Lo sguardo rivolto al cielo

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1 Lo sguardo rivolto al cielo Percorsi di interpretazione della realtà al di fuori di noi Progetto Museo diffuso: Astronomia - IIS Margherita di Savoia ROMA Classe III B Les Prof.ssa O. Proietti

2 Contesto didattico Scheda didattica - Classe 3 Liceo delle Scienze Umane-opzione Economico sociale (23 studenti) - Disciplina, fisica (2 ore settimanali) Modalità di lavoro - Un incontro presso il Dipartimento di Matematica e Fisica di Roma Tre (Astrogarden) e una conferenza a scuola (9 ore) - Lavori di approfondimento a gruppi di lavoro in orario extracurricolare (5 ore) Verifica degli apprendimenti - Tre Questionari a risposta chiusa e aperta durante e dopo gli incontri con l università Prodotti didattici - Presentazioni in formato multimediale, questionari di verifica

3 Conoscenze disciplinari coinvolte e rafforzate nel lavoro di progetto - Sistema internazionale di misura - Notazione scientifica - Le grandezze fisiche fondamentali - Concetto di campo, di forza e di spazio-tempo - I principi della dinamica - La legge di gravitazione universale, le leggi di Keplero - I moti rettilinei e il moto circolare uniforme - Elementi di Termologia e di Ottica Competenze evidenziate - Lavorare in gruppo assumendo ruoli e funzioni - Utilizzare il web per cercare e selezionare informazioni - Riflettere sul percorso di apprendimento svolto (all Università e a Scuola ) individuando modalità efficaci di comunicare ad altri le proprie conoscenze

4 Fin dai tempi più remoti, l essere umano cerca di interpretare la realtà intorno a lui sulla Terra e nel cielo Ad oggi cosa sappiamo? Sappiamo che Siamo immersi nel campo gravitazionale terrestre che a) genera la forza di gravità su tutti gli oggetti che si trovano al suo interno b) è in grado di deviare il percorso della luce la Terra appartiene al Sistema Solare che ha il Sole come sua stella il Sistema Solare è all interno di una Galassia al centro della nostra Galassia c è un buco nero dallo scontro di due buchi neri si sono formate delle increspature nello spazio-tempo al quale diamo il nome di onde gravitazionali.

5 C è un grande movimento al di fuori di noi tutto ruota si allontana si avvicina si espande si contrae esplode

6 Ora allontaniamoci dalla Terra per immergerci nell Universo

7 IL SOLE IL SOLE

8 È la stella madre del nostro sistema solare attorno al quale orbitano gli otto pianeti,i pianeti nani, i satelliti e altri innumerevoli corpi minori. Cos è il sole? È una stella di dimensioni mediopiccole costituita per il 74% della sua massa da idrogeno, il 24% della sua massa da elio mentre il restante è costituito da elementi pesanti. È classificato come una stella «nana gialla» di tipo «G2 V G2»

9 Com è strutturato il sole? Il Sole è strutturato in cinque parti: Nucleo Zona di radiazione Zona di convenzione Fotosfera Cromosfera

10 Possiamo spiegare la nascita de sole attraverso quattro fasi: Come è nato il sole? 1. Formazione di una nebulosa di gas interstellari in contrazione 2. Formazione di una parte più densa al centro della nebulosa che causò una nube che sotto la spinta della forza gravitazionale avrebbe cominciato a contrarsi 3. Aumento della temperatura e nascita del proto-sole 4. Trasporto di tutti gli elementi leggeri come idrogeno ed elio verso le regioni più esterne del Sole a causa di un forte vento solare.

11 Il Sole come tutte le stelle presenta una rotazione, poiché la stella è costituita da plasma(gas ad alta temperatura) e dunque non possiede una rotazione fissa massima all equatore e decresce al crescere della latitudine. Il primo ad individuare il movimento del Sole fu Galileo Galilei attraverso le macchie solari. IL SOLE SI MUOVE?

