UNITÀ 1 - ASTRONOMIA Lezione 1 L Universo

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1 Lezione 1 L Universo Approfondimento - L espansione dell Universo Le galassie, oltre a compiere un moto di rotazione attorno al loro nucleo, si allontanano le une dalle altre e più sono distanti più aumenta la velocità di allontanamento. La sensazione è quella di trovarsi in un centro da cui tutti fuggono. In realtà la nostra Galassia non si trova affatto al centro dell Universo. Per meglio capire questo fenomeno potremmo osservare come esempio un palloncino che si sta gonfiando: la gomma si dilata e i punti segnati sulla superficie si allontanano l uno dall altro [fig. 1]. L Universo non presenta limiti, nel senso che noi diamo a questo termine, e nemmeno un centro. L espansione dell Universo non è più solo un ipotesi, grazie all applicazione del fenomeno dell effetto Doppler, considerato di importanza fondamentale in Astronomia. Sicuramente avrete già sentito parlare dell effetto Doppler in acustica: di certo vi sarà capitato di fermarvi lungo il ciglio della strada per l arrivo di una autoambulanza con la sirena spiegata. Mentre essa si avvicina, il suono sembra più acuto, quando si allontana invece sembra più grave. Per capire questo fenomeno dobbiamo pensare che, mentre l autoambulanza si avvicina, le onde sonore precedono il mezzo ed è come se fossero compresse dall avanzare dell autoambulanza, mentre dopo il passaggio succede il contrario e le onde sono dilatate e stirate. Il nostro orecchio, infatti, percepisce suoni acuti se le onde che gli arrivano sono fitte e brevi e suoni gravi se le onde sono rade e lunghe [figg. 2-3]. Analogamente, per la luce si è visto che una sorgente luminosa produce una radiazione prevalentemente rossa (il cosiddetto redshift o spostamento verso il rosso) se si sta allontanando e violetta se si sta avvicinando. Un accurata analisi della luce emessa dalle stelle ha rivelato che la maggior parte dei corpi luminosi invia una radiazione luminosa con una ricca componente rossa: questo significa che i corpi celesti non sono fermi ma si stanno allontanando. Fig. 3. Effetto Doppler. Un osservatore riceve, da una sorgente sonora che si avvicina, un maggior numero di onde, come se la sorgente in movimento le comprimesse. La loro λ diminuisce e il suono diventa acuto. Quando invece la sorgente si allontana, succede il contrario. Fig. 1. L Universo si espande; i punti rappresentano le galassie. Fig. 2. Il nostro orecchio percepisce gravi i suoni generati da onde con λ maggiore, e acuti i suoni generati da λ minore (λ = lunghezza d onda). 1

2 Lezione 1 L Universo Approfondimento - Quale sarà il destino dell Universo? Tutto quello che avvenne, dopo la grande esplosione iniziale, è da imputarsi principalmente a due forze : la forza di attrazione gravitazionale e la forza di espansione dovuta al grande scoppio iniziale. L Universo si sta ora espandendo poiché è ancora grande la forza di espansione originatasi dal bigbang. Finché questa forza non si esaurirà, le galassie si allontaneranno sempre di più, le stelle, dopo aver perso la loro energia, piano piano si raffredderanno e l Universo andrà incontro a una morte, definita da alcuni astronomi fredda, dove ogni forma di energia si sarà dissipata. Altri scienziati pensano invece che la forza di espansione, a un certo punto, si esaurirà e allora, dopo un periodo di stasi, se le masse in questione saranno sufficientemente grandi rispetto alle loro distanze, prenderà il sopravvento la forza di attrazione gravitazionale. Tutte le componenti dell Universo cominceranno quindi ad attrarsi e ad avvicinarsi fino a ritornare compresse e schiacciate come nell atomo primordiale. A questo punto c è chi ipotizza una nuova esplosione, dato che durante la contrazione la temperatura e la pressione avranno raggiunto valori elevatissimi. Per questo a tale ipotesi è stato dato il nome di morte calda [fig. 1]. Fig. 1. A. Secondo alcuni scienziati le galassie, dopo aver perso la loro energia, potrebbero andare incontro a una morte fredda. B. Diversa è l ipotesi di altri scienziati, per cui con la contrazione si potrebbero raggiungere valori elevatissimi che porterebbero a una Attualmente, gli astronomi propendono per la prima ipotesi, cioè per un Universo destinato a espandersi all infinito. Questa supposizione è scaturita da studi recenti: nuove misure, fatte analizzando alcune stelle dette supernovae, suggeriscono che l espansione cosmica sta accelerando. La causa di ciò è rintracciata in una forza di repulsione sconosciuta, che riempie lo spazio dappertutto. Questa forza può far espandere l Universo a velocità sempre crescenti; la densità dell Universo sembra essere bassa, cioè al di sotto del valore critico, che è pari a g/cm 3. Se la densità dell Universo fosse superiore a tale valore, l Universo potrebbe tornare a contrarsi, sempre che la forza misteriosa non superi la forza di attrazione gravitazionale. 2

