Astronomia Lezione 22/10/2015 Docente: Alessandro Melchiorri e.mail: alessandro.melchiorri@roma1.infn.it Sito web per le slides delle lezioni: oberon.roma1.infn.it/alessandro/astro2015
Astronomia Lezione 22/10/2015 Libri di testo consigliati: Universe, R. Freedman, w. Kaufmann, W.H.Freeman and Co., New York An introduction to modern astrophysics, B. W. Carroll, D. A. Ostlie, Addison Wesley
Coordinate Celesti Cominciamo a trattare le coordinate celesti... Gli argomenti trattati li trovate maggiormente su questo libro.
La Sfera Celeste Platone (350 A.C.) fu forse il primo a proporre un modello geocentrico con le stelle fisse che ruotano su di una «sfera celeste» con un asse Che passa attraverso il polo nord e sud della terra identificando un Polo nord e sud celeste.
Trigonometria Sferica Data una sfera e possibile individuare dei cerchi come intersezioni tra la superficie della sfera e dei piani. Se un piano contiene il centro della sfera questo prende il nome di cerchio massimo (Great Circle). Gli altri cerchi prodotti da intersezioni con piani non contenenti il centro si chiamano cerchi minori (small circle). Due punti collegati da una retta passante per il centro ed ortogonale ad un cerchio massimo si chiamano poli del cerchio massimo.
Trigonometria Sferica Si chiama triangolo sferico un triangolo sulla superficie sferica i cui lati siano tre archi di cerchi massimi AB, BC, CA. Gli angoli corrispondenti a questi archi sono c, a e b. La lunghezza di un arco AB se la sfera è di raggio r è data da: dove c è in radianti. La somma degli angoli A, B e C del triangolo sferico non e 180 ma e maggiore per un eccesso E dato da: si puo dimostrare che l area del triangolo sferico e allora (con E in radianti):
Trigonometria Sferica Dato un sistema di assi cartesiani xyz centrato nella sfera un qualunque punto P sulla sfera puo essere individuato dagli angoli q e y come in figura. Consideriamo anche un nuovo sistema di riferimento x y z ruotato lungo x di un angolo c come in figura. Si ha che:
Trigonometria Sferica Data questa rotazione le coordinate cartesiane saranno legate da: e usando le relazioni precedenti otteniamo le seguenti equazioni tra gli angoli:
Coordinate terrestri Ogni punto sulla terra puo essere identificato tramite due coordinate. Il piano di riferimento e il piano equatoriale che è ortogonale all asse della rotazione terrestre e che contiene il centro della terra. La sua intersezione con la sfera terrestre disegna l equatore. I cerchi minori paralleli all equatore sono detti paralleli. I semi archi di cerchio massimo che collegano i due poli sono detti meridiani. Dato un punto la sua longitudine e l angolo che forma il meridiano passante per il punto con Il meridiano fondamentale passante per Greenwich. si misura generalmente in ore [0-24], incrementando andando verso ovest pero vi sono convenzioni diverse. Con latitudine si definisce la latitudine geografica che e l angolo che forma il filo a piombo con il piano equatoriale. E positivo nell emisfero nord, negativo in quello sud [es. 90 al polo nord, -90 al polo sud]. Si puo facilmente misurare misurando l altezza del polo celeste (misurare la longitudine e molto piu difficile).
