Fulgori e oscurità dei corpi celesti, da Galileo a Churyumov-Gerasimenko

Le comete, che nell'immaginario appaiono luminosissime, sono in realtà più scure del carbone. Già Galileo d'altronde sapeva che un corpo scuro può apparire chiarissimo nelle giuste circostanze

Il sefie di Rosetta. Credits: ESA/Rosetta/Philae/CIVA
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Non possiamo negarlo, insieme al soddisfatto orgoglio per una “mission brilliantly accomplished”, le immagini di Churyumov-Gerasimenko, la cometa immortalata da Philae (la sonda della missione Rosetta), che a fiumi scorrono in questi giorni nei circuiti del web mostrandoci quel grosso corpo irregolare simile a un nerissimo ammasso di carbone, hanno in qualcuno di noi, meno familiare con le sottigliezze dell’astrofisica, destato anche una certa – diciamo – umana delusione. Quella delusione che a volte accompagna il passaggio dalla fase della leggenda a quella delle nozioni scientifiche, come se la scienza, a dispetto della perspicacia dei suoi metodi di indagine e della potenza delle sue acquisizioni tecnologiche, sia in qualche modo destinata a privare l’umanità della sua capacità di sognare.  Questo perché nel nostro immaginario l’apparizione di questi corpi celesti “chiomati”, spesso accompagnati da una lunga coda luminosa, rappresentava uno dei più spettacolari fenomeni astronomici, di quelli che con il loro fulgore nuovo e brillante interrompono la regolare monotonia del corso degli astri, invitando anche i meno curiosi a volgere lo sguardo verso la volta stellata. In effetti prima che gli astronomi iniziassero a studiarle con metodi moderni, e in particolare prima che Galileo puntasse verso il cielo il suo telescopio, erano solo le comete molto luminose ad essere notate da astronomi, astrologi e dilettanti, che numerosi scrutavano il cielo notturno, non solo per studiare il moto degli astri, ma anche – e forse soprattutto – per trarre dagli eventi celesti auspici e pronostici per un futuro sentito sempre come incerto. E le comete rivaleggiavano per il loro fulgore con le “stelle nove”, fenomeni celesti, altrettanto spettacolari ma certo molto più rari.

Nero brillante

A dispetto di ciò, evocando in modo virtuale la possibilità del tutto immaginaria di un Galileo moderno che contempla le immagini trasmesseci da Philae, potremmo con ragionevole sicurezza ritenere che egli non proverebbe gran meraviglia nell’apprendere che il nucleo di Churyumov-Gerasimenko è più scuro del carbone, a dispetto del fulgore della cometa (almeno nelle immagini telescopiche). Questo perché Galileo sapeva bene che un corpo apparentemente scuro può – in certe condizioni – apparire molto luminoso (e sapeva altrettanto bene che un corpo molto luminoso può, al converso, sembrare scuro). In effetti fu proprio la sua straordinaria capacità di interpretare le immagini telescopiche in modo “fisicamente” corretto, al di là dell’immediata apparenza sensoriale, a contribuire in modo importante alla rivoluzione astronomica dello scienziato pisano, che fu anche, in ampia misura, una rivoluzione sensoriale.

È soprattutto nell’ambito di una una polemica con un gesuita tedesco Christoph Scheiner, che emerge in modo significativo questa capacità di Galileo di “vedere” oltre gli immediati dati dei sensi per svelare gli aspetti profondi della costituzione del mondo. La discussione con Scheiner, che si sviluppò pochi anni dopo le prime osservazioni telescopiche dello scienziato pisano, riguardava la natura delle “macchie solari”, cioè le zone scure del disco solare che, per la loro apparenza e mutabilità, sembravano mettere in crisi la concezione aristotelica della perfezione e immutabilità aristotelica dei corpi celesti, caposaldo fondamentale della cosmologia tradizionale.

