UNIVERSO, STELLE E SISTEMA SOLARE

UNIVERSO Con il termine Universo si intende tutto ciò che ci circonda: le galassie, le stelle, i pianeti e tutti gli altri oggetti che vediamo nel cielo (insieme ad una enorme quantità di altre cose che non vediamo) fanno parte dell’Universo. Riducendo il discorso all’essenziale possiamo dire che l’Universo è composto da due “ingredienti”: MATERIA e ENERGIA. Universo fotografato dal Telescopio Spaziale Hubble

NASCITA DELL’UNIVERSO La teoria più accreditata che cerca di spiegare la nascita dell’Universo è la Teoria del Big Bang. Secondo questa teoria l’Universo si sarebbe formato circa 14 miliardi di anni fa. Tutta la massa e l’energia dell’Universo si trovavano concentrate in un volume piccolissimo nel quale la materia non esisteva sotto forma di atomi ma nei suoi componenti più piccoli. A causa delle altissime temperature (1500 Ml °C) il volume ha cominciato ad espandersi velocemente. Nel giro di pochi minuti la temperatura è scesa moltissimo (300 Ml °C) e le particelle sub atomiche si sono unite formando gli atomi degli elementi più leggeri: idrogeno ed elio.

NASCITA DELL’UNIVERSO Sono stati necessari ancora 300.000 anni affinché questi atomi diventassero stabili. Secondo questa teoria l’Universo è in continua espansione.

NASCITA DELL’UNIVERSO La Teoria del Big Bang, proposta nel 1948 dai fisici Gamow, Alpher e Bethe, si basa sull’osservazione che le galassie si stando allontanando tra loro, quindi “all’inizio” tutto doveva essere concentrato in un punto. Una prova a sostegno di questa teoria è data dalla scoperta della RADIAZIONE COSMICA DI FONDO. Questa radiazione, scoperta da due tecnici di una compagnia telefonica, rappresenterebbe l’eco del big bang, cioè quell’energia che da elevatissima (temperature molto alte) – nei primi momenti dell’espansione – con il tempo si è andata sempre più affievolendo e ora la troviamo sotto forma di piccole onde a 3° K (kelvin), cioè a circa -270°C di temperatura.

GALASSIE La forza dell’esplosione ha spinto la materia sempre più lontano. Ma ha questa forza ha cominciato a contrapporsi una seconda forza: la forza di gravità. Grazie alla sua azione la materia nell’Universo non è distribuita in modo uniforme, ma organizzata in ammassi giganteschi: le Galassie. Queste sono formate da miliardi di stelle e anche al loro interno la materia non è uniformemente distribuita.

LE STELLE Sono corpi celesti che brillano di luce propria costituite in gran parte da Idrogeno ed Elio. In generale le stelle sono caratterizzate da due fattori: LUMINOSITÀ (cioè quanta luce emette, quanto la vediamo brillante), ciò dipende dalla quantità di energia prodotta nel suo nucleo. Ma la luminosità di una stella, per noi che la guardiamo dalla Terra, dipende anche da due fattori: la sua distanza da noi e la sua grandezza. COLORE Il colore di una stella dipende dalla sua temperatura superficiale: i colori azzurro e bianco indicano temperature superficiali molto elevate (20-30.000°C) mentre colori come il giallo e il rosso indicano temperature superficiali più basse (5-3.000°C).

LE COSTELLAZIONI Quando le guardiamo, le stelle ci appaiono tutte alla stessa distanza, poiché sembrano proiettate su quella che chiamiamo volta celeste, una sorta di schermo a forma di cupola. In verità le stelle sono molto distanti tra loro e da noi, anche milioni di anni luce (a.l.). Volta celeste In Astronomia le distanze, che sono enormi, si misurano in: • Anno luce, cioè la distanza percorsa da un raggio di luce in un anno. Poiché la luce ha una velocità di circa 300.000 km/sec ne deriva che 1 a.l. equivale a 9.460.800.000.000 km (si legge: 9 trilioni, 460 miliardi, 800 milioni). Proxima centauri, la stella più vicina alla Terra è distante 4 a.l.! • Unità astronomica, cioè la distanza media Terra-Sole che vale circa 150 milioni di km. E’ usata per distanze all’interno del sistema solare. Esistono anche altre unità di misura ma a noi possono bastare queste.

