Wilhelm Friedrich Herschel, fondatore dell'astronomia moderna e uno dei più grandi astronomi di tutti i tempi, non fu un astronomo professionista e anzi, per una buona parte della sua vita, non fu neppure astronomo.
Nato ad Hannover il 15 novembre 1738 fu avviato alla musica dal padre, che era suonatore di oboe nella banda della Guardia di quella città ed entrò egli stesso in quella banda all'età di quattordici anni, quando già sapeva suonare oltre all'oboe, che rimase sempre il suo strumento principale, anche il violino e il clavicembalo. Aveva frequentato i primi corsi scolastici, apprendendo anche il francese, e la sua vita scorreva serena, quando un primo avvenimento decisivo sconvolse la sua esistenza. Nel 1756 iniziò la "guerra dei sette anni", e il reggimento di Herschel fu trasferito in Inghilterra dove si temeva un'invasione dei Francesi. Questa terra doveva diventare la sua seconda e definitiva patria, al punto tale che oggi il suo stesso nome è indicato da molti come William.
Cessato lo stato di allarme rientrò in patria col suo reggimento e combattè nella battaglia di Hastenbeck nella quale scampò fortunosamente alla morte. Gli era rimasta la vita ma aveva perduto la sua città, occupata dai Francesi. Così diede le dimissioni dalla banda e si trasferì in Inghilterra a Londra, col fratello Jacopo. Nei primi tempi la vita non fu tanto facile. Componeva musica ma guadagnava essenzialmente come copista e intanto studiava latino, greco, italiano e matematica.
In seguito si sistemò sempre meglio come musicista. Girò per diverse città finché, nel 1762, si stabilì a Leeds come Direttore dei concerti e vi rimase per quasi cinque anni. A quell'epoca era rimasto solo, perché il fratello Jacopo era rientrato in patria nel 1759, ma la sua carriera musicale era ben avviata e la vita modesta ma non indigente. Dopo un breve soggiorno ad Halifax, come organista nella chiesa parrocchiale, nel 1767 ebbe lo stesso incarico di organista nella Cappella Ottagonale di Bath, dove esercitò la professione di musicista per quindici anni. Aveva raggiunto una mèta ambìta e della sua sistemazione beneficiarono anche un altro suo fratello, Alessandro, e la sorella Carolina, cantante, che lo raggiunsero nel 1772. Le aspirazioni del musicista Wilhelm Herschel potevano dunque dirsi ormai soddisfatte. Ma un secondo avvenimento decisivo stava per verificarsi nella sua vita e questa volta non fu un evento drammatico e cruento come una guerra.
Nella primavera del 1773, già trentacinquenne, lesse un libro di divulgazione astronomica di Ferguson. Questa lettura lo entusiasmò, gli rivelò un mondo che non aveva mai immaginato e gli fece sorgere il prepotente desiderio di vedere direttamente in cielo quanto aveva letto nel libro.
Purtroppo non aveva i mezzi per acquistare un telescopio. Provò allora a costruirsi egli stesso alcuni rifrattori con
i quali osservò il Sole, la
Luna e i pianeti ma erano strumenti troppo modesti e poco efficienti e riuscirono più a
stimolarlo che a soddisfarlo. Allora trovò un amico che sapeva lavorare gli specchi e che gli fornì gli utensili necessari
e, un po' col suo aiuto un po' basandosi su quanto trovava scritto in un trattato di ottica, incominciò a costruire
telescopi a specchio di diametro sempre più grande.
Gli specchi non erano come oggi di vetro argentato o alluminato ma di una speciale lega di rame e stagno chiamata "speculo"
ed egli cominciava addirittura dalla fusione del pezzo, che poi avrebbe lavorato fornendogli la curvatura e la lucidatura
necessarie. Da allora ne costruì e lavorò oltre quattrocento.
Il più grande, realizzato nel 1786, del diametro di 1,47 m e della lunghezza focaledi 12,20 m, costituì il collettore di
luce del più grande telescopio per uso astronomico mai costruito, che sarebbe stato superato solo sessant'anni dopo da
quello di Lord Rosse di 1,80 m, anche quello eccezionale per i tempi in cui fu costruito.
