori di diversi studi successivi a impelagarsi in lunghe analisi e controanalisi sulla possibile esistenza di pianeti solitari, in grado di generare microlenti gravitazionali.

Era successo, in realtà, che alcuni raggi cosmici avevano generato segnali spuri nel CCD della camera WFPC2 di Hubble, ma lo avevano fatto in un modo così subdolo, da rendere l’alterazione delle immagini colpite difficilissima da individuare. Cerchiamo di capirne il motivo.

Proprio per consentire di distinguere in un’osservazione di Hubble gli oggetti astronomici dai possibili artefatti, è pratica comune acquisire nel corso della stessa orbita due o anche più immagini di uno stesso campo, identiche in tutto tranne, appunto, che per gli eventuali difetti causati da raggi cosmici. Queste immagini doppie sono chiamate “cosmic ray split” o, più brevemente, CR-split.

È proprio dall’esame visuale di queste coppie di immagini presumibilmente identiche che il gruppo di Sahu aveva ricavato la convinzione che ci fossero stati sei brevi picchi di luminosità in altrettante stelle presenti nei campi osservati. Anche ad un’ispezione approfondita non apparivano infatti differenze apprezzabili tra le coppie di immagini CR-split.

Ma, dopo la pubblicazione dello studio del 2001, altri due astronomi, Jay Anderson e Ivan King, si misero ad analizzare quelle immagini, nel corso di una loro ricerca sul moto proprio delle stelle contenute nei campi di M22 osservati da Hubble.

I due notarono qualcosa di strano:

In ciascuna coppia di immagini CR-split, lo schema di luminosità dei pixel intorno alle stelle illuminate differiva tra le due immagini molto più di quanto differissero i pixel intorno ad altre stelle di magnitudine comparabile, che fornivano un utile standard di riferimento.

Contattarono dunque Kailesh Sahu, principal investigator del programma di ricerca che aveva condotto al famoso articolo del 2001. I tre, in collaborazione anche con gli altri sei autori dello studio originale, avviarono così un’analisi approfondita delle coppie di immagini CR-split. Stavolta non si fermarono alla sola ispezione visuale, ma crearono matrici di dati, in cui i valori di luminosità dei cinque pixel centrati sulle posizioni delle presunte microlenti erano messi a confronto con i valori di altrettanti pixel di aree contenenti stelle di magnitudine comparabile. Il risultato di questo confronto, relativamente all’evento D (il quarto della serie), è riportato nella tabella seguente.

Credit: Kailash C. Sahu et al 2002 ApJ 565 L21, http://dx.doi.org/10.1086/339137

I dati nella colonna “Difference” permettono di rilevare l’artefatto. In particolare, i valori evidenziati dal rettangolo rosso sono nettamente fuori scala. A tal proposito, spiegano gli autori:

Le matrici etichettate “Difference” sono altamente rivelatrici. La stella di confronto ha differenze molto piccole, ma la stella illuminata mostra grandi differenze tra le due immagini. Si tratta di qualcosa che non potrebbe accadere per immagini reali di stelle.

Insomma, le sei stelle “illuminate” avevano valori di luminosità molto diversi nelle due immagini CR-split, mentre le stelle di confronto avevano— come era da attendersi — valori molto simili. Ciò provava al di là di ogni dubbio che i sei “eventi” non fotografavano reali aumenti di luminosità di una stella, ma erano invece artefatti. In altre parole non c’era stato alcun evento di microlente gravitazionale creato da oggetti di massa planetaria né in M22 né fuori.

Ma c’è anche un’altra prova a sostegno di quest’interpretazione, alla quale forse si sarebbe dovuto dare più peso all’epoca dello studio apparso su Nature:

Un argomento aggiuntivo contro le microlenti quali causa degli apparenti aumenti di luminosità è il fatto che, per l’evento B e per l’evento F, esiste una seconda coppia di esposizioni presa solo 9 minuti dopo, la quale non mostra alcuna illuminazione.

Scartate infine le microlenti gravitazionali di origine planetaria, resta ancora da chiarire una cosa: come è possibile che sei coppie di immagini CR-split, generate espressamente per consentire di identificare le alterazioni create dai raggi cosmici, riuscirono invece a nascondere così bene gli artefatti in esse presenti, tanto da indurre in errore un team di astronomi esperti?