Coordinate terrestri La terra non è però sferica ma e uno sferoide oblato. L angolo tra la retta perpendicolare alla tangente in un punto e l equatore e detta latitudine geodetica ed e molto simile alla latitudine geografica. Tuttavia il filo a piombo non puntera verso il centro dello sferoide (lo fa solo sull equatore e ai poli). Si chiama latitudine geocentrica l angolo tra la retta passante tra il centro dello sferoide ed il punto e il piano dell equatore. Se f è la latitudine geografica e f la latitudine geocentrica si ha:
Coordinate orizzontali o altazimutali Il piano di riferimento e l orizzonte., il piano tangente alla terra che contiene l osservatore. La retta perpedincolare all orizzonte passante per l osservatore identifica due poli celesti: lo Zenith (sopra l osservatore) ed il Nadir (il polo opposto). I cerchi massimi attraverso lo Zenith sono chiamate verticali ed intersecano l orizzonte perpendicolarmente. Le circonferenze minori formate dai punti di uguale altezza sono i cerchi d'altezza o almucantarat. Quindi come coordinate si usano: l altezza (a) è l angolo dell'astro dall'orizzonte, e varia tra -90 e +90. Si usa anche la distanza di zenith z con z=(90 -a) l azimut (A) è l angolo tra il punto Sud e il piede dell'astro (corrispondente alla distanza angolare tra meridiano locale e meridiano passante per l'astro), misurata in senso orario, e varia tra 0 e 360. Attenzione pero che la definizione cambia!!
Coordinate orizzontali o altazimutali In questo sistema di riferimento le stelle si muovono da Est ad Ovest. Le coordinate di una stella dipendono quindi dal tempo. Non solo, il sistema di riferimento dipende dalla posizione sulla terra dell osservatore. In figura vediamo il moto delle stelle visto da un osservatore a due latitudini diverse. Chiaramente non possiamo costruire un catalogo astronomico di stelle usando queste coordinate!!!
Coordinate Equatoriali Il punto gamma vernale è anche noto con il nome di punto dell'ariete o primo punto d'ariete perché in corrispondenza dell'equinozio di primavera di circa 2100 anni fa (più precisamente nel periodo 2000 a.c. 100 a.c.), il Sole si trovava nella costellazione dell'ariete. Oggi a causa della precessione degli equinozi non è più così e in corrispondenza dell'equinozio di primavera il Sole si trova nella costellazione dei Pesci; a partire dal 2700 d.c. si troverà in quella dell'acquario e così via fino al completamento dell'intero zodiaco. Il moto del sole sulla sfera celeste cambia nei giorni dato che il piano dell equatore Interseca quello dell eclittica. Il moto del sole apparira quindi andare da sud a nord nell equinozio vernale (in primavera) e da nord a sud nell equinozio autunnale (detto punto omega o della Bilancia).
Coordinate Equatoriali Quando osserviamo con il telescopio trovare la declinazione e semplice perché uno degli assi del telescopio e orientato come l asse di rotazione terrestre. Per l ascensione retta si prende come riferimento un meridiano (es. il Sud). L angolo orario h e la distanza angolare Di una stella rispetto a questo meridiano. Si chiama tempo siderale l angolo orario del punto vernale. Dalla figura e chiaro che: Quindi in pratica: - Si misura h di una stella di cui si conosce l ascensione retta. - Si conosce quindi il tempo siderale e tutte le altre stelle si possono quindi trovare conoscendone l ascensione retta da un catalogo.
Passaggio da coordinate orizzontali a coordinate equatoriali. Il passaggio da coordinate orizzontali a Equatoriali puo essere fatto considerando il triangolo sferico con i vertici la stella, lo zenith ed il polo nord. Guardando la figura si ha: Da cui, usando le formule precedenti: dove f e la latitudine dell osservatore.
Coordinate Orizzontali e coordinate Equatoriali In questa animazione vediamo come ci appare la volta celeste di notte al passare del tempo siderale (vista da Durham in UK). Le coordinate che ruotano con le stelle fisse sono quelle equatoriali. La linea rossa e l equatore celeste. La verde e l eclittica.
Coordinate eclittiche In questo sistema di coordinate si usa come piano di riferimento il piano dell eclittica. Si ha una latitudine eclittica indicata da b e una longitudine eclittica indi cata con l. La latitudine si misura dal punto vernale in senso antiorario. La longitudine e la distanza angolare dal piano dell eclittica. Queste coordinate possono essere geocentriche o eliocentriche. Per oggetti vicini c e una differenza tra i due tipi di coordinate, per quelli lontani no.
