Le stelle: da luci nel cielo a soli lontani

Fra tutte le stelle ce n’è una che non abbiamo bisogno di cercare nel cielo notturno: il Sole. È quella che crea la luce del giorno, l’unica che vediamo come un disco e non come un punto e la sola di cui sentiamo il calore. Oggi sappiamo che il Sole è una stella e che le stelle sono soli, ma nell’antichità non era così: per arrivare a questa conclusione servirono più di duemila anni. Bisognava prima capire che cosa fosse il Sole e da dove venissero la sua luce e il suo calore e, poi, riconoscere nelle stelle corpi della stessa natura, resi puntiformi e fiochi dalla distanza.

Nel mondo antico una “stella” era qualunque punto luminoso visibile nel cielo notturno. Si distinguevano le stelle fisse, che apparivano reciprocamente immobili nel cielo, dalle stelle mobili, la cui posizione variava nel tempo rispetto a quelle fisse. I Greci chiamavano astḕr planḗtēs, cioè “astro vagante”, un corpo celeste di questo tipo. Rimase poi solo planḗtēs, da cui, attraverso il latino planeta, l’italiano ‘pianeta’. Fra gli astri vaganti c’erano anche il Sole e la Luna, perché si spostano rispetto alle stelle fisse. Per gli astronomi greci, e per quelli che ne ereditarono la tradizione fino a Copernico, i pianeti erano sette e il Sole era uno di loro: un pianeta, non una stella.

Il linguaggio comune conserva le tracce di quell’uso ampio del termine ‘stella’: chiamiamo ancora oggi “stelle cadenti” le meteore, scie luminose prodotte da piccoli frammenti di roccia o di polvere che bruciano entrando nell’atmosfera e che nulla hanno a che fare con le stelle propriamente dette. E “stella cometa” è l’astro che, nella tradizione cristiana, guidò i Re Magi a portare doni a Gesù.

Quanto alla natura fisica del Sole e degli altri punti luminosi visibili di notte sulla volta celeste, non esisteva alcuna tecnologia in grado di fornire informazioni utili. L’unico strumento disponibile era la speculazione intellettuale, basata sull’osservazione dei fenomeni visibili a occhio nudo: era ciò che formava il fondamento della cosiddetta filosofia naturale.

Nel V secolo a.C. il filosofo Anassagora sostenne che il Sole era una massa incandescente, una pietra infuocata più grande del Peloponneso, e per questa idea fu accusato di empietà dagli ateniesi. Secondo le testimonianze antiche, per Anassagora anche la Luna e tutte le stelle erano pietre infuocate, troppo lontane affinché il loro calore giungesse fino a noi. Secondo le fonti storiche, fu dunque il filosofo greco nato in Asia Minore il primo a concepire il Sole e le stelle come corpi materiali della stessa specie e ad attribuire la debolezza della luce delle stelle alla loro distanza. Fu un’intuizione geniale, ma isolata: a prevalere, per molti secoli, fu la visione di Aristotele.

Per Aristotele, tutte le cose terrene erano fatte da mutevoli mescolanze di quattro elementi: terra, acqua, aria e fuoco. Ma le stelle erano fatte di una sostanza diversa, un quinto elemento detto etere, per sua natura incorruttibile. L’influenza del filosofo di Stagira sul pensiero successivo fu immensa e per circa due millenni quasi nessuno osò mettere in dubbio che tutto ciò che si trovava in cielo oltre la Luna fosse davvero immutabile.

Ma, se il Sole era fatto di etere e non di fuoco, da dove venivano la sua luce e il suo calore? Aristotele rispose nel De caelo che i corpi celesti non sono caldi in sé: sono i loro movimenti a produrre luce e calore, riscaldando per attrito l’aria sottostante, e questo effetto è massimo nella regione dove si muove il Sole. Il calore del Sole non era dunque una sua proprietà, ma una conseguenza del suo moto.

Per tutto il Medioevo il Sole rimase uno dei sette pianeti, trasportato dalla propria sfera intorno alla Terra, mentre le stelle erano punti di luce fissati sulla sfera più esterna del cosmo. Quando nel 1543 Niccolò Copernico pose il Sole al centro del sistema dei pianeti, lo fece soprattutto per ragioni astronomiche: il nuovo sistema, detto eliocentrico, gli sembrava più semplice di quello tolemaico e spiegava in modo naturale perché i pianeti, di tanto in tanto, sembrano tornare indietro nel cielo. Ma Copernico vedeva nel Sole anche il più nobile dei corpi celesti: nel De revolutionibus lo paragonò alla lampada di un tempio bellissimo, alla quale spettava per natura il posto centrale. Il Sole, dunque, cambiava posto nello schema del cosmo e, con il posto, anche rango: non era più uno dei sette pianeti, ma un astro unico, senza eguali nel cielo.

