V. F. Polcaro INAF- Istituto di Astronomia e Planetologia Spaziale – Roma e Centro per l’Astronomia e i Beni Culturali – Università di Ferrara

Oggi, sappiamo tutti che la Terra dove viviamo è un pianeta che gira intorno al Sole

Ma quasi tutti i popoli del passato credevano che la Terra fosse piatta e che il Sole fosse una divinità. Però i popoli antichi non si limitavano ad adorare il Sole. Già 5000 anni fa, molti popoli costruivano strutture, come il circolo di Stonehenge (Inghilterra), per osservare il Sole ed ottenere dalla sua posizione la data, come facciamo oggi guardando il calendario, e sapere quando svolgere le attività agricole e celebrare i riti

Oggi sappiamo che il Sole è una stella, la “nostra” stella, quella che ci illumina, ci riscalda e permette la nostra vita. Questa è un'immagine del Sole ripresa da una sonda spaziale: un’enorme sfera di gas caldissimo, in continuo movimento. Il Sistema Solare è l'insieme del nostro Sole e di tutti i corpi celesti che gli orbitano intorno.

Il Sole è il corpo più grande del Sistema Solare: contiene circa il 99% di tutta la materia del Sistema Solare, cioè quasi tutta. È per questo motivo che si chiama Sistema SOLARE: perché il Sole è il corpo più importante. Il Sole attrae tutti gli altri corpi, legandoli a sé; tutti questi corpi quindi non sono isolati, ma fanno parte di uno stesso insieme: è per questo che parliamo di SISTEMA. Vediamo com’è fatto il Sistema Solare: partiamo dall’esterno. Il Sistema Solare ha la forma di una sfera. Al centro del Sistema Solare si trova il Sole. Attorno al Sole girano molti altri corpi celesti: pianeti, comete, asteroidi. Ai confini del Sistema Solare c’è una grandissima nube. Si chiama nube di Oort. Contiene miliardi di corpi rocciosi ghiacciati. Questa nube è un po' il "guscio" esterno del Sistema Solare.

Adesso immaginiamo di entrare dall'esterno nella nube di Oort e di andare verso il Sole. Per prima cosa troveremo la fascia di Kuiper. È una specie di "anello" fatto di tantissimi corpi rocciosi, come la nube di Oort, ma più piccola. Uno di questi corpi rocciosi è Quaoar: il suo diametro è circa la metà di quello del pianeta nano Plutone. Avviciniamoci ancora di più al Sole e incontriamo i pianeti:

I pianeti del nostro Sole sembrano formare due sistemi distinti: una sorta di sistema solare interno, composto dai PIANETI ROCCIOSI (Mercurio, Venere, la Terra e Marte) e uno esterno, che comprende i PIANETI GIGANTI (Giove, Saturno, Urano e Nettuno). Plutone sembra per molti versi un pianeta anomalo, che non fa parte di nessuno dei due sottosistemi.

Plutone e Caronte Plutone è un caso a parte rispetto agli altri pianeti, sia per la sua orbita anomala, sia per tipo e dimensioni. Esso infatti, pur essendo situato nella regione dei pianeti giganti, e' molto piccolo e di tipo roccioso. Inoltre, ha un satellite, Caronte, che e’ di dimensioni quasi uguali al pianeta. Attualmente, si pensa che Plutone sia in realtà un membro della famiglia dei “corpi della Fascia di Kuiper” e non un pianeta vero e proprio: infatti, nella Fascia di Kuiper sono già stati trovati altri corpi grandi quanto Plutone

Poi ci sono i satelliti, corpi rocciosi che ruotano attorno ai pianeti. La Luna per esempio è il satellite della Terra. Il suo aspetto cambia di giorno in giorno a seconda della posizione relativa della Terra, della Luna e del Sole.

Ma non è solo la Terra ad avere un satellite: quasi tutti i pianeti del Sistema Solare hanno satelliti: i pianeti giganti ne hanno decine, alcuni ben più grandi della Luna Solo i pianeti più vicini al Sole (Mercurio e Venere) non hanno satelliti

Oltre ai pianeti ed ai satelliti, nel Sistema Solare ci sono anche tantissimi altri corpi celesti più piccoli: le comete, come questa.. Oppure gli asteroidi, come questo. Ci sono migliaia e migliaia di asteroidi, in una fascia che si trova tra Marte e Giove.