Passaggio coordinate eclittichecoordinate equatoriali. I due sistemi di riferimento differiscono solo per la differente orientazione dei piani avendo entrambe in ascissa ome riferimento il punto gamma o vernale. Ricordando quindi la trasformazione di coordinate tra angoli trovata precedentemente data da: Considerando quindi gli angoli si ha: Con e che indica l inclinazione tra i due piani e pari a circa 23 26
Coordinate Galattiche Per le coordinate galattiche si usa come piano il piano della galassia. Si ha una latitudine galattica b ed una longitudine galattica i. Quest ultima e calcolata partendo dal centro della Galassia (nel Sagittario) in senso antiorario.
Posizione del Sole in Coordinate Equatoriali e in Coordinate Eclittiche Punto Vernale o Punto Gamma Equinozio di Primavera Coordinate Equatoriali Coordinate Eclittiche
Alcuni siti interessanti http://ntserver.ct.astro.it/cgiplan/skydraw.htm http://divulgazione.uai.it/index.php/archivio_cielo_del_mese http://www.guardian.co.uk/science/series/starwatch http://www.skymapper.co.uk/html/mapreader.php?coords=?297,54 http://www.cosmotions.com/
Regola del pollice
Perturbazioni alle coordinate Abbiamo visto che le coordinate orizzontali dipendono dal tempo e dalla posizione. Le coordinate equatoriali invece sono fisse con la sfera celeste, tuttavia vari fenomeni perturbano queste coordinate e sono necessarie delle correzioni. Gli effetti perturbativi di cui tenere conto sono: - Precessione - Nutazione - Parallasse - Aberrazione - Rifrazione
Precessione La Terra possiede un moto di precessione: il suo asse di rotazione ruota lentamente (con un ciclo di 25.800 anni) intorno alla perpendicolare al piano della sua orbita, rispetto alla quale è inclinato di circa 23 26'. Questo fenomeno è dovuto all'attrazione del Sole e della Luna, e al fatto che la sua forma non è esattamente sferica. Si parla di precessione degli equinozi, in quanto tra gli effetti della precessione vi è quello di spostare lentamente i punti equinoziali lungo la volta celeste. Questo fenomeno fa sì che la linea degli equinozi (cioè il segmento congiungente i due punti dell'orbita terrestre in cui si verificano gli equinozi) ruoti. Il punto vernale si muove quindi di circa 50 arcosecondi l anno in senso orario. Questo porta ad un incremento della longitudine eclittica. Inoltre al presente l asse di rotazione punta verso la stella polare con una incertezza di un grado. Fra 12000 anni puntera invece approssimativamente verso la stella Vega.
Precessione Lo schiacciamento della Terra ai poli può essere schematizzato ipotizzando la Terra sferica con una massa anulare (in azzurro) intorno all'equatore. L'attrazione gravitazionale (in verde) esercitata sulla massa anulare dà origine a una coppia (in arancione) che, nel tentativo di raddrizzare la Terra, sposta l'asse di rotazione (in magenta con senso antiorario) verso una nuova direzione (in giallo con senso antiorario), dando luogo al movimento di precessione degli equinozi (in bianco con senso orario).
Precessione Andiamo adesso a vedere come la precessione cambia le coordinate equatoriali. Le equazioni per il cambiamento di coordinate da eclittiche ad equatoriali sono: Differenziando l ultima si trova: Il cambiamento di coordinate inverso (da equatoriali ad eclittiche) e invece dato da: Applicando la seconda equazione al secondo membro della precedente si trova:
Precessione Differenziando l equazione (la seconda del cambiamento ecliitica-equatoriale): si trova: Usando questa equazione nell espressione precedente per dd e usando anche si ottiene : Da cui semplificando otteniamo:
Precessione In pratica quindi si ha che per ogni cambiamento di longitudine eclittica dl si ha: dl incrementa di circa 50 l anno. Le equazioni precedenti si possono scrivere anche come: dove: m ed n cambiano anch esse con il tempo ma molto piu lentamente. Si ha
Nutazione Anche la luna subisce un precessione con un periodo di circa 18.6 anni. Questo crea dei piccoli ondeggiamenti anche sull asse terrestre con lo stesso periodo. Il calcolo degli effetti della nutazione sono molto piu complicati. Fortunatamente l effetto e inferiore a 0.5 nelle coordinate.
