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ORIGINE E FUTURO DELLUNIVERSO Associazione Astronomica Cortina – Col Druscié obs. H. Ullrich.

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Presentazione sul tema: "ORIGINE E FUTURO DELLUNIVERSO Associazione Astronomica Cortina – Col Druscié obs. H. Ullrich."— Transcript della presentazione:

1 ORIGINE E FUTURO DELLUNIVERSO Associazione Astronomica Cortina – Col Druscié obs. H. Ullrich

2 DALLE STELLE ALLE GALASSIE Origine e futuro dellUniverso Il cielo sopra di noi Le stelle La Via Lattea Le galassie I mostri del cielo: supernovae, quasar e buchi neri Il Big Bang: la creazione dellUniverso e il futuro dellUniverso

3 LA NOTTE Il fascino del cielo stellato

4 La Terra ruota attorno al Sole in 365 giorni e 6 ore Ruota intorno al proprio asse in 23h 56m Cambia linclinazione dellasse di rotazione dando vita alle stagioni

5 Lorbita terrestre E ellittica Le stagioni hanno perciò una diversa durata –Lestate e la primavera durano 93 giorni –Lautunno 90 –Linverno 89

6 Coordinate celesti Lequatore celeste è la proiezione in cielo dellequatore terrestre e divide la volta stellata tra i due emisferi Il meridiano celeste è la linea meridiana che partendo dal punto cardinale Nord si proietta verso Sud Lo Zenit è il punto situato perpendicolarmente allosservatore. Il suo opposto è il Nadir Il polo nord celeste è la proiezione dellasse di rotazione della Terra

7 Leclittica E il piano su cui orbitano la Terra e la maggior parte dei pianeti attorno al Sole Si proietta in cielo con uninclinazione di 23°30 rispetto allequatore celeste

8 La precessione degli equinozi E una disomogeneità della rotazione terrestre per cui lasse polare disegna una circonferenza attorno ad un punto, il polo delleclittica, che viene completata in anni circa Per questo motivo la posizione relativa delle stelle in cielo cambia col passare dei secoli

9 Lo Zodiaco Nel corso dellanno il Sole appare muoversi tra le costellazioni dello zodiaco Di notte vedremo la regione di cielo opposta alla posizione del Sole

10 Le stelle ruotano attorno alla Polare

11 LE STELLE

12 La nascita Le stelle nascono allinterno di una nebulosa di gas e polveri per autogravitazione da un nucleo di condensazione La radiazione delle altre stelle spazza il gas attorno alla protostella, che così resta isolata dalla nebulosa originaria Nel frattempo la temperatura allinterno del bozzolo aumenta fino al momento in cui nel nucleo si innescano le prime reazioni nucleari: è nata una stella La radiazione delle altre stelle spazza il gas attorno alla protostella, che così resta isolata dalla nebulosa originaria Nel frattempo il calore allinterno del bozzolo aumenta fino alla temperatura di 10 milioni di gradi circa, momento in cui nel nucleo si innescano le prime reazioni nucleari: è nata una stella Le stelle nascono allinterno di una nebulosa di gas e polveri per autogravitazione da un nucleo di condensazione

13 Cosa succederà al Sole Il Sole è una stella di massa intermedia e la sua temperatura superficiale non raggiunge i 6.000° E nato 5 miliardi di anni fa e si presume vivrà per altri 5 miliardi danni Ma al termine della sua esistenza anche il Sole entrerà in crisi, bruciando lelio e divenendo una Gigante Rossa; si espanderà enormemente fino a raggiungere lorbita terrestre Gli strati esterni della gigante rossa si disperderanno nello spazio, formando una nebulosa planetaria e il Sole si contrarrà fino a divenire Nana Bianca (stella superconcentrata), dopo di che si spegnerà lentamente

14 Equilibrio delicato Le stelle sono governate da due forze che si oppongono a vicenda, controbilanciandosi perfettamente La forza gravitazionale tende a comprimere la stella sotto il proprio peso Lenergia emessa dalla forza nucleare, che nel nucleo trasforma lidrogeno in elio, tende invece ad espanderla Il punto di equilibrio tra le due forze determina le dimensioni dellastro