LE COSTELLAZIONI La forma delle costellazioni, quindi, dipende solo dal nostro punto di vista (dalla Terra); da un altro pianeta non riusciremo a riconoscere nessuna delle costellazioni a noi note. I popoli antichi, un po’ per poterle individuare meglio e un po’ per dare un significato a tutti quei misteriosi punti luminosi, hanno raggruppato le stelle in costellazioni cioè in figure particolari che rappresentavano dei o animali protagonisti di alcune storie della mitologia greca. A sinistra la costellazione di Cassiopea come si vede in cielo, a destra come la immaginavano gli antichi popoli.

LE COSTELLAZIONI A sinistra la costellazione di Orione come si vede in cielo, a destra come la immaginavano gli antichi popoli. A sinistra Grande e Piccolo carro, sopra come la immaginavano gli antichi popoli.

LE COSTELLAZIONI

DIAGRAMMA H-R (Hertzsprung-Russel) Sulla base della luminosità e della temperatura di una stella, è possibile costruire un diagramma che evidenzia la distribuzione delle stelle rispetto a queste due grandezze. Si può osservare che le stelle si dispongono in questo diagramma non in maniera casuale ma in gruppi. • Molte stelle si dispongono lungo quella linea tratteggiata a forma di “s” detta SEQUENZA PRINCIPALE. • Altre formano il gruppo delle. GIGANTI ROSSE • Altre formano il gruppo delle NANE BIANCHE.

NASCITA E VITA DI UNA STELLA Il Diagramma H-R ci aiuta a capire che le stelle sono dei corpi celesti in continua trasformazione, potremmo dire che nascono, si trasformano (vivono) ed infine muoiono. Vediamo in che modo nascono, vivono e muoiono le stelle.

NASCITA E VITA DI UNA STELLA Le stelle nascono da enormi nubi di polveri e gas cosmico soprattutto idrogeno (H)e elio (He): le nebulose. Il materiale che costituisce le nebulose, sotto l’azione della forza di attrazione gravitazionale, tende a raggrupparsi in blocchi via via sempre più grandi. Le conseguenze di questo fenomeno sono essenzialmente due: Aumento di massa a causa della forza gravitazionale; Aumento di temperatura a causa dell’attrito tra particelle e dell’norme pressione all’interno. Nebulosa Testa di cavallo Nebulosa Elica

NASCITA E VITA DI UNA STELLA Affinché questa massa di gas e polveri si trasformi in una stella è necessario che sia talmente grande da portare la temperatura del suo nucleo fino a qualche milione di gradi. Se è troppo piccola non riesce a raggiungere la temperatura sufficiente e sopravvive come qualcosa di non molto diverso dal pianeta Giove. La futura vita della stella dipende essenzialmente dalla sua massa iniziale, più è grande alla nascita e più breve sarà la sua esistenza: Le più grandi vivono un centinaio di milioni di anni; Le più piccole vivono più di 100 miliardi di anni. .

IL MOTORE DELLE STELLE Quando nel nucleo di una stella le temperature raggiungono milioni di °C si innescano le reazioni di FUSIONE TERMONUCLEARE cioè quattro nuclei di idrogeno (H) si fondono per formare un nucleo di elio (He) ed energia che si libera.

IL MOTORE DELLE STELLE L’energia che si origina nel nucleo produce una pressione che spinge verso l’esterno. La forza di gravità spinge verso l’interno. La stella raggiunge l’equilibrio quando le due forze si equivalgono. A questo punto la stella è nata, è in equilibrio e occuperà un posto nella sequenza principale del Diagramma H-R in base alla sua luminosità e temperatura superficiale.

NASCITA E VITA DI UNA STELLA La stella in queste condizioni vive un tempo variabile (che dipende dalla sua massa iniziale), e comunque fin quando dura il suo combustibile (H). Quando tutto l’idrogeno si sarà trasformato in elio, verrà meno una delle due forze che ne garantiscono l’equilibrio; la stella a questo punto collassa su se stessa e la sua “seconda vita” sarà determinata ancora una volta dalla sua massa iniziale.

NASCITA E VITA DI UNA STELLA Il nostro Sole ad esempio, una volta esaurito l’idrogeno collasserà su sè stesso, determinando però un nuovo aumento di temperatura e l’innescarsi di nuove reazioni nucleari che porteranno alla formazione di elementi più pesanti. La sua forza di espansione, dovuta alla fusione nucleare, aumenterà di nuovo e ciò determinerà un aumento dell’involucro stellare: il Sole si sarà trasformato un una gigante rossa (le sue dimensioni saranno tali da lambire l’orbita terrestre). Esaurito anche questo carburante la stella torna a contrarsi trasformandosi un una nana bianca ormai fredda e non più brillante.

