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Distanze cosmologiche

articolo di Belli Sirio

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Il concetto di distanza è, a prima vista, qualcosa di molto semplice e intuitivo. Se ad esempio diciamo "Ancona dista da Pesaro 60 km" intendiamo che se guidiamo da Ancona a Pesaro seguendo un'immaginaria strada rettilinea che colleghi le due città, all'arrivo il contachilometri segnerà 60. Andando esattamente ai sessanta all'ora impiegheremo un'ora a percorrere il tragitto. Oppure, se potessimo avere un metro così lungo da poterlo stendere tra le due città, ponendo lo zero su Ancona leggeremmo 60 km a Pesaro.

Ma possiamo misurare questa distanza anche in un altro modo. Dall'Osservatorio di Pietralacroce in una serata sufficientemente tersa è possibile vedere il faro di Pesaro lampeggiare. Naturalmente se ci potessimo avvicinare al faro la sua luce apparirebbe più luminosa. Conoscendo la potenza del fascio luminoso e misurando, ad esempio con una macchina fotografica digitale, l'intensità della luce ricevuta, è possibile dunque ricavare la distanza della sorgente luminosa. In questa maniera è possibile ottenere una misura della distanza Ancona-Pesaro senza dover muovere nemmeno un passo. Il risultato sarà naturalmente 60 km, a patto di aver eseguito il calcolo correttamente.

Vi è ancora un altro metodo indipendente per misurare la stessa distanza. Il principio è molto semplice: più siamo distanti da un oggetto e più esso ci appare piccolo. Il nostro cervello utilizza questo metodo di continuo: dalla dimensione apparente di un palazzo possiamo stimare quanto questo disti da noi.
Immaginiamo dunque di puntare un cannocchiale verso il faro di Pesaro. Se riusciamo a vedere la torre del faro, possiamo usare la sua altezza apparente per determinarne la distanza, a costo di conoscerne l'altezza reale. Con un po' di conoscenze di geometria non è difficile fare il calcolo esatto e, anche questa volta, il risultato sarà lo stesso: Pesaro dista da Ancona 60 km.

Questi quattro metodi (lettura del contachilometri, utilizzo di un metro rigido, misura dell'intensità luminosa e misura delle dimensioni apparenti) daranno sempre lo stesso risultato. Possiamo misurare distanze di centinaia di km oppure di pochi metri, ma i diversi metodi saranno sempre in accordo tra loro.

Ma cosa succede quando invece di misurare la distanza da Pesaro vogliamo misurare la distanza da una galassia? In linea di principio possiamo applicare gli stessi metodi. Dato che guidare un'astronave o stendere un metro per milioni di anni luce non è molto pratico, gli astronomi preferiscono utilizzare i rimanenti due metodi. Le galassie sono piuttosto diverse tra di loro in dimensioni e luminosità, ma supponiamo per semplicità che siano tutte identiche: tutte con lo stesso diametro (ad esempio un miliardo di miliardi di km) e con la stessa intensità luminosa (ad esempio la luminosità di cento miliardi di soli). Allora per ogni galassia noi possiamo, tramite un buon telescopio, misurare la dimensione e la luminosità apparenti, e quindi stabilirne la distanza. Iniziamo ad esempio con una delle galassie più famose: la nebulosa di Andromeda. Il metodo del diametro ci dà una distanza di 2.5 milioni di anni luce. Usando il metodo della luminosità otteniamo, di nuovo, 2.5 milioni di anni luce. Benissimo, tutto funziona a meraviglia, ma ora proviamo di nuovo con una galassia molto più distante. In questo caso se il metodo della luminosità ci dà, ad esempio, 200 miliardi di anni luce, il metodo del diametro fornirà un risultato di soli 4 miliardi di anni luce! E lo stesso discorso vale in realtà per tutte le galassie, eccetto le nostre vicine di casa come Andromeda: i due metodi forniscono due distanze diverse, tanto che gli astronomi hanno coniato due nuovi nomi: "distanza di luminosità" e "distanza di diametro angolare".

Questo comportamento può apparire bizzarro, ma solo perché ci siamo dimenticati di un ingrediente fondamentale: l'espansione dell'Universo! La distanza tra due galassie, a differenza di quella tra due città, non ha un valore fisso ma aumenta inesorabilmente con l'andare del tempo. E non perché le due galassie si stiano muovendo bensì perché lo spazio tra di loro si sta espandendo. Quindi mentre la luce viaggia da una galassia all'altra lo spazio gli si espande "sotto i piedi" per cui le regole della geometria euclidea a cui siamo abituati e che funzionano qui sulla Terra o nell'Universo vicino (entro pochi milioni di anni luce l'effetto dell'espansione è troppo piccolo per essere notato) non sono più valide!

A causa dell'espansione, l'Universo in passato era più piccolo di adesso. Questo significa che le galassie più lontane, (che quindi osserviamo nel passato, a causa del tempo impiegato dalla luce ad arrivare a noi) appaiono più grandi, perché paragonate con un universo "più stretto". Per questo motivo la distanza di diametro angolare dopo un certo punto inizia a diminuire anziché aumentare con la distanza!

Qual è dunque la vera distanza di una galassia da noi? Per evitare ambiguità gli astronomi preferiscono utilizzare l'età dell'Universo alla quale stiamo osservando una certa galassia. Dato che l'Universo è nato 13.7 miliardi di anni fa con il Big Bang, è possibile mettere tutte le galassie in una scala di distanza: ad esempio le galassie più distanti attualmente conosciute sono osservate ad un'epoca in cui l'Universo aveva appena mezzo miliardo di anni. Quindi potremmo dire che queste galassie sono a 13.7 - 0.5 = 13.2 miliardi di anni luce da noi, ma la loro distanza di luminosità è 350 miliardi di anni luce, e la distanza di diametro angolare appena 3 miliardi di anni luce.

Questo è solo un esempio dei paradossi che si incontrano nella moderna cosmologia. Non stupisce che inizialmente molti illustri scienziati, compreso Einstein, non considerarono plausibile un universo in espansione.


 
La Galassia di A...
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Nell’Universo in...
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osservatorio
Questo articolo è stato pubblicato sul giornalino Pulsar (numero 35, anno 2012)

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