Quanto sono lontane le stelle? Come misuriamo distanze di migliaia di anni luce
Quando guardiamo il cielo notturno, le stelle sembrano tutte disegnate sulla stessa superficie: la Volta Celeste. Alcune sono più luminose, altre più deboli, ma a occhio nudo è impossibile capire quali siano vicine e quali invece si trovino enormemente più lontano.
In realtà il cielo che vediamo è profondissimo.
Alcune stelle si trovano a pochi anni luce da noi. Altre a centinaia o migliaia di anni luce. E quando allarghiamo lo sguardo alle galassie, le distanze diventano milioni e perfino miliardi di anni luce.
Ma c’è una domanda sorprendente. come facciamo a sapere quanto è lontana una stella se non possiamo raggiungerla con un metro?
Gli astronomi hanno sviluppato diversi metodi. E ognuno funziona come un gradino di una gigantesca scala che ci permette di misurare l’Universo.
NGC 6496, ammasso globulare di 10,5 miliardi di anni. NASA ID: GSFC_20171208_Archive_e000282
Che cos’è un anno luce?
Quando parliamo di distanze astronomiche, i chilometri diventano rapidamente limitati e scomodi.
La stella più vicina al Sole, Proxima Centauri, si trova a circa 40 mila miliardi di chilometri da noi. Scrivere numeri simili ogni volta sarebbe poco pratico.
Per questo gli astronomi utilizzano spesso l’anno luce. Non è una misura del tempo. È una misura della distanza.
Un anno luce è la distanza percorsa dalla luce nel vuoto durante un anno.
La luce viaggia a quasi 300.000 chilometri al secondo.
In un solo secondo potrebbe percorrere circa sette volte e mezzo il giro della Terra.(se facesse la curva!)
In un anno di 365 giorni ci sono 31.560.000 secondi che moltiplicati per 300.000 risultano circa:
9.460 miliardi di chilometri.
Questa distanza corrisponde a un anno luce.
La stella Proxima Centauri ripresa dal telescopio Hubble (NASA). I raggi visibili non sono reali, ma un effetto ottico.
La stella più vicina è già lontanissima
Proxima Centauri dista circa 4,24 anni luce. Questo significa che la luce che osserviamo oggi è partita da quella stella più di quattro anni fa.
Se Proxima Centauri cambiasse improvvisamente in questo momento, noi non potremmo saperlo immediatamente. Vedremmo ciò che è accaduto ora soltanto tra più di quattro anni. E questa è una delle cose più affascinanti dell’astronomia: guardare lontano nello spazio significa anche guardare indietro nel tempo.
Quando osserviamo una stella distante 500 anni luce, la vediamo com’era 500 anni fa. Se osserviamo la grande galassia a noi più vicina, la galassia di Andromeda, distante due milioni e mezzo di anni luce, vediamo ora la luce partita da lì quando la Terra era molto diversa da oggi e la nostra specie vivente era ancora di là da venire (l’Homo Sapiens- sapiens esiste da circa 200.000 anni). Due milioni e mezzo di anni fa esistevano già nella savana africana alcune specie di ominidi che avevano appena imparato a camminare sulle zampe posteriori tra i quali abbiamo rinvenuto i resti di Lucy, mentre cercava di fuggire da una violenta eruzione vulcanica che l’ha uccisa nella cenere.
Il cielo notturno è quindi, in un certo senso, anche un gigantesco archivio del passato.
Ma come facciamo a sapere che Proxima Centauri dista 4,24 anni luce?
Per le stelle relativamente vicine possiamo utilizzare un metodo chiamato parallasse. L’idea è molto più semplice di quanto sembri, la difficoltà è solo tecnica.
Provate a fare un piccolo esperimento.
Tenete un dito davanti al viso.
Chiudete prima l’occhio sinistro e poi quello destro.
Noterete che il dito sembra spostarsi rispetto agli oggetti lontani sullo sfondo.
In realtà il dito non si è mosso. È cambiato il vostro punto di osservazione. Ecco, gli astronomi fanno qualcosa di simile con le stelle.
La Terra diventa un gigantesco strumento di misura
La Terra orbita intorno al Sole. A distanza di sei mesi ci troviamo quindi in due punti opposti della nostra orbita, separati da circa 300 milioni di chilometri.
Osservando una stella in due momenti dell’anno, possiamo notare un minuscolo cambiamento della sua posizione rispetto alle stelle più lontane sullo sfondo.
