LE STELLE E IL SISTEMA SOLARE Per l’insegnante: In questa lezione multimediale vengono approfonditi alcuni contenuti proposti nell’unità La Terra nell’universo (Esplorando, Volume D, La Materia, pp.131-164, Esplorando Visual 3, pp. 275-308). La presentazione si propone di descrivere: come nascono e come si trasformano le stelle; la struttura del Sole; come è nato e come è fatto il Sistema Solare. Alcune foto presenti nella lezione sono tratte dai siti ufficiali della NASA e dell’ESA, dove si possono trovare gallerie fotografiche di immagini dello spazio, liberamente utilizzabili a scopi didattici. I siti di NASA (National Aeronautics and Space Administration, www.nasa.gov) ed ESA (European Space Agency, www.esa.int) possono offrire ai ragazzi utili spunti per approfondire le loro conoscenze.

Le stelle sono tutte alla stessa distanza dalla Terra? Per iniziare Le stelle sono tutte alla stessa distanza dalla Terra? Sono più fredde o più calde del Sole? Per l’insegnante: Le domande di questa slide possono aiutare a focalizzare, nel corso della discussione in classe, alcune importanti “chiavi di accesso” ai misteri dell’Universo. In primo luogo, i ragazzi saranno a poco a poco accompagnati a immaginare le straordinarie distanze che ci separano dai corpi celesti, rendendosi conto che i raggruppamenti che chiamiamo costellazioni sono in realtà formati da stelle anche molto lontane fra loro. Inoltre, potranno accorgersi che la freddezza delle stelle è del tutto apparente (a questo proposito, sarà interessante rilevare se si sono resi conto che hanno colori differenti). Infine, si potrà ragionare sul fatto che la luminosità di una stella non dipende solo da caratteristiche intrinseche, ma anche dalla sua distanza dalla Terra. Perché appaiono più o meno brillanti?

I principali corpi celesti Nebulose Pianeti Galassie Per l’insegnante: In questa veloce rassegna, non è possibile comunicare visivamente le proporzioni e le reciproche distanze fra i vari corpi celesti. Per aiutare l’immaginazione a entrare nelle dimensioni estremamente dilatate dell’Universo, sarà forse utile citare qualche misura. La foto di galassia ritrae Andromeda (detta anche M31), visibile ad occhio nudo nella omonima costellazione. Si trova a 2,36 milioni di anni luce dalla Terra. In termini più concreti e forse più affascinanti, si può dire che dalla Terra non vediamo la sua immagine attuale, bensì come era 2,36 milioni di anni fa. Se si vuole utilizzare lo spunto per spiegare come le costellazioni non siano altro che raggruppamenti apparenti, si può aggiungere che M31 sembra vicina alla stella Mirach (nella medesima costellazione) ma in realtà questa stella dista da noi solo 200 anni luce circa. La nebulosa Testa di cavallo (B33) dista dalla Terra 1500 anni luce ed è visibile nella costellazione di Orione. La stella nella foto è Betelgeuse, la più brillante della costellazione di Orione: dista da noi circa 430 anni luce. Per parlare di pianeti e di satelliti occorre cambiare unità di misura e sceglierne una più piccola. Il passaggio dalle misure in anni luce a quelle in kilometri non è facilmente padroneggiabile dall’immaginazione, ma può essere intuito ricordando che la luce in un secondo percorre 300000 kilometri e fornendo una definizione semplificata di anno luce (la distanza percorsa dalla luce in un anno). Il pianeta raffigurato è Marte, la cui distanza dalla Terra varia tra i 100 e i 56 milioni di kilometri; la Luna, il nostro satellite, si trova a una distanza media di 384400 kilometri. Satelliti Stelle