3 Approfondimento - Il diagramma H-R UNITÀ 1 - ASTRONOMIA Lezione 2 Le stelle I due principali criteri di classificazione delle stelle, quello basato sul colore/temperatura e quello relativo alla magnitudine assoluta, sono stati utilizzati per la costruzione di un diagramma chiamato H-R dalle iniziali dei nomi dei due astronomi che lo hanno ideato. Infatti, l astronomo danese Hertzsprung e l astronomo americano Russel, indipendentemente l uno dall altro, ebbero la brillante idea di costruire un diagramma dove tutte le stelle conosciute occupano una posizione ben precisa in rapporto alla loro temperatura e alla loro luminosità assoluta. Il diagramma presenta sull asse orizzontale le diverse classi delle stelle, mentre sull asse verticale è rappresentata la luminosità assoluta espressa in rapporto a quella del Sole. Le stelle, in base a questa classificazione, si raggruppano prevalentemente in una fascia centrale detta sequenza principale. Leggendo il diagramma, si può notare che nella parte alta si trovano le stelle più luminose e più calde, nella parte bassa le stelle meno luminose e più fredde, nella zona centrale si hanno le stelle con caratteristiche intermedie. Al di fuori della sequenza principale vi sono due gruppi di stelle: quello delle giganti e supergiganti rosse e quello delle nane bianche. Il primo gruppo si trova in alto a destra della sequenza principale e comprende stelle di media luminosità e bassa temperatura. Il secondo gruppo è situato in basso a sinistra della sequenza e comprende stelle di bassa luminosità ma con altissime temperature. Il Sole occupa una posizione centrale nella sequenza principale assieme a tutte le altre stelle gialle [fig. 1]. Il diagramma H-R è risultato uno strumento utile per capire la fase evolutiva delle stelle. Fig. 1. Diagramma H-R. Le stelle che, in base alla loro classe spettrale e alla loro magnitudine, si collocano nella sequenza principale sono stelle giovani. In alto a destra, nel gruppo delle giganti e supergiganti rosse, si trovano le stelle mature; in basso a sinistra, nel gruppo delle nane bianche, si accumulano le stelle più vecchie. 3

