Le componenti oscure dell Universo

Transcript

1 Le componenti oscure dell Universo e le nuove frontiere dell Astrofisica Prof. Piero Rosati (Dip. di Fisica e Scienze della Terra, UniFE) Corso di Eccellenza per scuole secondarie 4 Marzo 2015 Per qualsiasi domanda ed approfondimenti contattare il docente a rosati@fe.infn.it

2 Ruolo unico dell Astrofisica nello studio delle leggi fondamentali della Natura L intero Universo e il laboratorio! studio della materia e radiazione in condizioni estreme: espandere la comprensione delle leggi fisiche, estendendo il range di energie (densita, temperatura, pressione) e di distanze delle osservazioni scoperta di fenomeni che rivelano nuova fisica fondamentale (a volte in modo casuale): materia oscura, energia oscura, proprieta dei neutrini, asimmetria materia/antimateria, universo primordiale grandi sinergie con la fisica delle particelle elementari laboratorio unico per lo studio della gravita (grandi masse e distanze, senza disturbi terrestri, densita estreme con buchi neri e stelle di neutroni)

3 Sonde d informazione Portatori d informazione: Radiazione elettromagnetica Raggi cosmici (el, protoni, nuclei pesanti) Neutrini (dal sole, supernovae, e?) Onde-gravitazionali? Enormi progressi nel dopo guerra con l apertura ad osservazioni al di fuori dell ottico (radio, millimetrico, NIR, IR, X, gamma) da terra e dallo spazio con sensibilita e risoluzioni angolari sempre maggiori; con modelli sempre piu complessi resi possibili da potenze di calcolo sempre maggiori.

4 L esplorazione del cielo con l aiuto di un telescopio inizia con Galileo intorno al 1610

5 Osservazioni di Galileo ( ) Crateri lunari Macchie solari Satelliti di Giove

6 Osservazioni di Galileo ( ) Crateri lunari Macchie solari Satelliti di Giove Padova, 7 Gen 2010

7 Osservazioni di Galileo ( ) Crateri lunari Macchie solari Satelliti di Giove Fasi di Venere Padova, 7 Gen 2010

8 Osservazioni di Galileo ( ) Crateri lunari Macchie solari Satelliti di Giove Fasi di Venere Padova, 7 Gen 2010

9 Osservazioni di Galileo ( ) Crateri lunari Macchie solari La Via Lattea e risolta in miriadi di stelle...quello che in terzo luogo osservammo, è l essenza o materia della via Lattea, la quale attraverso il cannocchiale si può vedere così chiaramente che tutte le discussioni per tanti secoli cruccio dei filosofi, si dissipano con la certezza della sensata esperienza, e noi siamo liberati da sterili dispute. La Galassia infatti non è altro che un ammasso di innumerabili stelle disseminate a mucchi, che in qualunque parte di essa si diriga il cannocchiale, si offre subito alla vista un grandissimo numero di stelle, parecchie delle quali si vedono grandi e ben distinte, mentre la moltitudine delle piccole è affatto inesplorabile.... Satelliti di Giove Padova, 7 Gen 2010 Fasi di Venere Altre cose più mirabili forse da me e da altri si scopriranno in futuro con l'aiuto di questo strumento, della cui forma e struttura e dell'occasione d'inventarlo dirò prima brevemente, poi narrerò la storia delle osservazioni da me fatte. [Sidereus Nuncius, 1610]

10 Potenza dei telescopi: crescita esponenziale dopo Galileo (catalog nebulae) (spiral gals) 100

11 Il sistema delle magnitudini 5 magnitudini in piu = 100 volte piu debole mag = 2.5 Log (flusso) + costante VLT limit 4m limit HST Deep 30 + debole Da prima di Galileo ad Hubble (6 30 mag): sorgenti 4 miliardi di volte piu deboli! Galileo Limite occhio nudo Plutone 14 POSS SDSS 27 Venere Sirio Vega Luna -5 Sole luminoso Legenda: VLT: Very Large Telescope (8 m diameter) HST: Hubble Space Telescope (2.5 m) POSS: Palomar Observatory Sky Survey SDSS: Sloan Digital Sky Survey

