Edwin Hubble

e l'espansione dell'universo

Più di qualunque altro astronomo Hubble ebbe un ruolo determinante nel dare forma alla concezione - oggi comunemente accettata - di un universo in continua espansione, popolato da una moltitudine di galassie.

estratto da un art. di Donald E. Osterbrock, Joel A. Gwinn e Ronald S. Brashear (da "Le scienze - scientific American nr.301")

Grazie all'esperienza nelle osservazioni, all'ambizione personale e alla possibilità di servirsi dei migliori telescopi dell'epoca, Edwin Hubble poté compiere una serie di scoperte cosmologiche di rivoluzionaria importanza.

Nel corso degli anni 20 e 30 Edwin Powell Hubble cambiò la concezione scientifica dell'universo in maniera più radicale di quanto fosse mai stato fatto dopo la rivoluzione copernicana.. Proprio come allora la terra era stata <<rimossa>> dal centro del sistema solare, così Hubble dimostrò che la via lattea, ben lungi dall'essere unica, non è in realtà che una fra gli innumerevoli milioni di galassie.

 L'opera di Hubble

 contribuì anche a rimpiazzare l'idea di un cosmo statico con un sorprendente quadro di un intero universo in espansione, portando ai limiti estremi la celebre affermazione di Galileo <<Eppur si muove>>. Sebbene molti ricercatori avessero contribuito a queste rivoluzionarie scoperte, un energica determinazione, un acuto intelletto e una straordinaria facilità di comunicazione permisero a Hubble di legare indissolubilmente ilproprio nome al problema di come fosse costituito l’universo.

 La vita di Hubble

appare in tutto e per tutto come una storia tipica americana di successo.  La sua famiglia si stabilì nel Missouri nel 1833, il nonno e il padre di Edwin, assicuratori operosi e abbastanza agiati, integri onesti e lavoratori, descritti così insieme a altri <<abbellimenti>> che tralascio, da Grace Hubble moglie di Edwin. 

Hubble nacque a Marshfield, Missouri, il 20 novembre 1889, terzo di sette figli sopravvissuti. Nel 1898 la famiglia si trasferì a Evanston nell’Illinois e, due anni dopo, a Wheaton, dove Edwin rivelò una vera attitudine per lo studio e per l’atletica. All’età di 16 anni si iscrisse all’Università di Chicago, dove continuò a manifestare talento in entrambi i campi, con ottimi risultati in matematica, chimica, fisica astronomia e lingue.

Dopo il conseguimento del diploma Hubble, si iscrisse al Queen’s College dell’Università di Oxford nell’ottobre 1910, vi studiò giurisprudenza (il padre voleva diventasse avvocato).  Dopo tre anni Edwin tornò a vivere con la famiglia che nel frattempo si era trasferita nel Kentucky, e, affermando di essere abilitato a svolgere professione legale, lavorò come avvocato a Louisville. Sembra inoltre, che durante questo periodo egli sia stato insegnante e allenatore di pallacanestro in una scuola secondaria di New Albany nell’Indiana. Poco interessato alla professione legale e insoddisfatto dell’insegnamento, decise di dedicarsi alla sua vera passione, l’astronomia.

Nella primavera del 1914 Hubble scrisse al suo professore di astronomia (Forest  Ray Moulton)  a Chicago, per informarsi sulle possibilita di specializzarsi in questo campo, e Moulton lo raccomandò con entusiasmo a Edwin B. Frost, direttore del Yekers Observatory di Williams Bay nel Winsconsin. Frost accettò Hubble procurandogli una borsa di studio.

Nel 1914 era prevista una riunione  dell’American Astronomical Society alla Northwestern Uniiversity, nella vicina Evanston, e Frost gli suggerì di parteciparvi.  Hubble ebbe così l’occasione di essere presente al’incontro  in cui Vesto M. Slipher  ebbe una controversia sui risultati  dei suoi recenti studi sulle nebulose. <<Nebulosa>> era un termine generico che gli astronomi impiegavano da secoli per indicare oggetti dai contorni indistinti che,  al contrario delle comete, non cambiavano posizione o aspetto. La natura di questi oggetti non era affatto facile da spiegare.