All’affermazione di Scheiner: “Nel Sole, che è un corpo splendidissismo, porre delle macchie, e addirittura molto più nere di quelle che si sian mai viste sulla luna […] mi è sembrato sempre fuor di proposito, e neppure in verità verosimile”, Galileo rispondeva, in modo apparentemente provocatorio: “quello che vien […] in questo luogo detto, cioè, che le macchie apparenti nel Sole siano molto più negre di quelle che mai si siano vedute nella Luna, credo che assolutamente sia falso; anzi stimo, che le macchie vedute nel Sole siano non solamente meno oscure delle macchie tenebrose, che nella Luna si scorgono, mà che le siano non meno lucide delle più luminose parti della Luna, quand’anche il Sole più direttamente l’illustra“. Egli diceva cioè che le macchie nere del Sole, a dispetto della loro apparenza scura, sono più brillanti delle zone luminose del corpo lunare, persino nelle condizioni in cui la luna è più intensamente illuminata dai raggi solari. L’errore del Gesuita, come poi Galileo svelava con argute argomentazioni, è di aver confrontato i due oggetti visivi (macchie solari e corpo della luna) in condizioni di osservazione molto diverse; le prime sullo sfondo luminosissimo del disco solare, la luna invece sullo sfondo nero del cielo notturno, non rendendosi conto che la luminosità percepita di un oggetto visivo cambia in modo drastico al mutare del background sul quale è osservata (lo stesso oggetto potendo apparire chiaro o scuro a seconda dello sfondo, come è illustrato dal confronto della luminosità apparente del quadrato centrale nelle due immagini della Fig. 1).

Fig. 1. Lo stesso quadrato centrale grigio è collocato, a sinistra, su uno sfondo scuro e, a destra, su uno sfondo chiaro. Per l’effetto di contrasto visivo il quadrato appare chiaro a sinistra e scuro a destra.

Galileo sa bene che, per stabilire un confronto “psicofisicamente” corretto tra due oggetti visivi, bisogna osservarli entrambi su sfondi di intensità luminosa comparabile. Sorgono però difficoltà apparentemente insormontabili nel tentativo di confrontare in questo modo le macchie solari e il corpo della luna. Quando infatti la luna si avvicina al sole essa passa, per motivi astronomici, nella fase di luna nuova e scompare quindi dalla vista per ragioni che non dipendono dal rapporto visivo figura-sfondo.

Nella sua polemica con Scheiner, Galileo riesce ad elaborare questo confronto impossibile ricorrendo ad un esperimento mentale basato sul ricorso ad un elemento intermedio di comparazione, Venere, che il più luminoso dei pianeti, dotato di un fulgore anche maggiore di quello della luna. Quando Venere si avvicina al sole – nota lo scienziato pisano – essa diviene invisibile perché la sua luminosità è inferiore a quella del campo luminoso che circonda il sole. La Luna (che è meno brillante di Venere) non sarebbe dunque visibile se la si potesse rimirare in prossimità del Sole (cioè quando fosse situata in questa campo luminoso). A dispetto del suo fulgore (ben superiore a quello di Venere e della Luna), il campo circumsolare è meno luminoso delle macchie solari, come si può facilmente notare mirando il Sole con un filtro abbastanza scuro da permettere l’osservazione diretta, oppure proiettando con un telescopio l’immagine su una carta (come faceva già Galileo utilizzando un metodo messo a punto da un suo allievo, Benedetto Castelli). In queste circostanze il campo circumsolare appare infatti totalmente scuro, a dispetto della sua enorme luminosità fisica (vedere la Fig. 2).

Churyumov-Gerasimenko cometa galileo
Fig. 2. A sinistra immagine della zona circumsolare ottenuta con uno speciale strumento (il coronografo) che scherma la luce diretta del sole. Si noti la sua brillantezza, in rapporto al resto del cielo che appare scuro perché la luminosità è attenuata dai filtri necessari a rendere meno sfavillante la luminosità della corona solare. A destra un’immagine della superficie del sole nelle condizioni di osservazione che rendono possibile la visione delle macchie solari. Anche la corona solare appare allora nera, e meno brillante dunque delle macchie solari.

Da tutto questo Galileo può, contro le asserzioni di Scheiner, giustamente concludere che le macchie osservate sul Sole, sebbene scure di apparenza nelle condizioni di normale osservazione di questi fenomeni, sono “non meno lucide delle più luminose parti della Luna”.

