Di cosa sono fatte le stelle? E come facciamo a saperlo

Nel 1835 un filosofo francese assicurò che non avremmo mai saputo di cosa sono fatte le stelle. Lo scrisse nero su bianco, in un libro serio, e venticinque anni dopo due tedeschi con una fiamma da laboratorio gli diedero torto. E poco dopo un gesuita italiano si mise a mettere in fila le stelle proprio in base alla loro luce. Nel 2026 si può conoscere la composizione di una stella la cui luce impiega migliaia di anni ad arrivare fino a noi, senza mandare nessuna sonda. Tutto quello che serve è nella luce stessa, nascosto in righe nere che per molto tempo nessuno ha saputo leggere.

La profezia più sbagliata dell’astronomia

Il filosofo era Auguste Comte, e la frase si trova nel secondo volume del suo Corso di filosofia positiva, nella lezione dedicata all’astronomia. Comte spiega che dei corpi celesti possiamo conoscere solo ciò che si vede. Possiamo concepire, scrive, di determinarne le forme, le distanze, le grandezze e i movimenti, “mentre non sapremmo mai studiare con nessun mezzo la loro composizione chimica, o la loro struttura mineralogica”. E rincara: a maggior ragione, nemmeno la natura degli esseri che vivessero sulla loro superficie.

Non era una sciocchezza. Nel 1835 sembrava buon senso: per sapere di cosa è fatta una cosa ne prendi un pezzo, lo metti in una provetta e lo strapazzi. A una stella non puoi fare niente di tutto questo. Quello che Comte non sapeva è che la luce si porta dietro la lista degli ingredienti. Bisognava solo imparare a leggerla.

Righe nere nell’arcobaleno del Sole

Se fai passare la luce del Sole attraverso un prisma, si apre in un arcobaleno, dal viola al rosso, tutti i colori in fila. Joseph von Fraunhofer scoprì, con strumenti molto più fini, che quell’arcobaleno non è continuo. È attraversato da un sacco di righe scure, sottili come capelli, sempre nello stesso punto. Mancano colori ben precisi.

Quelle righe, che portano il suo nome, rimasero un mistero a lungo. Erano lì, si potevano misurare con precisione, ma nessuno sapeva cosa significassero. Un codice a barre senza lettore.

Una fiamma a Heidelberg

Il lettore arrivò a metà Ottocento, all’Università di Heidelberg, in Germania. Lì lavoravano insieme un chimico, Robert Bunsen, e un fisico, Gustav Kirchhoff. Secondo l’università, tra il 1859 e il 1861 Bunsen studiava i colori che prendono le fiamme quando ci si bruciano sali diversi, e da quel lavoro i due scoprirono insieme l’analisi spettrale. L’Ufficio tedesco dei brevetti e dei marchi, che li inserisce tra i suoi grandi inventori, data al 1860 la pubblicazione comune che ne pose le basi scientifiche.

L’idea si racconta in fretta. Ogni elemento chimico, scaldato in una fiamma, emette luce solo in certi colori precisi, sempre gli stessi. E quando la luce attraversa un gas di quell’elemento, il gas si tiene esattamente quegli stessi colori. Così Kirchhoff e Bunsen riuscirono a spiegare le righe di Fraunhofer, dice l’Università di Heidelberg. Le righe scure del Sole sono i colori che gli elementi della sua atmosfera si sono mangiati al passaggio della luce. Confronta le righe del Sole con quelle delle fiamme del laboratorio e sai cosa c’è lassù.

Perché ogni elemento ha la sua impronta

Perché ogni elemento si tiene certi colori e non altri? Per lo stesso motivo per cui il vetro lascia passare la luce visibile. Gli elettroni di un atomo possono stare solo su certi livelli di energia, e per saltare da uno all’altro hanno bisogno di una spinta della misura esatta. Se la luce porta proprio quell’energia, l’elettrone se la prende. Altrimenti la lascia passare.

A ogni colore della luce corrisponde un’energia diversa, e ogni elemento ha la sua scala di livelli, con gradini ad altezze che non si ripetono in nessun altro. Ecco perché ogni elemento si tiene il suo gruppo di colori. Il sodio ha il suo, il ferro ha il suo. Un’impronta scritta nella luce, che vale tanto in una fiamma da laboratorio quanto in una stella a migliaia di anni luce.

Dieci elementi nuovi e l’oro del Sole

Il metodo era così potente che cominciò a trovare cose che nessuno conosceva. Secondo l’Ufficio tedesco dei brevetti, Bunsen e Kirchhoff identificarono due elementi nuovi nell’acqua minerale della sorgente Maxquelle di Bad Dürkheim: il cesio nel 1860 e il rubidio nel 1861. In pochissimo tempo altri chimici scoprirono altri dieci elementi grazie all’analisi spettrale.

