La Scoperta di Urano e l’Eredità di William Herschel

Il 13 marzo 1781, William Herschel rivoluzionò la comprensione del Sistema Solare scoprendo Urano, un pianeta intrigante e misterioso. Più tardi le informazioni inviati della Voyager 2 sveleranno nuovi dettagli sollevando domande sulla sua formazione
di Maria Di Nezza
tratto da INGV

Poco più di 240 anni fa il Sistema Solare ha improvvisamente ampliato le sue dimensioni, diventando il doppio di quanto conosciuto fino a quel momento. L’astronomo anglo-tedesco William Herschel, alla corte di Re Giorgio III, effettuò una scoperta straordinaria individuando Urano, il pianeta dalle tonalità acquamarina e il terzo dei giganti gassosi già scoperti da Galilei. Che percorso aveva seguito?

Il telescopio Herscheliano

William Herschel era un autodidatta. Si era documentato con opere quali “A Compleat System of Opticks” di Smith e “Astronomia” di Ferguson, dove aveva appreso i principi di Newton. Era rimasto affascinato dal telescopio riflettore inventato da Isaac Newton nel 1668 che impiegava uno specchio concavo per raccogliere la luce per poi riflettersi su uno specchio piatto. L’utilizzo di specchi, più piccoli rispetto alle lenti, forniva ingrandimenti migliori e un campo visivo più ampio, evitando anche problemi cromatici.

Herschel iniziò quindi a costruire personalmente anche lui il suo telescopio riflettente. Dedicò giornate di lavoro alla levigatura degli specchi di notevole diametro assistito dalla sorella Caroline. Migliorò il sistema di specchi eliminando il piccolo specchio diagonale e inclinando quello principale per una “vista frontale,” creando così il telescopio Herscheliano.

Nel 1773, cominciò ad osservare pianeti e stelle, stelle doppie, sistemi stellari e altri oggetti astronomici. Dall’anno successivo comincerà ad annotare dettagliatamente tutte le osservazioni astronomiche da lui effettuate.

Focalizzò da principio la sua attenzione nello studio di stelle vicine visivamente accoppiate. Seguendo il metodo proposto da Galileo Galilei, Herschel sperò che le variazioni nel tempo della loro separazione apparente rivelassero il movimento proprio stellare da cui risalire, tramite spostamenti di parallasse, alla loro distanza dalla Terra.

La scoperta di Urano

Il 13 marzo 1781, Herschel aumentando gli ingrandimenti del suo telescopio fece una scoperta epocale mentre scrutava le stelle vicino a H Geminorum. Una stella apparentemente più grande catturò la sua attenzione. Pensò inizialmente di aver individuato una nuova cometa, tuttavia la mancanza di chioma e la presenza di un disco definito lo fecero dubitare. Riferita la scoperta all’astronomo reale Nevil Maskelyne, in breve fu chiaro che non poteva trattarsi di una cometa. Il vero status di pianeta del corpo celeste fu però confermato solo da calcoli successivi, nel 1783 quando lo studioso ed erudito francese Pierre-Simon Laplace dimostrò che le caratteristiche orbitali del corpo celeste erano più simili a quelle di un pianeta piuttosto che a quelle di una cometa.

Secondo i calcoli di Herschel, il nuovo pianeta si posizionava ad una distanza doppia dal Sole rispetto a quella di Saturno e doveva avere dimensioni considerevoli. Avanzò l’ipotesi di un diametro equatoriale di circa 55.000 chilometri, quattro volte quello terrestre. Tale stima in effetti si avvicina al reale diametro del pianeta che risulta essere pari a 51.500 chilometri, rilevato successivamente dalla sonda Voyager 2 nel 1986.

Il nome del nuovo pianeta subì varie vicissitudini. Chiamato inizialmente il nuovo corpo celeste con il nome “Georgium Sidus” (Stella di Giorgio, in onore del re Giorgio III), fu successivamente cambiato quando capì che si trattava di un pianeta trasformando il nome in Giorgian Planet. Tuttavia questo nome non fu accolto positivamente dalla comunità scientifica dell’epoca. Da eruditi e scienziati francesi fu suggerito “Herschel” ma due anni dopo Johann Elert Bode propose “Urano“, in onore del padre mitologico di Saturno. E così fu battezzato il nuovo pianeta.

Durante la vita Herschel ricevette riconoscimenti prestigiosi per il suo lavoro. Tra i vari gli fu concessa l’appartenenza alla Royal Society e gli fu assegnata la medaglia Copley. Re Giorgio gli donò 2000 sterline per realizzare un telescopio riflettore che fosse all’avanguardia per l’epoca, oltre ad assegnargli un cospicuo assegno annuale.

Nuove osservazioni

Grazie al nuovo telescopio Herschel effettuò altre notevoli scoperte. Nel 1787 individuò Titania e Oberon, satelliti di Urano, e nel 1789 scoprì Mimante ed Encelado, satelliti di Saturno. Nel 1789, intuì un possibile anello intorno ad Urano, ma l’osservazione risultò dubbia data la debolezza della sua luminosità, presenza per altro non confermata per i due secoli successivi. Tuttavia, riuscì a fornire dettagli sull’anello “fantasma”, oggi identificato come 1986U2R/ε, come le dimensioni, l’angolo rispetto alla Terra, il colore e le variazioni durante l’orbita di Urano attorno al Sole.

