ORIGINE E FUTURO DELL’UNIVERSO Associazione Astronomica Cortina – Col Druscié obs. “H. Ullrich”

DALLE STELLE ALLE GALASSIE Origine e futuro dell’Universo 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 dell’Universo e il futuro dell’Universo

Il fascino del cielo stellato LA NOTTE Il fascino del cielo stellato www.cortinastelle.it

La Terra ruota attorno al Sole in 365 giorni e 6 ore Ruota intorno al proprio asse in 23h 56m Cambia l’inclinazione dell’asse di rotazione dando vita alle stagioni

L’orbita terrestre E’ ellittica Le stagioni hanno perciò una diversa durata L’estate e la primavera durano 93 giorni L’autunno 90 L’inverno 89

Coordinate celesti L’equatore celeste è la proiezione in cielo dell’equatore 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 all’osservatore. Il suo opposto è il Nadir Il polo nord celeste è la proiezione dell’asse di rotazione della Terra

L’eclittica E’ il piano su cui orbitano la Terra e la maggior parte dei pianeti attorno al Sole Si proietta in cielo con un’inclinazione di 23°30’ rispetto all’equatore celeste

La precessione degli equinozi E’ una disomogeneità della rotazione terrestre per cui l’asse polare disegna una circonferenza attorno ad un punto, il polo dell’eclittica, che viene completata in 26.000 anni circa Per questo motivo la posizione relativa delle stelle in cielo cambia col passare dei secoli

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

Le stelle ruotano attorno alla Polare

LE STELLE LE STELLE

La nascita Le stelle nascono all’interno di una nebulosa di gas e polveri per autogravitazione da un nucleo di condensazione Le stelle nascono all’interno 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 all’interno 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 all’interno 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

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 d’anni Ma al termine della sua esistenza anche il Sole entrerà in crisi, bruciando l’elio e divenendo una Gigante Rossa; si espanderà enormemente fino a raggiungere l’orbita 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

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 L’energia emessa dalla forza nucleare, che nel nucleo trasforma l’idrogeno in elio, tende invece ad espanderla Il punto di equilibrio tra le due forze determina le dimensioni dell’astro

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 10-15 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 dall’esplosione di supernovae Nel mezzo si trovano le stelle cosiddette normali, come il Sole, i cui diametri variano dai 100.000 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 10-15 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 dall’esplosione di supernovae Nel mezzo si trovano le stelle cosiddette normali, come il Sole, i cui diametri variano dai 100.000 km circa per le “fredde” Nane Rosse fino a qualche milione di km per le calde Giganti Blu

Alfa Centauri Plutone Giove Terra 4,3 anni luce 5,5 ore luce 43 minuti luce 8 minuti luce Giove Terra 4,3 anni luce (40.000 miliardi di km) Sole 1 secondo luce = 300.000 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

SOLE: diametro 14 cm UNIVERSO IN SCALA 1/10.000.000.000 Alfa Centauri: distanza 4.000 km 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 SOLE: diametro 14 cm UNIVERSO IN SCALA 1/10.000.000.000

LA VIA LATTEA LA VIA LATTEA

100 miliardi di stelle Come una grande città la nostra galassia, la Via Lattea, è composta da un’infinità di piccole e grandi “case”: le stelle. Si pensa ne esistano più di 100 miliardi, sparse su un’area 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 tant’altro 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 dell’orizzonte

Girandola cosmica Se potessimo osservarla dall’esterno 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 l’alone 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 30.000 a.l. dal centro

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 l’idrogeno, il verde l’ossigeno, mentre le polveri risaltano per contrasto assorbendo la luce della nebula retrostante e disegnando a volte delle bizzarre figure

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 All’interno 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 bell’ammasso globulare del cielo boreale, posizionato all’interno della costellazione dell’Ercole

Il mostro centrale In direzione della costellazione del Sagittario risplende la regione centrale della Via Lattea, chiamata “Bulge”; all’interno 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 un’alta 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”

LE GALASSIE LE GALASSIE

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 l’espansione dell’universo Il membro più cospicuo del Gruppo Locale è la Galassia di Andromeda, composto da stelle mediamente più vecchie di quelle della Via Lattea

La Grande galassia di Andromeda Visibile anche ad occhio nudo, la Galassia di Andromeda è nota sin dall’antichità 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 l’aumento 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 dall’enorme distanza dell’oggetto: oltre 2 milioni di anni luce!