Questo piccolo spostamento apparente è la parallasse stellare. Più una stella è vicina, maggiore sarà il suo spostamento apparente; più è lontana, più lo spostamento diventa minuscolo.
Misurando quell’angolo con estrema precisione possiamo calcolare la distanza della stella. Non abbiamo quindi bisogno di raggiungerla, perché ci basta osservare come appare da due punti diversi dell’orbita terrestre.
Il parsec
Gli astronomi utilizzano molto spesso un’altra unità di misura: il parsec.
Il nome deriva proprio dalla parallasse. Un parsec corrisponde alla distanza dalla quale il raggio medio dell’orbita terrestre appare sotto un angolo di un secondo d’arco.
In termini più semplici, 1 parsec equivale a circa 3,26 anni luce. Quindi una stella distante 10 parsec si trova a circa 32,6 anni luce dalla Terra.
Il parsec viene utilizzato moltissimo nella ricerca astronomica perché è direttamente collegato al metodo geometrico della parallasse. Quando poi le distanze aumentano, si utilizzano multipli ancora più grandi.
Un kiloparsec corrisponde a mille parsec.
Un megaparsec a un milione di parsec.
Sono scale utili quando iniziamo a parlare della Via Lattea e delle altre galassie.
La Via Lattea. NASA ID: PIA10748
Più guardiamo lontano, più tutto diventa difficile
La parallasse funziona molto bene con le stelle relativamente vicine. Ma immaginate di osservare un oggetto sempre più lontano… Il suo apparente spostamento diventa sempre più piccolo e, a un certo punto, misurarlo diventa estremamente difficile.
Per questo gli astronomi non utilizzano un unico metodo per tutte le distanze. Esiste quella che viene chiamata scala delle distanze cosmiche.
Ogni metodo permette di arrivare un po’ più lontano. E i diversi metodi vengono confrontati tra loro per costruire una misura sempre più grande dell’Universo.
Due galassie a spirale interagenti. ID NASA: GSFC_20171208_Archive_e001020
Se conosco la luminosità, posso capire la distanza
Uno dei concetti più importanti è questo: una sorgente luminosa appare più debole quando si trova più lontano.
Pensiamo a due lampioni identici. Quello vicino ci appare molto luminoso, mentre quello lontano appare più debole. Se sapessimo esattamente quanta luce produce ogni lampione, potremmo stimare la sua distanza misurando quanto luminoso appare.
Gli astronomi utilizzano un principio simile con alcune stelle e altri oggetti celesti. Questi oggetti vengono chiamati candele standard.
Le stelle Cefeidi: veri indicatori cosmici
Un esempio importantissimo sono le Cefeidi. Sono stelle variabili che aumentano e diminuiscono periodicamente la propria luminosità.
La cosa straordinaria è che esiste una relazione tra il periodo con cui varia la loro luminosità e la quantità di luce che emettono realmente. Misurando il ritmo delle variazioni, gli astronomi possono quindi capire quanto una Cefeide sia realmente luminosa.
A quel punto confrontano la luminosità reale con quella che osserviamo dalla Terra. Se appare molto più debole di quanto dovrebbe essere, significa che si trova molto lontano.
Questo metodo ha avuto un ruolo fondamentale nello studio delle dimensioni dell’Universo.
La Stella RS Puppis è avvolta da polveri riflettenti illuminate dalla sua luce. NASA ID: GSFC_20171208_Archive_e001283
E quando nemmeno le singole stelle bastano?
Per distanze ancora maggiori vengono utilizzati altri indicatori. Tra i più importanti ci sono alcune supernovae di tipo Ia, enormi esplosioni stellari che possono raggiungere luminosità straordinarie.
Poiché la loro luminosità può essere stimata con grande precisione, diventano potenti candele standard per misurare distanze cosmiche molto superiori a quelle raggiungibili utilizzando semplicemente le stelle vicine. Grazie a osservazioni di questo tipo possiamo stimare la distanza di galassie enormemente lontane.
È come costruire una scala: prima misuriamo gli oggetti vicini con la geometria, poi utilizziamo quegli oggetti per calibrare metodi che funzionano più lontano, e così via.
Tycho Supernova Remnant. NASA ID: PIA11435
Non tutte le stelle luminose sono vicine
C’è un errore intuitivo molto comune. Quando vediamo una stella molto brillante, potremmo pensare che sia particolarmente vicina.
