CAPITOLO 4

I TELESCOPI

On Tuesday the 13th of March, between ten and eleven in the evening,
while I was examining the small stars in the neighbourhood of Η Geminorum,

I perceived one that appeared visibly larger than the rest:
being struck with its uncommon magnitude, I compared it to Η Geminorum

and the small star in the quartile between Auriga and Gemini, and
finding it so much larger than either of them, suspected it to be a comet.

Martedì 13 marzo, tra le dieci e le undici di sera, mentre esaminavo
le stelle deboli nei dintorni di Η Geminorum, ne ho notata una che mi è

parsa visibilmente più grande delle altre: rimasto colpito dalla sua inconsueta
luminosità, l’ho confrontata con Η Geminorum e la stellina situata nel quartile
tra Auriga e Gemini, e l’ho trovata talmente più grande di entrambe,
che ho ipotizzato potesse trattarsi di una cometa.

(William Herschel, Account of a Comet, Philosophical Transactions, 1781)

PAROLE CHIAVE
Urano / Nettuno / Comete / Nebulose planetarie

Isaac Newton è passato alla storia per aver formulato la legge di gravitazione universale. Questa, per la verità, occupa soltanto una piccolissima parte dei tre Libri che costituiscono i Principia, l’opera più famosa del grande scienziato inglese, in cui egli, oltre a dare forma alle tre leggi del moto (che avrebbero costituito le fondamenta di quella parte della fisica nota come la dinamica), tratta del moto in presenza di attrito, della propagazione delle onde nei fluidi e della natura corpuscolare della luce.
A differenza di Huygens, che ne sosteneva la natura ondulatoria, Newton, da atomista convinto qual era, riteneva che anche la luce fosse costituita da piccolissimi corpuscoli. Entrambi gli scienziati, come si scoprirà molto più tardi, avevano ragione, poiché la luce mostra una natura duplice e alcuni fenomeni, come l’interferenza e la diffrazione, sono interpretabili solo assumendo una propagazione di tipo ondulatorio, mentre altri, come l’effetto fotoelettrico, non si possono spiegare, se non ipotizzando che la luce sia composta da corpuscoli infinitesimi: i fotoni.

L’interesse profondo che Isaac Newton nutriva per l’ottica è sconosciuto ai molti, così come poco noto è il fatto che quando nel 1665, a seguito della diffusione della terribile epidemia di peste a Londra, l’Università di Cambridge, dove egli studiava, venne chiusa per precauzione, dopo essere rientrato a Woolsthorpe, il suo paese natale, decise di costruirsi, da solo, un piccolo telescopio. Il “da solo” deve essere inteso nella sua accezione più totale, in quanto Newton, che era un abilissimo artigiano, cominciò a costruire il telescopio, partendo dalle lenti, che lavorò e levigò accuratamente, utilizzando un apparecchio che aveva costruito, sempre da solo, proprio per questo scopo.

Non gli ci volle molto per accorgersi che le lenti producevano uno strano effetto sulla luce, rendendo i bordi delle immagini poco definiti e soprattutto “colorati” in modo diverso. Questo fenomeno, che porta il nome di “aberrazione cromatica”, si deve al fatto che i colori che compongono la luce bianca, passando attraverso il vetro, materiale di cui sono costituite le lenti, vengono “deviati” (il termine scientificamente corretto è “rifratti”) in modo diverso.
È molto probabile che sia stato proprio l’aver notato la presenza di aloni colorati, distribuiti asimmetricamente attorno alle immagini degli oggetti celesti prodotte dalle lenti del suo telescopio, ad aver fatto scattare nella mente del giovane Isaac un’intuizione, che successivamente sarebbe riuscito a dimostrare, ovvero che i colori non erano una modificazione operata dalle lenti sulla luce, ritenuta dai più (in accordo con Aristotele) bianca e pura, ma parte della luce stessa, che era costituita, in realtà, dall’insieme di tutti i colori.

