sintesi astronomia

Sintesi di astronomia

Terra, Sistema Solare, Galassie: l’ Universo

La Terra è un pianeta e non è una stella, la gran parte di oggetti celesti sono stelle
La Terra è un pianeta del nostro sistema solare che ha come stella il Sole.
Le stelle brillano di luce propria, i pianeti brillano di luce riflessa da una stella ( i pianeti del nostro sistema solare brillano di luce riflessa dal Sole). I pianeti più vicini alla Terra ci appaiono più brillanti anche delle stelle più luminose perché sono molto più vicini.
La luce delle stelle proviene dal centro della stella dove avvengono reazioni termonucleari che sprigionano energia luminosa.
I pianeti non emanano luce propria perché sono troppo piccoli (massa troppo piccola) perché avvengano le reazioni termonucleari.
Stelle e pianeti nascono alo stesso modo: dall’aggregazione di polveri cosmiche: l’aggregazione di materia per gravità genera calore (energia gravitazionale che si trasforma in energia termica), più massa si aggrega maggiore è la temperatura che si raggiunge; parliamo di masse di materia allo stato gassoso con temperature maggiori al centro e decrescenti verso l’esterno. Se la temperatura interna raggiunge almeno i 10 milioni di K si possono innescare le reazioni termonucleari. Per aggregazioni di masse più piccole le sfere di gas aggregato non si scaldano abbastanza e non possono far altro che raffreddarsi nel tempo e formare pianeti e pianetini.
Il sistema solare si è formato da un disco di materia in rotazione: al centro del disco è andata la stragrande maggioranza della massa formando il Sole, in periferia a diverse distanze altri centri di aggregazione hanno formato i pianeti (nove o otto, Plutone è particolare come vedremo).
I pianeti ruotano attorno al Sole che rappresenta il centro gravitazionale del sistema: la materia attrae altra materia secondo la legge di gravitazione universale (F= G m1 m2 / d2 ) , Sole e pianeti si attraggono reciprocamente ma, dato che il Sole è molto più grande dei suoi pianeti, la componente da attrazione dovuta ai pianeti sul Sole è trascurabile. La forza di attrazione del Sole sui pianeti, combinata alla forza di inerzia che muove i pianeti provocano un moto di rotazione di traiettoria ellittica.
Il Sistema Solare è collocato in un punto non centrale della nostra galassia, chiamata Via Lattea o Galassia. Le galassie sono aggregati di stelle che evidentemente non sono distribuite ovunque in modo uniforme nel cosmo ma si raggruppano sempre a causa della gravità.
La Galassia ha forma a spirale con le stelle (circa trecento miliardi) che ruotano attorno al centro galattico.
Anche le galassie non sono distribuite in modo uniforme ma si aggregano in ammassi galattici ( che contengono anche 10.000 galassie)
L’insieme di tutti gli oggetti celesti forma l’Universo.

Nell’Universo tutti i corpi sono in movimento: non esiste la quiete ma una serie di moti combinati tra loro. I pianeti ruotano attorno al Sole ed attorno al loro asse ( moto di rivoluzione e moto di rotazione) , il Sole, come tutte le stelle, ha un moto di rotazione e partecipa , con il Sistema Solare nel suo insieme, al moto delle stelle della Galassia. Ma anche le galassie e gli ammassi galattici si muovono. Il moto di una galassia è la combinazione di due componenti: 1) moto verso le galassie più vicine (per gravità), 2) moto di recessione , cioè di allontanamento in ogni direzione “trascinate” dall’espansione uniforme dello spazio (come l’uva passa in una pasta che lievita) , una forza espansiva che sembra derivare dall’esplosione iniziale di un universo grande quanto un’arancia (Big Bang).