 Nel 1755 Immanuel Kant

 aveva supposto che alcune nebulose potessero essere <<universi isola>>, sistemi indipendenti di stelle simili alla nostra Via Lattea; questa ipotesi stimolò l’immaginazione di molti scienziati ma si rivelò assai difficile da dimostrare.

All’inizio del XX secolo molti astronomi si erano ormai convinti che le nebulose a spirale fossero in realtà galassie lontane composte da una moltitudine di stelle; gli scettici continuavano invece a sostenere che questi oggetti fossero strutture vicine, forse stelle giovanissime o in via di formazione. Alla riunione della Astronomical Society nel 1914 Slipher presentò le prime fotografie adeguatamente esposte e ben calibrate degli spettri di nebulose a spirale. Nelle foto degli spettri stellari, nei quali la luce appare suddivisa nelle lunghezze d’onda costituenti, si vedono righe scure, dette di assorbimento, dovute alla cattura di radiazione da parte di atomi dell’atmosfera delle stelle. Slipher dimostrò che gli spettri delle nebulose a spirale mostrano lo stesso tipo di righe di assorbimento che caratterizza gli spettri stellari.

Inoltre trovò che le righe di assorbimento di queste nebulose sono spostate a lunghezze d’onda diverse da quelle che si osservano in laboratorio per gli atomi corrispondenti. Questa variazione di lunghezza d’onda, detta spostamento Doppler, è causata dal moto rispetto alla Terra dell’oggetto che emette la luce. Gli spostamenti Doppler indicavano che le nebulose a spirale osservate da Slipher, hanno una velocità molto più alta di quella caratteristica delle stelle della Via Lattea, il che rafforzava l’ipotesi che le nebulose a spirale non facciano parte della Via Lattea.

Quando Hubble arrivò allo Yerkes Observatory  trovò una istituzione in piena decadenza, impegnata solo in ricerche di routine. Edwin non si scoraggiò e diede inizio a una ricerca con fotografie con il fino a quel momento inutilizzato telescopio riflettore da 24 pollici. Da quel lavoro nacque la sua tesi di dottorato: Photografic Investigation of Faint Nebulae  , che contiene molte delle anticipazioni delle sue successive ricerche sulle galassie e sulla cosmologia.

Hubble descrisse e  classificò le molte nebulose piccole e deboli che non assomigliano a nubi diffuse di gas e notò che la maggior parte di esse è ellittica e non a spirale.  Sottolineò il fatto che le nebulose deboli si distribuiscono soprattutto nelle zone di cielo lontane dalla Via Lattea e che molte di esse appaiono raggruppate insieme.

Hubble non lasciava dubbi sulla propria opinione:

<< suppniamo che siano oggetti extrasiderei, e forse potremmo vedervi ammassi di galassie; supponiamo che si trovino nel nostro sistema, e la loro natura diventa un mistero>>. Nell’ottobre del 1916 ebbe un invito di lavoro  da Gorge Ellery Hale direttore del Mount Wilson Observatory di Pasadena CA. , aveva bisogno di personale scientifico per lavorare col telescopio da 100 pollici di cui stava ultimando la costruzione, a condizione che terminasse il dottorato. Ma tutto si sciolse purtroppo con l’avvento della prima guerra mondiale, e così Hubble era anche un “patriota credente” decise di arruolarsi. Ebbe un certo successo anche sotto le armi, diventò comandante di battaglione e poi Maggiore, ma non poté mai mettere mano a una battaglia vera, di questo se ne dispiacque con una lettera a Frost in cui sottolineava la delusione di essereancora  un Maggiore dell’esercito e di non aver partecipato a una azione bellica.

Nel 1919 congedato, rientrò al Mount Wilson Observatory dove erano attivi due telescopi, 60 e il nuovo 100 pollici (all’epoca, il più grande del mondo)

Milton Humason che in seguito  collaborò con Hubble in studi sull’universo profondo, conservò un vivido ricordo della prima sessione osservativi a Mount Wilson:<<Quella notte le condizioni di osservazione erano pessime rispetto alla norma a Mount Wilson, ma Hubble tornò entusiasta dopo aver sviluppato la sua lastra. “Se queste sono condizioni di cattiva visibilità – disse- riuscirò sempre a ottenere fotografie utilizzabili con gli strumenti di Mount Wilson”.  La fiducia e l’entusiasmo che dimostrò quella notte erano tipiche  del suo modo di affrontare tutti i problemi. Era sicuro di sé, di ciò che voleva fare e di come farlo>>.