15 Le dimensioni delle stelle Il punto di equilibrio tra gravitazione e reazioni nucleari può essere raggiunto a diversi livelli, in relazione alla massa, al grado di evoluzione e alla composizione chimica della stella Avremo perciò stelle di diverso dimensioni: le più grandi, come le Giganti Rosse, possono raggiungere un diametro di 300 milioni di km (es. Betelgeuse); Le più piccole, come le Nane Bianche, hanno diametri di mila km (es. Sirio B) Vi sono poi dei casi limite, come le stelle di neutroni o i buchi neri i cui diametri sono paragonabili a quelli di una grande città (5-10 km), ma si tratta di stelle degeneri derivate dallesplosione di supernovae Nel mezzo si trovano le stelle cosiddette normali, come il Sole, i cui diametri variano dai km circa per le fredde Nane Rosse fino a qualche milione di km per le calde Giganti Blu Il punto di equilibrio tra gravitazione e reazioni nucleari può essere raggiunto a diversi livelli, in relazione alla massa, al grado di evoluzione e alla composizione chimica della stella Avremo perciò stelle di diverse dimensioni: le più grandi, come le Giganti Rosse, possono raggiungere un diametro di 300 milioni di km (es. Betelgeuse); Le più piccole, come le Nane Bianche, hanno diametri di mila km (es. Sirio B) Vi sono poi dei casi limite, come le stelle di neutroni o i buchi neri i cui diametri sono paragonabili a quelli di una grande città (5-10 km), ma si tratta di stelle degeneri derivate dallesplosione di supernovae Nel mezzo si trovano le stelle cosiddette normali, come il Sole, i cui diametri variano dai km circa per le fredde Nane Rosse fino a qualche milione di km per le calde Giganti Blu

16 8 minuti luce 43 minuti luce 5,5 ore luce Plutone Giove Terra 4,3 anni luce ( miliardi di km) Sole Alfa Centauri 1 secondo luce = km – 1 minuto luce = 18 milioni Km – 1 ora luce = 1,1 miliardi km 1 giorno luce = 26 miliardi di km – 1 mese luce = 778 miliardi km – 1 anno luce = 9300 miliardi di km

17 UNIVERSO IN SCALA 1/ SOLE: diametro 14 cm Terra: diam. 1,3 mm – distanza dal sole 15 m Giove: diam. 1,4 cm – distanza dal sole 78 m Plutone: diam. 0,3 mm – distanza dal sole 600 m Alfa Centauri: diametro 15 cm distanza km

18 LA VIA LATTEA

19 100 miliardi di stelle Come una grande città la nostra galassia, la Via Lattea, è composta da uninfinità di piccole e grandi case: le stelle. Si pensa ne esistano più di 100 miliardi, sparse su unarea di una vastità inimmaginabile: 100 mila anni luce di diametro Oltre alle stelle vi sono sconfinate distese di gas e polveri, da cui gli astri nascono; ci sono i pianeti, le comete, le pulsar, i buchi neri e tantaltro ancora Tutto ciò appare a noi come una fascia luminescente che attraversa il cielo estivo, nuvole di luce che dividono a metà la volta celeste, andando a disperdersi nelle brume dellorizzonte

20 Girandola cosmica Se potessimo osservarla dallesterno vedremmo la sua forma a spirale, con i quattro bracci principali, formati da stelle giovani, che si avvolgono attorno al nucleo dove sono confinate le stelle più vecchie ed il cui centro è governato da un enorme buco nero attorno a cui tutto ruota Le polveri occuperebbero una ristretta fascia che divide a metà i due emisferi della galassia Delle macchie luminose, composte da centinaia di migliaia di stelle vecchie, popolerebbero lalone della Via Lattea, fino a grandi distanze dal disco galattico: si tratta degli ammassi globulari In questo turbinio di materia ed energia il Sole occupa una posizione assai periferica, ad oltre a.l. dal centro