La storia della scoperta del cosmo

Proviamo ora a tornare indietro nel tempo e vedere come si sono susseguite le scoperte astronomiche.
Importante: COSA VEDIAMO DA TERRA A OCCHIO NUDO SE GUARDIAMO IN ALTO? Quello che vediamo oggi è praticamente lo stesso scenario del primo uomo che ha alzato lo sguardo verso il cielo.
Stelle e pianeti appaiono come puntini luminosi, ma l’uomo ha saputo subito distinguere le stelle dai pianeti. Per capire come ha fatto immaginiamo di osservare il cielo per qualche ora di notte (di giorno le stelle ci sono ma non sono visibili a causa della luce solare prevalente). Intanto vediamo che non ci è possibile stabilire quali siano più vicine e quali più distanti. Certo, se le stelle fossero tutte delle stesse dimensioni (e si è creduto questo per tanto tempo) emetterebbero tutte la stessa quantità di luce ed allora quelle che appaiono più luminose sarebbero anche le più vicine. Ma in realtà non è così: le stelle non sono tutte uguali, e non emettono la stessa luminosità. Ma certamente la luce stellare che arriva a noi dipende anche dalla distanza alla quale si trova la stella rispetto a noi. Quindi la luminosità apparente di una stella dipende sia dalla luminosità assoluta della stella (cioè la quantità di luce emessa) che dalla distanza alla quale è posta la stella.
L’osservatore posto sulla Terra vede sostanzialmente le stelle come se fossero tutte alla stessa distanza con diverso grado di luminosità.
Le stelle appaiono raggruppate a formare figure che chiamiamo costellazioni, sono gruppi di stelle in realtà anche molto distanti tra loro ma a noi appaiono vicine. Prolungando per qualche ora l’osservazione stellare ci si accorge di un altro fatto importante: le costellazioni sembrano muoversi. La forma delle costellazioni e la distanza tra le stelle rimane la stessa ma il cielo visibile nel suo insieme si muove durante la notte. A ben guardare non proprio tutte le stelle si muovono, la stella polare (quella che indica il nord) mantiene sempre la sua posizione. Tutte le stelle tornano dopo ventiquattro ore nella stessa posizione mentre la stella polare ( e le stelle a lei vicine) rimane come inchiodata al firmamento.
Queste osservazioni si possono fare oggi e sono state fatte da sempre.
Come interpretare questo quadro di osservazioni? La spiegazione più semplice è quella di immaginare tutte le stelle incastonate in una sfera trasparente e mobile, ruoterebbe tutta la sfera intorno alla Terra (immobile) facendo perno sulla stella polare. Non si muoverebbero cioè le stelle (definite quindi fisse) , ma la sfera cristallina che le trascinerebbe nel suo moto. Ci sembra ora fantascienza ma a ben pensarci è la spiegazione più semplice se diamo per scontato l’immobilità della Terra. Una Terra mobile d’altra parte sembrava essere cosa molto più fantascientifica della sfera invisibile: se la Terra si muovesse ce ne accorgeremmo, no? Perché non percepiamo il moto della Terra? Perché, se la Terra si muove, un corpo in caduta libera non cade spostato dalla verticale? Legittime osservazioni.
Il modello che prevede la Terra al centro del cosmo e le stelle inchiodate in una sfera trasparente è il modello aristotelico-tolemaico che ha dominato la scena fino a Copernico nonostante qualche voce fuori dal coro ci sia stata anche prima (Aristarco e Pitagora ad esempio). In questo modello non c’è solo la sfera delle stelle fisse ma ci sono anche le sfere dei pianeti.
Perché i pianeti hanno delle sfere a parte? Come mai sono stati riconosciuti subito come corpi diversi dalle stelle (anche se tutti erano chiamati “astri”) ?
I pianeti sono molto più vicini delle stelle e i loro moti di rotazione intorno al Sole ne fanno variare continuamente la posizione rispetto ad un osservatore posto sulla Terra. Il moto di un corpo lontano come le stelle invece (anche le stelle si muovono) non è affatto percepibile. Un corpo come Mercurio che gira attorno al Sole con un periodo di circa un mese e mezzo non è sempre visibile dalla Terra, appare e scompare alla nostra vista a seconda del periodo dell’anno. Prevedere le sue posizioni è molto più difficile di quanto si possa fare con le stelle. E poi c’è un altro fatto: nella realtà non si muove solo Mercurio intorno al Sole ma anche la Terra e questo complica ulteriormente le cose. Una stella, invece, è così lontana che il moto di rivoluzione terrestre non influisce sulla loro posizione (stelle fisse), ci appaiono muoversi nel loro insieme a causa del moto di rotazione (attorno all’asse) terrestre che ha un periodo di 24 ore.
Ogni pianeta si muove attorno al sole con velocità diversa, ogni pianeta sembrò agli antichi essere come inchiodato ad una propria sfera trasparente con una propria velocità di rotazione. E così si compone il quadro dell’Universo di Aristotele, di Tolomeo, di Dante: la Terra immobile al centro del cosmo circondata da sei sfere mobili planetarie (in ordine: Mercurio, Venere, Sole, Marte, Giove e Saturno) ed esternamente la sfera delle stelle fisse (si muove la sfera e non le stelle).
Questo era il cosmo degli antichi.