Gli asteroidi sono piccoli oggetti rocciosi delle dimensioni comprese tra pochi cm e 1.000 Km. Essi orbitano a migliaia in una fascia compresa tra le orbite di Marte e di Giove. Solo i più grandi hanno una forma quasi sferica Arecibo Observatory radar reflections from 216 Kleopatra enabled astronomers to assemble this computer model, which shows the asteroid's rotation. The model suggests that the New-Jersey-sized body might actually be one object that is so elongated that it resembles a dog bone. But it could also be a contact binary. Courtesy Arecibo Observatory / JPL / NASA. Vesta

Le meteoriti sono i resti di corpi solidi, metallici o pietrosi, penetrati nell'atmosfera terrestre ad alte velocità. L'attrito con l'atmosfera fa sì che essi si riscaldino e si disgreghino: i più piccoli vengono ridotti in polvere, (“stelle cadenti”) mentre i più grandi non vengono distrutti completamente e possono raggiungere il suolo. Una metorite condritica ritrovata in Antartide (NASA/JPL)

Quando sono molto grossi, possono fare grossi buchi! … e anche peggio!

Contrariamente a quanto si potrebbe pensare, il rischio di impatto di meteoriti esiste ed è non trascurabile L’energia rilasciata nell’impatto di un meteorite con il suolo può essere enorme Ricordiamo il disastro ambientale globale, dovuto all’impatto di un meteorite di circa 1 km di diametro nel Golfo del Messico, in prossimità della Penisola dello Yucatan, avvenuto 65 milioni di anni or sono, che provocò l’estinzione di una percentuale sostanziale delle forme di via sulla Terra (compresi i dinosauri).

ma in ogni caso si tratta di un evento estremamente violento e non troppo raro: solo nel corso del XX secolo si sono avuti almeno due impatti che hanno rilasciato una energia superiore a quella dell’esplosione di un migliaio di tonnellate di tritolo (corrispondente ad una bomba atomica “tattica”) L’evento di Tunguska, in Siberia, del 30 giugno 1908, che liberò un’energia equivalente a 15000 di tonnellate di tritolo e quello dell’area del fiume Curuçá, nell’Amazonia Brasiliana del 13 Agosto 1930, con una potenza circa dieci volte inferiore. ma nel corso dello stesso secolo sono stati registrati altri sette impatti molto energetici. L’area di Tunguska nel 1927 I crateri gemelli di Curuçà

Il Sistema Solare è molto grande: La Terra dista dal Sole 150 milioni di Km Nettuno dista dal Sole 4500 milioni di Km La fascia di Kuiper arriva a 7500 Km dal Sole La Nube di Oort arriva almeno a 30.000 milioni di Km dal Sole Ma le stelle sono molto più lontane!

Le stelle sono oggetti lontanissimi: la stella più vicina si trova molto più distante del punto più lontano del Sistema Solare , a circa 40.000 miliardi di Km dal Sole Questa stella si chiama Proxima Centauri, perché si trova nella costellazione del Centauro. Si trova a 4,3 anni luce da noi: questo significa che per coprire la distanza tra noi e la stella, la luce deve viaggiare per oltre 4 anni.

LE STELLE Una stella puo' essere definita come un'enorme sfera di gas caldissimo (principalmente idrogeno ed elio), che produce energia attraverso un processo di fusione nucleare e la riemette sotto forma di radiazione. Le stelle si trovano a distanze immense dal nostro sistema solare, cosi' ci appaiono come piccoli puntini luminosi nel cielo.

Però, in cielo ci sono stelle più o meno luminose: In città se ne possono vedere solo poche decine, ma nei luoghi più bui della terra o in alto mare si arriva a vederne qualche migliaio. Ce ne sono alcune che spiccano per il loro splendore, altre meno, altre ancora sono così deboli che si fa fatica a vederle. Ma quelle che non si vedono ad occhio nudo sono molte di più

Per studiare le stelle così deboli che non si vedono ad occhio nudo serve il telescopio: un telescopio raccoglie più luce dell’occhio, e si può capire pensando a come una bacinella raccoglie le gocce di pioggia. Una bacinella più larga raccoglie più pioggia di una bacinella piccola. Lo stesso accade con un telescopio e con la luce delle stelle: una stella debole è come una pioggia debole; per raccogliere la sua luce occorre un telescopio grande. E' per questo che oggi si costruiscono telescopi grandissimi, dal diametro di diversi metri. Il telescopio è costruito in modo da raccogliere con uno specchio più luce possibile. La luce entra dall'apertura del telescopio e viene concentrata sul rilevatore d’immagine.