La ragione di ciò, secondo la spiegazione fornita dagli autori dello studio chiarificatore, sta nel modo particolarmente strano in cui le immagini erano state alterate: dei raggi cosmici puntiformi, cioè con un effetto molto ridotto in termini di pixel alterati, avevano colpito esattamente nello stesso punto entrambe le immagini CR-split, in ben sei casi diversi, generando un effetto visivamente indistinguibile da un lieve aumento della luce stellare.

Sorge a questo punto il problema se, da un punto di vista statistico, sia plausibile che due immagini diverse siano colpite nello stesso punto da raggi cosmici, e che la cosa non accada una volta soltanto, ma sei volte. Secondo Sahu e colleghi, sì, la cosa è statisticamente plausibile:

Sulle prime potrebbe sembrare estremamente improbabile che, in una coppia CR-split, entrambe le immagini della stessa stella siano influenzate da raggi cosmici in modo simile. Tuttavia, abbiamo riscontrato attraverso l’esame diretto che questo set di immagini presenta in circa 1 pixel ogni 2000 un impatto da raggi cosmici più o meno della forza osservata (20–75 DN). Poiché l’impatto di un raggio cosmico puntiforme in uno qualsiasi di una mezza dozzina di pixel intorno al centro di una stella produrrà l’effetto che stiamo discutendo, entrambe le immagini di una coppia saranno colpite circa una volta su 100.000. Se consideriamo che vi furono dozzine di osservazioni, con 30.000 stelle (secondo una stima conservativa) in ognuna, ciò porta a un totale di oltre un milione di coppie di immagini stellari. Per conseguenza, è lecito attendersi intorno a 10 doppi impatti, sicché 6, dopo tutto, non è un numero sorprendente.

Ma, in fondo, non è poi così importante che gli artefatti scoperti in quelle immagini siano giustificati statisticamente. La colpa potrebbe anche non essere stati dei raggi cosmici. Quel che è invece davvero importante è che le differenze nei valori dei pixel delle coppie di immagini CR-split indicano che quei sei “brevi eventi” non furono microlenti gravitazionali.

Questa conclusione suggerisce alcune considerazioni finali.

Sul potere della scienza e sui limiti della speculazione

La prima, e la più ovvia, è che la scienza non è affatto esente da errori. Però tende inesorabilmente a correggerli. Ciò è possibile, da un lato, grazie alla rapida e completa condivisione delle informazioni e delle ricerche che i moderni database rendono possibile; dall’altro, grazie al fatto che gli scienziati, quando emergono fatti nuovi che smentiscono le loro convinzioni precedenti, sono in grado, in linea di massima, di valutare obiettivamente i dati, comprendere gli eventuali errori commessi e, se necessario, ammetterli pubblicamente.

La forza oggettiva delle prove — e la disponibilità a cercarle, quando i fatti sono ambigui — permette alla scienza di progredire rapidamente, evitando inutili guerre di “religione”. Ciò, in verità, non sempre riesce, perché a volte le prove si ostinano a rimanere ambigue oppure perché l’elemento emotivo e politico è troppo forte, come nel caso della questione del riscaldamento globale. Ma i progressi incredibili compiuti dalla scienza negli ultimi quattro secoli sono una prova sufficiente che il metodo scientifico (qualunque cosa s’intenda esattamente con questa locuzione), preso nel suo insieme, funziona alla grande.

Un’altra considerazione che nasce dalla lettura degli studi che cercarono di spiegare le presunte microlenti gravitazionali è quanto siano minuscoli gli indizi sui quali gli astronomi sono spesso obbligati a lavorare e quanto, viceversa, gigantesca la scala dei fenomeni che essi riescono a definire, anche solo congetturalmente, sulla base di quegli indizi.

Nel caso specifico, tutto ciò che si aveva a disposizione come dato osservativo — prima che si scoprisse che si trattava di artefatti dovuti ai raggi cosmici — era un lieve aumento di luminosità di sei deboli stelle di magnitudine compresa tra 22 e 23 (misurata nel filtro F606W della WFPC2 di Hubble). L’evento si era verificato una sola volta per ciascuna stella e la sua esatta durata non era nota.

Astronomi appartenenti a differenti istituti e gruppi di ricerca, persino a continenti diversi, cominciarono a lavorare su quello striminzito insieme di dati, macinando confronti, calcoli, simulazioni, congetture. Quei pochi pixel con valori di luminosità lievemente alterati diventarono l’indizio dell’esistenza di un’immensa schiera di pianeti solitari, che potevano costituire addirittura il 10% dell’intera massa dell’ammasso globulare M22: qualcosa come 30.000 masse solari in pianeti nascosti.

