Alle origini dell’astrofisica tra le colline di Firenze

Per raggiungere l’osservatorio astronomico di Firenze si percorrere una strada in salita immersa nel verde, lungo la quale si incontrano gli edifici storici dell’Istituto di Fisica e dell’Istituto di Ottica – fino all’osservatorio, luminoso sotto il sole con le sue pareti giallo ocra e le cupole bianche, preceduto dalla torre solare. Proseguendo lungo la collina, si può raggiungere anche la villa Il Gioiello, dove Galileo Galilei trascorse in confinamento gli ultimi anni della sua vita e completò il suo lavoro “Discorsi e Dimostrazioni Matematiche sopra due Nuove Scienze” (1638). La vista spazia sul panorama collinare ricoperto di vegetazione e colture di ulivi. La collina di Arcetri è stata designata come sito storico dalla Società Europea di Fisica.

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Osservatorio di Arcetri, Firenze.
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Il panorama sulle colline dal piazzale dell’osservatorio. Uliveti argentei. Nascosta dagli alberi, si trova la villa Il Gioiello, dove Galileo Galilei trascorse gli ultimi anni ai domiciliari e completò il suo lavoro “Discorsi e Dimostrazioni Matematiche sopra due Nuove Scienze” (1638).
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L’osservatorio e gli ulivi dalla strada che porta a villa Il Gioiello.

Sono stata a Firenze l’ultimo fine settimana di aprile, e ho cominciato da qui la visita, ad Arcetri, perché in questo momento all’osservatorio è in corso un’esposizione particolare e rara, che non avrei potuto assolutamente mancare. Una mostra che ho scoperto per puro caso, e che non sembra essere stata molto pubblicizzata.

Si chiama Starlight e racconta la nascita dell’astrofisica, nella seconda metà dell’Ottocento. Sono esposti i primissimi lavori, i primissimi studi sulle stelle e sul Sole, il primo svilupparsi di quella che è poi è potuta diventare l’astrofisica come scienza attuale. Alcuni sono dei documenti d’archivio esposti per la prima volta.
Starlight è in realtà un insieme di piccole mostre che si sviluppa negli osservatori italiani di Firenze, Padova, Roma, Palermo e Napoli.
A Firenze, in particolare, sono esposti gli spettri stellari, nebulari e cometari disegnati a mano da Gian Battista Donati e Angelo Secchi, le tavole con riproduzioni di oggetti del profondo cielo di Wilhem Tempel e diversi strumenti.
Queste tavole e questi strumenti non sono reperti sterili: svelano a chi sa coglierle le storie di questi astronomi in gran parte sconosciuti al pubblico – sono storie praticamente contemporanee tra loro e si intrecciano l’una con l’altra nelle loro vicende umane e scientifiche, inserendosi perfettamente in questo percorso tra diversi osservatori italiani e in questi paesaggi.

L’esposizione si trova all’interno della biblioteca dell’osservatorio.

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Biblioteca dell’osservatorio. Tubo del telescopio per spettroscopia stellare ideato da Donati (1859 ca.). Con questo strumento studiò e confrontò gli spettri di 15 stelle, iniziando a notare le differenze e il legame tra il pattern delle righe e il colore delle stelle. Sempre con questo strumento osservò il primo spettro di una cometa, C/1864 N1.
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Biblioteca. Franco Pacini (1939-2012).

Giovan Battista Donati (1826-1873) è stato l’astronomo che si adoperò perchè venisse costruito l’osservatorio di Arcetri, trasferendo così la sezione di astronomia dal Regio Museo di Fisica e Storia Naturale alle  colline che circondano Firenze. I suoi studi sulle stelle sono assolutamente pionieristici. Ideò gli strumenti necessari per studiare la luce degli oggetti del cielo e si accorse delle differenze presenti tra le stelle, ipotizzandone un legame con il loro colore – un legame vero, ma che venne compreso solo negli anni Venti del Novecento grazie in particolare alla brillante astronoma Cecilia Payne, che si domandava di cosa fossero fatte le stelle e quale fisica fosse in opera al loro interno.

Lo strano telescopio conico, in lamiera e legno, che si trova davanti alla finestra della biblioteca è lo strumento ideato e costruito da Donati tra il 1857 e il 1859. Utilizzava una lente ustoria di 41 cm e uno spettroscopio a prisma.

