Le particolarità dello studio dell'astronomia

Rispetto a tutte le altre scienze, o quasi, l'astronomia assume delle peculiarità tali da rendere questa scienza così affascinante e dispendiosa. Si parla di domande, di attese e di strumenti del tutto atipici

Cosa è l'Astronomia?

Sembra una domanda banale ma in realtà bisogna avere ben chiaro cosa stiamo dicendo con "Mi piace l'astronomia"

Quando si inizia un viaggio non è detto che si conosca la meta finale ma, almeno, da dove partire e con quali strumenti ci accingiamo a viaggiare lo sappiamo per forza. Poi, durante il viaggio, potremo chiarirci le idee sulla meta finale, sulle tappe intermedie e magari possiamo scoprire di avere qualche strumento in più di quanto ipotizzato all'inizio. Forse, questo viaggio rispecchia lo studio dell'Astronomia.

Vogliamo iniziare questo viaggio, quindi, con un po' di definizioni: non servono a essere didascalici ma a ragionare sui termini che utilizziamo, per metterci davanti al vero oggetto della nostra passione e per renderci consapevoli dei nostri strumenti. 

L'Astronomia è la scienza che studia gli oggetti e i fenomeni celesti. Si parla spesso di "celeste" e c'è un motivo: questa parola deriva dal latino caelestis, che significa cielo. Quando facciamo riferimento a qualcosa di celeste, quindi, stiamo parlando di tutto ciò che riguarda il cielo e gli oggetti che lo popolano oltre la Terra: stelle, pianeti, lune, galassie, nebulose fino a corpi - celesti appunto - fuori dall'ordinario come i buchi neri. La meccanica celeste è quindi il movimento degli oggetti nel cielo, mentre la sfera celeste è la nostra rappresentazione, omocentrica o geocentrica, del cielo, sulla quale proiettiamo tutti i corpi. Celesti.

Cosa vuol dire, però, studiare gli oggetti celesti? E' difficile rispondere a questa domanda poiché la risposta è variata nel tempo e, alla luce delle sempre nuove scoperte e dei sempre più potenti strumenti, è destinata a variare ancora di più. Possiamo oggi dire che sull'albero dell'astronomia ci sono tanti rami, ciascuno con una propria specializzazione. In via non esaustiva: 

1. Astronomia Osservativa si riferisce alla pratica di osservare e catalogare i fenomeni celesti senza necessariamente spiegare le leggi fisiche sottostanti. È una disciplina che si dedica principalmente alla scoperta, alla mappatura e all'analisi degli oggetti e fenomeni celesti. Un catalogo stellare è un buon esempio: ci dice cosa osservare, dove, quando e - forse - poco più;

2. Astrofisica: si concentra sulle proprietà fisiche degli oggetti celesti e sui processi che ne governano il comportamento. Studia le caratteristiche della materia, la composizione chimica, la temperatura, la pressione e l’evoluzione delle stelle, dei buchi neri, delle galassie e degli altri corpi. Attraverso leggi fisiche, cerca di spiegare i fenomeni osservabili e i meccanismi fondamentali che guidano l'universo. Fino a metà del secolo scorsp non sapevamo neabche perché le stelle brillano: il processo che oggi è invece chiaro, è divenuto tale attingendo a Fisica r Chimica, all'insegna della più completa interdisciplinarietà;

3. Cosmologia: si occupa dello studio dell'universo nel suo insieme, cercando di comprenderne l'origine, l'evoluzione, la struttura su larga scala e il destino finale. Approfondisce temi come il Big Bang, l’espansione dell'universo, la materia oscura e l'energia oscura, mirando a spiegare la storia e la struttura dell’universo su grande scala. E' la cosmologia che vuole fornire le risposte alle più grandi domande umane, quali da dove veniamo? e dove andiamo? E in che modo? Sul "perché", invece, lasciamo fare alla Filosofia;

4. Planetologia si concentra sullo studio dei pianeti, dei satelliti, degli asteroidi, delle comete e di altri corpi all'interno del nostro sistema solare, ai quali negli ultimi decenni si sono aggiunti i corrispettivi di altri sistemi planetari extrasolari (esopianeti, esolune, e così via). Include l’analisi della formazione, composizione e dinamica di questi corpi e delle atmosfere planetarie, cercando anche di comprendere la possibilità di vita al di fuori della Terra in base alle condizioni planetarie;

