di A. Poli

Tutti noi che c’interessiamo di fantascienza, senza dubbio sappiamo che l’universo si trova attualmente in fase di espansione. Molti di noi sapranno anche che una delle prove di questa espansione e fornita dallo spostamento verso il rosso delle righe spettrali della luce stellare. Tale spostamento, interpretato tenendo conto dell’effetto Doppler, ha gradualmente convinto gli astronomi di tutto il mondo che l'universo sta effettivamente espandendosi.

Forse però non tutti sanno cosa sia realmente l’effetto Doppler e come esso possa essere applicato allo studio degli spettri stellari. Per capire tutto ciò nel miglior modo possibile, ritengo che dovremmo esaminare separatamente i vari problemi. Innanzitutto parliamo dello spettro.

Noi sappiamo che il sole emette luce bianca; se tale luce è fatta passare attraverso un prisma di vetro, essa si scompone nei colori dell’iride. Ecco, questa successione di colori si chiama "spettro". In pratica, il prisma di vetro agisce da filtro, separando le radiazioni luminose di diversa lunghezza d’onda e ordinandole in successione. Cosi, partendo dal rosso, che è dato dalle radiazioni con maggiore lunghezza d' onda, attraverso arancio, giallo, verde, azzurro e indaco, si arriva al violetto, che risulta dalle radiazioni con lunghezza d'onda più piccola. Naturalmente esistono anche radiazioni infrarosse ed ultraviolette, ma per i nostri scopi ci basta considerare la sola luce visibile.

Esaminando attentamente uno spettro solare, il fisico tedesco Fraunhofer, vissuto a cavallo tra il 1700 ed il 1800, scoprì che in esso erano visibili centinaia di righe nere (egli ne contò oltre 600).

In seguito si capì che tali righe nere erano dovute all'assorbimento operato da parte di svariati elementi chimici che si trovano sul sole allo stato gassoso. Infatti, se davanti ad una sorgente di luce bianca, simile cioè alla luce solare, si pone un determinato elemento (sodio, ad esempio) allo stato di vapore, esaminando attentamente lo spettro di questa luce si possono notare alcune righe nere (righe di assorbimento) che si trovano in punti ben determinati dello spettro stesso e che quindi sono caratteristiche di questo particolare elemento. Oggi si conoscono le "righe d’assorbimento" di tutti gli elementi chimici esistenti.

Verso il 1920, ci si dedicò allo studio degli spettri di altre stelle e degli ammassi stellari, e si scoprì che essi erano analoghi a quelli solari, con l’unica differenza che le righe nere di assorbimento, pur conservando reciprocamente le medesime posizioni, erano però, nel loro complesso, spostate verso il rosso, cioè verso la zona formata dalle radiazioni di lunghezza d'onda maggiore.

E a questo punto ci fermiamo perché, per interpretare tale spostamento, gli astronomi dovettero servirsi dell'effetto Doppler. Parliamo quindi di questo particolare fenomeno.

L’effetto Doppler fu ipotizzato nel 1842 da parte del fisico dal quale prende il nome, per interpretare alcuni comportamenti delle onde sonore.

Per spiegarmi semplicemente, ricorrerò al classico esempio del facchino del treno in corsa (ma si potrebbe anche fare con il clacson di un’auto). Se un treno si avvicina e ci sorpassa sempre fischiando, potremo rilevare due cose (sempre che, nel momento in cui passa, noi non siamo in mezzo ai binari, nel qual caso, dopo una robusta spinta, non riveleremmo assolutamente niente):

1) Mentre il treno si avvicina, il fischio ci sembrerà più acuto di quanto non sarebbe se il treno fosse fermo rispetto a noi;

2) Quando il treno s'allontana lo stesso suono ci apparirà invece più grave.

Ciò succede perché le onde sonore emesse da una sorgente in movimento rispetto ad un osservatore, non mantengono invariata la loro lunghezza d'onda; essa infatti cala o cresce a seconda che la sorgente rispettivamente si avvicini o si allontani. Il nostro orecchio traduce poi una diminuzione di lunghezza d'onda in un suono più acuto ed un suo aumento in un suono più grave. Ecco perché, quando il treno (e, naturalmente, anche il suo fischio) si avvicina, il suono che emette ci appare più acuto, mentre quando si allontana udiamo un suono più grave.