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Con questo strumento dunque riprodusse, a mano, gli spettri di 15 stelle brillanti, riuscendo a confrontarle tra loro misurando l’angolo di diffrazione delle righe. Su una tavola, sempre esposta, si vede il suo lavoro su queste stelle: sono raggruppate per colore (stelle bianche, gialle, arancioni e rosse). Con tratti di inchiostro sono segnate le principali righe spettrali, e con grafia elegante i nomi delle stelle: Sirio, Vega, Fomalhaut…
Di Donati è il primo spettro di una cometa – la cometa scoperta da Wilhem Tempel il 5 luglio 1864. Di Wilhem Tempel – un nome che forse può richiamare qualcosa alla mente in riferimento alla cometa “Tempel-Tuttle” o la “Temple 1” fotografata dalla sonda spaziale Deep Impact – c’è tantissimo che si può dire, tantissimo da scoprire, e cercherò di raccontare qualcosa più sotto.

Questo è il disegno ad inchiostro e matita di Donati. Sono tre ampie linee di emissione, vicino alla linea dell’Hβ, quindi nella zona blu-verde dello spettro. Solo nel 1927 si è compreso che queste tre linee sono prodotte dalla molecole del carbonio biatomico C2.

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Giovan Battista Donati. Spettro della cometa C/1864 N1, scoperta da Tempel il 5 luglio 1864 alle 3 del mattino. È il primo spettro di una cometa mai realizzato. Matita e inchiostro su carta.

Le lunghezze d’onda delle linee spettrali erano, come si legge in questa tavola, segnate con le lettere di Fraunhofer – F per l’Hβ.
Accanto al disegno si trova esposto il tacquino di Tempel, aperto sulle pagine, riempite di grafia fittissima, nelle quali è riportata la posizione della cometa appena scoperta, con uno schizzo dell’area di cielo.

Un primo vero tentativo di classificazione spettrale fu operato da Angelo Secchi (1818-1878), dal Collegio Romano. Questo astronomo raccolse meticolosamente gli spettri di 4000 stelle – tutti riprodotti a mano e osservati all’oculare.

Secchi iniziò a suddividere le stelle in “tipi”. Il pattern delle righe spettrali si modifica con la temperatura della stella: le stelle come Sirio e Vega presentano molto forti le linee dell’idrogeno. Stelle rosse, più fredde, come Antares, hanno invece spettri ricchi di assorbimenti, prodottii da metalli neutri e molecole. Stelle calde, invece, presentano le righe dell’elio neutro e poi l’elio ionizzato. Altre stelle “speciali”, come gamma Cas, hanno invece linee dell’idrogeno in emissione… segno che qualcosa di strano è in atto in queste stelle – in questo caso, è un indizio di dischi atmosferici in rotazione attorno alla stella. Fu proprio Angelo Secchi a scoprire Gamma Cas.

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Angelo Secchi: “Le Stelle: Saggio di Astronomia Siderale” (1877), plate III. Spettro solare – fotosfera e cromosfera (tipo 1), Sirio (tipo 2), alpha Ori e alpha Her (tipo 3)
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Angelo Secchi: “Le Stelle: Saggio di Astronomia Siderale” (1877), plate IV. Spettri di stelle rosse (tipo 4), e spettri della cometa di Chioggia del 1874 e di una nebulosa.

Quest’ultima tavola e la spiegazione sul sito della mostra mi hanno fatto ricordare come le due righe verdi in emissione, mai viste in laboratorio e presenti nello spettro delle nebulose, fossero state inizialmente attribuite ad un elemento non presente sulla terra, e chiato “nebulium” – sono in realtà le righe “proibite” dell’ossigeno ionizzato due volte.

La circostanza di questa mostra proprio a Firenze, città che io e il mio compagno ci eravamo già promessi di visitare, si è rivelata molto speciale perchè è capitata in un momento particolare della mia vita, dopo diversi mesi in cui abbiamo svolto un lavoro amatoriale sulle stelle e sulla spettroscopia e in cui ho dovuto imparare io stessa a conoscere e interpretare in modo particolareggiato e non banale uno spettro e orientarmi nella classificazione stellare. In pochi mesi il mio cielo di “astrofila” è divenuto più complesso e particolareggiato. Con la mente così affollata, questa occasione per un viaggio a Firenze con una tappa ad Arcetri è stata assolutamente propizia e ho potuto apprezzarla appieno.

Così alla fine abbiamo attirato l’attenzione (eravamo gli unici visitatori e ci stavamo attardando tra le due salette) e abbiamo avuto occasione di parlare a lungo con una donna che lavora all’osservatorio, Emanuela. È stata una bella conversazione che si è concentrata in particolare sulla figura di Tempel e sui suoi disegni. Ci ha parlato di una mostra precedente, del 2009, in cui sono state esposte tutte le sue tavole: L’esercizio illegale dell’astronomia: Max Ernst, Iliazd, Wilhelm Tempel.  Sfogliando il fascicolo della mostra, si possono riconoscere a colpo d’occhio le sagome della nebulosa Omega (M17), della galassia Sombrero (M104), addirittura di NGC 4567 and NGC 4568 (i “Siamese Twins” nella Vergine).