Man mano che migliorava la sua attrezzatura strumentale intensificava sempre più le osservazioni e a partire dal marzo del 1774 cominciò ad annotarle in un "Giornale Astronomico". Il 13 Marzo 1781 compì la prima grande scoperta: il pianeta Urano. Come risultò poi, questo pianeta era stato già osservato casualmente da diversi astronomi (Mayer, Flamsteed, Bradley, Le Monnier), che l'avevano confuso con le stelle del campo. Herschel invece, grazie al maggior diametro del suo telescopio, si accorse che aumentando l'ingrandimento non restava puntiforme come le stelle ma assumeva un aspetto rotondeggiante e, osservando lo per diverse notti, che si spostava tra le stelle come i pianeti e le comete. Le successive osservazioni e il calcolo dell'orbita, effettuato da Lexell nel 1785 e da Laplace nel 1786, mostrarono definitivamente che si trattava di un nuovo pianeta, sconosciuto agli antichi essendo invisibile a occhio nudo, che si muoveva intorno al Sole su un'orbita molto più ampia di quella di Saturno.
La scoperta ebbe un'enorme risonanza perché mostrò che potevano esistere altri pianeti oltre ai cinque noti da sempre e che i confini del sistema solaresi aprivano verso limiti sconosciuti. Herschel ne ricavò fama, onori e uno stipendio a vita di 200 sterline all'anno da parte del re Giorgio III che, per sua fortuna, era astrofilo. Così potè rinunciare al posto di organista e dedicarsi interamente all'astronomia. Il 19 maggio 1782 Guglielmo suonò e Carolina cantò in pubblico per l'ultima volta, nella Cappella di Bath. Da allora non solo Guglielmo fu completamente astronomo ma anche Carolina lo diventò, sia assistendo il fratello sia facendo da sola ricerche che la condussero, tra l'altro, alla scoperta di sette comete.
Alla fine di luglio i due Herschel si trasferirono a Datchet, presso Windsor, in un ex padiglione di caccia ma, essendo il luogo malsano, nel 1785 trasportarono gli strumenti nel giardino di Clay-Hall e infine, all'inizio del mese di aprile del 1786, a Slough dove, grazie a una speciale sovvenzione di 2000 sterline da parte del re d'Inghilterra, fu costruito il grande telescopio di un metro e mezzo.
Nel marzo del 1792, all'età di 54 anni, sposò la vedova Pitt dalla quale, dopo quattro anni, ebbe il figlio John, che sarebbe più, tardi diventato astronomo come il padre. La sua vita còntinuò serena e onorata. L'Istituto di Francia gli assegnò un premio e lo nominò membro; il re d'Inghilterra gli diede il titolo di Sir, la Royal Astronomical Society, fondata nel 1820, lo elesse suo primo presidente. Ma questi onori e la vita agiata non lo distolsero mai dalle osservazioni che continuò fino al giugno del 1821 quando, ormai ottantatreenne, solo un anno lo separava dalla morte.
Abbiamo accennato brevemente alla vita di Herschel; riprendiamo ora ad esaminare la sua attività scientifica che avevamo lasciato alla prima scoperta, quella di Urano. Sei anni dopo aver scoperto il pianeta, trovò due dei quattro satelliti più grandi (Titania e Oberon). Oggi (NdR: 2004) si conoscono in tutto 23 satelliti di Urano e una serie di anelli sottilissimi che circondano il pianeta, come avviene per Saturno, scoperti nel 1977. Nel 1789 scoprì Encelado e Mimas, due dei numerosi satelliti di Saturno. E queste non furono le uniche scoperte nel sistema solare. Osservò il Sole, numerose comete e gli altri pianeti, studiando soprattutto Marte del quale determinò l'inclinazione dell'asse di rotazione e interpretò le bianche calotte polari come dovute a ghiaccio, interpretazione che, dopo essere stata a lungo controversa in questi ultimi tempi è stata definitivamente confermata dalle recenti ricerche spaziali.
