Siamo in grado di dimostrare le più basilari nozioni di scienze astronomica come la sfericità della Terra o il moto attorno al Sole? Sappiamo cosa esiste al di là di ciò che è osservabile nel cielo nella nostra quotidianità? Scopriamo il nostro posto nel cosmo ripercorrendo i passi fatti dai primi astronomi e pensatori, fino alle osservazioni e teorie degli scienziati più moderni, provando a comprendere le dimensioni del cosmo.
Dalla Terra sferica alle orbite ellittiche
La credenza di una Terra piatta si trova nei più antichi scritti dell’umanità. Pitagora fu il primo a concepire l’idea di Terra sferica accomunandola con l’estetica degli altri corpi celesti, ma fu Aristotele il primo a fornire prove più concrete nel IV secolo a.C.: infatti l’ombra della Terra proiettata sulla Luna durante un’eclissi lunare è sferica e solo una sfera può proiettare tale ombra; inoltre è prova intangibile della curvatura della superficie terrestre il dileguarsi verso il basso delle navi che si allontanano all’orizzonte del mare. I greci erano in grado di distinguere le stelle fisse dai pianeti, chiamandoli “plànētes astéres”, ovvero stelle vagabonde.
Circa un secolo dopo Eratostene provò a misurare la circonferenza terrestre basandosi sulle ombre proiettate dai raggi del Sole. Oggi sappiamo che il raggio terrestre misura in media circa 6373 km, la sua forma è una sfera schiacciata ai poli (geoide) e abbiamo a disposizione innumerevoli immagini dallo spazio che dimostrano la sua sfericità.
I moti
Ogni giorno la superficie della Terra viene irrorata dalla luce del corpo celeste più luminoso del cielo. La stella che chiamiamo Sole ci appare sollevarsi da Est e muoversi verso Ovest, inoltre ci da l’impressione si essere ad una distanza relativamente vicina rispetto a noi. Fu Guglielmini nel 1790 a fornire la prova sulla rotazione terrestre e il conseguente effetto di alternanza tra giorno e notte: fece cadere un grave dalla cima della torre degli asinelli a Bologna (90 m di altezza) e notò che cadeva spostato di 1,7 cm verso est, questo è possibile poiché un corpo che si trova ad un raggio maggiore rispetto alla superficie di una sfera in rotazione acquista una velocità lineare maggiore.
Osservando il cielo stellato in vari momenti dell’anno è possibile notare la loro differente posizione in un ciclo che si ripete circa ogni 365 giorni. Questa è una prova del movimento della Terra nello spazio, attorno ad un centro, percorrendo una traiettoria chiusa su sé stessa. Una conferma di quanto detto è l’effetto doppler sulle stelle causato dal nostro avvicinarci e allontanarci durante il moto.
La Luna che ruotando intorno alla Terra si frappone ad ogni ciclo tra noi e il Sole fornisce la prova che quest’ultimo è posizionato all’interno dell’orbita generata dal moto di rivoluzione terrestre. Tutto questo, combinato con la rotazione che la Terra compie su sé stessa attorno ad un asse inclinato rispetto al piano dell’orbita, spiega l’alternarsi delle stagioni. Nel 1600, Keplero affermò nella sua prima legge, che l’orbita descritta da un pianeta è un’ellisse, di cui il Sole occupa uno dei due fuochi, la quale è attualmente valida nei suoi limiti di applicabilità.
Il nostro cortile di casa
Conoscendo la dimensione della Terra è possibile misurare la dimensione della Luna durante la sua eclissi totale. La Luna nel cielo percorre ogni giorno una distanza pari al proprio diametro in circa un’ora, mentre durante l’eclissi totale percorre l’intera ombra terrestre in circa 2 ore e 40 minuti. Nel III secolo a.C., Aristarco di Samo utilizzando questi dati scoprì che l’ombra terrestre era 2,7 volte più grande della Luna e calcolò che questa avesse un diametro di 4800 km, mentre oggi sappiamo che il suo raggio è di circa 1738 km. Attraverso analoghe misurazioni, durante l’eclissi solare ad esempio, è possibile calcolare anche il raggio del Sole, circa 695.475 km.
Adesso proviamo a immaginare un modellino in scala della Terra con un diametro di 10 cm, più o meno come un’arancia, che è 130 mila volte più piccola di quella vera (circa 1:130.000). Il modellino corrispettivo della Luna dovrà avere un diametro di 2,7 cm, più o meno grande come un tappo di bottiglia. Seguendo semplici ragionamenti trigonometrici, basterà posizionare il modellino della Luna a una distanza tale che, guardandola dal modellino della Terra, essa dovrà avere le stesse dimensioni della Luna reale per ottenere la versione in scala della distanza Terra-Luna. Dunque i due modellini dovranno essere distanti 3 m, che nella realtà corrispondono a circa 384.400 km.
