Trovare la nostra posizione nella galassia ha richiesto un bel po’ di matematica e ingegno

Se dovessi fare un test in questo momento, potresti ritrovarti su una mappa della tua città? Del tuo paese? Una mappa del mondo? Molti di noi probabilmente potrebbero, ma cosa succede se non hai mai visto una mappa della tua zona?

Capire dove ti trovi in ​​uno spazio di cui non conosci le dimensioni è una cosa difficile. Senza un punto di riferimento esterno, il meglio che puoi determinare è dove sei rispetto ad altri oggetti, come un albero o una strada o edificio.

Nel caso del nostro pianeta e del sistema solare, come facciamo a sapere dove siamo nella Via Lattea, la galassia che chiamiamo casa?

Questo non è un problema esclusivo dell’astronomia, nel corso della storia la sfida di mappare e localizzarsi in uno spazio sconosciuto è stata una sfida difficile anche per gli esploratori  che navigavano in mari ignoti.

“Trovare la propria posizione in una nuvola di cento miliardi di stelle, quando non si può viaggiare oltre il proprio pianeta, è come cercare di mappare la forma di una foresta mentre si è legati a uno degli alberi“, spiega Laurence A. Marschall del Gettysburg College di Gettysburg, Pennsylvania.

E data la nostra propensione a metterci al centro di tutto, capire dove siamo veramente può essere ancora più impegnativo. Ma le tecniche tramandate nel tempo ci hanno fornito un utile set di strumenti che ci hanno aiutato a mappare le stelle e a trovare il nostro posto nel cosmo.

Primi tentativi di collocarci nell’universo

Gli antichi astronomi usarono i cambiamenti nel cielo notturno e nel ciclo del Sole per fare i primi tentativi di individuare la nostra posizione nell’universo, e decisero che eravamo chiaramente al centro di tutto.

Anche se questo ci sembra sciocco ora, all’epoca era un errore facile da commettere. Le stelle e le costellazioni, con i loro schemi regolari e immutabili, attraversavano il cielo notturno e si spostavano con le stagioni, tornando sempre al punto di partenza con la regolarità in un ciclo, noto come tempo siderale.

Sia il Sole, il più importante dei corpi celesti, sia la Luna, il secondo, sembrano orbitare attorno alla Terra, contribuendo a dare origine al modello geocentrico dell’universo in cui la maggior parte delle persone credeva fino alla metà del secondo millennio d.C., e anche per molto tempo dopo in alcuni ambienti.

Ma anche nei tempi antichi c’erano chiare indicazioni che la Terra non fosse al centro delle cose.

Per tutte, i pianeti visibili che “vagavano” sullo sfondo di stelle apparentemente fisse o vicino al Sole, durante il crepuscolo dell’alba o del tramonto, non orbitano ovviamente intorno alla Terra. In effetti, Mercurio e Venere attraversano entrambi uno spazio fisso nel cielo e possono essere osservati in orbita attorno al sole.

Aristarco di Samo, un antico filosofo greco vissuto dal 310 al 230 a.C. circa, è accreditato di aver proposto il primo modello eliocentrico dell’universo, un ottimo lavoro.

Aristarco affermava correttamente che la Terra orbita attorno al Sole, oltre a determinare l’ordine corretto dei cinque pianeti visibili rispetto alla Terra, con Mercurio e Venere orbitanti più vicini al Sole con Marte, Giove e Saturno orbitanti oltre l’orbita terrestre.

Per ragioni filosofiche, più che scientifiche, questo modello fu rifiutato per due millenni, fino a quando Galileo dimostrò che Giove è orbitato da quattro lune, contraddicendo direttamente l’idea che la Terra fosse il centro di tutto.

Durante la Rivoluzione Scientifica, gli astronomi furono in grado di determinare che le stelle nel cielo notturno non erano punti fissi su una sfera celeste che segnava il confine dell’universo, ma altri soli come il nostro situati a distanze incredibili da noi.

Non sapevamo nemmeno che esistessero le galassie. Dati i telescopi dell’epoca, le galassie erano indistinguibili da altre nuvole e nebulose nel cielo notturno, e fu solo negli anni ’20 che l’evoluzione tecnica della strumentazione permise di iniziare a dare forma alle galassie. Edwin Hubble, lavorando con il telescopio più avanzato dell’epoca, calcolò che la Nebulosa di Andromeda è a 900.000 anni luce da noi (sbagliò, poiché la distanza effettiva è più vicina al doppio di quella calcolata da Hubble), e ad una distanza così fantastica che doveva rappresentare una galassia completamente separata composta di stelle.

Con la prova definitiva dell’esistenza di un’altra galassia, si è presentata l’ovvia domanda: se siamo in una galassia distinta, che aspetto ha e dove si trova il nostro sistema solare al suo interno?

Mappare la Via Lattea

Conoscere la forma approssimativa della nostra galassia è un passo importante nella costruzione di una mappa che potremmo usare, ma come puoi distinguere la forma della galassia dall’interno?