Hubble tornò immediatamente a lavorare sul problema della natura delle <<nebulose non galattiche>>, quelle che <<tendono a evitare il piano della galassia e a concentrarsi ad alte latitudini galattiche>>. All'epoca egli non aveva ancora accettato completamente l'idea che questi oggetti fossero galassie diverse dalla nostra. Il suo studio dettagliato delle nebulose e non galattiche ebbe inizio dall'oggetto irregolare NGC 6822 (la sigla indica il New General Catalogue di nebulose compilato da J.J.E. Dreyer). Nel 1923, impiegando il telescopio da 100 pollici, Hubble aveva già scoperto diverse piccole nebulose e 12 stelle variabili all'interno di NGC 6822. Nel suo lavoro venne felicemente interrotto nel 1924, quando egli sposò Grace Burke Leib, una vedova il cui primo marito era morto nel 1921. Grace aveva incontrato Edwin nel 1920,

 durante una gita a Mount Wilson,

e lo idolatrò per il resto della sua vita. Anni dopo rievocò la sua elettrizzante prima impressione di Edwin con queste parole: <<un figlio dell'olimpo, a alto, bello e forte, con le spalle di Hermes di Parassitele e un'aria di benevola serenità. Dopo la luna di miele Hubble tornò a Pasadena, dove concentrò la propria attenzione su M 31, la famosa galassia di Andromeda e, grazie alla sua notevole esperienza osservativa e alle ineguagliate  capacità del telescopio gigante da 100 pollici, riuscì a risolvere chiaramente sei stelle variabili all'interno della nebulosa. Hubble questa osservazione confermava inequivocabilmente che  M 31 è un sistema lontano composto di stelle e, per implicazione, e altre nebulose a spirale più deboli sono galassie ancora più distanti. Sebbene la stella più brillante scoperta da Hubble fosse solo di diciottesima grandezza al massimo di luminosità - e quindi 60.000 volte meno brillante delle stelle più deboli visibili a occhio nudo -egli riuscì a effettuare 83 misurazioni della sua luminosità,1'impresa notevole per l'epoca. Da questi dati, stabilì che la luminosità della stella variava nella maniera caratteristica di una classe particolare di stelle, le variabili cefeidi. Questi oggetti sono estremamente interessanti perché il periodo di variabilità di una cefeide è direttamente correlato alla sua luminosità assoluta. Confrontando quest'ultimo valore con la luminosità apparente della stella, Hubble riuscì a calcolarne la distanza, e quindi anche quella della galassia che la circonda. Con l'inesauribile energia, Hubble continuò a fare scoperte in rapida successione. Alla fine del 1924 aveva identificato e diverse altre variabili cefeidi in M 31 e in M33,1 galassia a spirale della costellazione del Triangolo. Inviò una comunicazione che descriverà questi i risultati a un convegno della American Astronomical Association for the Avancement of Science tenuto a Washington, dove l'eminente astrofisico Henry Norris Russel e lesse il 1 gennaio 1925. Hubble aveva calcolato che sia M31 che M33 distano circa 900.000 a.l., e si trovano quindi ben al di là dei limiti conosciuti della via lattea. Come disse Joel Stebbins, segretario della società astronomica, Hubble era finalmente riuscito a <<dare conferma alla cosiddetta teoria degli universi-isola>>. 

A dispetto dei rapidi progressi delle sue ricerche, Hubble pubblicò i risultati con molta calma, cercando di ottenere tutte le conferme possibili prima di affidarli alla stampa.