12 1920: Il grande dibattito sulla natura delle nebulose gassose e la scala dell Universo Sorprendentemente, fino a primi anni 20 si pensava che tutte le nebulose catalogate nel secolo precendente fossero parte della Via Lattea, le cui dimensioni non erano chiare, quindi le scale enormi dell Universo erano del tutto ignorate fino a poco piu di 100 anni fa Heber Doust Curtis ( ) Galassia di Andromeda (M31) Riteneva che la natura delle nebulose gassose fosse extra-galattica (stelle novae in M31 molto piu deboli che nella Galassia), ma collocava il sole al centro della Galassia Harlow Shapley ( ) Riteneva che le nebulose gassose facessero parte della Galassia, ma aveva capito che il sistema solare era esterno al centro (concentrazione di ammassi globulari verso il Sagittatio) e misurato la distanza del centro galattico ~50,000 anni luce (variabili Cefeidi), sovrastimandola solo di un fattore due. Osteggio il lavoro di Hubble per diversi anni.. Nella seconda meta dell 800 si era anche aperta l era della spettroscopia che rivela composizione chimica, temperatura, densita dei gas, natura delle sorgenti di energia e poi dal 1920 la distanze delle galassie...

13 ( ) Edwin Hubble Apre l era dell astronomia extra-galattica 1926: con l uso delle variabili Cefeidi come indicatori di distanza fornisce la prova definitiva che le nebulose gassose sono galassie come la nostra ma a grande distanza dalla Via Lattea - Cefeidi: stelle ~ volte piu luminose del sole quindi osservabili a grandi distanze - Periodo di variabilita ""Luminosita intrinseca (Henrietta Leavitt) - Periodo Luminosita Distanza da Lapparente "L/distanza 2

14 ( ) Edwin Hubble Apre l era dell astronomia extra-galattica 1926: con l uso delle variabili Cefeidi come indicatori di distanza fornisce la prova definitiva che le nebulose gassose sono galassie come la nostra ma a grande distanza dalla Via Lattea - Cefeidi: stelle ~ volte piu luminose del sole quindi osservabili a grandi distanze - Periodo di variabilita ""Luminosita intrinseca (Henrietta Leavitt) - Periodo Luminosita Distanza da Lapparente "L/distanza 2 Hubble annota le Cefeidi in M33

15 Un universo in espansione 1929: con osservazioni spettroscopiche al 100 di Mt.Wilson scopre la famosa legge che la velocita di recessione delle galassie e proporzionale alla distanza: Legge di Hubble: V = H d

16 Un universo in espansione 1929: con osservazioni spettroscopiche al 100 di Mt.Wilson scopre la famosa legge che la velocita di recessione delle galassie e proporzionale alla distanza: Legge di Hubble: V = H d La proporzionalita tra velocita di allontamento delle galassie e loro distanza prova che l Universo e in espansione La velocita radiale e misurata dallo spostamento verso il rosso, i.e. redshift z, delle righe spettrali, per effetto Doppler dovuto all espansione

17 Un universo in espansione 1929: con osservazioni spettroscopiche al 100 di Mt.Wilson scopre la famosa legge che la velocita di recessione delle galassie e proporzionale alla distanza: Legge di Hubble: V = H d La proporzionalita tra velocita di allontamento delle galassie e loro distanza prova che l Universo e in espansione La velocita radiale e misurata dallo spostamento verso il rosso, i.e. redshift z, delle righe spettrali, per effetto Doppler dovuto all espansione Questo nuovo scenario trovava una spiegazione naturale nella teoria della Relativita Generale di Einstein (universo omogeneo isotropo deve espandere o contrarre, Lemaitre), ma lo stesso Einstein aveva ignorato questa soluzione nel 1917 seguendo il pregiudizio di un Universo statico! z = (λ oss λem) λem = Vr c

18 La macchina del tempo Scoprendo e studiando oggetti sempre piu lontani, si possono studiare la formazione ed evoluzione delle strutture cosmiche, indietro fin dove si riesce a rivelare la radiazione elettro-magnetica, a qualche centinaio di migliaia anni dopo il Big Bang. Più alto e il redshift della sorgente, più indietro nel tempo si guarda Quando si osserva una galassia a redshift z, l Universo era 1+z volte più piccolo z=2 z=1#(>1965) z=0.5#(1960) z=0.1

19 Viste da Saturno Sonda Cassini (NASA, ESA, ASI): lanciata nel 1997, in orbita intorno a Saturno dal 2004 Distanza di Saturno: d=1.5 miliardi di Km Configurazione favorevole: 19 Luglio 2013 Terra!