Le galassie Le galassie sono enormi ammassi costituiti da milioni o miliardi di stelle e da una grande quantità di gas e polveri. Vengono classificate in base alla loro forma in: Per l’insegnante Selezionando con il mouse la casella Visualizza l’animazione è possibile mostrare un semplice modello di galassia a spirale in movimento. Senza addentrarsi nelle complesse caratteristiche di questo tipo di moto, si potrà far notare che la rotazione avviene intorno a un nucleo centrale, che esercita una intensa attrazione gravitazionale sul materiale circostante. L’immagine permette di visualizzare il disco galattico e l’alone, meno denso, che lo circonda. Si stima che l’universo contenga qualche centinaio di miliardi di galassie. Le più facilmente osservabili sono la galassia di Andromeda, la Piccola Nube di Magellano e la Grande Nube di Magellano. Esse fanno parte, insieme alla Via Lattea, di un gruppo di più di 30 galassie, noto come Gruppo Locale. Per dare un’idea delle dimensioni di quest’ultimo si può dire che, se fosse racchiuso in una sfera, questa avrebbe un diametro di circa 10 milioni di anni luce. Oltre alle galassie caratterizzate da una forma regolare, citate nella slide, si può aggiungere che ne esistono anche di forma irregolare. Esistono galassie dalla massa 10000 miliardi di volte più grande di quella del Sole. La massa della galassia di Andromeda è circa 400 miliardi di volte quella del Sole. Visualizza l’animazione

La nostra casa Quasi tutti gli oggetti luminosi che vediamo nel cielo notturno fanno parte della nostra galassia, la Via Lattea. Per l’insegnante: La nostra galassia ci appare come una striscia luminosa e lattiginosa, ma solo perché ci troviamo al suo interno: dall’alto potremmo invece vedere che la sua forma è simile a quella di un disco con un rigonfiamento al centro. Più precisamente, la Via Lattea è una spirale dotata di quattro bracci maggiori e più bracci minori. In uno di questi, detto Braccio di Orione, si trova il Sistema solare. Questa posizione è davvero favorevole alla vita: la densità stellare è in questo punto è piuttosto bassa e perciò lo spazio circostante è abbastanza stabile. Il “disco” galattico ha un diametro di circa 100000 anni luce (la metà rispetto alla galassia di Andromeda) e uno spessore di circa 15000 anni luce. Una curiosità: nella mitologia greca, la via Lattea fu generata da uno schizzo di latte uscito dal seno di Era mentre allattava Eracle. La Via Lattea è una galassia a spirale. 5

Le nebulose Le nebulose sono immense nubi di gas e polveri. Possono essere illuminate dall’esterno o dall’interno. Questa si chiama Occhio di gatto. Per l’insegnante: La nebulosa Occhio di gatto (NGC 6543), visibile nella costellazione del Drago, è un oggetto piuttosto misterioso. Pare che al suo interno si trovi una stella morente, responsabile di emissioni di materia. La foto è il risultato di tre immagini ottenute dallo Space Hubble Telescope catturando lunghezze d'onda differenti, che permettono di visualizzare i diversi gas presenti nella nebulosa (rosso, idrogeno; azzurro, ossigeno; verde, azoto). Oltre alle nebulose a emissione, come quella Occhio di gatto, ne esistono altri tipi. In quelle oscure, ad esempio, le nubi di polveri creano strutture che schermano la luce: è il caso della celebre nube a forma di testa di cavallo presentata nella slide sui corpi celesti.

Le stelle Le stelle sono corpi che producono energia e la liberano nello spazio, anche sotto forma di luce. Per l’insegnante: Partendo dall’esperienza degli allievi, si possono spiegare quali sono le caratteristiche delle stelle osservabili dalla Terra: la luminosità apparente e il colore. La luminosità apparente rappresenta la quantità di luce che arriva fino a noi, mentre il colore, come verrà spiegato in una successiva slide, dipende dalla temperatura della superficie della stella. Le foto della slide mostrano l’ammasso stellare 47 Tucanae, distante 15000 anni luce dalla Terra, visibile anche a occhio nudo nell’emisfero meridionale nella costellazione del Tucano. L’immagine di sinistra, ottenuta con un telescopio terrestre, mostra l’ammasso stellare nel suo insieme; l’immagine di destra, fotografata dallo Space Hubble Telescope nel luglio 1999, mostra un gruppo di circa 35000 stelle situate nelle vicinanze del centro dell’ammasso stellare.