5. Astronomia stellare si dedica allo studio delle stelle, dalla loro formazione alla loro evoluzione e morte. Include l’analisi dei diversi tipi di stelle, la nucleosintesi stellare (formazione degli elementi all'interno delle stelle), e fenomeni come le supernovae, le nane bianche, le stelle di neutroni e i buchi neri stellari. Se pensiamo che le stelle rappresentano l'unità fondamentale dell'universo (particelle elementari a parte) e della stessa vita, capiamo bene la loro importanza;

6. Astronomia galattica e extragalattica è focalizzata sullo studio della nostra galassia, la Via Lattea, e delle altre galassie al di fuori di essa. Analizza la struttura, la dinamica e l’evoluzione delle galassie, così come i processi che influenzano la formazione stellare su larga scala, le interazioni galattiche e la distribuzione della materia nell’universo. Come chiaro, è strettamente legata all'astronomia stellare e alla cosmologia;

7. Astronomia delle alte energie si concentra su fenomeni estremi e altamente energetici come i buchi neri, le pulsar, le esplosioni di raggi gamma e altri eventi violenti che rilasciano elevate quantità di energia. Utilizza l’osservazione di raggi X e raggi gamma per studiare questi fenomeni di universo "violento";

8. Astronomia radio si dedica allo studio del cielo attraverso le onde radio. È particolarmente utile per osservare regioni dello spazio ricche di gas e polveri, altrimenti invisibili alla luce visibile, permettendo di scoprire oggetti come pulsar, nubi molecolari e resti di supernovae;

9. Astronomia dell’infrarosso studia il cosmo usando la radiazione infrarossa, permettendo di osservare regioni fredde dello spazio, come le nubi di gas dove si formano nuove stelle, e di penetrare attraverso le polveri cosmiche che oscurano la luce visibile;

10. Astrobiologia studia le condizioni e la possibilità di vita nell'universo. Si concentra sulla ricerca di segnali di vita su altri pianeti e sulla comprensione delle condizioni che potrebbero favorirne lo sviluppo;

11. Astrometria misura con precisione le posizioni, le distanze e i movimenti degli oggetti celesti. È fondamentale per la navigazione spaziale, per la mappatura del cielo e per calcolare i moti stellari e galattici;

12. Astronomia delle Onde Gravitazionali, recentissima dal punto di vista pratico, studia le increspature nello spaziotempo causate da eventi cosmici estremamente energetici, come le collisioni di buchi neri o stelle di neutroni, osservabili attraverso rilevatori specializzati detti interferometri. Essendo un campo relativamente recente, questa branca sta ancora espandendo i suoi confini, permettendoci di "ascoltare" eventi cosmici altrimenti invisibili con la radiazione elettromagnetica;

13. Magnetoidrodinamica Astrofisica esplora come i campi magnetici influenzino i fenomeni cosmici su diverse scale, dagli oggetti stellari come le protostelle e i buchi neri ai vasti campi magnetici che permeano intere galassie. 

Un tempo l'Astronomia coincideva con l'Astronomia Osservativa: di teoria se ne conosceva ben poca ma il cielo è sempre stato osservato e studiato. Gli eventi naturali sono da sempre la prima preoccupazione per l'essere umano: la paura di un Sole che tramonta senza capire il perché e con il timore che non sorga più. I terremoti erano visti come risultato del movimento di giganti: per la mitologia giapponese era il gigantesco pesce gatto Namazu a scuotersi mentre in Grecia era Poseidone a scuotere la Terra con il tridente, così come per i nativi americani erano enormi animali sotterranei a far tremare il suolo. Stessa cosa per i vulcani: per gli antichi greci era Efesto, dio del fuoco e della metallurgia, a provocare fiamme durante il suo lavoro mentre per la mitologia hawaiana l'evento era dovuto alla dea del fuoco Pele, in grado di creare e di distruggere la Terra. 