Il primo articolo

contenente i risultati degli studi di Hubble sulle stelle variabili nelle nebulose a spirale apparve nel corso del 1925. Basandosi sull'osservazione di variabili cefeidi in NGC 6822, affermò in questa nebulosa era <<il primo oggetto assegnabile senza un dubbio a una regione esterna al sistema galattico>>. Il fondamentale articolo A Spiral Nebula as a Stella System, che dimostrava come M 33 sia anche essa una galassia situata molto lontano dalla nostra, fu pubblicato nel 1926, e solo nel 1929 Hubble riassunse questa fase delle sue ricerche in una lunga memoria che descriveva in dettaglio i suoi studi sulla distanza e la composizione stellare di M 31. Oltre a determinare la distanza delle <<nebulose extragalattiche>>, Hubble cercò di classificarle e di comprendere la varietà delle loro strutture. A partire dal 1923, si dedicò a ordinare le nebulose secondo quello che riteneva essere uno schema evolutivo: a suo parere, via via che una nebulosa invecchia forma bracci che si ingrandiscono e si aprono. Per spiegare l'esistenza delle spirali barrate, nelle quali i bracci di spirale si dipartono dalle estremità di una formazione a barra, Hubble propose che le galassie ellittiche possano evolvere in una spirale normale o nella forma barrata. Lo schema risultante di classificazione, a duerami, è tuttora ampiamente usato, anche se ne sono state abbandonate le implicazioni evolutive.

 Il contributo di gran lunga più importante dato da Hubble alla scienza moderna è la sua dimostrazione del fatto che l'universo si sta espandendo. Qualche indizio del fenomeno era venuto in luce già prima che Hubble si interessasse al problema. Fra il 1910 e il 1900 e 1920 Slipher aveva notato che la maggior parte delle nebulose da lui osservate sembrava allontanarsi dal Sole. Prima del 1924 un terzetto di astronomi - il tedesco Carl W. Wirtz , lo svedese Knut E. Lundmark e lo statunitense Ludwik W. Silberstein - aveva osservato che nebulose a spirale particolarmente piccole, e presumibilmente remote, sia lontano dalla Via Lattea più velocemente di quelle vicine. I loro dati, tuttavia, erano marginali, e lo stile polemico e le affermazioni incontrollate  di Silberstein ostacolarono addirittura accettazione del concetto di universo in espansione. Ovviamente, per compiere ulteriori progressi era necessario un telescopio più grande; il riflettore da 100 pollici di Mount Wilson era ideale.

Verso la metà degli anni 20

Hubble era impegnato a misurare la luminosità delle stelle nelle galassie a spirale, e quindi chiese al collega Humason di determinare le velocità radiali delle galassie, vale a dire il loro moto di avvicinamento o allontanamento rispetto all'osservatore. Humason calcolò questi moti misurando lo spostamento delle righe di assorbimento e di emissione negli spettri delle galassie. Quando un oggetto si allontana, la sua luce è spostata verso l'estremità rossa dello spettro,1 fenomeno che prende il nome di redshift. per cercare le prove dell'espansione dell'universo, Hubble doveva conoscere non solo le velocità alle quali si muovono le galassie, ma anche la loro distanza. La sua familiarità con la misurazione e distanze cosmiche lo aiutò moltissimo in questa impresa. Per ognuna delle poche galassie di cui aveva determinato la distanza osservando le cefeidi, Hubble ricavò la grandezza assoluta media delle stelle più brillanti e della galassia nel suo complesso. A partire da questi risultati estrapolò poi le distanze di galassie ben più lontane di M 31 e M 33. Il primo articolo di Hubble su una relazione distanza-velocità, pubblicato nel 1929, fece sensazione nella comunità degli astronomi. I risultati da lui esposti contribuirono alla nascita di cui la teoria del big bang che sta alla base della cosmologia moderna della sua memoria Hubble sottolineò che, al contrario di alcuni ricercatori precedenti, si era servito solo di <<quelle distanze e emulare [galattiche] che sono ritenute attendibili>>; la trattrazione combinava le sue stime delle distanze con misurazioni di precisione delle velocità radiali ottenute da Slipher, Humas eon e altri. Da questi dati, Hubble ricavò una relazione lineare fra velocità e distanz,  espressa come: v = Hd in notazione moderna. L'affermazione secondo cui la velocità di recessione di galassie lontane è proporzionale alla loro distanza è oggi conosciuta come legge di Hubble e la costante H è chiamata costante di Hubble. La legge di Hubble implica che l'universo si stia espandendo: se si guarda sempre più lontano da un punto qualsiasi del universo, le velocità di recessione sembrano aumentare. Fra il 1931 e 1936 Hubble e Humason estesero la legge degli spostamenti verso il rosso per distanze sempre più grandi. Hubble aveva intuito immediatamente che le sue scoperte confermavano la teoria di un universo in espansione, ma non accettò mai del tutto il fatto che i redshift fossero provocati solo dal moto radiale delle galassie; anzi, insistette sempre nel richiamare le velocità calcolate a partire dai redshift <<velocità apparenti>>.