21 Gas e polveri Sono questi gli ingredienti per formare le stelle; distese sconfinate di gas (principalmente idrogeno) e polveri si possono trovare ovunque sul disco galattico Il colore della nebulosa indica da quale gas è composto: il rosso contraddistingue lidrogeno, il verde lossigeno, mentre le polveri risaltano per contrasto assorbendo la luce della nebula retrostante e disegnando a volte delle bizzarre figure

22 Sfere di luce Gli ammassi globulari sono formati da centinaia di migliaia ed a volte da milioni di stelle per lo più molto vecchie, le prime che 12 miliardi di anni fa sono nate nella Galassia Allinterno della Via Lattea se ne conoscono circa 150, disposti a formare un alone sferico attorno al Bulge galattico, la regione centrale della grande spirale Visti al telescopio sono forse gli oggetti più spettacolari, come nel caso di M13, il più bellammasso globulare del cielo boreale, posizionato allinterno della costellazione dellErcole

23 Il mostro centrale In direzione della costellazione del Sagittario risplende la regione centrale della Via Lattea, chiamata Bulge; allinterno di questa, nascosto da dense nubi di polveri, si trova il nucleo della Galassia Osservazioni con radio onde e infrarossi hanno evidenziato la presenza di unalta concentrazione di massa (milioni di masse solari) in uno spazio molto ristretto, indice questo della presenza ipotetica di un enorme buco nero che attrae a se stelle e gas in grande quantità, dando vita ad un disco rotante di materia attorno al Mostro

24 LE GALASSIE

25 Il Gruppo Locale La Via Lattea fa parte di un insieme di galassie, chiamato Gruppo Locale, al quale appartengono anche la Grande Galassia di Andromeda (M31), visibile ad occhio nudo ed una trentina di altre galassie satelliti più piccole, tra le quali spiccano le Nubi di Magellano, M32, M110 e la Galassia del Triangolo Tutte queste sono legate gravitazionalmente tra loro e si muovono seguendo assieme lespansione delluniverso Il membro più cospicuo del Gruppo Locale è la Galassia di Andromeda, composto da stelle mediamente più vecchie di quelle della Via Lattea

26 La Grande galassia di Andromeda Visibile anche ad occhio nudo, la Galassia di Andromeda è nota sin dallantichità Solo dagli anni 20 si è compresa però la sua vera natura di insieme di stelle; fino ad allora la si riteneva una nebulosa di gas in rotazione che stava formando un sistema solare. Con laumento della potenza dei telescopi, ed in particolare con il perfezionamento della tecnica fotografica, gli astronomi hanno scoperto che la nebulosa di Andromeda era in realtà composta da una miriade di deboli stelline, rese flebili dallenorme distanza delloggetto: oltre 2 milioni di anni luce!

27 Le compagne della Via Lattea Visibili nei cieli australi, splendono due belle galassie irregolari compagne della nostra Via Lattea: si tratta delle Nubi di Magellano, la Grande e la Piccola Nube Sono composte da una decina di miliardi di stelle ciascuna e, oltre ad essere gravitazionalmente legate alla nostra Galassia, scambiano con essa anche materia stellare, formando dei lunghissimi filamenti e ponti di stelle

28 Vicine di casa Usciti dal Gruppo Locale ci si imbatte in decine di galassie più o meno grandi, spirali e ellittiche allinterno delle quali si possono scorgere tutte le caratteristiche che contraddistinguono la nostra Via Lattea: nebulose, ammassi, stelle giovani e stelle vecchie Ognuno di questi Universi isola è composto da centinaia di miliardi di stelle e studiando la loro evoluzione si può meglio comprendere anche la nostra

29 Lammasso della Vergine A 60 milioni di a.l. dalla Via Lattea si trova lammasso di galassie della Vergine, il più vicino tra i milioni di ammassi che popolano luniverso E composto da un migliaio di oggetti per unestensione di decine di milioni di a.l. ed è dominato da alcune ellittiche giganti, come M84, M86 e M87 che con la loro enorme massa (10-20 volte la nostra galassia) attirano a se le galassie più piccole

