E poi c è anche il resto dell Universo

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1 E poi c è anche il resto dell Universo Proposta di collaborazione ai docenti di Scienze delle ultime classi dei Licei e delle Scuole tecniche I programmi delle Scuole Superiori comprendono un ampio panorama di materie. Non a caso sono di tre indirizzi: classico, scientifico, tecnico, secondo una prima grossolana divisione. I loro compiti sono essenzialmente due: fornire la cultura di base per chi vorrà ambire a coprire incarichi nella società che non si limitino alla pura manualità e, attraverso gli indirizzi di cui sopra, fornire le basi per una consapevole scelta ad eventuali studi universitari ed oltre. Fino a qualche decennio fa i programmi scientifici comprendevano, oltre alla matematica, nozioni di scienze fisiche, chimiche e naturali. Il secolo ventesimo però ha visto uno sviluppo delle scienze fisiche assolutamente anomalo rispetto al passato, il che, va notato, ha permesso, di conseguenza, uno sviluppo altrettanto straordinario delle altre scienze. La velocità e la dimensione di tale esplosione di conoscenze non ha consentito ai programmi ministeriali di adattarsi di conseguenza in maniera immediata e strutturale. Ancorché, soprattutto in tempi recenti, i libri di testo spesso contengano cenni di fisica atomica e nucleare, di relatività, di radiazione elettromagnetica, di meccanica quantistica, etc. Da un esame degli argomenti trattati, però risulta evidente che le nozioni sullo studio dell universo insegnate riguardano fenomeni e leggi fisiche concernenti al più, la planetologia. I rari concetti di astrofisica presenti in alcuni testi, quando trattati, arrivano, al più, agli anni 50 del secolo scorso. Da allora la conoscenza del cosmo invece nello stesso periodo di tempo si è estesa enormemente grazie agli sviluppi tecnologici ed, in particolare, con il sorgere e svilupparsi della scienza spaziale. Nel nostro Paese, contrariamente a quanto ci si poteva aspettare, gli ultimi decenni hanno registrato una decrescente attenzione per le scienze fedelmente seguita dalla disattenzione dei media. Si è tralasciato l universo, soprattutto quello lontano del quale si è scoperto e, conseguentemente imparato più nell ultimo mezzo secolo che nei precedenti millenni di storia dell umanità. Con questo non si è trascurato poco. Tutti gli esseri viventi sono parte integrante dell universo. Le nostre vere radici si trovano nella storia della sua origine ed evoluzione. Senza sminuire nulla della storia del pensiero umano oggi non è più concepibile, per persone colte e responsabili, ignorare tutto questo. La fondatezza di questa affermazione sta nel fatto che almeno un chilogrammo del nostro corpo è composto da idrogeno formato circa 17 miliardi di anni fa, durante le fasi primordiali dell universo stesso. Molto più del genoma che ci lega al primo Homo Sapiens.