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

Vicine di casa Usciti dal “Gruppo Locale” ci si imbatte in decine di galassie più o meno grandi, spirali e ellittiche all’interno 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

L’ammasso della Vergine A 60 milioni di a.l. dalla Via Lattea si trova l’ammasso di galassie della Vergine, il più vicino tra i milioni di ammassi che popolano l’universo E’ composto da un migliaio di oggetti per un’estensione 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

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

Ellittica Spirale Spirale barrata Irregolare

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 l’altra e a volte vengono scagliate all’esterno a formare lunghissimi filamenti Solitamente la galassia più piccola viene poi inglobata nella maggiore

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 nell’Orsa Maggiore e M87 nella costellazione della Vergine

Gli ammassi di galassie Nel Cosmo vi sono milioni di ammassi di galassie che formano, nel loro insieme, la struttura portante dell’Universo 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

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 un’altra galassia molto più lontana, riesce a deviare la luce di quest’ultima 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

Galassie ovunque! Una delle più straordinarie scoperte dell’Hubble Space Telescope è che nell’Universo, ovunque si guardi, ci sono galassie a “perdita d’occhio” e questa sequenza lo dimostra!

I MOSTRI DEL CIELO Supernovae, quasar e buchi neri

Quando una stella esplode 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 l’intera stella in una immane esplosione La supernova è un fenomeno assai raro in una galassia (l’ultima nella Via Lattea nel 1604) e si verifica quando una stella di grande massa, esaurito il combustibile nucleare, perde repentinamente l’equilibrio interno ed il peso degli strati esterni fa collassare violentemente l’astro, che per reazione esplode divenendo così brillante da eguagliare la luminosità dell’intera galassia in cui è contenuta

Lampi lontani Nonostante la rarità dell’evento, il numero di galassie nell’universo 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 l’A.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 l’esplosione 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

Le pulsar – residui dell’esplosione Ciò che resta dopo l’esplosione è una nebulosa in rapida espansione (oltre 20.000 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) 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 cm3 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

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 300.000 km/s, ha più la forza di uscirne L’ultimo sussulto della materia che precipita nel buco nero è l’emissione di radiazione ad alta energia concentrata in due getti che fuoriescono dall’asse 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 “dell’orizzonte degli eventi” non potrà mai più uscirne

I quasar 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 un’enorme quantità di materia rendendo il nucleo più brillante dell’intera galassia: nasce così un “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

IL COSMO IL COSMO

Cosmologie antiche 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. l’astronomo 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 dell’Universo Ci vollero quasi 2000 anni perché l’astronomo polacco Nicolò Copernico “avesse il coraggio” di proporre una teoria cosmologica che spostasse la Terra dal centro dell’universo, mettendovi il Sole. La teoria, osteggiata dalla Chiesa, fu pubblicata solo nel 1543, poco prima della morte dell’astronomo. Giovanni Keplero intuì, all’inizio del XVII secolo, che i pianeti giravano attorno al Sole su orbite ellittiche e non circolari come proposto da Copernico

Universo in espansione Le moderne teorie cosmologiche, formulate all’inizio 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 l’uno dall’altro 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

Effetto Doppler Come accade per le onde sonore di una sirena che, mentre l’ambulanza 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 Dall’intensità dello spostamento verso il rosso delle righe spettrali si può determinare la distanza dell’oggetto

IL BIG BANG la Creazione dell’Universo

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.

I primi istanti L’abbassamento della temperatura e della densità nell’universo primordiale, dovuto all’espansione, 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 dell’Universo

L’Universo si raffredda Tra un secondo e tre minuti dopo il Big Bang si formano gli atomi di Idrogeno (Deuterio) ed Elio La temperatura dell’universo scende a 3 milioni di gradi Dopo 400.000 anni l’energia e la materia si differenziano definitivamente e l’universo diventa trasparente; la temperatura scende a 3.000 gradi Dopo un miliardo di anni si formano le prime galassie Oggi la temperatura dell’universo è di soli 3 gradi sopra lo zero assoluto (-273c)

La velocità della luce La velocità della luce è una costante dell’universo; 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 nell’universo: i fotoni La sua velocità è enorme: quasi 300.000 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 dell’universo come erano nel passato, tanto più remoto quanto più elevata è la distanza della sorgente luminosa

Il tessuto dell’universo Osservando l’universo 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 dell’universo I satelliti che operano nelle microonde rivelano infatti questa intima struttura dell’universo primordiale

La radiazione di fondo L’eco dell’esplosione iniziale, il Big Bang, è chiamato dagli scienziati “radiazione di fondo”, perché pervade tutto l’universo 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 nell’universo attuale

Il futuro dell’universo Il dilemma della cosmologia moderna riguarda il futuro dell’universo: È aperto e continuerà ad espandersi all’infinito? 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?

Respiro cosmico Tra queste ipotesi la più accreditata appare essere la prima, anche perché non è stata ancora scoperta sufficiente materia per determinare che l’universo abbia la forza di arrestare la sua espansione Recentissimi studi hanno però rivelato, attraverso una rivoluzionaria tecnica osservativa, che nell’universo 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!

DALLE STELLE ALLE GALASSIE Origine e futuro dell’Universo FINE