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31 La classificazione delle galassie Le galassie sono state classificate in base alla loro forma Le galassie ellittiche hanno struttura sferoidale e sono composte prevalentemente da stelle vecchie di color giallo-rosso Le galassie a spirale sono invece formate da un disco rotante e da una regione centrale più spessa dalla quale si dipartono dei filamenti di stelle che si avvolgono a spirale attorno al nucleo; nella zona centrale sono confinate le stelle vecchie, mentre nel disco si formano le giovani stelle azzurre

32 EllitticaSpirale Spirale barrataIrregolare

33 Cannibalismo galattico Come le stelle, anche le galassie hanno la tendenza di riunirsi in coppie, questo perché la loro concentrazione è assai più elevata di quanto si possa immaginare Ad interagire però sono centinaia di miliardi di stelle che, sebbene non si scontrino mai, vengono scambiate tra una galassie e laltra e a volte vengono scagliate allesterno a formare lunghissimi filamenti Solitamente la galassia più piccola viene poi inglobata nella maggiore

34 Nuclei irrequieti Nel nucleo di alcune galassie accadono degli eventi assai violenti, come immani esplosioni o grandiose emissioni di energia sotto forma di raggi X e gamma o radioonde Tutto pare che sia causato dalla presenza, nel centro della galassia, di un enorme buco nero che ingloba stelle e gas le quali, prima di cadere nel vortice, emettono fiotti di materia ed energia Casi tipici sono la galassia M82 nellOrsa Maggiore e M87 nella costellazione della Vergine

35 Gli ammassi di galassie Nel Cosmo vi sono milioni di ammassi di galassie che formano, nel loro insieme, la struttura portante dellUniverso Ognuno di essi è composto da centinaia o migliaia di oggetti, disposti a formare lunghe catene di galassie estese per decine di milioni di anni luce

36 Le lenti gravitazionali Previsti dalla teoria della relatività, gli effetti della curvatura dello spazio da parte di un oggetto dotato di massa si possono notare in maniera drammatica nelle lenti gravitazionali In questi particolari fenomeni una galassia massiccia, disposta e perfettamente allineata tra la Terra e unaltra galassia molto più lontana, riesce a deviare la luce di questultima come farebbe una lente di un obbiettivo che genera un riflesso Da terra si possono osservare questi riflessi come fasce luminose che circondano particolari ammassi di galassie molto massicci

37 Galassie ovunque! Una delle più straordinarie scoperte dellHubble Space Telescope è che nellUniverso, ovunque si guardi, ci sono galassie a perdita docchio e questa sequenza lo dimostra!

38 I MOSTRI DEL CIELO Supernovae, quasar e buchi neri

39 Quando una stella esplode La supernova è un fenomeno assai raro in una galassia (lultima nella Via Lattea nel 1604) e si verifica quando una stella di grande massa, esaurito il combustibile nucleare, perde repentinamente lequilibrio interno ed il peso degli strati esterni fa collassare violentemente lastro, che per reazione esplode divenendo così brillante da eguagliare la luminosità dellintera galassia in cui è contenuta Dopo quasi quattro secoli, nel febbraio 1987 apparve in cielo, nella Grande Nube di Magellano, una stella tanto luminosa da rendersi visibile ad occhio nudo; non era un astro come gli altri, ma una Supernova, fenomeno di straordinaria energia che coinvolge lintera stella in una immane esplosione

40 Lampi lontani Nonostante la rarità dellevento, il numero di galassie nelluniverso è così elevato che ogni anno vengono individuate oltre 200 supernovae, tutte però molto lontane, sempre oltre i 30 milioni di anni luce Da oltre due anni lA.A.C. segue un programma di ricerca di supernovae e, grazie al telescopio automatizzato del Col Drusciè, ne ha scoperte 29 Ciò che resta, dopo lesplosione della stella, è una bolla di gas ed energia in espansione che comprime la materia interstellare e stimola così la nascita di nuove generazioni di stelle