Il grande incendio di Londra, scatenatosi all’inizio del settembre del 1666, segnò la fine del diffondersi della peste e così Isaac poté fare ritorno a Cambridge dove, nel 1669, a soli 26 anni, avrebbe ottenuto la prestigiosa cattedra lucasiana perché il titolare, Isaac Barrow, che la deteneva dal 1663, si sarebbe dimesso per lasciare il posto proprio a Newton, che riteneva essere il suo migliore allievo. Barrow era stato il primo professore lucasiano, in quanto la cattedra era stata istituita nel 1663, per effetto del lascito testamentario del reverendo Henry Lucas che, tra il 1640 e il 1648, aveva rappresentato l’Università di Cambridge alla Camera dei Comuni. Era facoltà del professore lucasiano decidere quale argomento avrebbe insegnato e la scelta di Isaac Newton sarebbe caduta sull’ottica.

Due anni prima di ricevere quella prestigiosa nomina, Newton, già a Cambridge, aveva finito di realizzare un telescopio in cui, per evitare il fastidioso fenomeno dell’aberrazione cromatica, che rendeva le immagini poco definite e confuse, aveva scelto di rimpiazzare gli elementi ottici tradizionali, le lenti, con degli specchi.
L’idea non era propriamente nuova, anche se con grande probabilità Isaac ignorava l’esistenza di un libro, intitolato Optica Promota, che era stato pubblicato appena pochi anni prima, nel 1663, dal matematico e astronomo scozzese James Gregory, che in quell’opera aveva descritto lo schema di un telescopio costituito da due specchi, riprendendo a sua volta un’intuizione che era già stata presentata nel 1632 da Bonaventura Cavalieri, nel trattato Lo specchio ustorio, e nel 1636 nella Harmonie Universelle di Marin Mersenne.

Fig. 6. Il cannocchiale di Galileo (in alto), primo rifrattore della storia, messo a confronto coi riflettori di Newton (al centro) e di Gregory (in basso).

Newton, tuttavia, era riuscito a dare forma concreta a quello che fino ad allora era rimasto solo un progetto, costruendo un telescopio, il cui principio di funzionamento – la riflessione della luce – era diverso da quello della rifrazione, su cui si erano fondati i telescopi costituiti da lenti, il primo dei quali era stato proprio il cannocchiale di Galileo (Fig. 6).

La struttura del telescopio di Newton, inoltre, non ricalcava affatto quella suggerita da Gregory. Questi aveva previsto, infatti, che lo specchio secondario (a cui aveva dato forma di iperboloide) fosse collocato sopra lo specchio primario (per cui aveva scelto la forma parabolica) a una distanza che gli consentisse di convogliare, per riflessione, la luce in un punto, il fuoco, che si trovava sotto il primario e in cui sarebbe stato collocato l’oculare.

Lo specchio secondario di Gregory oscurava, quindi, con la sua presenza una buona parte della luce che i deboli corpi celesti inviavano verso il primario e, come se non bastasse, quest’ultimo doveva essere forato nella sua parte centrale per far sì che la luce, riflessa dal secondario, giungesse al fuoco.
Newton, invece, aveva scelto una forma sferica per il primario e una forma piana per il secondario a cui aveva dato un’inclinazione di 45°. Quest’ultima gli aveva consentito sia di avere il fuoco del telescopio in una posizione laterale, posta quasi alla sommità del tubo che conteneva i due specchi, sia di rendere minima la perdita di luce provocata dalla presenza di uno specchio (il secondario) collocato entro il fascio di luce diretto a un altro specchio (il primario). Non si trattava di un vantaggio piccolo, dal momento che la funzione del primario è unicamente quella di raccogliere la maggior quantità possibile di luce, inviata dai deboli oggetti celesti.

Nel 1671, Newton presentò il suo “gioiello” ai membri della Royal Society, una prestigiosa istituzione che era stata fondata nel 1660 e i cui membri si riunivano settimanalmente per analizzare e discutere i risultati scientifici. Questi ultimi potevano essere presentati, in forma di lettera, da appartenenti all’associazione o anche da esterni. Se il contenuto delle lettere era ritenuto degno di essere divulgato, esse venivano pubblicate, inizialmente nella Correspondence e poi in seguito nelle Philosophical Transactions, vere e proprie antenate delle moderne pubblicazioni scientifiche.