Con il tempo, dall'osservazione sono state tratte leggi empiriche sui movimenti senza comprendere, inizialmente, cosa li determinasse. Oggi viviamo in un contesto culturale nettamente più avanzato poiché possiamo contare sulle conoscenze acquisite negli anni. "If I have seen further, it is by standing on the shoulders of giants" (Se ho visto più lontano, è perché stavo sulle spalle di giganti) scrisse Isaac Newton in una lettera al collega Robert Hooke nel 1675 proprio per riconoscere il contributo dei grandi scienziati che lo avevano preceduto. In realtà la frase ricalcava quanto detto da Bernardo di Chartres già nel XII secolo, quando per definire il sapere umano come un continuo accumulo e perfezionismo delle conoscenze precedenti, scrisse nel libro Metalogicon del 1159 "Siamo come nani sulle spalle di giganti [...] riusciamo a vedere più lontano di loro non per l'accuratezza della nostra vista o l'altezza del nostro corpo, ma perché siamo sollevati in alto dalla loro grandezza". Che poi chissà se Isaac Newton lesse mai il Metalogicon!

Ciò che emerge, nettamente, da quanto detto finora è la interdisciplinarietà dell'Astronomia: richiede conoscenze di fisica, matematica, chimica e altre discipline. E' questo che rende l'Astronomia una materia così affascinante ma anche difficile, qualora si decida di andare oltre l'Astronomia Osservativa. Questa interdisciplinarietà risulta ancora più evidente quando - branca per branca - ci addentriamo a vedere quali siano gli strumenti necessari all'acquisizione di queste conoscenze.

Una panoramica sugli strumenti dell'Astronomia

Ciò che l'universo ci offre sono radiazioni e gravità, niente altro. Non è difficile capire come mai la conoscenza dei meccanismi interni ai corpi celesti è molto recente e ancora incompleta

Ciascuna delle branche viste nel paragrafo precedente riesce a raggiungere il proprio scopo grazie ai differenti strumenti oggi disponibili.

Gli strumenti che abbiamo a disposizione per tutte le branche dell'Astronomia viste finora si riconducono essenzialmente a fenomeni, oggetti e teorie in grado di osservare, modellizzare e prevedere i modi con i quali l'universo si presenta a noi: luce (nel suo senso più ampio, come vedremo, e non solo quella "visibile") e movimenti. 

Non abbiamo altro, da questo universo così grande: le uniche cose che possiamo studiare sono luce e movimenti.  

E' per questo che tutte le branche dell'Astronomia che abbiamo visto precedentemente fanno uso essenzialmente di telescopi, anche se tra loro molto differenti: telescopi che osservano l'universo dalle onde radio alle microonde fino ad arrivare alle onde più energetiche come quelle dei raggi X e dei raggi gamma. Attraverso i telescopi possiamo apprezzare la luminosità degli oggetti, il loro colore, le loro variazioni ma anche il loro movimento. 

Grazie ai telescopi possiamo imparare molto su evoluzione stellare, formazione di elementi pesanti, esplosioni di supernovae, accrescimento di buchi neri, struttura interna delle stelle, nascita di galassie, espansione dell'universo, formazione delle strutture cosmiche più grandi, materia oscura, energia oscura, radiazione cosmica di fondo, atmosfere planetarie, geologia planetaria, vulcanismo, ricerca di vita extraterrestre, formazione dei sistemi planetari e tantissimo altro. Grazie ai radar possiamo renderci conto anche dei movimenti interni ai corpi celesti, studiandone la sismologia. Attraverso altri strumenti chiamati interferometri è possibile verificare il moto dei corpi celesti tramite cattura di onde gravitazionali, cosa che è possibile fare anche grazie a strumenti in grado di indagare dentro la luce, studiandone lo spettro.  

Questi strumenti, nel tempo, hanno avuto nomi famosissimi quali Hubble Space Telescope, James Webb Space Telescope, Radiotelescopio di Arecibo, Chandra X-ray Observatory, LIGO e VIRGO. 

Tutto serve alla stessa cosa: cercare di carpire più informazioni possibili dall'universo, semplicemente guardando luce e movimento.

Da qui, proprio come gli uomini antichi hanno dedotto empiricamente che al tramonto del Sole segue sempre una nuova alba, gli scienziati moderni cercano di stabilire regole in modo da comprendere e prevedere gli eventi futuri. 