Cosa si poteva studiare del cosmo oltre alla sua geometria? Non molto, per esempio si poteva classificare le stelle secondo la loro luminosità (e così fece Ipparco), si poteva studiare il moto dei pianeti (cioè delle sfere che contenevano i pianeti) per arrivare a prevederne le posizioni in ogni giorno dell’anno (tavole delle effemeridi). Ma perché tanto interesse per le posizioni dei pianeti? Per via delle credenze astrologiche: la convinzione cioè che le stelle influiscano sulla vita degli uomini.
C’è da dire che l’idea che la Terra si muovesse era venuta in mente a diversi studiosi del cielo anche perché una Terra mobile spiegherebbe i moti dei pianeti più semplicemente di una Terra immobile. C’è un modo per stabilire se la Terra si muove: misurare un angolo di parallasse per qualche stella. La parallasse è il fenomeno per cui un oggetto sembra spostarsi rispetto allo sfondo se si cambia il punto di osservazione. Il problema con questo metodo è che gli angoli di parallasse delle stelle sono estremamente piccoli anche per le stelle più vicine, gli strumenti del passato erano tutti decisamente inadeguati e non si riusciva a misurare l’effetto di parallasse per nessun astro (vedi Tycho Brahe) e per questo motivo la teoria geocentrica con Terra immobile sopravvisse a lungo.
Galileo, Keplero e poi Newton disegnarono il nuovo cosmo (anche senza trovare la parallasse) eliocentrico: la Terra prese il posto del Sole e divenne uno dei cinque pianeti , posto tra Venere e Marte; le sfere celesti non furono più necessarie perchè ai pianeti venne riconosciuto un moto proprio rivoluzione intorno al Sole, per quanto riguarda invece il moto della sfera delle stelle fisse bastò interpretarlo come moto apparente dovuto alla rotazione terrestre.
Newton poi fu il primo a dare una spiegazione al moto dei pianeti e a riconoscere il ruolo e le caratteristiche della forza di gravità , una forza che agisce nei cieli, attraendo stelle e pianeti, e in Terra ancorandoci al suolo (ed impedendo agli abitanti dell’emisfero australe di cadere “di sotto”).
Newton diede il colpo di grazia non solo al sistema del mondo aristotelico ma anche a tutta la fisica sottesa, anche Cartesio dedicò praticamente la sua vita a redimere il mondo dalle bugie fisiche aristoteliche, cercò anche lui di fondare un metodo ed una fisica nuova ma Newton dimostrò (usando della matematica accessibile a pochissimi del suo tempo) l’inconsistenza sia della fisica aristotelica che di quella cartesiana.

Nel Seicento il sistema solare era tratteggiato correttamente fino al quinto pianeta (Saturno).
Ma quanto è grande l’Universo? Questa era un’altra bella domanda. La striscia luminosa ben visibile in cielo nelle serate estive è la Via Lattea riconosciuta come una galassia appena venne costruito un telescopio in grado di risolvere le stelle che la compongono. Anche la Terra e quasi tutte le stelle visibili ad occhio nudo fanno parte della Via Lattea e questo fatto non era semplice da capire. La striscia più luminosa è semplicemente la parte più densa di stella della Galassia. La nostra è semplicemente una delle tante, tantissime galassie dell’universo. La Terra non è al centro del sistema solare, il sistema solare non è al centro della Galassia, la Galassia non è l’Universo. Siamo in un punto almeno geometricamente non particolare del cosmo.

Venne affrontata, grazie alla potenza crescente dei telescopi, la questione delle nebulose: corpi celesti dall’aspetto appunto di nube. Edwin Hubble (1889-1953) ad esempio scoprì che la nebulosa di Andromeda era composta di stelle, erra quindi una galassia! Fu davvero un grande scoop, l’universo aumentò improvvisamente di dimensioni.