4 Lezione 3 Il Sistema Solare Approfondimento - C è vita nello spazio? La maggior parte degli astronomi dice che la vita nell Universo è abbastanza diffusa, altri invece affermano che è una cosa abbastanza rara e molto improbabile. I dubbi sono tanti e gli astronomi della SETI (Search for Extra-Terrestrial Intelligence, ricerca di intelligenze extraterrestri) ascoltano il cosmo con i loro radiotelescopi nella speranza di captare qualche messaggio extraterrestre. Le prime ricerche di ascolto sono iniziate nel 1960, ma sino a ora non si sono ottenuti risultati significativi; qualche volta è capitato di sentire qualcosa, ma alla fine si è rivelato solo un disturbo proveniente dalla Terra. Attualmente, sono stati scoperti numerosi pianeti extrasolari (oltre 200), ma tutti giganti gassosi. Ultimamente sono stati individuati anche pianeti rocciosi (fuori dal nostro Sistema Solare) ma la loro distanza è tale che, se anche fossero abitati, un dialogo richiederebbe milioni o migliaia di anni. È certo però che la notizia della scoperta di qualche segnale intelligente potrebbe destare anche delle preoccupazioni poiché viene spontanea una domanda: come saranno questi extraterrestri?. Gli astronomi della SETI, durante il 51 Congresso Internazionale di Astronautica, avvenuto a Rio de Janeiro nel 2000, hanno pensato innanzitutto di proporre una scala definita Scala di Rio per graduare la credibilità di un eventuale messaggio extraterrestre. La Scala di Rio, come quella Mercalli (per i terremoti) o la Scala Torino (per l impatto con gli asteroidi), ha lo scopo di garantire un informazione più sicura senza generare troppa confusione. L attendibilità del messaggio dipende da vari elementi: circostanza della scoperta: è più credibile se viene captato dagli astronomi della SETI e magari nel momento in cui arriva, piuttosto che da astronomi improvvisati o dopo diverso tempo dall arrivo; tipo di segnale: è più attendibile se risulta mirato alla Terra e se intende comunicare qualcosa; distanza della sorgente: è più indicativo se proviene dall interno del Sistema Solare; a mano a mano che si allontana dal Sistema Solare fino a uscire dalla nostra Galassia l importanza della sorgente diminuisce. Scala di Rio 0 segnale privo di qualsiasi credibilità (scherzo); 1 segnale insignificante; 2 segnale di scarsa credibilità; 3 segnale di modesta credibilità; 4 segnale di moderata credibilità; 5 segnale di credibilità intermedia; 6 segnale di notevole credibilità; 7 segnale di alta credibilità; 8 segnale con credibilità di grande portata; 9 segnale con credibilità elevatissima; 10 segnale di portata eccezionale. La Scala, suddivisa in 10 gradi, ci permette di capire se si tratta di uno scherzo (grado 0 della Scala di Rio), se è un fatto di credibilità intermedia (grado 5) oppure se il segnale ha un alta attendibilità (grado maggiore di 8). Tenetevi pronti! 4

5 Lezione 3 Il Sistema Solare Approfondimento - La Terra è un pianeta fortunato La Terra, per ora, risulta l unico pianeta abitato. Tuttavia la vita potrebbe essere presente anche in altri pianeti del Sistema Solare o in pianeti extrasolari, può essere comparsa e poi scomparsa o comparire in futuro. Quando si parla di vita, però, non necessariamente dobbiamo pensare a forme di vita intelligente, ma anche solo a organismi microscopici che, pur essendo invisibili, sono in grado, con le loro funzioni, di cambiare l aspetto di un pianeta. A questo punto si possono fare due considerazioni: la Terra presenta una combinazione di caratteristiche che hanno permesso lo sviluppo della vita e anche una sua evoluzione; sicuramente altri pianeti hanno, o hanno avuto o avranno, le condizioni necessarie per l insorgere della vita, ma non sappiamo se esistano ambienti adatti a favorirne l evoluzione. Esaminiamo ora le caratteristiche specifiche del nostro pianeta: evoluzione: comparsa graduale di nuovi organismi discendenti da organismi precedenti. a. la Terra ruota attorno al Sole, una stella di medie dimensioni. Se il Sole avesse dimensioni maggiori, il suo calore sarebbe eccessivo; se fosse più piccolo, la temperatura sulla Terra sarebbe troppo bassa e ciò ostacolerebbe l evolversi della vita; b. la Terra si trova a una certa distanza dal Sole, né troppo vicino né troppo lontano. Se fosse al posto di Venere, la sua temperatura sarebbe troppo elevata, se fosse al posto di Marte, la sua temperatura sarebbe troppo bassa; c. la Terra possiede una certa dimensione da cui dipende la sua forza di gravità. Se fosse più piccola, come Mercurio, non potrebbe trattenere l atmosfera e la vita non sarebbe possibile. Se fosse più grande, la sua forza di gravità più elevata tratterrebbe un atmosfera più spessa che potrebbe comunque essere compatibile con la vita, se le altre condizioni fossero favorevoli; d. la Terra ruota su se stessa a una velocità né troppo bassa, né troppo alta. Questo comporta una variazione climatica non eccessivamente brusca; e. la Terra presenta una temperatura media che permette la formazione dei composti organici, cioè dei composti del carbonio che sono alla base della chimica dei viventi; inoltre, permette all acqua di mantenersi allo stato liquido; f. la Terra presenta acqua allo stato liquido. Per capire l importanza di questa caratteristica basti pensare che tutti gli esseri viventi sono composti prevalentemente di acqua, con una percentuale che varia dal 60% al 95% circa. Fino a oggi, in nessun altro corpo del Sistema Solare è stata trovata acqua allo stato liquido (forse su Marte), mentre la sua presenza è abbondante allo stato solido, cioè sotto forma di ghiaccio (come su Marte, su alcuni satelliti o nelle comete), o allo stato di vapore (come nell atmosfera di alcuni pianeti giganti). Ma perché possa essere utile allo sviluppo di ogni forma di vita essa si deve trovare allo stato liquido. Gli aspetti appena elencati, combinati tra di loro, hanno reso il nostro pianeta ospitale alla vita. Le premesse essenziali però, per l insorgere della vita, sono riconducibili principalmente a due: la presenza del carbonio; l acqua allo stato liquido. 5