È stata lei, uscendo nuovamente sotto il caldo sole pomeridiano, ad indicarci l’altro versante della collina dove si trova la villa di Galileo.

Wilhem Tempel e i suoi disegni del profondo cielo

Wilhelm Tempel è una figura strana, non facilmente inquadrabile, e soprattutto oscura e dimenticata – nemmeno sul web si trova molto su di lui.

Queste sono le tre tavole esposte alla mostra. Prima di accorgermi che la targhetta riportava i nomi degli oggetti ritratti, ho riconosciuto immediatamente il trio di galassie conosciute come il “Tripletto del Leone” (M65, M66, NGC 3628). I suoi disegni hanno una precisione fenomenale, tanto che molti oggetti -in queste e in altre tavole- sono riconoscibili senza dubbio, come se si trattasse di una fotografia. Nella tavola a sinistra è ritratta NGC 253, una galassia a sprirale nella costellazione dello Scultore.

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Wilhelm Tempel, Plate XIII (NGC 253) e Plate XIX (M 65, M 66, NGC 3628). Inchiostro e matita su carta.
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Leo Triplet, APOD 2015 May 9, credit: Philippe Durville

Forse confrontandola con una ripresa fotografica emergono delle differenze, ma perchè la sensibilità dell’occhio è molto diversa da quella di un sensore CCD. L’elaborazione e la colorazione dell’immagine sono operazioni spesso massicce e si tratta di un lungo lavoro di integrazione di dati e uso di software di elaborazione per immagini. Nella ripresa appaiono strutture di polveri e colori diversi da quelle che emergono all’occhio. L’astrofilo visualista si ritrova benissimo con il disegno di Tempel.

Questa è invece la Grande Nebulosa in Orione. Osservando attentamente al centro si trova l’asterismo del Trapezio (qui a buona risoluzione).

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Wilhelm Tempel, Nebulosa di Orione. Inchiostro e matita su carta.

Tempel fu un completo autodidatta. Nacque in Sassonia nel 1821, da una famiglia troppo modesta per permettergli una istruzione oltre a quella di base, ma forse fu il suo maestro di allora a parlargli per primo di scienza e astronomia e mostrargli gli astri ad occhio nudo dalla cima del campanile dove Tempel faceva il campanaro [1].  Ventenne andò a Copenhagen dove imparò il mestiere di litografo. Andò poi a Venezia, Roma, Bologna e Marsiglia, Milano – infine Firenze, all’Osservatorio di Arcetri. A Venezia compì le sue prime osservazioni astronomiche con un suo piccolo rifrattore di ottone (anch’esso esposto). Scoprì la sua prima cometa dalle scalinate esterne di un palazzo veneziano (Palazzo Contarini del Bovolo) e la nebulosità attorno a Merope, nell’ammasso dell Pleadi. Nella sua esistenza scoprì 21 comete e 5 asteroidi (64 Angelina, 65 Cybele/Maximiliana, 74 Galatea, 81 Terpsichore, 97 Klotho).

Altri oggetti in mostra erano diversi spettroscopi e i loro schemi. Addirittura, c’era un particolarissimo spettroscopio a 25 (!) prismi, che permetteva di studiare solo piccole zone dello spettro.

Mi ritrovo a pensare a queste persone che si dedicavano al cielo a metà dell’Ottocento, guidate da qualcosa che non può che essere il fascino per il cielo notturno, ancora così inspiegabile e lontano. Non era semplicemente il loro impiego, il loro lavoro. Donati e Secchi guardarono le stelle in modo nuovo. Vissero in un’era di transizione, in cui comparivano gli strumenti della spettroscopia e la fotografia. Un’era in cui ci si chiedeva cosa fossero quelle “nebule”, di cui non si conosceva la natura e la distanza, che sembravano composte a volte di gas, altre volte di un insieme di stelle irrisolvibili. Se considero anche i disegni di Pietro Tacchini delle protuberanze solari espostii a Palermo, è proprio vero: sono gli ultimi astronomi-artisti.

E infine… infine c’è la città di Firenze, che non si può definire in altro modo che bella. Una bellissima città tra le colline e così ricca di arte e cultura. Ne avevo ricordi molto sfocati… è stata un riscoperta.

E parlando sempre di astronomia, chiudo questo post con uno scorcio notturno della città, con Giove che brilla sopra l’arcata che congiunge la Chiesa di Orsanmichele e il Palazzo dell’Arte della Lana.

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Giove sopra l’arcata tra la Chiesa di Orsanmichele e il Palazzo dell’Arte della Lana, Firenze.

 

[1] L’esercizio illegale dell’astronomia: Max Ernst, Iliazd, Wilhelm Temple – INAF-Osservatorio Astrofisico di Arcetri.

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