Ma alcune simulazioni indicavano, come abbiamo visto nei paragrafi precedenti, che quegli ipotetici pianeti non potevano appartenere al nucleo di M22. Così, di deduzione in deduzione, passando attraverso calcoli che fornivano indicazioni improbabili (come quella che nella periferia di M22 potessero esistere tra 20.000 e 2 milioni di pianeti per ogni stella), si arrivò a ipotizzare come spiegazione dei sei eventi un ammasso oscuro, formato da milioni di pianeti solitari e forse nane brune, nati non si sa bene come, nascosti nel buio in qualche punto imprecisato tra noi e il centro galattico, davanti o dietro l’ammasso globulare M22. Quanto aveva viaggiato l’immaginazione scientifica, partendo da quei pochi pixel “illuminati” nelle immagini di Hubble!

Ma gli astronomi che elaborarono quelle congetture avevano anche ben chiara l’alternativa più semplice: cioè che quei sei presunti eventi fossero un abbaglio, che non ci fosse mai stata, cioè, alcuna microlente gravitazionale di origine planetaria, come poi il successivo riesame dei dati da parte di Sahu e dei suoi collaboratori dimostrò.

Tutta questa storia di pianeti solitari, microlenti e raggi cosmici rimanda a un dato di fatto innegabile e, per certi versi, doloroso: ciò che possiamo sapere dell’universo al di fuori del sistema solare è legato spesso a indizi esilissimi, talvolta così deboli che il confine tra presenza e assenza di informazione è sfumato (come quando ci sembra di aver udito un suono debolissimo che invece è solo nella nostra testa). In altri casi l’informazione c’è, ma è talmente ingarbugliata all’interno di un segnale allo stesso tempo debole e complesso che o viene perduta o viene scambiata per qualcosa di differente. Un esempio clamoroso è la recente scoperta che oltre la metà dei candidati esopianeti giganti individuati esaminando le curve di luce delle stelle osservate dal telescopio spaziale Keplero non erano poi pianeti, ma altre cose: sistemi binari, nane brune, eruzioni stellari, rumore di fondo.

D’altra parte, bisogna riconoscere che gli astronomi riescono a fare autentiche magie con l’unica fonte di informazione a loro disposizione: quei pochi fotoni che, provenienti a volte da miliardi di anni luce di distanza, essi manipolano nei modi più impensati, spremendoli fino a ottenere ogni frammento di informazione utile su stelle, pianeti, galassie, quasar e altri oggetti dispersi nell’immensità dello spazio (e del tempo).

Tuttavia, più è scarna l’informazione trasportata dalla radiazione elettromagnetica che giunge fino agli specchi, alle antenne e ai sensori dei telescopi, maggiore è il lavorìo d’interpretazione e congettura a cui gli astronomi sono costretti. E qui nasce il rischio di partire per la tangente, costruendo castelli di congetture alla cui base c’è davvero poco materiale solido. Molti, per esempio, degli studi pubblicati negli anni su Eta Carinae e la sua compagna invisibile hanno proprio questa caratteristica: di costruire elaborazioni sofisticate e complesse sui pochi e ambigui dati osservativi ottenuti, lasciando il lettore con l’impressione, almeno in qualche caso, che la speculazione abbia avuto la meglio sull’oggettività scientifica.

Un quadro generale in continuo, rapidissimo cambiamento

In questa perenne alchimia tra i voli della fantasia (scientifica) e i dati disponibili, le nostre conoscenze sull’universo crescono però di continuo e il quadro d’insieme che la scienza ci presenta cambia di conseguenza. Meno di due secoli fa, nel 1835, il filosofo positivista Auguste Comte scriveva a proposito delle stelle:

Non riusciremo mai a studiare, con nessun metodo, la loro composizione chimica o minerale.

Ignorava che da più di vent’anni il tedesco Joseph von Fraunhofer aveva inventato lo spettroscopio, lo strumento che avrebbe consentito ai moderni astronomi non solo di determinare l’esatta composizione chimica delle stelle (o almeno delle loro atmosfere), ma di scoprire persino invisibili pianeti in orbita intorno a esse, grazie allo studio delle variazioni della velocità radiale, reso possibile dalla misurazione dello spostamento delle righe spettrali scoperte da Fraunhofer.