Gli studiosi della Royal Society rimasero stupiti nel vedere come uno strumento, che non raggiungeva i 20 cm di lunghezza e aveva uno specchio primario di appena 3,5 cm di diametro, potesse eguagliare le prestazioni di telescopi molto più ingombranti. Del resto, la maggiore compattezza è proprio una delle caratteristiche distintive che i riflettori (telescopi costituiti da specchi) hanno nei confronti dei telescopi caratterizzati da lenti (che vengono chiamati rifrattori), in virtù del fatto che nei primi il cammino ottico della luce viene accorciato dalle riflessioni, mentre nei secondi la distanza tra le due lenti non può essere diminuita in alcun modo. A titolo di esempio, il rifrattore che Christiaan Huygens si era costruito e con cui aveva scoperto una quindicina di anni prima, nel 1655, il satellite di Saturno, Titano (che egli aveva chiamato, molto più semplicemente, Luna Saturni), aveva una lente, il cui diametro non arrivava ai 6 cm, e una lunghezza di più di 3 m.
Il riflettore di Newton fu accolto con interesse ed entusiasmo dai membri della Royal Society. Alcuni di loro iniziarono addirittura a costruirsi un proprio telescopio e Isaac si guadagnò così l’ammissione alla prestigiosa istituzione.

È singolare come Huygens e Newton, che non ebbero mai buoni rapporti, poiché si trovarono spesso in disaccordo su questioni inerenti la scienza (prima tra tutte quella relativa alla natura della luce), abbiano aperto quasi contemporaneamente l’era in cui gli occhi degli astronomi cominciarono a farsi metaforicamente sempre più grandi. Maggiore è, infatti, il diametro della lente, o dello specchio, maggiore risulta la quantità di luce raccolta e oggetti malamente percepibili a occhio nudo, se non addirittura invisibili, possono essere visti con facilità anche con lenti o specchi di dimensioni modeste. Questo, d’altronde, lo aveva già dimostrato Galileo che col suo cannocchiale era riuscito a rivelare un Universo “nuovo”.

Nel giro di pochi anni, i telescopi iniziarono letteralmente a moltiplicarsi e lo strumento che Gregory non era riuscito a costruire, perché era uno scienziato maggiormente orientato verso studi teorici che sperimentali, si sarebbe diffuso in tutta l’Europa un centinaio di anni dopo, grazie all’immane lavoro di James Short, un abilissimo ottico inglese, vissuto tra il 1710 e il 1768, che nel corso di 33 anni avrebbe realizzato ben 1.360 “telescopi gregoriani”. Questi strumenti sarebbero stati acquistati sia dai più importanti osservatori astronomici dell’epoca (come quelli di Harvard, Parigi, San Pietroburgo e Uppsala), sia da privati cittadini, appassionati di astronomia, il più famoso dei quali fu molto probabilmente Sir George Parker, membro del Parlamento inglese dal 1722 al 1727, noto per la sua strenua campagna a favore dell’adozione della riforma gregoriana, che sarebbe entrata in vigore in Inghilterra soltanto molti anni dopo, nel 1752. Nel suo castello di Shirburn, nell’Oxfordshire, il nobile inglese aveva allestito un osservatorio astronomico, equipaggiato proprio con un “gregoriano”, che Short aveva realizzato per lui nel 1741.

Meno di 50 anni dopo, poco prima che volgesse al termine quello straordinario XVIII secolo, che avrebbe visto la nascita di macchine e tecnologie destinate a cambiare radicalmente il modo di vivere degli esseri umani, l’Inghilterra avrebbe raggiunto un importante primato astronomico: la costruzione del telescopio più grande dell’epoca. A portare a compimento una simile impresa, sarebbe stato un uomo che in quella nazione aveva trovato rifugio e fama: Sir Frederick William Herschel, che in origine, oltre a non essere nobile, non era neppure inglese.