Fortunatamente, avevamo delle solide prove su cui lavorare. Con le osservazioni documentate della struttura a spirale di Andromeda risalenti al 1850, l’abbagliante nebulosa di polvere e stelle nel cielo notturno che dà il nome alla nostra galassia, la Via Lattea, ha fornito una delle migliori prove che la nostra galassia non è diversa da Andromeda.

“Ci si fa un’idea approssimativa della forma della galassia della Via Lattea semplicemente guardandosi intorno: una banda di luce sfocata e irregolare circonda il cielo“, spiega Marschall. “È larga circa 15 gradi e le stelle sono concentrate in modo abbastanza uniforme lungo la striscia. Questa osservazione indica che la nostra Via Lattea è un disco di stelle appiattito, con noi situati da qualche parte vicino al piano del disco.

“Se non fosse un disco appiattito, avrebbe un aspetto diverso. Ad esempio, se fosse una sfera di stelle, vedremmo il suo bagliore in tutto il cielo, non solo in una fascia stretta. E se fossimo molto sopra o sotto il disco, non lo vedremmo dividere il cielo a metà: il bagliore della Via Lattea sarebbe più luminoso su un lato del cielo che sull’altro“.

Sapendo che la nostra è una galassia a spirale come Andromeda e innumerevoli altre che abbiamo scoperto nel cielo notturno nel corso degli anni, abbiamo avuto un buon modello con cui lavorare per costruire una mappa approssimativa della Via Lattea. Ma come abbiamo scoperto dove eravamo su quella mappa?

Capire dove siamo in una galassia a spirale è decisamente più difficile che sapere che siamo in una galassia a spirale, ma non è impossibile.

“La posizione del sole nella Via Lattea può essere individuata misurando la distanza da tutte le stelle che possiamo vedere“, ha detto Marschall. “Nel tardo XVIII secolo, l’astronomo William Herschel tentò di farlo, concludendo che la terra era al centro di una nuvola di stelle a forma di ‘mola’. Ma Herschel non era a conoscenza della presenza di piccole particelle di polvere interstellare, che possono oscurare la luce delle stelle più lontane della Via Lattea”.

“Sembravamo essere al centro della nuvola perché non potevamo vedere oltre in tutte le direzioni. A una persona legata a un albero in una foresta nebbiosa, sembra che la foresta si estenda allo stesso modo in tutte le direzioni, ovunque ci si trovi“.

Tuttavia, solo quando abbiamo sviluppato strumenti migliori siamo riusciti a ottenere un’idea migliore dei confini della galassia, nonché di dove potrebbe trovarsi il suo centro. Sappiamo da molto tempo come misurare la distanza dalle stelle vicine usando la parallasse stellare (la  differenza di direzione di un oggetto celeste misurata da  due punti ampiamente separati).

Ciò ha aiutato Harlow Shapely, un astronomo americano dell’inizio del XX secolo, a determinare la distanza di diversi ammassi globulari di stelle che coprono un’estensione di circa 100.000 anni luce di diametro e sembravano essere centrati attorno a un punto nella costellazione del Sagittario.

“Shapley ha concluso (e da allora altri astronomi hanno verificato) che il centro della distribuzione degli ammassi globulari è anche il centro della Via Lattea“, ha detto Marschall, “quindi la nostra galassia sembra un disco piatto di stelle incorporato in una nuvola sferica, o ‘alone’, di ammassi globulari.

“Negli ultimi 75 anni, gli astronomi hanno perfezionato questa immagine, utilizzando una varietà di tecniche di astronomia radio, ottica, a infrarossi e persino a raggi X, per riempire i dettagli: la posizione dei bracci della spirale, le nuvole di gas e polvere, concentrazioni di molecole e così via“.

Tutto questo ci fa sapere che siamo almeno ad una certa distanza dal centro, in uno dei bracci della galassia. E poiché possiamo vedere chiaramente un altro braccio galattico opposto al Sagittario, ci troviamo su un braccio interno della Via Lattea.

Inoltre, osservando di più questo apparente centro, siamo stati in grado di concentrarci sul nucleo galattico: il buco nero supermassiccio al centro della galassia noto come Sagittarius A*. Conoscendo la posizione del Sagittario A*, possiamo misurare la nostra distanza da esso e almeno ricavare la nostra posizione relativa.

“L’immagine moderna essenziale è che il nostro sistema solare si trova sul bordo interno di un braccio a spirale, a circa 25.000 anni luce dal centro della galassia, che è nella direzione della costellazione del Sagittario“, ha detto Marschall.

Questa sarà ancora la migliore stima che avremo per un po’, ed è più che sufficiente per i nostri scopi.

In molti modi, capire dove siamo nell’universo potrebbe essere un compito più facile, soprattutto perché stiamo cercando la nostra posizione rispetto agli oggetti al di fuori della nostra galassia.

E una volta che il James Webb Space Telescope sarà online, potremo iniziare a identificare i bordi dell’universo osservabile identificando la distribuzione delle galassie e delle stelle più antiche nel cielo notturno.

Per questo dovremo aspettare almeno fino a giugno ma, poi, potremmo fare il prossimo grande salto nell’identificare veramente il nostro posto nel cosmo.