Aberrazione Se siamo in moto rispetto ad un oggetto questo ci apparira sottendere un angolo inferiore. Questo fenomeno e chiamato aberrazione e dipende dalla velocita finita della luce. L effetto e dato da: Il massimo effetto e dovuto al moto orbitale della terra (pari a circa 21 ) mentre l effetto Della rotazione terrestre e 0.3.
Rifrazione La luce di un corpo celeste passa attraverso differenti strati dell atmosfera ciascuno con Indice di rifrazione diverso. Questo porta ad un dislocamento dell astro dalla sua posizione vera. Applicando la legge di Snell ai vari strati (z e la distanza di zenith) si ha:
Rifrazione Per piccoli angoli di rifrazione R=z-z si puo scrivere: Ovvero: come valore medio si ha: Ci sono due punti da consierare pero : 1) allo zenith non si dovrebbe avere rifrazione ma questo e vero solo se i vari atmosferici sono Paralleli, cosa che non avviene. 2) La formula precedente vale solo per piccoli angoli. Per il Sole al tramonto si ha circa 35, praticamente il suo diametro. (noi vediamo il sole quando e gia tramontato).
Rifrazione
Misura della velocità della Luce Per quanto ci e noto, la prima persona a tentare un calcolo della velocita della luce e stato Galileo. Il metodo da lui usato consisteva nel porre un assistente su di una collina lontana e chiedergli di mostrare la luce di una lampada non appena avesse visto una luce da parte sua. Il procedimento poi continuava cambiando collina e distanza per eliminare gli effetti dei tempi di reazione etc. Considerando che al massimo il suo errore di misura del tempo era di 0.1 s (a essere generosi) e che le colline distavano 2-3 km Galileo ottenne un limite inferiore sulla velocita della luce di circa 20-30 km/s. Galileo era quindi lontano dal vero valore di 300.000 km/s ma il suo limite era paragonabile alla velocita di moto della Terra intorno al Sole.
Misura della velocità della Luce Come abbiamo accennato uno dei problemi maggiori di navigazione marittima era la determinazione della longitudine. La mancata conoscenza delle esatta posizione della nave provocava infatti numerosi disastri navali come quello di Scilly sulle coste inglesi nel 1707 con la perdita di 4 navi e circa 1400 persone. Diversi premi furono banditi dai re di Francia, Inghilterra e Spagna per il primo scienziato che avesse risolto questo problema.
Misura della velocità della Luce Come abbiamo accennato uno dei problemi maggiori di navigazione marittima era la determinazione della longitudine. La mancata conoscenza delle esatta posizione della nave provocava infatti numerosi disastri navali come quello di Scilly sulle coste inglesi nel 1707 con la perdita di 4 navi e circa 1400 persone. Diversi premi furono banditi dai re di Francia, Inghilterra e Spagna per il primo scienziato che avesse risolto questo problema.
Misura della velocità della Luce Come abbiamo accennato uno dei problemi maggiori di navigazione marittima era la determinazione della longitudine. La mancata conoscenza delle esatta posizione della nave provocava infatti numerosi disastri navali come quello di Scilly sulle coste inglesi nel 1707 con la perdita di 4 navi e circa 1400 persone. Diversi premi furono banditi dai re di Francia, Inghilterra e Spagna per il primo scienziato che avesse risolto questo problema.
