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Anna Curir – ISTITUTO NAZIONALE DI ASTROFISICA - Osservatorio Astrofisico di Torino Anna Curir - Cieloascuola 2014.

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Presentazione sul tema: "Anna Curir – ISTITUTO NAZIONALE DI ASTROFISICA - Osservatorio Astrofisico di Torino Anna Curir - Cieloascuola 2014."— Transcript della presentazione:

1 Anna Curir – ISTITUTO NAZIONALE DI ASTROFISICA - Osservatorio Astrofisico di Torino Anna Curir - Cieloascuola 2014

2 Legge di Newton F = G m1m2/r^2

3 Le equazioni di campo di Einstein Equazioni di Einstein Metrica di Schwarzschild Deviazione raggi luminosi Avanzamento perielio di Mercurio Buchi neri Anna Curir - Cieloascuola 2014 La massa dice allo spazio-tempo come curvarsi e lo spazio-tempo dice alle masse come muoversi

4 Principio cosmologico omogeneità isotropia ==> spazio a curvatura costante Soluzioni cosmologiche delle equazioni di Einstein: Metrica di FLRW : UNIVERSI IN EVOLUZIONE!! Anna Curir - Cieloascuola 2014

5 La vecchia visione dellUniverso Primi 900: determinata la dimensione della galassia, spirale di circa anni luce di diametro (H. Shapley). Si pensa che la Galassia sia la più grossa struttura osservabile. Problema: natura delle nebulose…

6 Anna Curir - Cieloascuola 2014 Cronologia 1905: A. Einstein, Relatività ristretta. Equivalenza massa - energia 1912 H. Leavitt: relazione periodo- luminosità Cefeidi 1916: A. Einstein, Relatività generale. La gravità curva lo spazio.

7 Anna Curir - Cieloascuola 2014 Cronologia (2) 1920: Dibattito Curtis-Shapley 1924: E. Hubble, le nebulose sono esterne alla Galassia. 1929: E. Hubble, relazione distanza-velocità v=Hr

8 Fino al 1929 si pensava che l'Universo fosse statico. In quell'anno E. Hubble scoprì che le galassie si stavano tutte allontanando dalla Terra con una velocità proporzionale alla loro distanza: l'Universo si sta espandendo. Se si ripercorre all'indietro tale espansione, si arriva a un inizio in cui tutto era racchiuso in un punto di temperatura e densità infinite: si ipotizza che da tale punto nacque l'Universo, con una grande esplosione (Big Bang), con la quale ebbe origine ogni cosa, anche lo spazio e il tempo. Questo punto iniziale è detto singolarità, in quanto in esso le leggi della fisica perdono di significato. Anna Curir - Cieloascuola 2014

9 Massa, Curvatura, Espansione Equazioni di Friedmann-Lemaitre- Robertson-Walker: Relatività Generale usata per descrivere globalmente lUniverso La massa-energia dellUniverso ne determina la forma (curvatura) La curvatura è legata a sua volta allespansione e quindi al fato finale dellUniverso (aperto, piatto, chiuso)

10 Anna Curir - Cieloascuola 2014 Il ritmo dellespansione La presenza di massa-energia influisce sullespansione mediante la gravità, opponendovisi e rallentandola. Quanto la rallenta…? Dipende dalla densità globale (t)= M/V(t) La densità necessaria a fermare lespansione a tempo infinito si chiama densità critica Cr Parametro di densità = / Cr

11 Universo = macchina lanciata a folle velocità Costante Hubble: la velocità del tachimetro Densità media: quanto è premuto il pedale del freno, che decide se la macchina prima o poi si ferma Anna Curir - Cieloascuola 2014

12 Universo finito o infinito ? Aperto o chiuso se temporalmente in espansione continua o se destinato a richiudersi Finito o infinito se spazialmente finito o infinito Terminologia: Anna Curir - Cieloascuola 2014