Resta ancora da capire se una stella è veramente luminosa come appare o se una stella che ci sembra più debole di un'altra lo è davvero oppure è semplicemente molto più lontana. Infatti, allontanandosi da una sorgente, l'intensità della luce diminuisce con la distanza. Per misurare la distanza di una stella, si usa un metodo chiamato "parallasse. la Terra, ruotando attorno al Sole, si sposta di circa 300 milioni di chilometri in sei mesi. Se osserviamo una stella dalla Terra, a distanza di sei mesi, apparirà in due punti diversi rispetto alle altre stelle che si vedono sullo sfondo. Non è la stella che si è spostata, ma è la Terra che si è mossa lungo la propria orbita attorno al Sole. Dato che conosciamo la distanza della Terra dal Sole, dalla misura dell’angolo a possiamo trovare la distanza della stella

Come nascono le stelle ? le stelle nascono da gigantesche nubi di gas. Anche il nostro Sole, con tutti i suoi pianeti, è nato da una nube come queste. Piano piano, essa si è contratta, riscaldata e concentrata, formando il Sole e i pianeti.

Dopo la loro nascita, le stelle producono radiazione trasformando la propria stessa materia in energia. Questa trasformazione avviene nel nucleo centrale della stella, a temperature altissime. Gli atomi di idrogeno si fondono per formare un nucleo di elio più una certa quantità di energia. Questo processo si chiama fusione nucleare. la massa totale delle quattro particelle di idrogeno è maggiore della massa della particella di elio: la parte di materia che sembra essere sparita è stata in realtà trasformata in energia, che la stella emette sotto forma di luce.

Durante questa fase la stella è in equilibrio energetico, cioè emette tanta energia quanta ne produce. Inoltre il peso dei suoi strati più esterni viene esattamente equilibrato dalla pressione del gas interno. Finché la stella riesce a produrre energia, resta in equilibrio. Così può durare per decine di milioni o anche decine di miliardi di anni. Quando l'idrogeno nel centro si esaurisce, l'energia per mantenere l'equilibrio viene a mancare e la stella subisce diverse trasformazioni, più o meno violente. Per prima cosa, si espande e si raffredda, diventa cioè una gigante rossa.

Poi la sua vita procede in modo diverso a seconda della sua massa. Le stelle più piccole si spengono lentamente, raffreddandosi. In questo processo, espellono i loro strati esterni, che formano bellissime nebulose

Le stelle più grandi invece subiscono cambiamenti violenti, che portano alla fine all'esplosione della stella come supernova. Gli strati esterni cadono sul nucleo comprimendolo fino a trasformarlo in materia composta solo di neutroni o ancora di più (buco nero). Si produce così una grandissima quantità di energia, che si deposita nel gas sotto forma di energia cinetica: gli strati vengono espulsi a grandissime velocità (decine di migliaia di chilometri al secondo), in un'esplosione immane.

La supernova getta nello spazio gli strati più esterni della stella, che formano un guscio, che si espande lentamente, attorno al nucleo restante. All'interno resta un piccolo oggetto molto denso e compatto, che però non è più in grado di emettere luce: una “stella di neutroni” o un “buco nero”

LE GALASSIE Le galassie sono enormi insiemi di stelle e di gigantesche nubi di gas e polvere. Esse sono i "mattoni" che compongono l'universo, il quale ne contiene miliardi. Una galassia costituisce anch'essa, in piccolo, un vero e proprio universo a sé stante: e' un sistema che generalmente si evolve separatamente dalle altre galassie.

La galassia nella quale ci troviamo è la Via Lattea Essendo al suo interno, non possiamo vederla tutta. Nei cieli bui, ci appare come una striscia luminosa che attraversa il cielo. Se la potessimo vedere dall’esterno, ci apparirebbe così:

Le galassie hanno forme e caratteristiche diverse e vengono classificate in tre grandi categorie: le galassie a spirale, quelle ellittiche e quelle irregolari. Le galassie spirali hanno la forma di un disco, in rotazione attorno al proprio asse, con delle braccia a spirale che si dipartono da un nucleo centrale e lo avvolgono; sono ricche di gas e le braccia contengono stelle giovani, mentre il nucleo contiene stelle piu' vecchie. Nelle galassie spirali si formano tuttora stelle, in modo piu' o meno intenso. La galassia M100 e' una delle piu' brillanti dell'Ammasso della Vergine. E' una galassia a spirale, come la Via Lattea, visibile quasi frontalmente, e dista da noi decine di milioni di anni luce. (HST)

Le galassie ellittiche hanno la forma di un ellissoide piu' o meno schiacciato, sono molto povere di gas e possiedono quasi solo stelle vecchie. In questo tipo di galassie non si formano piu' stelle, non essendoci piu' gas disponibile.