Hubble stimò che H  - oggi interpretata come la velocità di espansione dell'universo -

fosse uguale a circa 500 km per secondo per Megaparsec (un megaparsec è pari a circa 3 milioni di anni luce). Oggi sappiamo che questo valore era di gran lunga eccessivo: gli astronomi calcolano che H sia compresa tra 50 e 100 km per secondo per megaparsec. Gli errori di Hubble erano dovuti soprattutto al fatto che egli sottovalutò gravemente la grandezza assoluta delle stelle più brillanti nelle galassie osservate. Tuttavia, il suo fu uno splendido primo tentativo. Dopo lo studio della legge degli spostamenti verso il rosso, Hubble concentrò i propri sforzi sulla cosmologia osservativa; in particolare, cercò di misurare come la densità apparente di galassie estremamente lontane cambi con la distanza, al fine di determinare la geometria complessiva dell'universo. In questo lavoro collaborò i fisici Richard C. Tolman e Howard P. Robertson del California Institute of Technology, che erano fra i principali specialisti a occuparsi di modelli teorici della curvatura dello spazio; e i risultati non furono però esaltanti, soprattutto a causa della difficoltà di misurare con precisione la luminosità di galassie deboli e lontane. Anche se i suoi lavori più tardi non eguagliarono mai gli studi fondamentali compiuti negli anni 20 e all'inizio degli anni 30, Hubble continuò a influenzare fortemente la direzione della ricerca astronomica e a farla meglio conoscere all'opinione pubblica. I suoi libri The Realm of the Nebulae e The Observational Approach to Cosmology ispirarono una generazione di astronomi e fisici. Chiunque leggesse i libri di Hubble o ascoltasse le sue conferenze non poteva ignorarlo: la sua forte personalità ricordava non tanto quella di altri astronomi, quanto quella delle stelle del cinema e e gli scrittori che egli frequentò nei suoi ultimi anni. Spesso Hubble ostentava abiti, espressioni e modi di fare inglesi, un vezzo che i colleghi a conoscenza delle sue origini trovavano poco convincente, ma che contribuiva a un'immagine pubblica incisiva. Nel tentativo di ampliare i confini della cosmologia osservativa, Hubble contribuì a organizzare la costruzione del telescopio Hale da 200 pollici a Monte Palomar, in California. Lo scoppio della seconda guerra mondiale  ritardò il progetto; poco dopo l'attacco giapponese a Pearl Harbor, Hubble entrò a far parte del Ballistics Research Laboratory della US Army ad Aberdeen, nel Maryland, dove applicò le proprie conoscenze astronomiche a dirigere i calcoli delle traiettorie dei proiettili di artiglieria.

 Il telescopio da 200 pollici

 entrò finalmente in funzione nel 1948, e Hubble continuò a lavorare a Mount Palomar fino alla morte per infarto avvenuta il 28 settembre 1953, all'età di 63 anni.

Dopo la sua morte, Humason e poi Rudolph L. Minkowsky utilizzarono il telescopio da 200 pollici per individuare galassie ancora più remote, il rapido allontanamento. Walter Baade ricalibrò la relazione periodo-luminosità delle variabili cefeidi e scoprii che tutte le distanze galattiche calcolate da Hubble, per quanto grandi potessero apparire, andavano moltiplicate per un fattore due. Allan Sandage, già studente di Hubble, e innumerevoli altri ricercatori hanno continuato a perfezionare il calcolo della costante di Hubble. Il loro magnifico lavoro è un eloquente tributo al pensiero innovativo e all'inesauribile energia che permisero a Hubble di ridefinire il corso del moderna.

                                                                                                               Top