La questione delle distanze delle stelle e delle dimensioni dell’universo fu la prima problematica astronomica per tutto il Settecento mentre poi l’Ottocento aprì un altro capitolo dell’astronomia: l’astrofisica con l’introduzione della spettroscopia .
In effetti l’avvento del telescopio (usato da Galileo con importanti risultati) fece convergere l’attenzione sui pianeti, sulla Luna e sul Sole, sui corpi celesti più vicini insomma. Le stelle al telescopio non mostravano differenze rispetto alla visione ad occhio nudo: erano sempre dei puntini luminosi (puntiformi) di splendore variabile da stella a stella. Ma a qualcuno venne in mente di studiare la luce emessa dalle stelle fatta passare attraverso un prisma. Quello stesso tipo di prisma usato brillantemente da Newton per studiare la natura della luce.
La luce visibile stellare passando attraverso un prisma si scompone (dispersione della luce, un fenomeno di rifrazione) nei suoi colori, questo lo fa la luce di tutte le stelle (almeno quelle che emettono nel visibile) ma lo spettro (cioè l’insieme dei colori) non è proprio uguale per tutte le stelle: cambia ad esempio l’intensità dei colori, qualche stella ha uno spettro con la massima intensità nel rosso, altre invece nel blu etc.. Ben presto si relazionò l’intensità dei colori con la temperatura della stella: stelle con lo spettro più intenso nel blu sono più calde di quelle con il rosso più intenso.
Il Sole fu la stella maggiormente studiata e si cominciarono ad ipotizzare i meccanismi di produzione di energia. Agli inizi del Novecento Sir Arthur Eddington (1882-1944),astronomo di Cambridge, avanzò l’ipotesi dell’esistenza di reazioni di fusione nucleare idrogeno-elio all’interno del Sole.
Padre Angelo Secchi (1818-1878) (astronomo e gesuita dell’osservatorio del Collegio Romano) classificò le stelle in base al loro spettro e quindi in base alla loro temperatura.
Con l’uso della spettroscopia divenne più facile distinguere le nebulose dalle galassie hanno degli spettri molto diversi da quelli stellari.

Dagli studi spettroscopici sembrava a prima vista esserci una relazione temperatura-massa , cioè la stelle più massicce si pensava fossero anche le più calde e luminose ma non è così nella realtà. Venne scoperta ben presto una discrepanza da questa relazione: le nane bianche. Sono stelle ad altissima densità (d=M/V) con bassa luminosità ed alta temperatura superficiale. La luminosità (quella assoluta) in effetti dipende sia dalla temperatura ( e quindi dalla massa) sia dal raggio stellare (dimensioni). Le nane bianche sono stelle collassate , di piccolo raggio, grande massa, bassa luminosità ed alta t. Ne consegue che le stelle sono molto diverse le une dalle altre e si cominciò a delineare i tratti di una evoluzione stellare. La stella ha una sua origine ed una sua fine. La nana bianca ad esempio rappresenta uno stadio terminale di una stella laddove stelle inizialmente più massicce finiscono i loro giorni come stelle a neutroni (pulsar) oppure buchi neri.
Parallelamente allo studio dell’evoluzione stellare si svilupparono in tutto il Novecento importanti studi cosmologici. Edwin Hubble (1889-1953) scoprì che lo spettro delle galassie (tranne quelle più vicine a noi) aveva uno spostamento verso il rosso delle righe. Sostanzialmente era uno spettro anomalo che poteva trovare una spiegazione ipotizzando un moto di allontanamento delle stesse galassie da noi che le osserviamo. Lo stesso Hubble osservò anche maggiore era la distanza delle galassie maggiore era la loro velocità di allontanamento: l’universo sembra gonfiarsi, è lo spazio intergalattico che si espande allontanando le galassie l’una dall’altra e da noi che le osserviamo.
Questa è una concezione di universo dinamico , un universo che cambia nel tempo, una concezione che trovò l’ostilità iniziale persino di Albert Einstein che non voleva rinunciare alla sua idea di universo stazionario, immutabile nel tempo. L’aspetto curioso è che le equazioni della relatività generale escludono un universo statico. Per non rinunciare alla sua concezione Einstein introdusse ad hoc una nuova costante (la costante cosmologica) per giustificare la staticità.

Ma poi, anche lo stesso Einstein, si arrese alle evidenze sperimentali che mostrano l’espansione del cosmo, espansione la cui velocità sta peraltro aumentando.
Ma se l’universo sta diventando sempre più espanso allora una volta era concentrato in uno spazio più piccolo, sempre più piccolo man mano si va indietro nel tempo. Fino a avere un punto infinitamente denso, infinitamente caldo ed infinitamente piccolo che grazie ad un evento iniziale, una sorta di esplosione primordiale (il Big Bang), ha cominciato ad espandersi fino alle attuali dimensioni.
Che informazioni possiamo avere dell’universo del passato? La luce che ci proviene da oggetti lontani è stata generata tanto più indietro nel tempo quanto più distante è l’oggetto celeste. Infatti la luce ha una velocità molto alta (circa 300.000 km/s) ma non infinita, la luce solare ad esempio impiega circa 8 minuti ad arrivare dalla superficie del Sole a quella della Terra. In questo senso di grande interesse sono le quasar, i più lontani e misteriosi oggetti del cielo, la loro luce ci trasmette informazioni sul passato remoto del cosmo.