L Universo LEZIONE 5 1: Le distanze astronomiche Come abbiamo già accennato, raramente in astronomia si utilizzano i chilometri o addirittura i metri. Anche per le dimensioni di oggetti celesti lontani si utilizzano gli anni luce o i parsec. Infatti anche una semplice nebulosa planetaria può avere un diametro di qualche anno luce, e delle nebulose a emissione (ovvero che brillano di luce propria) possono avere diametri di svariati parsec. Ma che cosa sono queste due unità di misura? 2: L anno luce (a.l.) Il famosissimo anno luce è la distanza più usata nell astronomia amatoriale e divulgativa. Attenzione! L anno luce è una misura di distanza, non di tempo! Esclamare per esempio ci impiegherò mille anni luce a raggiungere Milano! Non è corretta. Infatti l anno luce è una distanza, e precisamente la distanza che copre la luce in un anno. Poiché la luce viaggia a 300'000 km/s, in un anno percorre 9400 miliardi di km, corrispondenti per l appunto a 1 anno luce. L anno luce possiede dei sottomultipli, come il mese luce, il giorno luce, l ora luce: corrispondenti evidentemente alla distanza percorsa dalla luce in un mese, in un giorno, in un ora. 3: Il parsec Tuttavia l anno luce è poco utilizzato nell astronomia professionale. Infatti non possiede multipli, il che lo rende scomodo da utilizzare quando si entra nello spazio intergalattico. Una galassia infatti può distare diverse centinaia di milioni di anni luce e fare dei calcoli con questi numeri è scomodo. Il parsec, la cui definizione matematica è molto complessa, equivale a 3,26 anni luce. Nonostante non ci sia molta differenza con gli anni luce, il parsec possiede dei multipli: kiloparsec, megaparsec, gigaparsec. Con queste unità di misura le galassie distano qualche decina di megaparsec. Quindi con il parsec è possibile eseguire velocemente i calcoli astronomici.
4: Il Big Bang La teoria più accreditata sulla nascita dell Universo è quella del Big Bang. Questa spiegazione è stata dedotta dalle osservazioni dirette che sono state fatte e che vengono eseguite quotidianamente dai telescopi spaziali e da quelli terrestri. Infatti si nota che tutte le galassie si stanno allontanando una dall altra con velocità proporzionale con la distanza, come se fossero posizionate sulla superficie di un palloncino che si sta gonfiando. Se noi procediamo a ritroso nel tempo con le simulazioni matematiche, le galassie si avvicinano sempre di più fino a toccarsi tutte, poi si toccano le stelle, i pianeti e infine gli atomi. Questa sorta di brodo primordiale ha una temperatura elevatissima e una pressione enorme. Se noi procediamo ancora, arriviamo ad un punto in cui l Universo è diventato una singolarità, ovvero un punto privo di dimensioni con temperatura e pressione infinite. Si crede quindi che l Universo si sia formato da questa singolarità che ad un certo punto, non si sa come, sia esploso e abbia dato inizio alla storia dell Universo. Le teorie sono piuttosto traballanti perché procedendo all indietro con le simulazioni, si arriva ad un punto in cui le nostre leggi della fisica e le nostre conoscenze non sono più valide: a quel punto si procede a tentoni! 5: Le galassie Le galassie sono i mattoni fondamentali dell Universo. Sono come delle isole, infatti fra una galassia e l altra c è il vuoto assoluto. All interno di una galassia ci sono stelle, nubi di gas, pianeti, ammassi stellari eccetera. Le galassie che sono sensibilmente collegate fra loro tramite la forza di gravità fanno parte di un ammasso. Più ammassi legati fra loro formano i superammassi. La nostra Via Lattea, insieme ad una ventina di altre galassie vicine forma quello che viene chiamato gruppo locale. Possiamo dire che è il nostro quartiere nello
spazio. Il nostro gruppo locale è a sua volta situato in un immenso superammasso chiamato superammasso della Vergine. I superammassi, secondo le ultime teorie, si riunirebbero a loro volta formando gigantesche strutture cosmiche. Un esempio è la Grande Muraglia, ovvero un cordone enorme di galassie lungo circa 500 milioni di anni luce. Esistono diversi tipi di galassie. Le galassie spirali sono quelle con un nucleo centrale luminoso e i bracci che dipartono subito dal nucleo. Le spirali barrate sono quelle che presentano una barra centrale da cui dipartono i bracci. Le galassie ellittiche sono le galassie che non presentano bracci ma solo un nucleo parecchio luminoso. Secondo gli ultimi studi, al centro di molte galassie troverebbe posto un buco nero supermassiccio. 