Le galassie irregolari hanno una forma non ben definita, sono ricche di gas, polvere e stelle giovani. In questo tipo di galassie la formazione di stelle e' molto intensa e le supernovae sono frequenti. La Grande e la Piccola Nube di Magellano, due piccole galassie irregolari satelliti della Via Lattea, visibili ad occhio nudo nei cieli meridionali

Gli ammassi di galassie Tutte le strutture dell'universo mostrano una tendenza a raggruparsi seguendo una gerarchia: i pianeti in un sistema planetario, le stelle in ammassi, gli ammassi in galassie. Allo stesso modo, anche le galassie tendono ad unirsi in gruppi di qualche decina di membri; a loro volta, piu' gruppi si riuniscono in ammassi di galassie, i quali, insieme ad altri ammassi, formano superammassi. L’Ammasso della Vergine, che ha al centro una galassia ellittica gigante nei raggi X a sinistra e nell’ottico a destra

La nostra Galassia fa parte del Gruppo Locale, uno dei gruppi di galassie piu' poveri; due sole galassie dominano il Gruppo Locale, la nostra e M31 (la galassia di Andromeda), che insieme costituiscono circa l'80 % della massa del sistema. Le altre galassie sono piu' piccole, come la spirale M33, o addirittura satelliti delle piu' grandi; per esempio, la Piccola e la Grande Nube di Magellano sono due piccole galassie satelliti della nostra, che si trovano a circa 180.000 anni luce da noi. Il Gruppo Locale ha un diametro di circa 5-6 milioni di anni luce. La galassia di Andromeda, la spirale "compagna" della nostra galassia. Insieme alla nostra, e' la piu' grande del Gruppo Locale. Di questo Gruppo fa parte anche M33, detta anche Triangolo.

Le galassie sono dotate di un moto all'interno dell'ammasso, e a volte interagiscono scontrandosi tra loro. Spesso al centro di questi ammassi si trova una galassia ellittica gigante; in origine questa era probabilmente una galassia di dimensioni normali, ma a causa degli scontri con altre galassie ha cominciato a fondersi con esse fino ad "inghiottirle", in un fenomeno che viene detto cannibalismo galattico.

I processi di interazione tra galassie sono molto violenti e coinvolgono grandi quantita' di energia. In molti casi l'interazione di due galassie porta alla loro fusione ; inoltre essa provoca un aumento della formazione di stelle nelle galassie che la subiscono, e sembra che sia coinvolta anche in fenomeni come le galassie attive.

Della galassie attive più lontane, si vede solo il brillantissimo nucleo centrale, che viene detto “Quasar”. I quasar tuttavia sono così energetici da emettere buona parte della loro energia nei raggi X e persino nei raggi . Essi inoltre variano di intensità in pochi giorni e debbono quindi essere molto piccoli. Si tratta quindi inevitabilmente di enormi buchi neri, con masse pari a milioni di masse solari The region of the sky containing one of the high-energy quasars, PKS 0528+134, is shown at two different times using the EGRET instrument on the Compton Gamma Ray Observatory.

Speriamo che vi sia piaciuto! Si ha un buco nero quando c’è tanta materia che occupa uno spazio davvero molto piccolo rispetto a quello che occuperebbe in situazioni meno estreme. In un buco nero, la Terra intera sarebbe compressa fino ad assumere le dimensioni di un pisello! E’ molto difficile riuscire ad individuare un buco nero perché non emette luce. Che si tratti di polvere interstellare, gas, o addirittura stelle, tutto ciò che si avvicina troppo a un buco nero viene inevitabilmente attratto al suo interno. E’ proprio osservando gli effetti che un buco nero ha su tutto ciò che lo circonda che possiamo accorgerci della sua presenza. Con questo abbiamo terminato il nostro studio delle galassie e dell'universo. Speriamo che vi sia piaciuto!