Non è necessariamente vero. La luminosità che osserviamo dipende infatti da almeno due fattori: quanto una stella è realmente luminosa e quanto è lontana da noi.
Una stella relativamente debole ma vicina può apparire molto luminosa. Una stella enormemente potente ma lontanissima può invece apparire soltanto come un piccolo punto nel cielo.
Per capire davvero che tipo di stella stiamo osservando bisogna quindi distinguere tra luminosità apparente e luminosità reale.
Le stelle che vediamo non appartengono tutte allo stesso piano
Quando guardiamo una costellazione, abbiamo l’impressione che le sue stelle siano vicine tra loro. Ma quella figura esiste soprattutto dal nostro punto di vista.
Prendiamo una costellazione famosa come Orione. Le stelle che formano la sua sagoma non si trovano tutte alla stessa distanza dalla Terra. Alcune sono molto più vicine, altre molto più lontane.
Se potessimo osservare Orione da un altro punto della Galassia, la forma che conosciamo cambierebbe completamente. Le costellazioni sono quindi una sorta di prospettiva cosmica. Noi vediamo proiettate sul cielo stelle che in realtà sono distribuite in uno spazio tridimensionale enorme.
Fascio a infrarossi sulla Spada di Orione. NASA ID: PIA08656
Quanto è grande allora la nostra Galassia?
Il Sole si trova all’interno della Via Lattea, una galassia che contiene centinaia di miliardi di stelle.
Il suo disco misura circa 100.000 anni luce da un lato all’altro. Questo significa che un raggio di luce impiegherebbe circa centomila anni per attraversarla.
Eppure la Via Lattea è soltanto una tra miliardi di galassie presenti nell’Universo osservabile. Per esempio la galassia di Andromeda, la grande galassia più vicina alla nostra, si trova a circa 2,5 milioni di anni luce.
Quando la osserviamo, quindi, vediamo una luce partita circa due milioni e mezzo di anni fa. Molto prima dell'esistenza della nostra civiltà.
L'immagine infrarossa della Galassia di Andromeda (M31). NASA ID: PIA26276
E quanto possiamo vedere lontano?
Più osserviamo lontano, più guardiamo indietro nel tempo. I telescopi moderni possono raccogliere luce partita da galassie così lontane da mostrarci l’Universo quando aveva soltanto una piccola frazione della sua età attuale.
Non possiamo però osservare qualsiasi distanza. L’Universo ha un’età finita e anche la luce ha una velocità finita. Esiste quindi un limite a ciò che possiamo osservare: l’Universo osservabile.
La luce più antica che possiamo studiare direttamente è partita quando l’Universo aveva circa 380.000 anni. Oggi la rileviamo sotto forma di radiazione cosmica di fondo, una sorta di eco luminosa dell’Universo primordiale.
Swimming in Sculptor. NASA ID: hubble-sees-a-legion-of-galaxies_25608651281_o
Misurare le stelle significa misurare il nostro posto nell’Universo
Pensare alle distanze astronomiche può essere difficile perché la nostra esperienza quotidiana non ci prepara a numeri così grandi.
Dieci chilometri possiamo immaginarli. Mille chilometri anche. Ma cento anni luce? Mille anni luce? Un milione? A quelle scale i numeri iniziano quasi a perdere significato. Ed è proprio per questo che l’astronomia utilizza strumenti come anno luce, parsec, parallasse e candele standard.
Non sono soltanto formule. Sono modi che abbiamo inventato per trasformare qualcosa di apparentemente irraggiungibile in qualcosa che possiamo misurare e comprendere.
Quando questa sera guarderete una stella, quindi, ricordate una cosa. Quel piccolo punto luminoso potrebbe trovarsi a decine, centinaia o migliaia di anni luce da voi. E la luce che raggiunge i vostri occhi ha attraversato lo spazio per tutto quel tempo.
In quel momento non state semplicemente guardando una stella. State guardando una parte della storia dell’Universo.
Nebulosa Anima, NASA: PIA13014
Ti affascinano le stelle e l’Universo?
Al Planetario di Padova puoi scoprire quanto è grande il cosmo, riconoscere stelle e costellazioni e viaggiare tra pianeti, galassie e fenomeni astronomici attraverso le nostre proiezioni sotto la cupola. Scopri i prossimi eventi su www.planetariopadova.com e prenota il tuo posto.