E le stelle del firmamento? Già nel 1576 l’inglese Thomas Digges, presentando ai suoi lettori il sistema copernicano, le aveva disegnate non più fissate su una sfera, ma sparse in uno spazio che si estende all’infinito. Pochi anni dopo, nel 1584, Giordano Bruno immaginò nel De l’infinito, universo e mondi che le stelle fossero soli lontani, circondati a loro volta da mondi: un’intuizione geniale quanto quella di Anassagora duemila anni prima, che però non poteva essere verificata in alcun modo e che molti rifiutarono. Fra questi c’era Giovanni Keplero. Nel Mysterium cosmographicum del 1596 Keplero assimilò il Sole, che dal centro distribuiva ai pianeti luce, calore e moto, all’immagine di Dio Padre e immaginò la sfera delle stelle fisse come la rappresentazione del Figlio. Nell’Epitome astronomiae Copernicanae (1618-1621) descrisse il Sole come il più eccellente dei corpi dell’universo, la cui essenza non è altro che luce purissima. Le stelle, invece, gli sembravano mostrare un diametro apparente misurabile: alla distanza enorme che il sistema copernicano richiedeva, dovevano essere corpi giganteschi e assai meno luminosi del Sole. Keplero vide in ciò una prova contro l’idea che le stelle fossero soli. Soltanto nella seconda metà del Seicento si capì che quei diametri apparenti erano un’illusione prodotta dagli strumenti ottici.

Ma la perfezione stessa del Sole fu messa in discussione e a farlo fu Galileo Galilei. Nell’Istoria e dimostrazioni intorno alle macchie solari del 1613 sostenne che le macchie si trovano sulla superficie del Sole e non sono astri che gli girano intorno. E, se il Sole aveva macchie che apparivano e sparivano dalla sua superficie, allora era un corpo imperfetto e mutevole come qualunque corpo materiale. Il cannocchiale aveva inoltre mostrato a Galileo, fin dal 1610, moltitudini di stelle invisibili a occhio nudo, che egli considerava soli lontani, tanto più distanti quanto più apparivano piccoli e fiochi.

Si deve al filosofo e matematico Cartesio (René Descartes) una delle prime teorie fisiche in cui il Sole e le stelle erano trattati come corpi dello stesso genere. Nei Principia philosophiae del 1644 Cartesio distinse tre elementi della materia: il Sole e le stelle erano fatti del primo, quello luminoso, la Terra e i pianeti del terzo, opaco, mentre il secondo, “etereo” o celeste, trasparente, riempiva lo spazio fra i corpi celesti. L’elemento etereo formava innumerevoli vortici, ciascuno con un sole al centro, e questi vortici trascinavano i pianeti nel loro moto. Era una costruzione qualitativa e in gran parte speculativa, ma in essa ogni stella era un sole per la stessa ragione fisica per cui lo era il nostro Sole.

Nel 1668 il matematico scozzese James Gregory osservò che il Sole e le stelle fisse sono gli unici corpi dell’universo che brillano di luce propria. Dovevano essere quindi corpi simili tra loro, tanto da poter considerare il Sole una stella fissa vicina e le altre stelle come soli lontani. Ciò lo spinse a un primo tentativo di stimare la distanza di una stella diversa dal Sole. Supponendo che Sirio, l’astro più brillante del cielo notturno, fosse in tutto uguale al Sole, Gregory provò a calcolarne la distanza confrontando lo splendore di Sirio con quello di Giove, che riflette la luce solare: ottenne una distanza pari a circa 83.190 volte quella fra la Terra e il Sole.

Trent’anni dopo, nel Cosmotheoros (1698), Christiaan Huygens arrivò a un risultato dello stesso ordine di grandezza con un esperimento diretto. Osservò il Sole attraverso un minuscolo foro praticato all’estremità di un tubo lungo dodici piedi (poco meno di quattro metri), poi attraverso una sferetta di vetro inserita nel foro, finché la luce che gli giungeva non gli parve pari a quella di Sirio. In quelle condizioni il Sole era ridotto alla 27.664^a parte del suo diametro apparente. Se Sirio era uguale al Sole, doveva trovarsi, quindi, 27.664 volte più lontana del Sole: una palla di cannone, calcolò Huygens, avrebbe impiegato quasi settecentomila anni per raggiungerla. Entrambe le stime erano sbagliate per difetto, perché Sirio è molto più luminosa del Sole e si trova in realtà a circa 8,6 anni luce da noi. Ma il ragionamento era giusto: se le stelle sono soli, quanto più sono fioche tanto più sono lontane.

Anche Isaac Newton condivise quest’idea. Nell’Ottica si chiese se il Sole e le stelle fisse non fossero grandi corpi simili alla Terra, ma estremamente caldi, capaci di conservare il proprio calore grazie alla loro grande massa. Alla fine del Settecento William Herschel propose un modello che, alla luce di quanto sappiamo oggi, appare quasi ingenuo: il Sole sarebbe stato un corpo solido e opaco, avvolto da un’atmosfera luminosa e forse persino abitato, e le macchie solari sarebbero state squarci in quell’atmosfera, attraverso i quali si intravedeva la superficie scura sottostante. Nello stesso lavoro Herschel sostenne, tuttavia, che le stelle sono soli come il nostro, molte delle quali dotate di macchie e di rotazione. L’identità fra il Sole e le stelle era ormai largamente accettata, ma che cosa facesse brillare gli uni e le altre restava un mistero.