6 Approfondimento - Meteore e meteoriti UNITÀ 1 - ASTRONOMIA Lezione 3 Il Sistema Solare Quando il vento solare spazza via dalle comete polvere o schegge, queste, passando vicino alla Terra, vi possono cadere sopra per effetto della forza gravitazionale. Attraversando l atmosfera s incendiano per il forte attrito creando il fenomeno delle meteore o stelle cadenti, che è particolarmente evidente in certi periodi dell anno in cui se ne contano anche più di cento per ogni ora. La maggior parte delle meteore si disintegra completamente nell atmosfera; quando qualche frammento, di massa maggiore, raggiunge la superficie, viene detto meteorite. Alcuni astronomi ritengono che i meteoriti siano dovuti, più che a frammenti di comete, a frammenti di asteroidi. A volte il meteorite può avere un peso e un impatto così rilevanti da riuscire a creare enormi crateri [fig. 1]. Vi sono meteoriti singoli e anche meteoriti riuniti a comporre veri e propri sciami. Recentemente è stata ideata una scala per definire il Fig. 1. Il cratere meteoritico di Canyon Diablo, in Arizona, è la struttura da impatto più studiata al mondo. Largo quasi 1600 metri, fu prodotto anni fa da un meteorite di circa tonnellate. rischio di impatto di una cometa o di un asteroide con la superficie terrestre. La scala è denominata Scala Torino, in onore dell Osservatorio Astronomico di Torino dove per decenni si sono svolti accurati studi in merito. I criteri usati per la costruzione di tale scala sono: le dimensioni del corpo che potrebbe cadere; la probabilità che tale fatto possa verificarsi nei prossimi cento anni. 6

7 Un eventuale impatto potrebbe causare eventi di tre tipi: locali, regionali e globali. Nel primo caso, i corpi cadenti hanno un diametro inferiore a 100 metri, nel secondo caso inferiore a 1 km, nel terzo caso superiore a 1 km. Se l evento ha una probabilità di accadere superiore all 1%, è necessaria un attenzione particolare e uno studio accurato per preparare eventuali azioni di difesa; se invece la probabilità dell evento supera il 99%, l impatto si considera certo e necessita un intervento. È opportuno sapere che la probabilità di un impatto con un corpo celeste, nei prossimi cento anni, è di una su qualche milione. La scala, che si divide in 10 classi di rischio, è stata studiata soprattutto per fornire un idea immediata su un eventuale collisione, ma anche per evitare deformazioni di notizie, malintesi o falsi allarmismi nell opinione pubblica. 7