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13 Si definisce sistema solare il sistema planetario originato da una nebulosa (struttura di gas e polveri in orbita attorno a una stella) circa 5 miliardi di anni fa. E composto da corpi celesti che orbitano grazie alla forza di gravità del Sole e ne fa parte anche la nostra casa, la Terra che gira attorno al Sole compiendo una rivoluzione, ossia un giro con la durata di 365 giorni. Assieme alla Terra orbitano altri 8 pianeti: Mercurio, Venere, Terra, Marte, Giove, Saturno, Urano e Nettuno (in ordine dal più vicino al più lontano). Oltre a questi 8 pianeti ed il Sole, il sistema solare è costituito da satelliti naturali, da pianeti nani (ad esempio Plutone) e da altri corpi minori tra cui gli asteroidi, le comete e le meteoroidi.

14 MERCURIO È il primo pianeta per vicinanza al Sole e come si può vedere dalla foto somiglia molto alla nostra luna. Sono presenti dei crateri e superfici pianeggianti. Di giorno le temperature sono intorno ai 400 e di notte raggiunge i -170 C. Una curiosità: su mercurio non ci sono stagioni e quindi il Sole è sempre alla stessa altezza.

15 VENERE Questo pianeta ha le stesse dimensioni della Terra e lo si vede spesso al tramonto o all alba ed appare molto luminoso. È stata trovata la presenza di aree vulcaniche e il clima è dominato da un effetto serra che crea temperature estremamente alte, infatti possono arrivare a raggiungere circa 470.

16 MARTE È anche chiamato il pianeta rosso ed è visibile ad occhio nudo. Molte immagini a noi arrivate hanno mostrato dei corsi d acqua asciutti, segno che un tempo nel pianeta c era acqua liquida fondamentale per la vita. Sulla sua superficie ci sono molti crateri e pianure e si trova anche il più grande vulcano del sistema solare: il monte Olimpo.

17 GIOVE È un pianeta gassoso e per questo motivo non si può camminare sulla sua superficie. Rispetto alla Terra è enorme e come tutti i pianeti giganti gassosi presenta un anello non visibile ad occhio nudo. Giove possiede un grande campo gravitazionale che influenza il sistema solare nella sua struttura.

18 SATURNO Anche Saturno è considerato un gigante gassoso. Ha una sua luna chiamata Titano e impiega circa 30 anni per compiere una rivoluzione attorno al Sole. Questo pianeta è famoso per i suoi spettacolari anelli, composti da particelle di ghiaccio e polveri.

19 URANO Anche lui è considerato un altro gigante gassoso. Ha anelli molto sottili e con i suoi 23 satelliti è il terzo pianeta del sistema solare che ne ha di più. Prima del 1781 non veniva considerato come un pianeta a causa della sua bassa luminosità. La sua atmosfera è la più fredda di tutto il sistema solare.

20 NETTUNO Fu il primo pianeta ad essere stato scoperto attraverso calcoli matematici e non tramite delle osservazioni e viene considerato il gemello di Urano. La temperatura al centro del pianeta è di circa 7.000, quasi come la temperatura superficiale del Sole, e all esterno la temperatura è molto più fredda data la distanza dal Sole.

21 Che cos è una galassia? Le galassie sono degli enormi agglomerati di polveri, gas e soprattutto di stelle distribuite in maniera più o meno uniforme in tutto lo spazio che ci circonda; esse rappresentano i mattoni fondamentali di cui è costituito il nostro universo. In qualunque punto del cielo si punti un telescopio sufficientemente potente esso ci mostrerà decine, centinaia di galassie con una varietà impressionante di forme, strutture e dimensioni Si conoscono miliardi di galassie

22 La Via Lattea, la nostra galassia La Via Lattea, è una galassia a spirale barrata, ovvero una galassia composta da un nucleo attraversato da una struttura a forma di barra dalla quale si dipartono dei bracci di spirale. Insieme alla galassia di Andromeda è il membro principale del cosiddetto Gruppo Locale, un insieme di galassie di cui fanno parte la galassia del Triangolo e una cinquantina di galassie nane.

23 Si stima che la Via Lattea abbia un diametro di circa anni luce e contenga almeno 100 miliardi di stelle. La sua massa oscilla tra mille e duemila masse solari (la massa del Sole è di 2 10^30 kg); si ipotizza che una parte preponderante della materia da cui essa è costituita non sia direttamente osservabile (materia oscura). La massa contenuta nella regione centrale della Via Lattea, di raggio 500 pc (si ricorda che 1 pc=3,26 anni luce), è dell ordine di 1010 masse solari. Per la maggior parte, la materia è concentrata in stelle e soltanto una frazione minore di essa si trova sotto forma di gas e polvere. La via lattea è composta da:

24 I Buchi neri

25 Si definisce Buco nero una regione dello spazio-tempo con un campo gravitazionale così forte che nulla al suo interno può sfuggirgli, nemmeno la luce. Da questa caratteristica, deriva l'aggettivo "nero", dal momento che un buco nero non può emettere luce. La frazione di spazio oltre la quale questo e altri fenomeni prendono luogo viene chiamata orizzonte degli eventi.