La prova che quelle luci tremolanti che popolano il cielo notturno sono davvero corpi lontanissimi arrivò soltanto nel 1838, quando Friedrich Bessel riuscì finalmente a misurare la parallasse di una stella, un’impresa difficile e lungamente tentata dagli astronomi. La stella era 61 Cygni e la parallasse misurata da Bessel era di appena 0,3136 secondi d’arco, un angolo che corrispondeva a una distanza di 10,4
anni luce. Ciò confermava l’idea che le stelle fossero corpi simili al Sole, visti da distanze enormi. La distanza di 61 Cygni, pari a 657.700 volte quella fra la Terra e il Sole, era molto maggiore di quella che Gregory e Huygens avevano stimato per Sirio.

Restava da capire di che cosa fossero fatti questi corpi lontanissimi. Nel 1835 il filosofo Auguste Comte indicò proprio la composizione chimica delle stelle come esempio di una conoscenza che sarebbe rimasta per sempre preclusa all’uomo. Ma si sbagliava. Già nel 1814 Joseph von Fraunhofer aveva osservato che lo spettro del Sole è attraversato da righe scure. Negli stessi anni cercò quelle righe anche nella luce di Venere e di alcune stelle brillanti: Venere, che riflette la luce solare, mostrava le stesse righe del Sole, mentre gli spettri delle stelle differivano da una stella all’altra. Tra il 1859 e il 1860 Gustav Kirchhoff e Robert Bunsen dimostrarono che ogni elemento chimico lascia in uno spettro luminoso righe caratteristiche: era nata la spettroscopia astronomica. Nel 1864 William Huggins e William Allen Miller confrontarono gli spettri di diverse stelle, fra cui Aldebaran e Betelgeuse, con quelli degli elementi chimici prodotti in laboratorio e conclusero che le stelle, pur diverse fra loro, sono fatte come il Sole: una “superficie” caldissima e luminosa avvolta da uno strato di gas più rarefatto, che ne assorbe parte della luce, composto almeno parzialmente degli stessi elementi chimici presenti nel Sistema solare. Era la prova che mancava: il Sole e le stelle sono oggetti della stessa natura.

Già dalla fine degli anni Cinquanta dell’Ottocento la spettroscopia aveva permesso di riconoscere nell’atmosfera del Sole elementi presenti anche sulla Terra, come il sodio e il ferro, e perfino un elemento allora sconosciuto, l’elio, il cui nome deriva da quello greco del Sole. Si sapeva, quindi, quali elementi contenesse l’atmosfera solare, ma non in quali proporzioni. Poiché nello spettro del Sole le righe dell’idrogeno appaiono deboli, si pensava che vi fosse poco idrogeno nell’atmosfera solare, così come sulla Terra. Ma nel 1925 Cecilia Payne, nella sua tesi di dottorato, applicò allo studio degli spettri stellari la nuova fisica dell’atomo e giunse alla conclusione opposta: nelle atmosfere stellari l’idrogeno e l’elio sono di gran lunga più abbondanti di tutti gli altri elementi messi insieme. Il risultato fu accolto inizialmente con scetticismo, ma alla fine risultò che Payne aveva ragione sia per il Sole sia per le stelle in generale.

Restava la domanda più antica: che cosa fa brillare il Sole? Nel 1848 Julius Robert Mayer ipotizzò che il Sole si scaldasse per la caduta incessante di meteoriti sulla sua superficie, ma la quantità di materia necessaria avrebbe alterato in modo misurabile le orbite dei pianeti, sicché l’idea fu abbandonata. Hermann von Helmholtz e Lord Kelvin attribuirono la luminosità del Sole alla sua lenta contrazione gravitazionale, ma un simile meccanismo gli avrebbe concesso al massimo qualche decina di milioni di anni di vita, troppo pochi per i tempi richiesti dalla geologia e dall’evoluzione biologica sulla Terra. Fu Arthur Eddington, nel 1920, a proporre l’idea giusta, cioè che le stelle ricavassero la loro energia dalla trasformazione dell’idrogeno in elio: le misure di Francis Aston mostravano infatti che un nucleo di elio ha una massa di poco inferiore a quella di quattro nuclei di idrogeno; quella piccola differenza, convertita in energia, poteva alimentare il Sole per miliardi di anni. Nel 1939 Hans Bethe descrisse in dettaglio le reazioni nucleari che rendono possibile questa trasformazione. Nel 1957 Margaret e Geoffrey Burbidge, William Fowler e Fred Hoyle mostrarono come all’interno delle stelle si formino quasi tutti gli elementi più pesanti dell’elio.

Le intuizioni, le ipotesi teoriche, le misurazioni, gli studi e le scoperte susseguitisi tra l’Ottocento e il Novecento hanno dunque finalmente chiarito cosa sono il Sole e le altre stelle: giganteschi meccanismi naturali, in cui la gravità e le leggi della fisica nucleare regolano le reazioni che producono la luce e il calore, irradiati ininterrottamente nello spazio per milioni o miliardi di anni.

Leggi il resto dell’articolo su “Le stelle più affascinanti del cielo”:
https://diodatiastro.github.io/dizionario/stella/