Il sistema solare
Un analogo modellino del Sole, con lo stesso rapporto di scala, 130 mila volte più piccolo del Sole reale, dovrà avere un diametro di 11 m, ovvero come 6 persone uno sopra l’altro. Dalla Terra il Sole ci appare circa della stessa dimensione della Luna, quindi per misurare la distanza Terra-Sole basterà porre il modellino del sistema Terra-Luna (posti a 3 metri tra di loro) ad una distanza tale che, guardando il modellino della Luna dal modellino della Terra, essa abbia la stessa dimensione del modellino del Sole. Quello che si ottiene è una distanza di 1,1 km, ovvero 10 campi da calcio, che nella realtà corrispondono a circa 150 milioni di km.
Sappiamo che intorno al Sole orbitano altri pianeti oltre alla Terra: ad esempio, Marte nel nostro modellino in scala si troverebbe ad una distanza di 1,8 km, più avanti ci sarà Giove a 6,1 km, fino ad arrivare all’ultimo pianeta, Nettuno, a 35 km dal modellino del Sole, che nella realtà corrispondono a 4,5 miliardi di km. Un modellino dell’intero sistema solare utilizzando questa scala in cui la Terra è della grandezza di un’arancia, misurerebbe circa 230 km di diametro, cioè l’area di un cerchio che racchiude Roma e Napoli.
Dimensioni cosmiche
Per misurare distanze maggiori di queste, diventa impossibile utilizzare i km come unità di misura, perciò gli astronomi hanno introdotto “l’anno luce”, ovvero la distanza che la luce percorre nel vuoto in un anno alla velocità di 300.000 km/s, che corrisponde a 9.500 miliardi di km. Con questa unità di misura la distanza Terra-Sole diventa 8 minuti luce, cioè la luce impiega 8 minuti per percorrere i 150 milioni di km che dividono la Terra dal Sole.
Torniamo al modellino. Per riprodurre la massima velocità raggiungibile nell’universo basterà correre a poco più di 8 km/h dal modellino del Sole al modellino della Terra. Questo può esserci utile ad esempio per comprendere la distanza che ci divide dalla stella più vicina al sistema solare, Proxima Centauri. Essa dista circa 4 anni luce e nel nostro modellino equivarrebbero a 280.000 km, ovvero, nel nostro modellino, la prima stella dopo il Sole, dovremmo posizionarla a ¾ della distanza Terra-Luna nella realtà!
Se pensiamo che la massima velocità nello spazio raggiunta da un oggetto costruito dall’uomo è di 250.000 km/h (5000 volte meno della velocità della luce), combinato al fatto che la velocità della luce è irraggiungibile per un oggetto di massa considerevole come una navicella spaziale, risulta praticamente impossibile ipotizzare un viaggio verso altre stelle nel prossimo futuro. Infatti a questa velocità impiegheremmo 4.300 anni per raggiungere Proxima Centauri.
L’immensità del cosmo
Il Sole, insieme ad altre stelle vicine, compongono un gruppo locale grande alcuni anni luce. A loro volta si trovano in una galassia a spirale di media grandezza chiamata Via Lattea, con un diametro di 100.000 anni luce, che contiene oltre 300 miliardi di altre stelle.
La galassia più vicina alla nostra dista 2,5 milioni di anni luce e si chiama Andromeda. Insieme ad altre 50 galassie, formano un ammasso galattico locale con un diametro di 10 milioni di anni luce. Questo ammasso insieme a molti altri formano il Superammasso della Vergine, che a sua volta fa parte dell’ancora più grande Superammasso Laniakea che si estende per 520 milioni di anni luce. Insieme ad altri milioni di Superammassi formano giganteschi bracci a formare la più grande struttura dell’Universo che l’uomo conosca (con un po di fantasia si può notare una certa somiglianza con la struttura delle reti neuronali del cervello).
Tuttavia esistono dei limiti fisici invalicabili oltre il quale l’uomo per ora non può spingersi. Possiamo osservare l’Universo fino a 46 miliardi di anni luce in ogni direzione, ma la luce delle stelle oltre questo limite (chiamato “Universo osservabile”) non potrà mai raggiungerci poiché lo spazio che ci separa si dilata a una velocità maggiore della velocità della stessa luce. Le attuali teorie prevedono che l’Universo possa continuare oltre questo limite all’infinito, oppure interrompersi per lasciare spazio ad altri Universi completamente inesplorati, estendendosi su dimensioni fuori dalla portata della comprensione umana.
Francesco Marsiglia