Studiando il Sole scoprì che, osservandolo con filtri di diversi colori, dal giallo al rosso, la percezione luminosa diminuiva mentre quella del calore aumentava. Pensò all'ora di disperdere la luce con un prisma e di esplorare lo spettro così ottenuto con un termometro; con questo sistema scoprì che anche al di là del rosso, dove l'occhio non vedeva più nulla, la temperatura registrata dal termometro si manteneva alta, rivelando la presenza di radiazione invisibile che fu chiamata "ultrarossa". Herschel stesso dimostrò che questa radiazione, oggi chiamata infrarossa, obbedisce alle stesse leggi ottiche della luce e non proviene solo dal Sole ma da qualunque corpo che emette radiazione.
Ma il campo nel quale il contributo di Herschel fu fondamentale è quello dell'universo sidereo. Prima di Herschel la conoscenza dell'universo era praticamente limitata al sistema solare. L'unico progresso compiuto nel mondo delle stelle fisse, dalle epoche antiche, era stata la scoperta dei moti propri, compiuta nel 1718 da Halley che aveva rivelato appunto che le stelle non erano fisse, e quella di oggetti diversi dalle stelle isolate, come alcuni ammassi e nebulose. Quando Herschel compiva le sue prime osservazioni i più vistosi di questi strani oggetti avevano cominciato ad essere catalogati dal francese Charles Messier che nel 1784 pubblicò un catalogo che ne conteneva 103. Herschel, scandagliando sistematicamente il cielo tutte le notti serene con i potenti telescopi che era stato capace di costruirsi, cominciò a scoprire 4-5 ammassi e nebulose per notte e in tre note, pubblicate rispettivamente nel 1786, 1789 e 1802, ne annunciò la scoperta di oltre 2500
Queste scoperte erano in fondo la conseguenza della potenza dei suoi telescopi; ma osservando le stelle Herschel fece qualcosa di molto più profondo e importante. Si propose di scoprire se le stelle si moltiplicavano nello spazio fino all'infinito o se, a un certo punto, finivano e al di là c'era soltanto il vuoto. Per riuscire nell'impresa seguì un semplice ragionamento. Ammettendo che le stelle fossero più o meno tutte dello stesso splendore e uniformemente distribuite nello spazio, osservando uno stesso campo celeste con telescopi sempre più potenti si sarebbero dovute vedere stelle sempre più deboli, cioè sempre più lontane. Contando il numero di stelle presenti su una determinata area della volta celeste osservata con telescopi sempre più potenti, si potevano allora verificare due casi:
Nel primo caso si doveva concludere che era stato raggiunto il confine del mondo stellare, al di là del quale non c'erano più stelle, nel secondo che potevano esistere stelle più lontane di quelle visibili col più potente telescopio e il confine del mondo sidereo, se esisteva, era a distanze ancora maggiori.
Sulla base di questo ragionamento Herschel scelse 3400 piccole zone sparse su tutto il cielo ed eseguì in esse conteggi stellari con telescopi sempre più potenti per oltre vent'anni. Alla fine giunse a concludere che il Sole e il sistema solare si trovano all'interno di un insieme di stelle non infinito, che è molto più esteso in direzione della Via Lattea e molto meno in quella perpendicolare. Scoprì così quell'enorme sistema schiacciato oggi noto col nome di Galassia e soprattutto dimostrò che le stelle non si estendevano all'infinito nell'universo. Purtroppo non riuscì a localizzare bene il Sole all'interno di questo sistema perché lo pose nel centro. In effetti le stelle gli apparivano ugualmente numerose nelle varie direzioni lungo il piano della Via Lattea ma non sapeva che in certe direzioni il loro numero era molto più alto e se ne vedevano press'a poco tante quante in altre perché c'era anche polvere che le oscurava e nascondeva le più deboli.