20 Viste da Saturno Sonda Cassini (NASA, ESA, ASI): lanciata nel 1997, in orbita intorno a Saturno dal 2004 Distanza di Saturno: d=1.5 miliardi di Km Configurazione favorevole: 19 Luglio 2013 NAC image WAC image Wide Angle Camera (WAC): F=20 cm f/3.5 refractor Narrow Angle Camera (NAC): F=2m, f/10.5 reflector Terra!

21 Viste da Saturno Sonda Cassini (NASA, ESA, ASI): lanciata nel 1997, in orbita intorno a Saturno dal 2004 Distanza di Saturno: d=1.5 miliardi di Km Configurazione favorevole: 19 Luglio 2013 NAC image WAC image Wide Angle Camera (WAC): F=20 cm f/3.5 refractor Narrow Angle Camera (NAC): F=2m, f/10.5 reflector Terra!

22 Le dimensioni dell Universo Scala del sistema solare UA

23 Le dimensioni dell Universo Scala del sistema solare UA

24 Lasciando il sistema solare, poi fuori della Galassia, fino all ammasso della Vergine (a 50 Mil. anni luce)

25 lncp=123 La Via Lattea

26 La Via Lattea lncp= km/s 3000 a.l a.l a.l. [Bradt]

27 Da Galileo ai telescopi di 8-10m di oggi ESO VLT (Very Large Telescope) Cerro Paranal (Deserto Atacama, Chile) 4 telescopi con specchi da 8.2 m (15 strumenti). Peso: 430 Ton. Risoluzione angolare (teorico): 0.05 arcsec (~ 10 cm a 400 km di distanza) Magnitudine limite: ~27 in 1h integrazione (250M più debole del limite occhio umano)

28 Da Galileo ai telescopi di 8-10m di oggi ESO VLT (Very Large Telescope) Cerro Paranal (Deserto Atacama, Chile) 4 telescopi con specchi da 8.2 m (15 strumenti). Peso: 430 Ton. Risoluzione angolare (teorico): 0.05 arcsec (~ 10 cm a 400 km di distanza) Magnitudine limite: ~27 in 1h integrazione (250M piu debole del limite occhio umano) Specchio primario sottile (18 cm, 23 Ton) con ottiche attive (correzioni: 1-10 Hz)

29 Tecnica delle ottiche adattive Come vincere l effetto della turbolenza atmosferica Laser Guide Stars: creare una stella artificiale nel campo di osservazione per monitorare e correggere il fronte d onda Stella artificiale laser al VLT La messa a fuoco con le ottiche adattive

30 Uso delle ottiche adattive Nettuno nel vicino IR (1.65 micron) con il telescopio Keck (10m) Senza Ottiche Adattive Con Ottiche Adattive

31 Uso delle ottiche adattive Nettuno nel vicino IR (1.65 micron) con il telescopio Keck (10m) Senza Ottiche Adattive Con Ottiche Adattive

32 Il centro galattico Esplorazione del parsec centrale della Galassia Una delle applicazioni piu importanti delle ottiche adattive con i telescopi Keck e VLT

33 Buco nero massiccio al centro galattico The orbit of S2 ( ) S2 (B1V) closest distance 17 ly-hrs=124 UA with v=5000 km/s S2 orbit: a=5.5 ly-days, e=0.87, T=15.8 yr Le stelle sono le sonde migliori per misurare il potenziale gravitazionale del buco nero, piuttosto che il gas che e infleunzato da forze non gravitazionali ESO-VLT NAOS observations with AO (Genzel et al.) light-days visible star cluster ( ) A anni luce: 1 = 0.13 a.l., 1 mas = 8 UA 1 mas/year = 40 km/s