13 Evoluzione dellUniverso La Cosmologia è la scienza che studia lintero Universo. Anna Curir - Cieloascuola 2014

14 1633- Galileo: Discorsi e dimostrazioni matematiche intorno a due nuove scienze Il metodo scientifico galileiano procede per prove ed errori. Galileo sviluppò la ricerca sperimentale basata su misure fatte con strumenti opportuni con lo scopo di interrogare direttamente la natura, in contesti controllati e ripetibili. Anna Curir - Cieloascuola 2014

15 Galileo parla di contesti controllati e ripetibili. Dunque un esperimento, una prova si deve poter rifare…Galileo ha espressamente scritto che il provare e riprovare è la base della sua scienza sperimentale.. I laboratori dei fisici, dei chimici, dei biologi servono proprio a questo scopo: si ideano nuovi esperimenti e poi si ha la possibilità di ripeterli sino ad essere sicuri del risultato Anna Curir - Cieloascuola 2014

16 Ma ora pensate allastronomia. Gli astronomi hanno come laboratorio il cielo! Lesperimento è qualcosa di meno attivo di quanto avviene in un vero laboratorio dove lo scienziato è il soggetto dellazione sperimentale. Per gli astronomi gli esperimenti sono le osservazioni, si devono accontentare di ricevere le informazioni dagli oggetti che studiano, non possono agire direttamente su di essi. Anna Curir - Cieloascuola 2014

17 L'Universo tutto invece è per definizione un evento unico, osservabile da una sola posizione (seppur non privilegiata), e le osservazioni non sono ripetibili ! Anna Curir - Cieloascuola 2014

18 A confermare la teoria del Big Bang cè la radiazione cosmica di fondo. La radiazione cosmica di fondo è il residuo del Big Bang che ancora pervade l'Universo; la si osserva a una temperatura di circa 2,73 K, molto minore rispetto a quella dellesplosione iniziale a causa del raffreddamento causato dall'espansione. La sua esistenza era già stata prevista teoricamente (dai fisici Gamow, Alpher e Bethe nel 1948, teoria αβγ), fu scoperta per caso nel 1965(da Penzias e Wilson). Questa radiazione è inconciliabile con l'idea di un Universo stazionario. Anna Curir - Cieloascuola 2014

19 100 anni prima della teoria di αβγ: EUREKA! – Edgar Allan Poe (1848) Poe era convinto di aver scritto l'opera più importante della sua vita ed intendeva proporre seriamente una teoria cosmologica su basi metafisiche e scientifiche, anche se descritta in un'opera letteraria, un "poema in prosa".. Poe espone la sua teoria dell'Universo nato dalla Particella Primordiale Anna Curir - Cieloascuola 2014

20 Velocita-spazi-tempi… Anna Curir - Cieloascuola 2014

21 Il campo ultra profondo di Hubble è l'immagine di una piccola regione dello spazio nella costellazione della Fornace (un decimo del diametro della luna piena) composta grazie ai dati raccolti dal telescopio spaziale Hubble. Essa è l'immagine più profonda dell'universo mai raccolta nello spettro della luce visibile, e ci permette di guardare indietro nel tempo di 13 miliardi di anni.. Anna Curir - Cieloascuola 2014

22 Il telescopio è come la macchina del tempo, guardare lontano equivale a guardare indietro nel passato….. Fino a dove possiamo arrivare osservando lontano nello spazio e nel tempo? Luniverso evolve a partire da una grande esplosione iniziale Potremmo immaginare di poterci spingere nel tempo passato sino a vedere lorigine dellUniverso: il Big Bang! Anna Curir - Cieloascuola 2014

23 Lespansione cosmologica non ha un centro come unesplosione nello spazio ordinario L'espansione di Hubble non implica l'esistenza di un osservatore privilegiato, che vede tutte le galassie allontanarsi radialmente. Infatti, la velocità con cui due galassie si allontanano tra di loro cresce con la distanza, qualsiasi sia il punto preciso in cui ci poniamo (verificherete nel laboratorio di Richard Smart!) Anna Curir - Cieloascuola 2014