Come è fatta una stella Le stelle sono in genere corpi molto grandi, formati da gas, soprattutto idrogeno ed elio. Nella regione centrale di ogni stella avvengono reazioni di fusione che trasformano i nuclei di idrogeno in nuclei di elio. Per l’insegnante: Apparentemente la luce delle stelle è fredda, per cui non è immediato rendersi conto di quanto siano ricche di energia. Potrà servire accennare alla loro temperatura interna, che si aggira intorno ad alcuni milioni di gradi centigradi. Anche i valori di pressione sono estremi, arrivando a superare il miliardo di atmosfere. 8

Stelle colorate Le stelle emettono energia sotto forma di luce e di altre radiazioni elettromagnetiche. A seconda della temperatura che hanno in superficie, si possono osservare stelle di diverso colore. Per l’insegnante: La luce è formata da onde elettromagnetiche con lunghezze d’onda diverse. Un corpo incandescente emette luce con una lunghezza d’onda tanto più corta quanto maggiore è la sua temperatura. Poiché questa lunghezza diminuisce dal rosso al violetto, le stelle di colore rosso sono più fredde di quelle di colore azzurro. Un esempio di stella rossa è Aldebaran, osservabile nella costellazione del Toro; una stella di colore arancione è Betelgeuse, visibile nella costellazione di Orione. La foto rappresenta l’ammasso stellare Quintuplet, localizzato a meno di 100 anni luce dal centro della Via Lattea. In esso è contenuta una delle stelle più brillanti della nostra galassia: la stella Pistola. Questa immagine è stata ottenuta in luce infrarossa dallo Space Hubble Telescope nel settembre 1997. Le stelle più calde emanano una luce che ci appare blu. Le stelle meno calde emanano una luce che tende al rosso. 9

Come nasce una stella All’interno delle nebulose, la materia può addensarsi formando protostelle. Queste si contraggono e si riscaldano, fino a che si innescano i processi di fusione nucleare che danno origine alla stella. Per l’insegnante: La Nebulosa di Orione, visibile nella omonima costellazione all’interno della cosiddetta “spada”, è una delle regioni più vicine (circa 1,5 anni luce dalla Terra) in cui si possa osservare la nascita di nuove stelle. L’immagine qui riprodotta è stata costruita mediante prolungate osservazioni del Nasa’s Chandra X-ray Observatory e dello Space Hubble Telescope. Le luci puntiformi blu sono stelle in formazione, captate dal Chandra X-ray Observatory; i filamenti rosa e viola, fotografati dallo Space Hubble Telescope, sono invece nubi di gas e polveri, dove in futuro potranno formarsi nuove stelle. 10

La stella diventa adulta L’energia prodotta dalle reazioni di fusione bilancia la forza di gravità che farebbe contrarre la stella. Per l’insegnante: Il primo periodo di vita di una stella è caratterizzato dall’instabilità, ma poi viene raggiunto un equilibrio ed essa diventa “adulta”. Una stella raggiunge la maturità quando l’energia prodotta dalle reazioni di fusione nucleare, che provoca un’espansione, bilancia la tendenza a contrarsi causata dalla forza di gravità del corpo celeste. La stella, a questo punto, rimane stabile per un periodo più o meno lungo: per il Sole si prevede che questa fase duri in tutto dieci miliardi di anni, cinque dei quali sono già passati. Quando è consumato tutto l’idrogeno non avvengono più reazioni nucleari: la forza di gravità prevale e provoca una compressione del nucleo e degli strati esterni al nucleo della stella. La temperatura si innalza in entrambe le regioni, innescando così la fusione dell’idrogeno in elio, negli strati esterni, e la fusione dell’elio in carbonio, nel nucleo. L’energia prodotta in questi processi nucleari fa espandere maggiormente gli strati più esterni: la stella è ora una Gigante rossa. A questo punto la stella diventa stabile ed entra in una fase di maturità. 11