34 Buco nero massiccio al centro galattico Orbita della stella S2, secondo le 3^ legge di Keplero: La massa contenuta all interno di ~120 AU e : M = a 3 /G 4π 2 /P 2 = (5.5*ly-days)^3/(15.8 yr)^2* 4π 2 /G = (5.5*3e10*86400)^3/(15.8*3.1e7)^2*4*pi^2/6.67e-8/2e33 = M Oggi si sono tracciate le orbite di >20 stelle, dalle quali (con la semplice legge di Keplero) di deriva: MBH = (2.6 ± 0.1) 10 6 M Cosi tanta materia in cosi poco spazio non puo essere che un buco nero (un ammasso di stelle si dissolverebbe in 10 M-anni per mutue collisioni) Osservazioni VLBA della radio sorgente Sgr A* non mostrano alcun moto proprio ed dimensioni di soli ~50 µas (~10 Rg). Si ritiene quindi che Sgr A* sia nella posizione del buco nero.

35 Fuga (o non) da oggetti super-compatti Stella Nana bianca 1 cm Stella di neutroni Buco nero spazio tempo intorno al Sole spazio tempo intorno al Sole compresso ad una nana bianca spazio tempo intorno al Sole compresso ad un buco nero Raggio di un buco nero (orizzonte degli eventi): 3 (M/Msole) km Soluzione dell equazioni di Einstein trovata da Karl Schwarzschild ( ) nel 1915

36 Buchi neri di taglia piccola: M ~ M Binarie a raggi X buco nero, nana bianca, stella di neutroni di taglia grande: M= M al centro di tutte le galassie? Nuclei Galattici Attivi (tra cui i quasars) Stella normale donatrice di massa Osservazione con HST del buco nero centrale attivo della galassia NGC 4261 Grandi quantità di energia da regioni molto piccole Grandi luminosità (100 x galassie) grandi distanze Forti emettitori di raggi X Accrescimento di materia su BN: meccanismo più efficiente che la Natura mette a disposizione per generare energia (10 volte piu efficiente della fusione nucleare!): energia gravitazionale energia cinetica/calore

37 Dal deserto del VLT al telescopio spaziale

38 Dal deserto del VLT al telescopio spaziale Al di sopra dell atmosfera (560 km) le immagini sono perfettamente nitide (limitate dal solo diametro 2.4m dello specchio) e il cielo molto piu buio (solo luce zodiacale) Absorbing medium

39 Lo straordinario impatto scientifico di Hubble SM4, May 2009, ultima missione SM3b, lunch, Mar 2002

40 M31 (Andromeda) con HST Archeologia dei sistemi stellari risolti in galassie distante milioni di anni luce

41 L eredita dell Hubble Space Telescope Misura della costante di Hubble scala ed eta dell Universo Esistenza di un energia oscura che accelera l espansione Distribuzione di materia oscura in galassie ed ammassi (dalle lenti gravitazionali) Formazione ed evoluzione della galassie Scoperta di galassie primordiali (500 M anni dopo il big bang) Scoperta di buchi neri super-massicci al centro di (quasi tutte) le galassie Formazione stellare e sistemi planetari extra-solari

42 Dall espansione dell Universo alla teoria del Big Bang Anni 30: Lemaitre, Friedmann, de Sitter trovano soluzioni alle eq. di Einstein nell ipotesi di omogeneità ed isotropia dell Universo (principio cosmologico). L Universo puo espandere o contrarsi, ma non puo essere statico Andando indietro nel tempo si deve raggiungere, in un tempo finito (13.7 miliardi di anni), uno stato in cui la densità della materia, e quindi la temperatura era infinitamente alta, un momento ( big bang ) in cui lo stesso spazio-tempo si e venuto a creare Nel 1948 Gamov & Alpher elaborano la teoria della nucleosintesi primordiale spiegando l abbondanza di H e He (ma non degli elementi pesanti spiegata piu tardi da Fred Hoyle) Alpher & Herman predicono il fondo cosmico a microonde (a 5 gradi Kelvin), poi confermato accidentalmente da Penzias&Wilson nel 64

43 Espansione e Geometria dell Universo L espansione e dovuta all impulso iniziale, questa rallenta sotto la gravita di tutta la materia il destino dell espansione e legato alla densità totale dell Universo Analogia con il lancio del grave verso l alto, per vincere la gravita data dalla massa M, la velocità di lancio deve superare la velocità di fuga:

44 Espansione e Geometria dell Universo Secondo la Relativita Generale (Einstein 1915) Le masse curvano lo spazio-tempo intorno a loro I corpi (e la luce) si muovono lungo le traiettorie piu brevi (geodediche) nello spazio curvo orbita ellittica orbita circolare orbita non legata La geometria dell Universo dipende dalla massa-energia in esso contenuta e quindi dalla sua densita, che a sua volta determina il destino dell espansione ρ > ρc Contenuto di materia+energia ρ < ρc Geometria Relativita Dinamica dei corpi Espansione universo Generale ρ = ρc Densita critica che separa i tre casi possibili: Universo chiuso, aperto e piatto Alexander Friedmann ρc = g/cm 3 ~ 10 H atoms/m 3 Georges Lemaitre

45 Censimento di tutta la materia-energia dell Universo 1. Pesare tutta la materia di sistemi in equilibrio (galassie, ammassi di galassie) usando le leggi le condizioni di equilibrio in presenza di gravita

46 Scoperta della Materia Oscura Dalla dinamica degli ammassi di galassie Fritz Zwicky ( ) Ammasso di galassie della Chioma (Coma Cluster) Zwicky applica il teorema del viriale per sistemi in equilibrio: 2T+U=0 1934: Il moto disordinato con velocita medie di 1000 km/s delle galassie implica una massa totale (risultato dell equilibrio gravitazionale) ~10 volte maggiore di quella luminosa

47 Scoperta della Materia Oscura Dalla dinamica delle galassie Vera Rubin (studi dal 1970 in poi) (sole) Materia oscura Le curve di rotazione delle galassie mostrano che c e una grande quantita di materia oscura ben al di la della parte luminosa delle galassie a spirali

48 Scoperta della Materia Oscura Dalla dinamica delle galassie Vera Rubin (studi dal 1970 in poi) (sole) Materia oscura Le curve di rotazione delle galassie mostrano che c e una grande quantita di materia oscura ben al di la della parte luminosa delle galassie a spirali

49 Un metodo moderno e potente per pesare le strutture nell Universo Lenti gravitazionali Secondo la Relativita Generale (Einstein 1916) Anche la luce segue le traiettorie piu brevi (geodediche) nello spazio modellato dalle masse (stelle, galassie, ammassi di galassie)

50 Effetto lente gravitazionale Eddington (1919) conferma la predizione di Einstein osservando le stelle intorno al sole durante un eclisse 1919

51 Effetto lente gravitazionale Eddington (1919) conferma la predizione di Einstein osservando le stelle intorno al sole durante un eclisse Einstein (1936) considera la possibilita di immagini multiple dalle stelle ma conclude che e impossibile osservarle (anche Cholson 1926 fictitious stars ) Zwicky (1937) usa la sua nuova stima di massa dell ammasso Coma : l effetto lente gravitazionale e osservabile! puo essere usato per stimare la massa della lente la magnificazione puo portare a scoprire galassie distanti!

52 Effetto lente gravitazionale Eddington (1919) conferma la predizione di Einstein osservando le stelle intorno al sole durante un eclisse Einstein (1936) considera la possibilita di immagini multiple dalle stelle ma conclude che e impossibile osservarle (anche Cholson 1926 fictitious stars ) Zwicky (1937) usa la sua nuova stima di massa dell ammasso Coma : l effetto lente gravitazionale e osservabile! puo essere usato per stimare la massa della lente la magnificazione puo portare a scoprire galassie distanti! Scoperta dei primi archi gravitazionali (Soucail et al. 87). Paczynski (87) 1986, CFHT 2009, HST

53 Lenti Gravitazionali

57 Lenti Gravitazionali Nota: le galassie sono anche amplificate ed ingrandite!

58 Censimento di tutta la materia-energia dell Universo 1. Pesare tutta la materia di sistemi in equilibrio (galassie, ammassi di galassie) usando le leggi le condizioni di equilibrio in presenza di gravita (>1935) 2. Utilizzare l effetto di lente gravitazionale per ricostruire la massa di sistemi massicci (galassie, ammassi) o interi volumi di Universo (>1990) 3. Studiare l espansione dell Universo (velocita, accelerazione), misurando distanze sempre piu indietro nel tempo (>1990) mi fornisce tutta la materia+energia che la genera e quindi la geometria dell Universo