24 E come se si creasse spazio in ogni punto….. Dentro e fuori la superficie del palloncino non cè nulla Anna Curir - Cieloascuola 2014 La corretta analogia è quella della superficie del palloncino che si gonfia: è una analogia bidimensionale. Per gli esseri bidimensionali che abitano sul palloncino lespansione non ha centro

25 Anna Curir - Cieloascuola 2014 Storia termica dellUniverso (1) s.: Tempo di Plank Altissima energia: interazioni nucleare forte, debole, elettromagnetica unificata Scende la temperatura: si dividono le interazioni fondamentali. Si generano via via una serie di particelle elementari: sino alla materia comè ora

26 Anna Curir - Cieloascuola 2014 Storia termica dellUniverso (2) Dopo solo un milionesimo di secondo Si arriva ad un Universo composto da fotoni, protoni, neutroni, elettroni, neutrini, e materia oscura non barionica Quando la temperatura scende ancora, dopo circa un secondo, protoni e neutroni formano i nuclei atomici: nucleosintesi La fase della nucleosintesi è molto breve: circa 3 minuti Dal mare di protoni si formano idrogeno, elio e deuterio e tracce di litio e berillio.

27 Tutti gli altri elementi successivi della Tavola di Mendeleev saranno sintetizzati piu tardi, allinterno delle stelle e sparsi nel cosmo dalle esplosioni di supernovae Anna Curir - Cieloascuola 2014

28 Dopo 3 minuti dal big bang i livelli di temperatura e densità erano ormai insufficienti per innescare le reazioni di fusione nucleare Questo fatto è di fondamentale importanza. Se le condizioni adatte fossero durate anche solo per 10 minuti, invece che 3, lUniverso si sarebbe riempito di elementi pesanti; quasi tutto lidrogeno sarebbe scomparso e la stessa nascita delle stelle, galassie e la vita stessa sarebbe stata impossibile. La nucleo-sintesi primordiale è un altro successo della teoria del Big Bang. Nessun altro fenomeno è in grado di spiegare come mai nellUniverso esiste unabbondanza del 74% di idrogeno e 25% di Elio (in Totale circa il 99% della massa dellUniverso) Oggi sappiamo che lunico ambiente nel quale si produce elio sono le stelle, ma tutte le stelle dellUniverso non sono in grado di produrre, nel corso di quasi 14 miliardi di anni, il 25% dellElio che si osserva. La teoria del Big Bang spiega e giustifica esattamente la presenza di Elio nellabbondanza che oggi possiamo osservare: un successo che nessunaltra teoria è in grado di raggiungere

29 Nucleosintesi: si creano nuclei Anna Curir - Cieloascuola 2014

30 Ricombinazione Anna Curir - Cieloascuola 2014

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32 Storia termica dellUniverso (3) In seguito i nuclei catturano gli elettroni e si formano gli atomi. Quando si formano gli atomi lUniverso diventa trasparente. Oggi continuiamo ad essere circondati da quei fotoni che, perdendo energia durante l'espansione, si trovano ora ad una temperatura di 2,73 gradi sopra lo zero assoluto, e costituiscono la radiazione cosmica di fondo

33 Anna Curir - Cieloascuola 2014 Superficie di ultimo scattering La radiazione si propaga dora in poi liberamente ed arriva sino a noi. La radiazione ci informa su comera la materia al disaccoppiamento: superficie di ultimo scatterings La radiazione di fondo è generata dalla superficie di ultimo scattering.La radiazione di fondo è generata dalla superficie di ultimo scattering.