6: L espansione dell Universo Se noi puntiamo una galassia con il nostro telescopio e misuriamo la sua velocità (ciò è possibile con metodi spettroscopici complessi) notiamo che si sta allontanando da noi. Se ripetiamo la stessa osservazione per altre galassie e poi confrontiamo i valori, noteremo che la velocità di allontanamento è direttamente proporzionale alla distanza. Questo significa che più una galassia è distante, più si allontana velocemente. Possiamo quindi concludere che l universo si sta espandendo con un moto accelerato. Quest ultima è una prova indiretta del Big Bang. Una cosa che inoltre non conosciamo è la forma dell Universo. Potrebbe essere chiuso, quindi approssimabile ad una sfera; piatto, come un foglio; oppure iperbolico, ovvero a forma di sella di cavallo. La forma dell Universo è dovuta esclusivamente al valore della sua densità. In questo momento sappiamo che la densità è all incirca quella dell acqua (1 grammo al centimetro cubo). 7: La radiazione cosmica di fondo La radiazione cosmica di fondo è, se così si può dire, l energia prima che permea tutto l Universo. E infatti il residuo di radiazioni prodotte dal Big Bang. E stata scoperta nel secolo scorso per puro caso, ascoltando il cielo con antenne radio. Gli astronomi che l hanno scoperta si sono accorti che
questa radiazione non è collegata ad alcun oggetto fisico, come stelle o galassie. Infatti l energia permea anche gli spazi intergalattici che sono sostanzialmente vuoti (densità media = 1 atomo per metro cubo). La radiazione cosmica di fondo è anche isotropa, ovvero è uguale in ogni punto dello spazio. Si tratta quindi di una forma di energia completamente omogenea. 8: Nascita, vita e morte delle stelle Le stelle sostanzialmente nascono tutte nello stesso modo. All inizio è presente una nube di gas in rotazione. La nube, se ha determinate caratteristiche, inizia a comprimersi. Gli atomi si avvicinano sempre di più, fino a quando la forza repulsiva viene vinta dalla pressione. Gli atomi non si respingono più, ma si fondono insieme. La fusione nucleare è iniziata. La stella inizia a guadagnare sempre più massa, assorbendo il gas in eccesso nella nube. Dopo una prima fase di accrescimento, la stella si stabilizza e continua la fusione di due atomi di idrogeno per formare uno di elio. Questo processo libera una enorme quantità di energia che tiene in vita la stella. La vita media di una stella è di circa 10 miliardi di anni, durante i quali la stella è stabile. Quando la stella esaurisce tutto l idrogeno, non è più possibile formare elio. A quel punto inizia la fusione dell elio che produce carbonio e successivamente ossigeno continuando lungo la tavola periodica. Tuttavia le stelle riescono a fondere materiale fino a formare il ferro: dopo non è più energeticamente vantaggioso. La stella quindi si comprime e successivamente si espande diventando una gigante rossa. Una stella può avere diverse sorti: se la stella è poco massiccia si forma una nebulosa planetaria o una nana bianca. Se è massiccia esplode formando una supernova. Alcune stelle possono degenerare in un buco nero. 9: Gli ammassi stellari Non è raro osservare il cielo e notare che ci sono punti in cui sono presenti più stelle. Questi oggetti sono ammassi stellari. Ci sono due categorie di ammassi: gli ammassi aperti e
gli ammassi globulari. I primi sono formati da stelle relativamente giovani e con una formazione comune. I secondi sono invece formati dalle stelle più antiche dell Universo. I primi si trovano disposti più o meno omogeneamente all interno della galassia; gli ammassi globulari sono distribuiti all interno di un guscio sferico che circonda la galassia. Questo guscio prende il nome di alone galattico. Studiando le stelle contenute negli ammassi globulari si possono ripercorrere le tappe di formazione della galassia stessa. Le differenze visive: gli ammassi aperti sono costituiti da stelle abbastanza distanti fra loro, mentre gli ammassi globulari sono formati da stelle vicinissime fra loro. 10: Le nebulose planetarie Le nebulose planetarie sono lo stadio finale della vita di una stella. Sono caratterizzate dalla presenza di un anello di gas che circonda una stellina centrale. L anello è stato espulso dalla stella durante la sua espansione finale. 11: Le supernovae Le supernovae sono delle esplosioni stellari causate da stelle massicce. La loro luminosità può superare quella dell intera galassia che le ospita. Le supernovae hanno la proprietà di raggiungere tutte la stessa luminosità intrinseca (cioè a distanza costante) quindi è facile calcolarne la distanza misurando lo splendore apparente. 12: I buchi neri I buchi neri sono oggetti misteriosi del cosmo. Si sa molto poco della loro struttura. I buchi neri sono definiti come oggetti con una tale gravità che nemmeno la luce può sfuggire al loro campo gravitazionale. E poiché la luce non può fuggire, ci appaiono completamente neri. Per questo non possono essere osservati direttamente, ma solo gli effetti che producono su stelle vicine.