Lo spettro solare ottenuto dallo scienziato tedesco Joseph von Fraunhofer nel 1814. Credit: Jonathan Tennyson, “Astronomical Spectroscopy: An Introduction to the Atomic and Molecular Physics of Astronomical Spectra”, World Scientific, 2010

Neppure un secolo fa, all’inizio degli Anni ’20, quando già le fotografie di Eddington dell’eclisse solare del 1919 avevano provato la correttezza della relatività generale di Einstein e la meccanica quantistica era in pieno sviluppo, gli astronomi pensavano ancora che la Via Lattea fosse il limite e il contenitore dell’intero universo. Ci volle il Grande Dibattito tra Harlow Shapley e Heber Curtis per minare questa certezza, che cadde soltanto quando, nel 1925, Edwin Hubble provò, grazie alla scoperta di una variabile cefeide in Andromeda, che quella grande nebulosa non si trovava all’interno della Via Lattea, ma ben oltre i suoi confini. Ma da allora, in meno di un secolo, la nostra conoscenza della dimensione dell’Universo osservabile è cresciuta vertiginosamente, passando da 300.000 anni luce, che era il diametro della Via Lattea calcolato da Shapley, ai 93 miliardi di anni luce stimati oggi tenendo conto dell’espansione dell’universo.

Nel frattempo è aumentata anche l’età dell’universo o, per meglio dire, la nostra stima di essa. George Gamow, un grande fisico e cosmologo del secolo scorso, tra i primi teorizzatori del Big Bang, nel 1940 attribuiva all’universo un’età di 2 miliardi di anni (“The Birth and Death of the Sun”, New York 1940). Quindici anni dopo, lo stesso Gamow aveva portato l’età dell’universo a 3 miliardi di anni (“The Creation of the Universe”, New York 1955). Oggi, 60 anni più tardi, grazie ai dati forniti recentemente dal satellite Planck, abbiamo potuto spostare l’età dell’universo ben oltre i confini temporali supposti da Gamow, fissando (per ora) il limite a 13,8 miliardi di anni.

È straordinario come la nostra immagine dell’universo si modifichi rapidamente dopo ogni nuova scoperta. L’idea di un universo stazionario cedette il passo con Hubble all’idea di un universo in espansione. Dopo la scoperta, negli Anni ’90, dell’attenuazione delle supernovae di tipo Ia con la distanza, che valse il Nobel a Perlmutter, Schmidt e Riess, l’espansione si tramutò d’improvviso in espansione accelerata. Intanto radiazione elettromagnetica e materia barionica non bastavano più a spiegare la totalità della massa/energia che pervade l’universo. Fu necessario introdurre i concetti di materia oscura ed energia oscura.

La conseguenza di questi rapidissimi rivolgimenti è che l’attuale immagine dell’universo plasmata dalle conoscenze e dall’immaginazione scientifica sfida le doti di intuizione di cui l’evoluzione ci ha dotati. E più astronomi e cosmologi diventano bravi a elaborare modelli teorici e congetture sulla base di indizi osservativi minuscoli, complessi, ambigui, più diventa difficile stabilire il confine esatto tra ciò che realmente sappiamo dell’universo e ciò che, invece, crediamo di sapere. Principio di indeterminazione, stringhe, dimensioni nascoste, schiuma quantistica, materia oscura, energia oscura: modelli teorici della realtà che hanno un fondamento scientifico più che valido, ma poca o nessuna corrispondenza nella nostra intuizione. Non è una critica alla scienza, anzi, ma solo una constatazione. Sembra, per certi versi, che il progredire della capacità scientifica di creare modelli matematici per descrivere l’universo fisico e le sue leggi sia destinato a scavare un solco sempre più profondo tra i concetti usati allo scopo e ciò che l’esperienza comune e l’esperimento sono realmente in grado di mostrarci.

C’è una questione filosofica che aleggia su queste considerazioni, ovvero: cosa intendiamo esattamente con “reale” e “realtà”, quando attribuiamo questo status a concetti-limite che sfuggono completamente all’osservazione e persino alla nostra intuizione?

Un grafico che illustra la distribuzione delle galassie più vicine alla Via Lattea, tratto da “The Birth and Death of the Sun” di George Gamow (1940). La distanza di Andromeda era stimata da Gamow in 680.000 anni luce. Oggi sappiamo, invece, che supera i 2 milioni di anni luce

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