Affrontò anche il problema delle distanze stellari, senza successo, ma identificò comunque sistemi stellari doppi, confermando la validità della legge di gravitazione universale.

Nel 1802 introdusse il termine “asteroide” per descrivere le piccole lune dei pianeti giganti e i pianeti minori. Solo nel 1850, “asteroide” divenne un termine comune per indicare alcuni pianeti minori.

Inoltre Herschel fu pioniere nello studio della Via Lattea. Nel 1785 propose un modello galattico basato sulle osservazioni e misurazioni da lui eseguite nel corso degli anni, che si dimostrò errata poiché immaginò il Sole al centro del disco galattico della Via Lattea.

Le scoperte successive sulle caratteristiche di Urano

Malgrado le imponenti dimensioni, questo gigante gassoso è scarsamente visibile ad occhio nudo.  A oltre 200 anni dalla scoperta, nel gennaio 1986, la sonda Voyager 2 rivelò dettagli fondamentali sorvolando il pianeta per sole sei ore.

Nonostante sia questo il terzo pianeta più grande nel Sistema Solare, con un volume che è circa 63 volte quello della Terra, Urano mostra una rotazione veloce su sé stesso. Un giorno uraniano dura solamente 17 ore e 14 minuti mentre completa un giro intorno al Sole in un periodo di ben 84 anni terrestri. Nel 2033 Urano terminerà il suo terzo ciclo orbitale intorno al Sole dall’anno della sua scoperta.

La peculiarità di Urano è l’inclinazione del suo asse di rotazione di quasi 98° rispetto al piano del Sistema Solare, caratteristica questa che genera stagioni estreme. L’inclinazione del pianeta piuttosto originale tra i pianeti del sistema solare è probabilmente da attribuire ad una collisione primordiale.

L’atmosfera ha una temperatura media di -214 gradi Celsius. Il metano, presente nell’atmosfera di Urano insieme a idrogeno, elio, acqua e ammoniaca, gli conferisce il caratteristico colore acquamarina. La superficie si presenta come un mantello ghiacciato conferendogli il record di pianeta più freddo del Sistema Solare. Infine, ha un nucleo centrale di ferro-nichel. La sonda Voyager 2 ha confermato la presenza di un potente campo magnetico, 50 volte quello terrestre, e fasce di radiazione simili a quelle di Saturno e non simmetrici come avviene sulla Terra.

Gli anelli di Urano

Nel 1977, gli astronomi Elliot, Dunham e Mink scoprirono gli anelli di Urano a bordo del Kuiper Airborne Observatory (KAO) della NASA. Inizialmente intenti a studiare l’atmosfera del pianeta azzurro, notarono la scomparsa della stella SAO 158687 quando qualcosa la occultò. Il fenomeno fu attribuito alla presenza di un sistema di almeno cinque anelli. Successivamente i dati raccolti dalla sonda Voyager 2 e da altri telescopi, come il telescopio spaziale Hubble, hanno effettivamente confermato l’esistenza di almeno 13 anelli nel sistema di Urano, di cui due scoperti solo di recente.

Quindi anche Urano, come gli altri pianeti giganti, possiede anelli e lune. Il sistema interno comprende undici anelli, prevalentemente grigio scuro, mentre i due esterni assumono colori rossastri e blu. Il pianeta ha 27 lune battezzate con nomi originali e poetici derivati dalle opere di Shakespeare e Pope. Le lune interne sono composte da ghiaccio d’acqua e roccia, mentre la composizione di quelle esterne rimane ancora oggi sconosciuta, essendo questi probabilmente asteroidi catturati dalla forza di attrazione del gigantesco pianeta.

Secondo uno studio recente della NASA basato sui dati della missione Voyager 2, quattro delle principali lune di Urano (Ariel, Umbriel, Titania e Oberon) potrebbero ospitare oceani salati profondi sotto la superficie ghiacciata. I nuovi modelli suggeriscono che questi oceani potrebbero persistere sotto lo strato di ghiaccio e sopra strati di roccia ricca di acqua e roccia secca. Miranda, la quinta delle lune maggiori di Rano, invece è considerata troppo piccola per trattenere abbastanza calore per conservare uno strato oceanico.

Curiosità

John Flamsteed, nel 1690, aveva già individuato Urano durante le sue osservazioni, catalogandolo però erroneamente come stella. Nel 128 a.C. l’astronomo greco Ipparco potrebbe averlo inserito nel suo catalogo stellare come 34 Tauri, la stella 34 della costellazione del Toro. William Herschel, nel XVIII secolo, con il suo telescopio avanzato, finalmente contribuì ad identificarlo come pianeta.

Recentemente è stato scoperto che sulla superficie di Urano, come su Nettuno e su altri pianeti che soddisfano certe caratteristiche, si formino cristalli di diamanti da milioni di carati, che poi finiscono per sprofondare lentamente negli strati ghiacciati per depositarsi intorno al nucleo solido di questi pianeti!