2 La presente proposta progettuale è quindi principalmente mirata a fornire una integrazione del programma scolastico vigente, per quanto riguarda le discipline di carattere scientifico, con particolare attenzione alla scienza spaziale ed all astrofisica. L intento è focalizzare l attenzione dei giovani su un campo scientifico particolarmente significativo e tra i più interessanti ed in espansione, non solo per accendere delle curiosità in qualche mente brillante, ma, forse per noi l aspetto più importante, fornire un bagaglio adeguato, anche a chi scienziato non è interessato a diventare, per poter capire e, di conseguenza valutare, proposte che il mercato o la politica presentano sempre più di frequente. Una cosa è certa: la scienza, incluso quella che fornisce conoscenze sull universo, c è ed è destinata a crescere. Per giudicarla bisogna prima conoscerla. Alcuni dettagli organizzativi. La proposta, rivolta principalmente agli insegnanti di fisica e scienze in generale, consiste in una serie di lezioni di argomento astrofisico e/o di fisica e tecnologia spaziale tra cui il docente può scegliere. Le lezioni saranno inserite, in accordo con i docenti, come approfondimento di argomenti trattati dal docente stesso e verranno tenute da ricercatori, di provata esperienza e professionalità, dell Istituto Nazionale di Astrofisica / Istituto di Astrofisica Spaziale e Fisica cosmica di Bologna (INAF/IASF- Bologna) e/o dell Università degli Studi di Bologna (Dipartimento di Fisica e Astronomia), al momento dell anno scolastico ritenuto più opportuno. Le lezioni sono rivolte a studenti degli ultimi anni dei licei e scuole tecniche professionali. Lo scopo è triplice: arricchimento culturale degli studenti, preparazione per l esame di maturità, guida per le scelte professionali successive. Va precisato che non è un corso di aggiornamento per docenti ma lezioni intese ad approfondire tematiche di fisica e astrofisica spaziale, carenti o addirittura assenti dai regolari programmi. Questi approfondimenti devono intendersi come frutto di una collaborazione tra il docente titolare e il ricercatore che terrà la lezione. Non sono previste iscrizioni né oneri di nessun tipo per le scuola. Ogni docente interessato può contattare l INAF/IASF- Bologna ed accordarsi per una o più lezioni fra quelle comprese in elenco. Ogni lezione può essere esposta con più dettaglio, se ritenuto necessario, in due ore invece di una. È sempre il docente che decide quando è opportuno si debbano tenere le lezioni e concorda gli orari con il ricercatore disponibile. Tali lezioni verranno tenute durante l orario del docente in carica della materia.

3 Materiale per gli studenti sarà distribuito al termine di ogni lezione o sarà inviato via internet. I ricercatori che terranno i corsi saranno inoltre contattabili tramite e- mail dagli studenti particolarmente interessati per ulteriori chiarimenti fuori orario. In sintesi l obiettivo finale è che, da queste lezioni, gli studenti escano consapevoli della vastità, complessità e ricchezza dell universo che ci circonda. Abbiano acquisito nozioni tecniche e scientifiche su quali sono gli strumenti per studiarlo e come, dai dati, estrarre l informazione su come capirne i meccanismi in azione. Come l universo sia il migliore laboratorio esistente per verificare non solo la validità ed estensione delle leggi fisiche ma anche un laboratorio chimico, biologico. Non ultimo fornisca l opportunità e possibilità di sviluppare tecnologie impossibili da concepire nel ristretto ambito terrestre. Agli interessati i ricercatori saranno lieti di fornire informazioni su cosa ci si può aspettare se si è tanto spericolati da scegliere di fare della scienza spaziale una professione. Di che si tratta. Temi proposti: Un panorama dell Astrofisica Spaziale; La Gravità; Cosa sono i Buchi Neri; I pianeti Extrasolari; Le basi della Cosmologia. A cosa serve e cosa si impara. Un panorama dell astrofisica spaziale Lezione organizzata per condensare, in una singola ora o poco più, i temi affrontati dall astrofisica spaziale, le tecniche utilizzate per costruire i telescopi adatti a vedere oltre alla luce visibile tutta la radiazione emessa nello spettro elettromagnetico. Una parte consisterà nell illustrazione, forzatamente concisa, dell analisi dei dati raccolti. In particolare verrà messa in luce la notevole ricaduta tecnologica sulla società sia con lo sviluppo di rivelatori e sensori progettati per poter rivelare porzioni della radiazione elettromagnetica sia le tecniche elaborate per la riduzione e conseguente interpretazione dei dati. Queste tecniche spaziano da rivelazioni di singoli fotoni al di sopra del fondo strumentale a rivelatori per formazione di immagini bi e tri dimensionali. Esempi di risultati e scoperte ottenute negli anni verranno inseriti per oggetti astrofisici appropriati per ogni banda di radiazione elettromagnetica appropriata.