Scoprendo la Galassia Herschel non poteva
dire né quanto era grande né come si muoveva. Tuttavia, notando che i moti propri osservati nelle stelle appaiono divergere da un punto nella
costellazione di Ercole e convergere verso un punto
del cielo diametralmente opposto, giunse alla conclusione che il Sole, col suo corteo di pianeti, si muove nello spazio.
Il punto di divergenza era quello verso il quale siamo diretti e fu chiamato apice solare. Cercò inoltre di misurare
le dimensioni del sistema stellare che aveva scoperto. Nella sua ipotesi che tutte le stelle fossero dello stesso splendore,
sarebbe bastato misurare la distanza di almeno una stella: quella delle altre si sarebbe potuta poi ricavare misurando
di quanto quelle apparivano più deboli della stella di distanza nota.
Essendosi accorto che molte stelle apparivano doppie e con splendore diverso, sempre nell'ipotesi dello stesso splendore intrinseco, la più luminosa doveva essere più vicina, la più debole molto più lontana e l'accostamento, ovviamente, solo prospettico. Assumendo come stella di riferimento la debole ritenuta lontanissima, determinava la posizione della più brillante rispetto a quella, con lo scopo di ricavare la parallasse annua. Misurò alcune centinaia di stelle con esito negativo, ma, rifacendo le misure una ventina d'anni dopo, scoprì che le posizioni reciproche delle stelle, in quasi tutte le coppie, erano cambiate denunciando un moto di rivoluzione. Questa scoperta non solo mostrò che l'ipotesi che le stelle avessero tutte le stesso splendore non era vera ma rivelò l'esistenza di coppie di stelle fisicamente associate, in moto di rivoluzione una intorno all'altra, come i pianeti del sistema solare intorno al Sole.
Mentre compiva queste ricerche continuava a osservare coi suoi grandi telescopi gli oggetti più cospicui da lui scoperti.
Coll'aumentare della potenza degli strumenti, si accorse che molte nebulose si risolvevano in stelle e cominciò a pensare
che le nebulose fossero altrettanti sistemi stellari
simili alla Galassia che apparivano tali solo
a causa dell'enorme distanza e della debolezza dei telescopi, come avveniva per le nubi della
Via Lattea viste a occhio nudo.
In seguito, però, scoprì una speciale categoria di nebulose rotondeggianti con una stella centrale, che chiamò
"planetarie" (e così
si chiamano ancora) e si accorse che alcune nebulose, come quella famosa di Orione, osservate con telescopi più potenti apparivano sempre più estese e non solo
non si risolvevano in stelle ma sembravano sempre più simili a nubi. Ne concluse che non tutte le nebulose corrispondevano
agli stessi oggetti. Alcune apparivano tali solo nei telescopi meno potenti e si risolvevano in miriadi di stelle in quelli
grandi; altre apparivano sempre nebbiose che dovevano splendere di luce propria. Herschel arrivò a pensare che
quest'ultime fossero le matrici delle stelle ed espose questa teoria in due note apparse nel 1811 e nel 1814, in cui cercò
di dimostrare anche che le nebulose potevano essere disposte in modo da costituire una sequenza evolutiva.
Le scoperte moderne hanno dimostrato che almeno una parte di queste idee di Herschel era giusta. Ma fondamentale fu soprattutto l'introduzione del concetto stesso di evoluzione, anche se non fu recepito e sviluppato dagli astronomi contemporanei e immediatamente successivi, forse perché erano ancora troppo vicini ai tempi in cui il cielo era considerato immutabile e incorruttibile. Così ancora per lunghi anni l'astronomia continuò a consistere nella misura delle posizioni e dei moti dei corpi celesti, soprattutto nell'ambito del sistema solare. Intanto sorgeva l'astrofisica; le scoperte e il seme gettato da Herschel si diffondevano e maturavano in nuove generazioni di astronomi, molti dei quali con mentalità nuova, ed oggi si può dire che i problemi fondamentali dell'astronomia moderna sono quello della struttura ed evoluzione dell'universo sidereo: i due campi dei quali Herschel fu, più che un precursore, il fondatore.