59 Nobel per la Fisica nell 2011: S.Perlmutter, A.Riess, B.Schmidt Storia dell espansione cosmica la scoperta dell Energia Oscura Supernovae (di Tipo-Ia ) come candele standard e quindi indicatori di distanza fino a miliardi di a.l. Raggiungono sempre la stessa luminosità massima

60 Nobel per la Fisica nell 2011: S.Perlmutter, A.Riess, B.Schmidt Storia dell espansione cosmica la scoperta dell Energia Oscura Supernovae (di Tipo-Ia ) come candele standard e quindi indicatori di distanza fino a miliardi di a.l. Raggiungono sempre la stessa luminosità massima

61 Nobel per la Fisica nell 2011: S.Perlmutter, A.Riess, B.Schmidt Storia dell espansione cosmica la scoperta dell Energia Oscura Supernovae (di Tipo-Ia ) come candele standard e quindi indicatori di distanza fino a miliardi di a.l. Raggiungono sempre la stessa luminosità massima Le SNe piu distanti sono un po troppo deboli per la loro distanza C e qualcosa ( energia oscura ) che le spinge via piu velocemente di quello che ci si aspetterebbe dalla sola presenza di materia nell Universo Accelerazione dell espansione nell ultimo ~30% di vita dell Universo

62 Nobel per la Fisica nell 2011: S.Perlmutter, A.Riess, B.Schmidt Storia dell espansione cosmica la scoperta dell Energia Oscura Supernovae (di Tipo-Ia ) come candele standard e quindi indicatori di distanza fino a miliardi di a.l. Raggiungono sempre la stessa luminosità massima Le SNe piu distanti sono un po troppo deboli per la loro distanza C e qualcosa ( energia oscura ) che le spinge via piu velocemente di quello che ci si aspetterebbe dalla sola presenza di materia nell Universo Accelerazione dell espansione nell ultimo ~30% di vita dell Universo a(t) ΩM Ω Λ materia oscura + energia oscura poca materia senza en.oscura caso critico senza en.oscura molta materia senza en.oscura

63 La torta dell Universo (censimento di tutta massa-energia) Energia oscura: forza repulsiva (opposta alla gravita ) distribuita uniformente, forse legata all energia del vuoto (meccanica quantistica) Materia (27%): oscura (23%) + ordinaria (4%), o barionica, che si aggrega in strutture via via piu grandi sotto l effetto della gravita 0.4%: Materia luminosa (stelle) 3.6%: Materia non luminosa La materia ordinaria ( barionica ) luminosa e solo una piccola frazione di quella totale! Non conosciamo la natura fisica di gran parte del contenuto massa-energia dell Universo!

64 Massa mancante o teoria incompleta? 1687: Newton pubblica nei Principia le sue leggi che spiegano le leggi di Keplero 1759: predizione del passaggio della cometa di Halley 1757: Scoperta di Urano Lezioni dalla storia della scienza 1839: Le Verrier comincia a calcolare le orbite dei pianeti : prevede il transito di Mercurio con un errore di soli 16 arcsec - cerca di capire perche Urano e osservato in ritardo nell orbita rispetto alle previsioni, nel 1846 predice l esistenza di un altro pianeta piu esterno per spiegare questa differenza 1846: L osservatorio di Berlino scopre Nettuno a 55 dalla predizione! - torna ad occuparsi del moto di Mercurio e predice una precessione del perielio di 527 /secolo invece dei 565 osservati (38 mancanti, oggi 43 con calcoli piu accurati) - ipotizza l esistenza del pianeta Vulcano interno, fino alla sua morte (1877) per spiegare la differenza dalle leggi di Newton Vulcano non sara mai trovato, e si comincio a dubitare della completezza delle leggi di Newton, finche : Einstein pubblica la teoria della Relatività Generale che spiega in modo naturale i 43 di eccesso rispetto alla meccanica newtoniana, nel forte campo gravitazionale del sole alla distanza di Mercurio Materia oscura: materia mancante o anche la teoria di Einstein ha bisogno di qualche correzione?

65 Guardando sempre più indietro nel tempo alla scoperta della prima luce nell Universo Era dell oscurità (400,000 ~100 milioni di anni dopo il Bing Bang) Formazione delle prime stelle e galassie Radiazione di fondo cosmico Anni dal Big Bang Si possono usare le lenti gravitazionali (amassi di galassie) per amplificare ulteriormente le galassie piu distanti e deboli, arrivando cosi a poche centinatio di milioni di anni dal big bang!