Nel corso della polemica con il gesuita, Galileo affronta un altro aspetto della visibilità dei corpi celesti dal quale emerge la sua chiara consapevolezza del fatto che, come un corpo intrinsecamente luminoso può apparire scuro (è il caso delle macchie solari), analogamente un corpo intrinsecamente scuro può essere percepito come brillante. Il problema si pone nell’ambito della discussione del meccanismo che è alla base della riflessione della luce solare da parte della Luna. Secondo la cosmologia tradizionale la luna brilla nel cielo perché, a differenza della Terra (e come gli altri corpi celesti) riflette la luce solare come uno specchio perfetto, una caratteristica che dipendeva dalla materia di cui si supponeva fosse costituiti (l’etere o “quinta essenza”), e dalla assoluta levigatura della sua superficie. In questa prospettiva la Terra, con le sue irregolarità e con natura imperfetta della sua composizione, sarebbe stata incapace di riflessione e dunque oscura. Con una serie di brillanti argomentazioni (e di reali esperimenti), le cui conclusioni appaiono a prima vista di nuovo paradossali, lo scienziato pisano dimostra che un corpo scabro (come è la Terra, e come è anche la Luna secondo le sue osservazioni telescopiche) è in grado di riflettere efficacemente la luce. Lo fa secondo il meccanismo di “riflessione diffusa”, caratteristico delle superfici irregolari (che possono essere assimilate ad una miriade di piccoli specchi orientati nelle varie direzioni dello spazio). La Luna riflette e brilla nel cielo proprio perché la sua superficie è scabra come quella della Terra; e la presunta brillantezza del corpo lunare è solo un effetto illusivo dovuto al fatto che possiamo osservarlo, illuminato dai raggi solari, contro lo sfondo nero del cielo notturno (Fig. 3).

immagine 3
Fig. 3. A sinistra la luna osservata di giorno, non appare significativamente più brillante delle nuvole vicine, mentre di notte, risulta molto luminosa per l’effetto di contrasto visivo dovuto all’oscurità del cielo. Ecco il confronto nelle parole che Galileo pone in bocca a Simplicio nel Dialogo sopra i Massimi sistemi: “Cosí ho io osservato alcune volte di giorno tra certe nugolette la Luna non altramente che una di esse biancheggiante; ma la notte poi si mostra splendentissima”. A proposito della luna notturna è da notare comunque che l’effetto di contrasto è molto più marcato nelle condizioni reali di osservazione che nelle immagini fotografiche. Gli astronomi moderni sanno che la luna è in effetti uno dei corpi più oscuri del sistema solare, riflettendo in media poco più del 10 % della luce solare (contro il 75 % di Venere e circa il 30 % della terra). Più scuri della luna sono però i nuclei cometari che riflettono solo circa il 4 % della luce incidente.

Tornando alla Luna che brilla di notte per effetto del contrasto visivo, Galileo sapeva anche bene che se, dagli spazi planetari, avessimo potuto rimirare la terra illuminata dal Sole contro l’oscurità del cielo notturno, essa ci sarebbe apparsa almeno altrettanto luminosa della Luna. E che, come il nostro satellite rende meno buie le nostre notti nella fasi di Luna piena, la Terra è a sua volta in grado di illuminare la parte oscura della Luna (Fig. 4).

Fig. 4. A sinistra, uno degli acquerelli dipinti da Galileo per illustrare le sue osservazioni telescopiche, da cui appare chiaramente la debole luce che illumina la parte oscura della luna; a destra, una foto moderna che coglie lo stesso fenomeno.
Fig. 4. A sinistra, uno degli acquerelli dipinti da Galileo per illustrare le sue osservazioni telescopiche, da cui appare chiaramente la debole luce che illumina la parte oscura della luna; a destra, una foto moderna che coglie lo stesso fenomeno.

Con uno straordinario esperimento mentale (sul quale avremo forse modo di soffermarci in una prossima occasione), descritto nel 1640 (quando egli era ormai diventato quasi completamente cieco), Galileo dimostra che queste la luce visibile nella parte oscura della Luna, sebbene debole, è in realtà più intensa della luce che la Terra riceve dalla Luna nelle notte di plenilunio.

La dimostrazione che la Luna e la Terra si illuminano a vicenda, riflettendo la luce solare secondo gli stessi meccanismi fisici, contribuiva in modo importante (insieme ad altre fondamentali scoperte astronomiche galileiane) ad abolire la differenza essenziale che, nella cosmologia tradizionale, esisteva tra Terra e cielo (“Galileo abolì i cieli”, dice Brecht).

Lo scienziato pisano rendeva così il cielo più familiare, iniziando un lungo cammino di scoperta che avrebbe visto tra l’altro, nei giorni scorsi, un piccolo robot lasciare la navicella che l’aveva portato per anni attraverso gli spazi planetari, e infine, con qualche esitazione, ancorarsi alla scura superficie della cometa Churyumov-Gerasimenko per trasmetterci immagini e dati che forse ci diranno qualcosa di importante sull’origine del nostro mondo.

Credits immagine: ESA/Rosetta/Philae/CIVA


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