41 Le pulsar – residui dellesplosione Tutta la massa residua della stella esplosa, pari a quella del Sole, viene concentrata in uno spazio di una decina di km. di diametro con la conseguenza che la forza di gravità aumenta a tal punto che un cm 3 di materia pesa migliaia di tonnellate I flussi di energia emessi dalla stella in rapida rotazione possono a volte raggiungere la Terra, divenendo una sorta di faro cosmico: la pulsar Ciò che resta dopo lesplosione è una nebulosa in rapida espansione (oltre km/s) con al centro un residuo stellare superconcentrato in cui gli elettroni ed i protoni degli atomi si sono fusi tra loro dando vita ad un oggetto formato da soli neutroni a contatto in rapidissima rotazione (30-40 giri al secondo)

42 I buchi neri Quando una stella implode oltre il limite della stella di neutroni nulla riesce più a fermare il collasso La concentrazione di massa raggiunge limiti inimmaginabili, al di fuori della fisica ordinaria Tutta la materia che si trova nelle vicinanze viene inghiottita in un pozzo senza fondo e neppure la luce, che viaggia a km/s, ha più la forza di uscirne Lultimo sussulto della materia che precipita nel buco nero è lemissione di radiazione ad alta energia concentrata in due getti che fuoriescono dallasse polare del disco di accrescimento E lo stesso tessuto dello spazio-tempo che viene chiuso attorno al buco nero e tutto ciò che resta intrappolato entro il limite dellorizzonte degli eventi non potrà mai più uscirne

43 I quasar Il funzionamento del motore è lo stesso: un buco nero di massa pari ad alcuni milioni di volte il Sole fagocita tutte le stelle, il gas e la materia che passa nelle vicinanze, intrappolandola dapprima in un disco rotante e poi inghiottendola nel pozzo spazio-temporale creato dal buco nero; i getti che fuoriescono dalle regioni polari sono quelli che illuminano il nucleo, rendendolo visibile fino a 13 miliardi di anni luce Ciò che in piccolo accade per i buchi neri di taglia stellare, si ripete anche su scala maggiore con i nuclei galattici Al centro di ogni galassia, infatti, dimora un enorme buco nero che, nella maggior parte dei casi, è quiescente Nelle galassie più antiche, invece, il buco nero centrale divora unenorme quantità di materia rendendo il nucleo più brillante dellintera galassia: nasce così un Quasar

44 IL COSMO

45 Cosmologie antiche Ci vollero quasi 2000 anni perché lastronomo polacco Nicolò Copernico avesse il coraggio di proporre una teoria cosmologica che spostasse la Terra dal centro delluniverso, mettendovi il Sole. La teoria, osteggiata dalla Chiesa, fu pubblicata solo nel 1543, poco prima della morte dellastronomo. Giovanni Keplero intuì, allinizio del XVII secolo, che i pianeti giravano attorno al Sole su orbite ellittiche e non circolari come proposto da Copernico Il filosofo greco Aristotele fu il primo a concepire nel IV secolo a.C. un modello di universo che vedeva la Terra come centro di rotazione di tutti gli altri corpi, stelle comprese. Nel II secolo d.C. lastronomo greco Tolomeo perfezionò questa teoria ipotizzando che i corpi celesti eseguissero un breve percorso circolare mentre compivano il loro moto di rivoluzione attorno alla Terra, che restava il centro dellUniverso

46 Universo in espansione Le moderne teorie cosmologiche, formulate allinizio del XX secolo dopo la pubblicazione della teoria della relatività da parte di Einstein, prevedono un universo in espansione senza un centro, in cui tutti gli oggetti si allontanano reciprocamente luno dallaltro in quanto è il tessuto stesso del Cosmo ad espandersi Ad ogni osservatore, in qualsiasi galassia esso si trovi, sembrerà però che tutte le altre galassie si stiano allontanando e che la propria galassia sia invece ferma, essendo quindi per lui il centro di espansione

47 Effetto Doppler Come accade per le onde sonore di una sirena che, mentre lambulanza si avvicina danno un suono più acuto e quando si allontana più grave, così accade anche per le onde luminose emesse dalle galassie Più sono distanti da noi più elevata appare la velocità velocità di allontanamento misurata attraverso lo spettrografo che analizza la sua luce; la galassia apparirà perciò più rossa di quanto non sia in realtà Dallintensità dello spostamento verso il rosso delle righe spettrali si può determinare la distanza delloggetto

48 IL BIG BANG la Creazione dellUniverso

49 La scintilla Tutto ebbe inizio 15 miliardi di anni fa: tempo, spazio, energia e materia furono generati istantaneamente a partire da un punto senza dimensioni, con densità e temperatura infinite.