66 Dalle scale più grandi a quelle più piccole Telescopi da terra e dallo spazio dal radio ai raggi-x Modello del Big Bang Il piu grande microscopio esistente Large Hadron Collider (CERN) Beyond standard model, dark matter particles froze out Big Bang

67 Dalle scale più grandi a quelle più piccole 100 M-anni luce cm 42 ordini di grandezza! Le domande di fisica fondamentale sono le stesse Qual e la natura della materia oscura? Come e nata l asimmetria materia-antimateria? A che energie le forze si unificano? Quale e la natura della costante cosmologica?

68 Particelle elementari e forze fondamentali [ Lezione Dott. Fiorini il 16 Marzo] Modello standard La particella di materia oscura non sono predette dal modello standard Large Hadron Collider (CERN)

69 Ma un altra rivoluzione e dietro l angolo... Telescopi giganti in costruzione 39 m specchio a segmenti (798 esagonali, 1.4m) Secondario 4m Cupola: 86m, 74m h Ottiche adattive con lasers: risoluzione 2-50 milli-arcsec ~10 anni di costruzione Costo: 1.1 Miliardi di Euro

70 Ma un altra rivoluzione e dietro l angolo... Telescopi giganti in costruzione 39 m specchio a segmenti (798 esagonali, 1.4m) Secondario 4m Cupola: 86m, 74m h Ottiche adattive con lasers: risoluzione 2-50 milli-arcsec ~10 anni di costruzione Costo: 1.1 Miliardi di Euro Scoprire pianeti di tipo terrestre intorno a stelle vicine Identificare le prime stelle ~100 Milioni anni dopo il Big Bang Misura diretta dell espansione dell Universo

71 Ma un altra rivoluzione e dietro l angolo... Telescopi giganti in costruzione 39 m specchio a segmenti (798 esagonali, 1.4m) Secondario 4m Cupola: 86m, 74m h Ottiche adattive con lasers: risoluzione 2-50 milli-arcsec ~10 anni di costruzione Costo: 1.1 Miliardi di Euro Scoprire pianeti di tipo terrestre intorno a stelle vicine Identificare le prime stelle ~100 Milioni anni dopo il Big Bang Misura diretta dell espansione dell Universo

72 Ma un altra rivoluzione e dietro l angolo... Gaia ( ) Euclid (>2020) Mappa 3D (posizioni e velocita ) della Galassia dall osservazione di 1 miliardo di stelle (composizione chimica, formazione, evoluzione della Via Lattea, eso-pianeti, materia oscura) JWST (2018-) Mappa 3D dell Universo fino a 10 Mil. anni indietro, materia ed energia oscura, geometria dell Universo, formazione strutture cosmiche Large Synoptic Survey Telescope LSST (>2020) James Webb/Next Generation Space Telescope 6.5m, ad L2: sucessore di Hubble, prime stelle e galassie, formazione e proprieta pianeti extra-solari Immagine (in 6 colori) di tutto il cielo due volte a settimana (>50% volume di Universo): 3.2 Gpixel camera, 3 TB/notte, eventi transienti (es. Near Earth Objects)

73 Un futuro luminoso per l astrofisica e probabilmente pieno di sorprese! Progresso tecnologico portera alla mappatura 3D della Via Lattea e degli ultimi 2/3 di vita dell Universo nei prossimi 5-10 anni JWST (successore di Hubble) vedra probabilmente la prima luce ~100 milioni di anni dopo il Big Bang Missioni spaziali e telescopi giganti da terra individueranno pianeti extra solari di tipo terrestre e ne caratterizzeranno la loro abitabilita! Lo studio del fondo cosmico portera ad individuare con certezza le increspature della spazio-tempo generate subito dopo il Big Bang Ma riusciremo a capire la natura della materia oscura ed energia oscura? Abbiamo preso forse un grosso abbaglio? Capiremo i meccanismi fisici nelle piu grandi esplosioni cosmiche (e.g. lampi gamma)? e quelli della gravita quantistica nei primissmi istanti dopo il Big Bang?