26 L'effetto principale di un buco nero è la sua attrazione gravitazionale, causata dalla sua densità potenzialmente infinita. Questa attrazione gravitazionale, nel caso di un buco nero supermassiccio, può coinvolgere intere galassie, come nel caso della nostra e di Saggittarius A. Tuttavia questo non e l'unico effetto che questi strani corpi celesti hanno sulla materia.

27 ALL INTERNO DI UN BUCO NERO L'orizzonte degli eventi ci impedisce di sapere con certezza quello che succede a un corpo una volta entrato in un buco nero ma sono state formulate delle teorie a riguardo. La prima afferma che quando un corpo cade finisce per scomporsi nelle sue parti più piccole mentre continua ad allungarsi. Questo potrebbe avvenire nel caso di un micro buco nero o di uno stellare

28 Se invece il buco è grande abbastanza, il corpo non verrà fatto a pezzi. Incontrerà uno strano destino che ha a che fare con molteplici realtà: in una viene risucchiato all'infinito e prende fuoco sull'orizzonte degli eventi. Nell'altra realtà un osservatore potrebbe trovarsi in caduta libera, senza forza di gravità e assistere alla fine dell'universo. L'osservatore potrebbe trovarsi anche in più posti contemporaneamente

29 Radiazione di Hawking In fisica la radiazione di Hawking è una radiazione termica emessa dai buchi neri a causa di effetti quantistici. La stessa è composta da particelle virtuali che diventano reali a causa della forza gravitazionale del buco nero. Questo processo fa perdere massa allo stesso e anche informazioni quantistiche, il che dovrebbe essere impossibile. Inoltre irradiare particelle causa un aumento della temperatura del buco nero, che potrebbe collassare in una enorme esplosione di raggi gamma.

30 Wormhole Un ponte di Einstein-Rosen, detto wormhole, è una ipotetica caratteristica dello spazio-tempo che permetterebbe di viaggiare nell'universo più velocemente di quanto impiegherebbe la luce a percorrere la distanza attraverso lo spazio normale. Un team internazionale di ricercatori, tra i quali Salvatore Capozziello, ha annunciato di aver realizzato un modello di wormhole di grandezza inferiore a un millimetro.

31 A 100 anni dalla Relatività generale di Albert EINSTEIN La teoria della Relatività Generale che Albert Einstein arrivò a formulare nel 1915 descrive la gravità come una manifestazione della curvatura dello spazio-tempo. Lo spazio-tempo è come un tessuto, ma a quattro dimensioni: le tre spaziali note, più il tempo. Secondo la Relatività Generale esso permea tutto l universo, viene deformato dai corpi e perturbato da masse in movimento. Queste perturbazioni sono appunto le onde gravitazionali che, dalla loro sorgente si diffondono in modo analogo alle increspature sulla superficie di uno stagno, viaggiando alla velocità della luce.

32 Inoltre, nella sua Teoria della Relatività Generale del 1915 Albert Einstein ipotizzò che un raggio di luce, al pari di un oggetto di massa m, risente l'azione del campo gravitazionale, e quindi risulta "incurvato". Così un raggio di luce emesso da una stella, che si trovi a passare vicino al nostro Sole, viene deviato dal campo gravitazionale di quest'ultimo che si comporta come una lente gravitazionale.