Come muore una stella Quando il suo “carburante” è esaurito, il destino della stella dipende dalla sua massa. Stelle di grande massa: esplodono come Supernovae, diventando alla fine stelle di neutroni o buchi neri. Stelle di piccola massa: diventano nane bianche. Per l’insegnante: L’immagine a sinistra mostra la Nebulosa NGC 7293, conosciuta anche come Nebulosa Elica. Si trova nella costellazione dell’Acquario a una distanza di 650 anni luce dalla Terra. È una nebulosa planetaria originatasi da una piccola stella, che si sta trasformando in una nana bianca. La foto a destra mostra la Nebulosa del Granchio, originatasi dall’esplosione di una supernova. I vari colori nell'immagine rispecchiano i differenti gas in espansione, idrogeno (arancione), azoto (rosso), zolfo (rosa) ed ossigeno (verde). Le tonalità di colore rappresentano le variazioni nella temperatura e nella densità dei gas. 12

La nostra buona stella: il Sole Il Sole è la stella più vicina alla Terra; è nata circa 5 miliardi di anni fa, in una nube interstellare di gas e polvere. La sua distanza media dalla Terra è circa 150 milioni di km, e la sua temperatura superficiale media è circa 5500 °C. Per l’insegnante: Noi conosciamo molto bene una stella: il Sole. Studiarla nel dettaglio ci offre la possibilità di conoscere meglio il comportamento di tutte le stelle. Il Sole è a metà circa della sua vita da “adulta”: brucia cioè idrogeno da circa cinque miliardi di anni e ne avrà ancora per altri cinque circa. Alla fine diventerà una nana bianca. La nostra stella, che a prima vista sembra una stella del tutto normale, in realtà ha alcune caratteristiche affatto comuni che sono fondamentali per la presenza della vita sulla Terra. 13

Una immensa fonte di energia Il Sole è formato per il 75% di idrogeno e per il 25% di elio; sono presenti inoltre tracce di ossigeno, carbonio e azoto. Nella parte più interna del Sole è racchiuso il nucleo, dove avvengono le reazioni di fusione. Per l’insegnante: Tutti sanno che l’energia prodotta dalle reazioni nucleari, che avvengono nel nucleo del Sole, è immensa; ma non sempre si riesce a quantificarla. A tale scopo si potrebbe fare l’esempio che se un guscio di ghiaccio dallo spessore di 12 metri avvolgesse completamente il Sole, questo sarebbe in grado di scioglierlo in un solo minuto. 14

Che cosa vediamo del Sole L’energia prodotta all’interno del nucleo si trasmette attraverso una zona intermedia per irraggiamento e per convezione fino a raggiungere quella parte del Sole che è visibile dalla Terra: la fotosfera. Per l’insegnante: Lo fotosfera è uno strato di circa 500 km che si estende dal nucleo fino alla superficie della stella. Non è liscia, come appare a occhio nudo, ma granulosa: è formata da granellini chiari circondati da un alone più scuro. Queste strutture caratteristiche sono chiamate granulazioni. Nella fotosfera sono inoltre presenti delle macchie solari e delle protuberanze. Le prime sono aree della superficie del Sole caratterizzate da una temperatura più bassa di 1000-1500 °C rispetto a quelle delle zone circostanti. Le protuberanze sono getti di gas che si innalzano sulla superficie del Sole per migliaia e migliaia di kilometri. 15