In questo viaggio sarà necessario, quindi, comprendere quali siano gli strumenti a disposizione degli scienziati oggi e per questo dobbiamo parlare di luce, di spettro, di dinamica.

L'unicità degli studi astronomici

A parte fenomeni da studiare e strumenti per farlo, ci sono alcuni aspetti che rendono lo studio dell'Astronomia diverso rispetto a quello delle altre Scienze

L'Astronomia, pur essendo una Scienza come tante altre, presenta alcune caratteristiche uniche che la rendono unica.

Una prima distinzione si può operare in base all'oggetto di studio: si occupa dello studio di oggetti estremamente distanti e spesso inaccessibili, come stelle, galassie e altri corpi celesti. Questo la rende una scienza molto osservativa, basata principalmente sulla raccolta e l'analisi di dati provenienti da telescopi e altre strumentazioni.

Un secondo punto riguarda la scala temporale: I fenomeni astronomici si svolgono su scale temporali estremamente lunghe, spesso milioni o miliardi di anni. Questo rende difficile condurre esperimenti in laboratorio e obbliga gli astronomi a fare affidamento su osservazioni indirette, scritture antiche e modelli teorici.

Un terzo aspetto riguarda le limitazioni imposte dalla natura: gli astronomi devono confrontarsi con le limitazioni imposte dalla distanza e dalla natura stessa degli oggetti celesti. Non è possibile manipolare o isolare un fenomeno astronomico come si farebbe in un laboratorio. Per capire come Marte possa aver perso la propria acqua non posso prendere Venere e applicare dei modelli, tanto per fare un esempio banale.

Altro aspetto, già accennato, riguarda l'estrema interdisciplinarità: l'astronomia è una scienza altamente interdisciplinare, che richiede conoscenze di fisica, matematica, chimica e altre discipline. Questo perché per comprendere i fenomeni cosmici è necessario applicare leggi e teorie provenienti da diversi campi, il che rende il discorso - non difficile ma - complesso.

L'unicità, però, è data anche da altri fattori positivi, come ad esempio la possibilità di scoprire continuamente qualcosa di nuovo: l'universo è così vasto e complesso che gli astronomi scoprono continuamente nuovi oggetti e fenomeni, spingendo sempre più in là i confini della nostra conoscenza e soprattutto quando si può contare su uno strumento nuovo e più potente. Pensiamo alla prima volta che Galileo puntò il cannocchiale verso il cielo: chiaramente riuscì a vedere cose che fino ad allora non erano mai state viste, ma un balzo simile si è avuto anche con l'avvento di Hubble Space Telescope prima e di James Webb Space Telescope dopo o con la cattura della prima onda gravitazionale. Ogni volta è come aprire gli occhi per la prima volta, oppure - almeno - mettere a fuoco meglio. Per non parlare di scoperte effettuate mentre, invece, si cercava altro, nei classici tipi di serendipity.

Ma allora, data l'impossibilità di poter utilizzare laboratori e la necessità di dover attendere che l'universo si faccia osservare, il metodo scientifico non si può applicare all'Astronomia?

Si che si applica, anzi! gli astronomi osservano il cielo e raccolgono dati sulla posizione, il movimento, la luminosità e lo spettro degli oggetti celesti al fine di formulare o convalidare ipotesi idonee a spiegare i fenomeni. Queste ipotesi vengono poi verificate con ulteriori osservazioni o, quando possibile, con esperimenti. Se una ipotesi viene confermata da numerose osservazioni ed esperimenti, allora può diventare una teoria. Ciò che cambia sono le scale temporali lunghissime, le distanze enormi e l'impossibilità di controllare gli esperimenti.

Ad esempio, il metodo dei transiti consente di scoprire pianeti intorno ad altre stelle ma per validarlo occorre attendere che un pianeta osservato transiti davanti alla propria stella. 

Altro esempio: Edmund Halley capì che una cometa può passare nel Sistema Solare interno più volte ma, anche se formalizzò la teoria, non riuscì a vivere a lungo per poterla vedere vincente. Allo stesso modo, soltanto tanti anni dopo Eddington riuscì a validare una teoria di Einstein del primo decennio del 1900. Tempi lunghi e tanta pazienza.  

Il nostro viaggio inizierà dalla luce.