50 I primi istanti Labbassamento della temperatura e della densità nelluniverso primordiale, dovuto allespansione, provocò dapprima la nascita delle quattro forze fondamentali: Gravità, Nucleare forte, Nucleare debole, Elettromagnetismo e di conseguenza la nascita delle particelle subatomiche e dei primi atomi di Idrogeno e di Elio Tutto avvenne nei primi tre minuti di vita dellUniverso

51 LUniverso si raffredda Tra un secondo e tre minuti dopo il Big Bang si formano gli atomi di Idrogeno (Deuterio) ed Elio La temperatura delluniverso scende a 3 milioni di gradi Dopo anni lenergia e la materia si differenziano definitivamente e luniverso diventa trasparente; la temperatura scende a gradi Dopo un miliardo di anni si formano le prime galassie Oggi la temperatura delluniverso è di soli 3 gradi sopra lo zero assoluto (-273 c )

52 La velocità della luce La velocità della luce è una costante delluniverso; si tratta cioè di un elemento basilare nella fisica del nostro Cosmo. La luce è formata da onde che si propagano nello spazio ma i fisici la trattano anche come un insieme di particelle senza massa che si muovono nelluniverso: i fotoni La sua velocità è enorme: quasi km al secondo In questa frazione di tempo un raggio di luce fa quasi 8 volte il giro della Terra Ci vogliono quasi 8 minuti perché fotone dal Sole ci raggiunga Noi vediamo quindi tutti gli oggetti delluniverso come erano nel passato, tanto più remoto quanto più elevata è la distanza della sorgente luminosa

53 Il tessuto delluniverso Osservando luniverso nel suo complesso, realizzando una mappa tridimensionale di tutte le galassie conosciute, si nota che queste si dispongono in filamenti ai bordi di enormi bolle vuote, formando qualcosa di molto simile ad una spugna in cui gli ammassi di galassie sono le pareti del tessuto spugnoso. Gli scienziati ritengono che questa particolare forma sia conseguenza delle disomogeneità formatesi nei primi istanti di vita delluniverso I satelliti che operano nelle microonde rivelano infatti questa intima struttura delluniverso primordiale

54 La radiazione di fondo Leco dellesplosione iniziale, il Big Bang, è chiamato dagli scienziati radiazione di fondo, perché pervade tutto luniverso La sua temperatura è di soli 3° sopra lo zero assoluto (-273°) e la si può osservare in qualsiasi direzione Gli osservatori spaziali hanno evidenziato che la radiazione di fondo non è perfettamente uniforme; le disomogeneità potrebbero essere il seme della formazione delle concentrazioni di materia nelluniverso attuale

55 Il futuro delluniverso Il dilemma della cosmologia moderna riguarda il futuro delluniverso: –È aperto e continuerà ad espandersi allinfinito? –È chiuso ed un giorno inizierà nuovamente a contrarsi sotto il proprio peso per collassare nuovamente in un Big crunch? –Si trova gravitazionalmente in equilibrio ed un giorno la sua espansione rallenterà fino a fermarsi?

56 Respiro cosmico Tra queste ipotesi la più accreditata appare essere la prima, anche perché non è stata ancora scoperta sufficiente materia per determinare che luniverso abbia la forza di arrestare la sua espansione Recentissimi studi hanno però rivelato, attraverso una rivoluzionaria tecnica osservativa, che nelluniverso pare esserci una enorme quantità di materia ed energia oscure, capaci di richiudere il Cosmo su se stesso, per poi ritornare ad espandersi, in una sorta di Respiro Cosmico!

57 DALLE STELLE ALLE GALASSIE Origine e futuro dellUniverso FINE


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