Paradosso di Olbers: perché di notte il cielo è buio?

È una domanda che sembra ingenua e invece nasconde uno dei rompicapi più profondi della cosmologia: perché di notte il cielo è buio? Se l'universo fosse infinito, eterno e uniformemente popolato di stelle, in qualunque direzione puntassimo lo sguardo dovremmo prima o poi incontrare la superficie di una stella. Il cielo notturno, allora, non dovrebbe apparire nero, ma luminoso come la superficie del Sole. Questo conflitto tra logica e osservazione è passato alla storia come paradosso di Olbers, dal nome dell'astronomo tedesco Heinrich Wilhelm Olbers che lo formulò nel 1823.

Un paradosso più antico di Olbers

In realtà la questione era già stata sollevata secoli prima. Johannes Kepler vi rifletté nel 1610, turbato dall'idea di un cosmo infinito, e nel Settecento ci tornarono sopra Edmond Halley e l'astronomo svizzero Jean-Philippe Loys de Chéseaux. Il merito di Olbers fu di formularlo in modo nitido, come spiega la voce dedicata al paradosso di Olbers su Wikipedia. Il ragionamento è geometrico ed elegante: immaginiamo gusci sferici concentrici di stelle attorno a noi. Un guscio doppiamente lontano contiene quattro volte più stelle (la superficie cresce col quadrato del raggio), ma ciascuna appare quattro volte più debole. I due effetti si annullano esattamente: ogni guscio contribuisce con la stessa quantità di luce. Sommando infiniti gusci, la luminosità del cielo dovrebbe diventare infinita.

Le spiegazioni sbagliate (ma intuitive)

Per quasi un secolo la soluzione più diffusa fu quella proposta dallo stesso Olbers: la polvere interstellare assorbirebbe la luce delle stelle lontane. L'idea è seducente ma fisicamente errata. Per il primo principio della termodinamica, una nube di polvere che assorbe luce per un tempo abbastanza lungo si riscalda finché non comincia a riemettere la stessa quantità di energia che riceve. In un universo eterno, la polvere finirebbe per brillare quanto le stelle. L'assorbimento, insomma, può nascondere il problema per un po', ma non risolverlo.

Anche la distribuzione gerarchica delle stelle in galassie e ammassi, studiata da matematici come Carl Charlier, attenua il paradosso ma non lo elimina. La vera chiave sta altrove, e ha a che fare con la natura stessa del tempo e dello spazio.

La soluzione: l'universo ha un'età

La risposta moderna fu intuita, sorprendentemente, da uno scrittore: Edgar Allan Poe, nel suo saggio cosmologico Eureka del 1848. Poe propose che le stelle più lontane siano semplicemente troppo distanti perché la loro luce abbia avuto il tempo di raggiungerci. L'universo non è eterno: ha avuto un inizio, il Big Bang, circa 13,8 miliardi di anni fa. La luce viaggia a velocità finita, quindi possiamo vedere soltanto gli oggetti la cui luce ha avuto il tempo di arrivare fino a noi entro quell'orizzonte. Esiste cioè un universo osservabile finito, come illustra la voce di Britannica sul paradosso di Olbers.

A questo si aggiunge un secondo ingrediente, l'espansione cosmica scoperta da Edwin Hubble nel 1929. Le galassie lontane si allontanano da noi, e la loro luce si sposta verso il rosso (redshift): le onde si allungano, l'energia per fotone diminuisce, e la radiazione delle sorgenti più remote scivola fuori dalla banda visibile.

Il cielo notturno, in realtà, brilla davvero

C'è un colpo di scena finale, quasi poetico. Il cielo notturno non è completamente buio: è permeato dalla radiazione cosmica di fondo a microonde, l'eco fossile del Big Bang scoperta nel 1965 da Arno Penzias e Robert Wilson, che valse loro il Nobel. Quella radiazione, oggi raffreddata a circa 2,7 kelvin, è proprio la "luce" dell'universo primordiale, stirata dall'espansione cosmica fino alle microonde. La missione Planck dell'ESA ne ha tracciato la mappa con precisione straordinaria.

In un certo senso, dunque, la previsione del paradosso di Olbers era corretta: l'intero cielo è uniformemente luminoso. Solo che quella luminosità non cade nel visibile, ma nelle microonde, e la sua temperatura non è quella della superficie di una stella ma quella di un universo enormemente raffreddato dall'espansione. Il buio che vediamo alzando gli occhi di notte non è il segno di un cosmo vuoto: è la firma di un universo che ha avuto un inizio e che da allora non smette di espandersi.