4 La Gravità e Cosa sono i Buchi Neri I due temi possono essere trattati congiuntamente perché lo scopo è unico. La funzione della gravità nell esperienza della vita quotidiana e quella che invece ha nell universo macroscopico. In termini teorici la gravità secondo Newton: una forza che, secondo Einstein, è una interazione tra campi. La gravità è la più debole tra le quattro forze naturali (la nucleare o forte, che governa i nuclei atomici e spiega la radioattività; la debole che governa la struttura del centinaio di atomi presenti nell Universo; l elettromagnetica che spiega la chimica, le sterminate combinazioni che permettono la formazione delle molecole, in breve le regole che permettono i processi su cui si basa la vita). La gravità regola le strutture presenti nell universo intero. Basta osservare che la massa della Terra attrae una pallina da golf ma è sufficiente la forza di un bimbo per vincerla, sollevare la pallina e giocarci. Nello stesso tempo la gravità non solo mantiene in orbita i pianeti intorno alla massa del Sole, ma fa si che, nonostante la forte pressione esercitata dal gas caldo che tende ad espandersi mantiene masse enormi come quella delle stelle in una forma sferoidale per miliardi di anni. Durante le lezioni si mostrerà con semplici calcoli algebrici, come, in condizioni astrofisiche particolari, masse stellari possono collassare fino a ridursi a volumi i cui raggi si riducono a pochi chilometri generando oggetti la cui densità è paragonabile a quella dei nuclei atomici. Questi fenomeni oggi, grazie a telescopi in orbita, possono essere osservati e studiati. Ne è sorta una disciplina che comprende due aspetti, lo studio dei fenomeni di estrema gravità, non osservabili e non riproducibili sulla Terra né nel sistema solare, e la cosiddetta astrofisica delle alte energie, che riguarda i metodi e gli strumenti impiegati per osservare tali fenomeni di fisica estrema anche quando si trovano a distanze cosmologiche da noi. I pianeti extrasolari Una delle scoperte più spettacolari degli ultimi anni è stata la scoperta di pianeti intorno ad altre stelle. In poco tempo tali pianeti extrasolari sono diventati più di un migliaio. L argomento principale della ricerca è scoprire se esistano pianeti simili alla Terra e, in quale modo possiamo sperare di osservare segnali della presenza di vita. Dalla lezione si potranno imparare quali sono le tecniche per rivelare i pianeti extrasolari, come si fa a separare quelli massivi, per ora la grande maggioranza, da quelli simili alla Terra. Inoltre si definirà la zona abitabile. Per non sconfinare nella fantascienza si assume che, se vita c è, questa dev essere basata sulla chimica del carbonio, ovvero come quella esistente sul nostro pianeta. Di qui la stretta banda possibile della zona abitabile ovvero una distanza del pianeta dalla stella paragonabile con la distanza Terra- Sole, scalata per il tipo di stella. Seguiranno tutte le condizioni necessarie per permettere che il pianeta sia abitabile. Si affronteranno sia l approccio statistico che la rivelazione spettroscopica o elettromagnetica di possibili forme di vita. Si accennerà infine agli sviluppi che,

5 verosimilmente nei prossimi anni, e cioè quando gli studenti di oggi saranno nel pieno della propria vita professionale, potranno portare alla scoperta di nuove Terre. Le basi della Cosmologia Per definizione l universo è tutto quello che c è. Un breve excursus storico ci porterà al modello attuale più consolidato comunemente noto come Big Bang Si illustreranno i telescopi e i rivelatori che hanno confermato questo modello ma anche i due enigmi che non si inseriscono nel modello e per i quali, ad oggi, non esiste una teoria plausibile che le spieghi. I nomi, almeno, sono noti. La materia oscura e l energia oscura. Mentre l astrofisica, sia quella tradizionale da terra, che la più recente dallo spazio fornisca oggi un quadro, ancorché non completo, estremamente convincente dell universo luminoso, apprendiamo che esso non è che il solo 4% di quanto esiste. Molto di quanto offre la scienza oggi su questi argomenti è a dir poco speculativo, ma è stimolante parlare di questi problemi irrisolti che ci portano a chiedere se non sia necessario invocare una nuova fisica o negare l unicità dell universo. Lezione che dimostra anche quanto lavoro astrofisico e quanta fisica sia ancora da fare.