33 LE ONDE GRAVITAZIONALI, il rumore dell Universo L'onda gravitazionale è una deformazione della curvatura dello spazio-tempo che si propaga come un'onda

34 Le onde gravitazionali sono state rilevate il 14 settembre 2015, alle 10:50:45 ora italiana da entrambi gli strumenti gemelli VIRGO e LIGO entro una finestra temporale di coincidenza di 10 millisecondi. Sono state prodotte nell ultima frazione di secondo del processo di fusione di due buchi neri, di massa equivalente a circa 29 e 36 masse solari, in un unico buco nero ruotante più massiccio di circa 62 masse solari. Le 3 masse solari mancanti al totale della somma equivalgono all energia emessa durante il processo di fusione dei due buchi neri, sotto forma di onde gravitazionali. I due buchi neri, prima di fondersi in un unico buco nero ruotante più massiccio hanno spiraleggiato, per poi scontrarsi a una velocità di circa km/s, la metà della velocità della luce

35 Progettiamo un modello. Immaginiamo il Sole come una pallina gialla di massa 1g. I due buchi neri che hanno originato dalla loro fusione le onde gravitazionali, avranno quindi due masse di 36g e 29g. Il buco nero formato dalla loro fusione avrà una massa di 62 g. I tre grammi mancanti si trasformano nell'energia che si propaga nello spazio sono forma di onde gravitazionali... facciamo due conti

36 E= mc^2 massa (Sole) = 2 10^30 kg massa (buco1) = ^30 kg massa (buco2) = ^30 kg massa (buco1+buco2 dopo la fusione) = ^30 kg massa persa = ^30 kg Energia prodotta da massa persa E= mc^2 = ^30 kg (3 10^8)^2 m/s = 18 10^46 J

37 Come sono state scoperte? Virgo è un rivelatore interferometrico di onde gravitazionali del tipo interferometro di Michelson, con bracci lunghi 3 km, situato nel comune di Cascina (PI), in località Santo Stefano a Macerata; LIGO, acronimo di Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (osservatorio interferometro laser delle onde gravitazionali) è un osservatorio statunitense ideato per il rilevamento delle onde gravitazionali. Fondato nel 1984 da Kip Thorne e Rainer Weiss, LIGO è un progetto congiunto tra scienziati del California Institute of Technology (Caltech) e del Massachusetts Institute of Technology (MIT), sponsorizzato dalla National Science Foundation (NSF).

38 Cosa dimostrano Le onde gravitazionali portano informazioni sulle loro violente origini e sulla natura della gravità, informazioni che non possono essere ottenute in altro modo. E nata l Astrofisica gravitazionale Questo processo era stato previsto ma mai osservato prima

39 LE LENTI GRAVITAZIONALI e la materia oscura Perchè un raggio di luce possa essere deviato da parte di un campo gravitazionale occorrono campi gravitazionali molto intensi. Tali campi si trovano solo in ambiente astronomico. Sono stati osservati molti esempi di lenti gravitazionali e questo fenomeno è ora utilizzato in astronomia come "strumento" per studiare la distribuzione della massa all'interno degli oggetti che si comportano da lente: si cercano nelle immagini astronomiche esempi di lente gravitazionale, e si ricostruisce matematicamente la struttura della lente a partire dalle caratteristiche dell'immagine di lente gravitazionale.

40 In particolare, queste tecniche offrono la possibilità di misurare direttamente la presenza di "materia oscura" all'interno di galassie ed ammassi di galassie. La presenza di materia oscura è nota da decenni ma nessuno è in grado di vederla direttamente: tutte le indicazioni della sua esistenza sono di tipo "indiretto", ovvero essa si rivela solo attraverso gli effetti gravitazionali che produce sui corpi circostanti. Questo fa si che non sia semplice conoscere l'esatta distribuzione della materia oscura all'interno delle galassie e degli ammassi di galassie. Un aiuto notevole viene all'astronomo dal fenomeno di lente gravitazionale che permette di conoscere in maniera dettagliata la distribuzione della masse all'interno della lente, e quindi in un certo senso di "vedere" la materia oscura.

41 Esempi di lenti gravitazionali 1. Immagine ottenuta dal Telescopio Spaziale Hubble: una galassia distante, la lente e l'osservatore si trovano perfettamente allineati. La lente presenta una perfetta simmetria sferica e una densità omogenea. L'immagine risultate è una perfetta circonferenza. 2. Ancora un caso di perfetto di allineamento tra sorgente, lente ed osservatore, ma la lente è ellissoidale. L'immagine risultante consiste di 4 immagini disposte a forma di croce attorno alla lente ( croce di Einstein") che sono l'immagine multipla dello stesso oggetto che si trova allineato, ma molto più distante, dalla lente gravitazionale vera e propria. 3. Ultimo esempio, il caso in cui la distribuzione di massa all'interno della lente sia fortemente disomogenea. Si ottiene la formazione di "archi" gravitazionali