34 Liceo Copernico - Febbraio 2009 Aggiungere immagine a cono universo con sup ultimo scattering Anna Curir - Cieloascuola 2014

35 L'analisi della radiazione di fondo costituisce un'importante fonte di informazioni sulla struttura e sulle proprietà dell'Universo da circa anni dopo il Big Bang in poi, da quando cioè la luce riuscì a liberarsi dalla forte interazione con la materia, lasciando l'Universo trasparente alla radiazione Noi vediamo nella superficie dellultimo scattering limpronta fossile delle primissime strutture formate nelle fasi inziali- Sono rimaste scolpite nellultimo fotogramma. Anna Curir - Cieloascuola 2014

36 COBE : COsmicBackground Explorer ovvero le anisotropie del fondo di radiazione La temperatura di tale radiazione appare uniforme in tutte le direzioni dell'Universo, ma presenta piccolissime fluttuazioni che corrispondono a piccoli grumi di materia da cui ebbero poi origine le strutture più complesse che oggi osserviamo, come le galassie e gli ammassi di galassie. Tali fluttuazioni furono scoperte per la prima volta nel 1991 dal satellite COBE e sono state poi studiate in modo più approfondito negli anni seguenti, con altre missioni Anna Curir - Cieloascuola 2014

37 Un neonato a 20 ore dalla sua nascita Immagine di Wmap Immagine di Plank Lanciato nel 2009

38 Anna Curir - Cieloascuola 2014 Tutto il nostro Universo ha avuto origine dalla sbalorditiva espansione di una minuscola regione di spazio-tempo: questa regione era inizialmente quasi perfettamente uniforme, ad eccezione delle inevitabili fluttuazioni dovute allindeterminazione quantistica. Alla fine dellinflazione, queste fluttuazioni si sono ritrovate ingigantite su scale macroscopiche e e sono state i semi intorno ai quali la gravità ha aggregato la materia che ha poi formato galassie e ammassi di galassie

39 Una mappa molto dettagliata di esse ha permesso di concludere che l'Universo possiede una geometria di tipo euclideo. Anna Curir - Cieloascuola 2014

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41 Le piccole strutture nella radiazione di fondo osservate da COBE e Wmap In che epoca si trovano? Quando lUniverso era 1000 volte piu piccolo e 1000 volte piu caldo Qundo si formarono? Una piccola frazione di secondo dopo il big bang Cosa sono divenute oggi? Si sono trasformate in tutto quello che osserviamo nelluniverso oggi Anna Curir - Cieloascuola 2014

42 Le irregolarità presenti nellUniverso primordiale sono una fortuna per noi… La forza di gravità in fatti aggruma lentamente la materia formando galassie, stelle, e di qui possono aver origine pianeti e, almeno in un caso, persone! Perciò la mappa del cielo a microonde rappresenta il progetto di tutte le strutture dellUniverso. Noi siamo il prodotto di quelle fluttuazioni quantistiche delluniverso Primordiale

43 Distribuzione di oltre due milioni di galassie tratte dai cataloghi 2MASS. Il colore indica la distanza (redshift): blu -> piu vicine, rosse -> piu lontane (>100 Mpc). Anna Curir - Cieloascuola 2014

44 LUniverso sembra una schiuma. Ogni bollicina è una distesa impensabile di vuoto che si espande per centinaia di milioni di anni luce. Intorno ai vuoti, quando due o tre bolle si incontrano si formano filamenti di galassie lunghi centinaia di milioni di anni luce, intrecciandosi come dendriti che connettono neuroni. Con tali distanze la materia non è ancora totalemente influenzata dallattrazione gravitazionale e continua a seguire il flusso dellespansione cosmica. Anna Curir - Cieloascuola 2014

45 Modello gerarchico Si dice modello gerarchico il modello in cui le strutture si formano prima a scale piccole e poi, per aggregazione gravitazionale, a scale via via crescenti. Anna Curir - Cieloascuola 2014

46 Possiamo simulare con i nostri modelli la formazione delle Galassie a partire dalle fluttuazioni

47 Anna Curir - Cieloascuola 2014

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50 La storia di formazione delle galassie Formazione cosmologica di una Milky Way Formazione di galassie da merging continuo di strutture piu piccole. Quali sono le tracce di questo merging nella popolazione stellare della nostra Galassia? COSMOLOGIA LOCALE !!! (Questo interessantissimo argomento sarà approfondito nella lezione di Paola Re Fiorentin) Anna Curir – Cieloascuola 2014