Fu nel 1848 che il fisico francese Fizeau estese lo stesso effetto anche alle onde luminose (infatti l'effetto Doppler, applicato alle onde. luminose, a rigore dovrebbe chiamarsi "effetto Doppler-Fizeau"). Già Doppler aveva pensato che la luce proveniente da stelle in movimento rispetto alla Terra, ci sarebbe dovuta apparire di colore leggermente diverso da quello originale, proprio per la variazione di lunghezza d'onda che le radiazioni luminose subiscono a causa dello spostamento reciproco tra terra e stelle. Fizeau dimostrò che tale cambiamento di colore è talmente piccolo che nessun occhio umano lo avrebbe mai potuto notare (e d'altronde se anche la luce cambiasse sensibilmente di colore, non potremmo in ogni caso saperlo, infatti non abbiamo nessuna possibilità di metterci in posizione di quiete rispetto alla stella che la emette, in modo da avere la controprova). Egli suggerì invece che l’ipotesi che il movimento delle stelle rispetto alla terra si sarebbe potuto dimostrare osservando lo spostamento delle righe nere del loro spettro luminoso rispetto al riferimento offertoci dalle righe spettrali solari. Ai suoi tempi, tuttavia, non esistevano ancora gli strumenti adatti a verificare le sue ipotesi. Fu solo attorno al 1920, come ho già accennato prima, che, con l’ausilio di raffinati spettrografi (che svolgono molto più accuratamente il medesimo compito del prisma di vetro) accoppiati a potenti telescopi, fu possibile esaminare lo spettro di lontane stelle della nostra galassia, non solo ma anche di altre galassie. In tal modo gli astronomi scoprirono che, salvo rarissime eccezioni, tutte le stelle e le galassie presentano righe nere spettrali spostate verso il rosso.

Furono gli astronomi americani Hubble e Humason, nel 1929, ad interpretare tale spostamento delle righe spettrali tenendo conto dell’effetto Doppler Fizeau: essi, seguendo fino in fondo tale interpretazione, osarono affermare ciò che ne è la logica quanto arditissima conclusione: l’universo si sta espandendo.

Dimostrarono inoltre che la velocità di allontanamento della terra è direttamente proporzionale alla distanza delle stelle e delle galassie rispetto ad essa.

Addirittura giunsero a calcolare che, salvo rarissime eccezioni per quelle più vicine, la velocità di allontanamento delle galassie aumenta di circa 75 Km/se. per ogni megaparsec in più di distanza dalla terra (1 megaparsec significa 1.000.000 di parsec e un parsec vale circa 3,26 anni luce). L'interpretazione dello spostamento verso il rosso delle righe spettrali stellari come dovuto all'effetto Doppler-Fizeau e quindi ad una vera e propria fuga di galassie, non fu accettata facilmente. Infatti da tale ipotesi sembrava doversi concludere che la terra è al centro di questa gigantesca fuga delle galassie e quindi al centro dell'universo, secondo la più schietta tradizione tolemaica.

Ci volle la relatività di Einstein per dare una precisa spiegazione, affermando che l’intero universo si sta espandendo, trascinando con sé tutte le galassie che lo popolano. Possiamo rappresentarci questa situazione immaginando un palloncino sulla cui superficie siano state dipinte tante macchie: gonfiando il palloncino, la gomma di cui è formato si distende e le macchie si allontanano le une dalle altre.

In modo analogo si comporta anche l'universo, con la non piccola differenza che esso è tridimensionale e non solo bidimensionale, come la superficie del palloncino, (a dir la verità ci sarebbe anche l'altra trascurabile differenza fra le dimensioni dell'universo e quelle del palloncino; ma, da "I viaggi di Gulliver" in poi, quella delle dimensioni ha cessato, per le persone veramente intelligenti, di essere un’autentica discriminante). In ogni modo, la relatività generale ci spiega che le galassie nel loro insieme si stanno allontanando l’una dall’altra e non ha senso parlare del centro di tale dispersione, in quanto un osservatore posto in un qualsiasi punto dell’universo, e quindi anche sulla terra, ha sempre l’impressione che tutti gli altri corpi celesti si allontanino da lui. Come succede spesso con le grandi scoperte scientifiche, anche l’avere le prove dell’espansione dell’universo ha generato più interrogativi di quanti ne abbia risolti. Infatti il fatto che si espanda indica che l'universo era primitivamente di dimensioni assai più piccole (alcuni dicono addirittura delle dimensioni di un atomo, e che poi è esploso espandendosi. Ci si può chiedere allora come e perché l’universo è esploso e, se l’attuale fase di espansione durerà all’infinito o se sarà seguita da una fase di contrazione. E ancora, cosa c’era prima dell’esplosione (il famoso Big Bang). Risposte sicure finora non ce ne sono, ci sono solo ipotesi più o meno fondate.

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