Parallasse Stellare e Misura di c Nel 1729 l astronomo inglese James Bradley (1693-1762) annuncio una scoperta fondamentale. Nel tentativo di misurare la parallasse stellare della stella Gamma Draconis (Eltanin che passa per lo Zenith dell osservatorio di Greenwich) trovò uno spostamento ma assolutamente non consistente con il moto di parallasse. Bradley attribuì correttamente l effetto all aberrazione stellare provando sia che la velocita della luce era finita sia che il sistema ticonico era sbagliato. Bradley non conosceva la velocità della terra intorno al Sole ma determinò che la luce dovesse andare circa 10210 volte piu veloce della Terra intorno al Sole (c=301000 km/s).
Parallasse Stellare e Misura di c Spostamento angolare di Eltanin. Si noti che il massimo e minimo capitano intorno agli equinozi, cioe quando la direzione di osservazione e parallela al moto della Terra. L ampiezza e prossima ai 40, la parallasse vera di Eltanin, misurata solo recentemente e di 0.022.
Aberrazione della Luce (classica) Da cui si arriva alla formula che abbiamo dato qualche lezione fa usando v=c, V/c<<1 e sen(a)=a= sen(q-q ) =sen(q)cos(q )-cos(q)sen(q )
Aberrazione della Luce (Relativistica)
Parallasse Stellare E il primo metodo per misurare la distanza di una stella. L angolo p e detto parallasse. 1 A.U. Se la parallasse si misura in secondi d arco Invece di radianti vale questa relazione.
Parallasse Stellare Si definisce come parsec la distanza di una stella con parallasse di 1 secondo d arco Le parallassi delle stelle sono decisamente piccole. La parallasse della stella piu vicina (proxima centauri) e pari a 0.77 p corrispondente a 1.3 pc e a 4.3 ly (anni luce). La prima misura di parallasse di una stella si e avuta nel 1838 da parte di Friedrich Wilhelm Bessell per 61 Cygni. Dopo 4 anni di osservazioni lui stimo per questa stella una parallesse pari a p =0.316, corrispondente a 3.16 parsec o 10.3 anni luce. Questa stella in realta sono due (stella binaria) ed ha un elevato moto proprio (e chiamata anche Stella Volante) circa 4000 mas/anno. La parallasse dovuta al moto proprio si puo pero separare perche non e periodica.
Parallasse Stellare Da terra la parallasse piu piccola che si puo osservare corrisponde a p =0.02 equivalente a distanze minori di 50 pc. La misura di parallasse di stelle piu lontane necessita di missioni su satellite. Tra il 1989 ed il 1993 il satellite Hypparcos ha misurato la parallasse di circa 118.000 stelle con una precisione di un millesimo di secondo d arco, p =0.001 Corrispondente alla distanza massima di 1 Kpc. Queste sono ancora distanze piccole (ad esempio il centro della nostra galassia Dista da noi circa 8 Kpc). Quindi la parallasse si puo misurare solo di stelle vicine. Prossime missioni come GAIA dovrebbero misurare parallassi di circa 10 microsecondi d arco (p =0.00001, 10 Kpc) per un miliardo di stelle.
Mappa delle stelle piu prossime al Sole (entro 14 anni luce)
Al momento Proxima Centauri e la stella piu vicina e si sta avvicinando! Il minimo si avra tra 24.000 anni. Tra 10.000 anni anche la stella di Barnard sara «vicina». Fra 30.000 anni la piu vicina sara Ross 248.
Stella fuggitiva di Barnard La Stella di Barnard è una stella nella costellazione dell'ofiuco. Mostra il più grande mot proprio di ogni altra stella conosciuta (a parte il Sole), pari a 10,3 secondi d'arco all'anno. Questo grande moto proprio fu scoperto dall'astronomo Edward Emerson Barnard nel 1916. Per questo viene anche a volte citata come Barnard's "Runaway" Star, cioè stella fuggitiva di Barnard. Trovandosi ad una distanza di poco inferiore ai 6 anni luce, la Stella di Barnard è anche una delle stelle più vicine alla Terra: solo le tre componenti del sistema di Alpha Centauri sono più vicine (non contando il Sole). E una stella pero di luce debolissima (vedremo) e quindi visibile solo al telescopio.