51 Secondo la Relatività Generale, la gravità è dovuta alla distorsione dello spazio-tempo causata dalla presenza di massa-energia La quantità e la distribuzione di materia determina la geometria dello spazio. Una concentrazione di materia provoca una curvatura nello spazio (pensate allenorme curvatura intorno ai buchi neri). Anna Curir - Cieloascuola 2014

52 Applicata all'Universo, la teoria della Relatività Generale si pone il problema di determinarne la geometria globale in base alla quantità di materia totale Ma determinare la quantità di materia del nostro universo non è semplice perché abbiamo indicazioni molto forti che molta parte della massa dellUniverso non è la materia nella forma a noi conosciuta, ma ha caratteristiche a noi ignote ed è per questo chiamata materia oscura. Anna Curir - Cieloascuola 2014

53 Fin dall'inizio del secolo scorso gli astronomi notarono che per spiegare i movimenti dei corpi celesti non era sufficiente la sola materia visibile. Il primo ad accorgersene, negli anni 30, fu l'astronomo svizzero Fritz Zwicky; infatti, studiando il movimento delle galassie dellammasso della costellazione della Chioma di Berenice, egli notò come esse si muovessero molto più rapidamente di quanto atteso Anna Curir - Cieloascuola 2014

54 . La loro velocità poteva essere spiegata solo considerando le galassie immerse in un campo gravitazionale molto più intenso di quello generato dai soli oggetti visibili dellammasso. Alcuni anni dopo quanto già osservato da Zwicky fu confermato da osservazioni sull'ammasso di galassie della costellazione della Vergine.

55 In molti oggetti astrofisici i movimenti osservati non corrispondono a quelli attesi secondo la loro azione gravitazionale stimata in base alla loro massa, anche tenendo conto delleventuale materia ordinaria non luminosa! E come se fossero permeati da una densità di materia invisibile. Ad esempio, la legge di rotazione delle galassie a disco non rispecchia quella che avrebbe un disco sostenuto dal suo momento angolare ed immerso nello spazio vuoto Anna Curir - Cieloascuola 2014

56 Materia oscura

57 E come se ci fosse materia esterna al disco, anche nelle regioni piu esterne, un alone di materia oscura che le avvolge, cosi Anna Curir - Cieloascuola 2014

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59 La materia oscura viene chiamata materia non barionica, mentre la materia ordinaria che conosciamo viene chiamata barionica. Barionico è un aggettivo che deriva da una parola greca : significa pesante. I fisici pensano infatti che la materia oscura sia composta da particelle piu leggere di quelle della materia ordinaria. Anna Curir - Cieloascuola 2014

60 Saul Perlmutter Brian P. Schmidt e Adam Riess Premi Nobel per questa scoperta Osservazioni effettuate nel 1998 sulla distanza di alcune galassie lontane hanno evidenziato che la velocità di espansione dell'Universo non solo non sta diminuendo, ma sta addirittura ancora aumentando, come se ci fosse una forza che si oppone alla forza di gravità ( da questo si suppone lesistenza dellenergia oscura che accelera l espansione) Sembra che lera dellaccelerazione sia partita circa 7 miliardi di anni dopo il big bang. L espansione, sino ad allora proceduta in modo quasi costante, inizio ad accelerare a causa dellenergia oscura il cui contributo in quel momento divenne piu importante di quello della materia Anna Curir - Cieloascuola 2014

61 Secondo Plank: 26.8 DM e 68.3 DE

62 Come vedete dal diagramma a torta, solo una piccola fettina del nostro Universo è composto dalla materia di cui noi conosciamo le proprietà (atoms: materia normale, ordinaria, conosciuta). Solo questa e materia che brilla….galassie, ammassi di galassie, stelle, polvere, idrogeno, elio, carbonio, ossigeno, pianeti,materiale intergalattico diffuso ! Il 96% dellUniverso è fatto di materia ed energia sconosciute alle leggi della fisica che noi abbiamo a disposizione! Anna Curir - Cieloascuola 2014