La stessa pagina riporta un aneddoto di quelli che i fisici si raccontano al bar. Il banchiere di Kirchhoff avrebbe dubitato che servisse a qualcosa cercare l’oro nel Sole, visto che tanto non si poteva portarlo giù. Quando Kirchhoff ricevette la medaglia Rumford, l’avrebbe mostrata al banchiere dicendo: “Guardi, sono riuscito a tirare fuori oro dal Sole”. Come ogni buon aneddoto, arriva al condizionale, ed è così che lo racconta l’Ufficio brevetti.

L’elemento trovato nel Sole prima che sulla Terra

L’analisi spettrale ebbe il suo momento di gloria durante un’eclissi. Il 18 agosto 1868 l’astronomo francese Jules Janssen osservò un’eclissi totale di Sole dall’India con uno spettroscopio. Secondo gli storici dell’Osservatorio di Parigi e un bollettino sulle eclissi della NASA, vide nella luce dell’atmosfera solare una riga gialla brillante che non corrispondeva a nessun elemento conosciuto. Pochi giorni dopo l’astronomo britannico Norman Lockyer fece la stessa osservazione.

Lockyer concluse che quella riga apparteneva a un elemento mai visto sulla Terra. Lo chiamarono elio, dal greco helios, il Sole. La Royal Society of Chemistry britannica lo scrive nella sua scheda dell’elemento: si chiama così perché fu rilevato per la prima volta nella corona solare.

Sulla Terra fu isolato solo nel 1895. Quell’anno ci riuscirono William Ramsay a Londra e, per conto loro, Per Teodor Cleve e Nils Abraham Langlet a Uppsala, in Svezia. Ventisette anni dopo averlo visto nel Sole. Con quello che aveva annunciato Comte, la cosa ha il suo perché.

Padre Secchi e le quattromila stelle

Mentre in Germania si scoprivano elementi, in Italia c’era chi metteva ordine nel cielo. Il gesuita Angelo Secchi fu uno dei pionieri della classificazione delle stelle in base al loro spettro. Secondo l’Istituto Nazionale di Astrofisica, avviò nel 1862 un programma sistematico di spettroscopia stellare e affinò la sua classificazione a più riprese: due tipi nel 1863, tre nel 1867. La Specola Vaticana ricorda che il suo catalogo riuniva più di quattromila stelle.

L’idea era semplice e geniale: invece di guardare le stelle una per una, metterle in famiglie in base all’aspetto delle loro righe. Stelle con righe simili, raggruppate insieme. Fu tra i primi a farlo, e a farlo su migliaia di stelle, quando l’analisi spettrale aveva appena una manciata di anni.

La tesi che non osò dirlo

Sapere quali elementi ci sono in una stella è una cosa. Sapere in che quantità è molto più difficile, perché l’intensità delle righe dipende anche dalla temperatura. Questa parte la risolse una giovane astronoma di Harvard cresciuta in Inghilterra: Cecilia Payne.

Nella sua tesi di dottorato, Stellar Atmospheres, terminata il 1° gennaio 1925, Payne calcolò, tenendo conto della temperatura delle stelle, quanto di ciascun elemento servisse per produrre le righe osservate. Il trucco stava in un numero dall’aria innocua. Secondo l’American Physical Society, il suo calcolo mostrava che a 5700 kelvin solo un atomo di idrogeno su circa 200 milioni si trova nello stato eccitato che produce le righe visibili. Le righe dell’idrogeno sembravano deboli, anche se di idrogeno ce n’era una quantità enorme. Chi giudicava solo dall’intensità delle righe lo sottovalutava di brutto. Secondo l’American Physical Society, la sua conclusione fu che, a differenza di quanto accade sulla Terra, idrogeno ed elio sono gli elementi dominanti del Sole e delle stelle.

Andava contro quello che pensavano quasi tutti, cioè che le stelle fossero fatte più o meno della stessa roba del nostro pianeta. Henry Norris Russell, una delle grandi autorità dell’epoca, si oppose con decisione e la convinse a togliere quella conclusione dalla tesi. Payne aveva ragione, come si vide poi. L’astronomo Otto Struve definì in seguito il suo lavoro “la tesi di dottorato più brillante mai scritta in astronomia”. Nel 1956 Payne diventò la prima donna professoressa ordinaria a Harvard e la prima a dirigervi un dipartimento.

Di cosa sono fatte le stelle, in numeri

Con tutto questo si può rispondere alla domanda con le cifre. Secondo la NASA, il Sole è composto in massa per il 71 % di idrogeno, il 27 % di elio e il 2 % di elementi più pesanti, con piccole variazioni a seconda della stima. Contando il numero di atomi, la differenza è ancora più grande: 91 % di idrogeno, 9 % di elio e appena lo 0,1 % di tutto il resto.

In quel “tutto il resto” finiscono elementi come l’ossigeno, il carbonio o il ferro, protagonisti sulla Terra e comparse nel Sole. E lo sappiamo con questa precisione grazie alle stesse righe nere che nel 1835 nessuno sapeva leggere.