IL SISTEMA SOLARE Il sistema solare è composto dal Sole e da tutti gli altri corpi celesti (pianeti, comete, meteore e asteroidi) che gli girano intorno. Il Sole costituisce il 99% della massa dell’intero sistema solare; la sua attrazione gravitazionale è grandissima ed è per questo che tutti gli altri corpi celesti gli gravitano intorno.

IL SOLE Il Sole è una stella gialla di medie dimensioni. La sua distanza dalla Terra è di 150 Mil. di Km. Partendo dal suo interno possiamo distinguere vari strati: Nucleo: reazioni termonucleari (10 M. di gradi); Zona radiativa: il calore si propaga per irraggiamento; Zona convettiva: il calore si propaga per movimento di materia (moti convettivi); Fotosfera: superficie visibile del Sole (5-6000 °C; macchie solari); Cromosfera (atmosfera): visibile solo nelle eclissi solari (protuberanze); Corona (atmosfera): visibile solo nelle eclissi solari, costituita da particelle ionizzate che formano il vento solare.

IL SISTEMA SOLARE I pianeti del Sistema solare in base alla loro posizione rispetto alla fascia degli asteroidi che si trova tra Marte e Giove, possono essere distinti in: Pianeti interni o di tipo terrestre: Mercurio, Venere, Terra e Marte. Sono piccoli e solidi, possono avere o non avere una atmosfera che comunque è formata da elementi più pesanti dell’idrogeno e dell’elio. Pianeti esterni o di tipo gioviano: Giove, Saturno, Urano e Nettuno. La grande massa (forza di gravità) e la distanza dal Sole gli permettono di avere una atmosfera densa composta da elementi leggeri. Plutone dal 2006 è stato retrocesso al rango di pianeta nano. Alcuni pianeti del Sistema solare hanno 1 o molti satelliti che gli ruotano intorno.

IL SISTEMA SOLARE

IL MOVIMENTO DEI PIANETI INTORNO AL SOLE I pianeti si muovono intorno al Sole e le loro orbite sono descritte dalle tre leggi di Keplero e dalla legge di gravitazione universale di Newton.

PRIMA LEGGE DI KEPLERO I pianeti ruotano intorno al Sole seguendo orbite ellittiche, di cui il Sole occupa uno dei fuochi. La conseguenza di questa legge è che i pianeti, nel loro moto di rivoluzione, si trovano talvolta più vicini al Sole (PERIELIO) talvolta più lontani (AFELIO).

SECONDA LEGGE DI KEPLERO Il raggio vettore che unisce il Sole ad un pianeta copre aree uguali in tempi uguali. Questo significa che la velocità di rivoluzione dei pianeti non è costante. Infatti affinchè il raggio vettore possa spazzare un’area uguale a parità di tempo, il pianeta deve muoversi più lentamente quando si trova in afelio e più velocemente quando si trova in perielio.

TERZA LEGGE DI KEPLERO I quadrati dei periodi di rivoluzione dei pianeti sono proporzionali ai cubi delle loro distanze medie dal Sole. Più semplicemente questa legge dice che quanto più un pianeta è lontano dal Sole tanto più la sua velocità di rivoluzione è minore.

NEWTON E LA LEGGE DI GRAVITAZIONE UNIVERSALE Le leggi di Keplero ci aiutano a capire, in termini matematici, come si muovono i pianeti intorno al Sole, ma nulla ci dicono sul perché si mantengono in questa orbita, rivoluzione dopo rivoluzione. Newton fu il primo ad intuire l’esistenza di una forza di attrazione (esercitata dal Sole, ma anche dai pianeti).

LEGGE DI GRAVITAZIONE UNIVERSALE Due corpi si attirano reciprocamente con una forza la cui intensità è direttamente proporzionale al prodotto delle loro masse e inversamente proporzionale al quadrato della loro distanza. F = forza di attrazione gravitazionale; G = costante di gravitazione universale; m e M = masse dei corpi; d = distanza dei corpi. E’ questa forza, dovuta alla gravità, che tiene legati i pianeti al Sole e i satelliti ai pianeti e fa descrivere a ciascuno la sua particolare orbita.

FINE