63 Talvolta si usa laggettivo esotica ( un aggettivo che viene dal greco e che significa straniero) per descrivere materia di questo tipo: materia che sfugge alle nostre descrizioni. Il 96% dellUniverso è fatto di materia ed energia esotiche! Eppure la loro esistenza è stata dedotta usando le equazioni della fisica che noi conosciamo….Una bella sfida! Anna Curir - Cieloascuola 2014

64 E che sfida in termini di prove ed errori! Voi direte, ma come si fanno a fare prove su qualcosa di cui abbiamo evidenze solo indirette, che sappiamo non ubbidisce a leggi fisiche note? Eppure qualcosa si puo fare. Ci sono esperimenti che cercano di avere informazioni sulla materia oscura attraverso limpatto che questa avrebbe sulla materia che possiamo vedere. E abbiamo anche qualche risultato. Anna Curir - Cieloascuola 2014

65 Gli esperimenti DAMA sono stati progettati e realizzati per essere in grado di dare una risposta sulla presenza di particelle di materia oscura nellalone galattico in modo indipendente da modelli teorici ipotizzati a priori, grazie alla marcatura (cioè alla caratteristica identificazione) detta della modulazione annuale.. Anna Curir Cieloascuola 2014

66 A causa del moto di rivoluzione della Terra attorno al Sole, che a sua volta si muove nella Galassia, il flusso delle particelle di DM che attraversano la Terra varia durante lanno..In particolare, il flusso è massimo intorno a circa il 2 Giugno – quando la componente della velocità della Terra parallela alla velocità del Sole nel riferimento galattico è massima

67 Anna Curir - Cieloascuola 2014 Ci sono anche le ricerche della fisica teorica che propone modelli particellari per la materia esotica (WIMPS: photino, axions, sterile neutrinos) Anche queste sono prove: questi modelli teorici saranno sottoposti agli esperimenti possibili e si vedrà se supereranno il test oppure produrranno gli errori

68 La filosofia e scritta in questo grandissimo libro che continuamente ci sta aperto innanzi a gli occhi (io dico l'universo), ma non si può intendere se prima non s'impari a intendere la lingua, e conoscer i caratteri, ne' quali e scritto. Egli e scritto in lingua matematica, e i caratteri sono triangoli, cerchi, ed altre figure geometriche, senza i quali mezi e impossibile a intenderne umanamente parola; senza questi e un aggirarsi vanamente per un oscuro laberinto Anna Curir - Cieloascuola 2014

69 Il giudizio di Einstein Si è spesso dichiarato che Galileo divenne il padre della scienza moderna sostituendo il metodo speculativo o deduttivo con il metodo empirico o sperimentale. Credo invece che questa interpretazione non sia in grado di reggere a un esame accurato. Non esiste alcun metodo sperimentale in mancanza di concetti e sistemi speculativi, e non esiste alcuna forma speculativa di pensiero i cui concetti non rivelino, ad esami accurati, il materiale empirico da cui emergono. Il fatto di porre in contrasto netto fra loro l'apparecchio empirico e quello deduttivo é fuorviante, ed era del tutto estraneo allo stesso Galileo. (citaz. da Segrè E., Personaggi e scoperte della fisica classica, Mondadori, Milano, 1996) Anna Curir - Cieloascuola 2014

70 Le teorie, i modelli, sono utili rappresentazioni, ma non sono la realtà ultima. Anna Curir - Cieloascuola 2014 R. Magritte

71 Con la matematica l'uomo sa cogliere la struttura del reale, sa leggere il grande libro della natura Anna Curir - Cieloascuola 2014 Lo sforzo del moderno realista, è di andare al di là della superficie

72 Grazie dellattenzione Anna Curir - Cieloascuola 2014


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