Come è nato il Sistema Solare 4 miliardi e mezzo di anni fa una nube di gas inizia a ruotare e condensarsi. Il gas si addensa verso il centro e la forma della nube diventa discoidale. Al centro la temperatura è altissima: nasce il Sole. Per l’insegnante: Il Sole e il Sistema solare sono nati circa 5 miliardi di anni fa da una stessa nube planetaria. Questa nube, in rotazione su se stessa, ha iniziato a contrarsi e al centro si è formato un nucleo sempre più denso da cui è nato il Sole. Non tutto il materiale della nube però è finito nel Sole. Infatti, nelle zone più periferiche del materiale (gas e polveri) ha iniziato a condensarsi intorno a regioni più dense che, per effetto della gravità, hanno aumentato sempre più la loro massa fino a dare origine ai pianeti del Sistema Solare. Nelle zone più lontane si formano i pianeti. 16

Come è fatto il Sistema Solare Il Sistema Solare è l’insieme dei corpi celesti che ruotano attorno al Sole. Per l’insegnante: I pianeti del Sistema Solare ruotano tutti intorno al Sole e lo fanno seguendo tutti le stesse leggi, descritte dall’astronomo tedesco Keplero nel 1600, di cui portano il nome. La prima legge di Keplero dice che i pianeti ruotano intorno al Sole con un’orbita ellittica e il Sole occupa uno dei fuochi. La Terra ha un’orbita che, pur essendo ellittica, è quasi circolare: questo fa sì che il nostro pianeta non si avvicini o si allontani troppo dal Sole, ricevendo quindi sempre la “giusta” quantità di energia dalla nostra stella. La seconda legge di Keplero afferma che i segmenti che uniscono il centro del Sole al centro del pianeta descrivono aree uguali in tempi uguali. Questo implica che i pianeti non percorrono tutta l’orbita alla stessa velocità: quando un pianeta è più vicino al Sole aumenta la sua velocità, mentre rallenta quando è più lontano. La terza legge di Keplero dice che il quadrato del tempo necessario a un pianeta per compiere l’intero giro intorno al Sole è proporzionale al cubo della sua distanza media dal Sole. Secondo questa legge, quindi, i pianeti più distanti impiegano più tempo per fare un giro completo intorno al Sole. 17

Altri corpi celesti Le comete sono costituite da un nucleo formato da ghiaccio, sostanze congelate, polveri e frammenti di roccia. Le meteore sono frammenti di roccia vaganti, possono essere singoli oppure raccolti in gruppi. Per l’insegnante: Le comete sono corpi celesti con orbite molto più lunghe rispetto a quelle dei pianeti: per questo motivo, dalla Terra si vedono apparire solo quando, a intervalli regolari di tempo, si avvicinano al Sole. Quando una cometa giunge a una certa distanza dalla nostra stella, le sostanze congelate che formano il nucleo, a causa del calore, sublimano, passando direttamente dallo stato solido allo stato gassoso. Si formano così la chioma luminosa, quasi sferica, e in alcuni casi la coda, o le code, della cometa. Tra le comete più conosciute vi sono: la cometa di Hale-Boop, osservata per la prima volta nel 1995, e la cometa di Halley (foto a sinistra), che passa vicino alla Terra ogni 76 anni. Le meteore possono derivare da una cometa o da qualche altro corpo roccioso; quando entrano nel campo di gravità della Terra, attraversando l’atmosfera, vengono frenate e diventano incandescenti a causa dell’attrito; si formano così quelle che abitualmente vengono chiamate “stelle cadenti” (foto a destra).

I nostri vicini di casa I pianeti sono corpi celesti opachi; non emettono luce di per sé, ma ci appaiono luminosi perché riflettono una parte di luce che ricevono dal Sole. Sono otto e vengono divisi in due gruppi: i pianeti terrestri Mercurio, Venere, Terra e Marte Per l’insegnante: I pianeti si dividono in due categorie: i pianeti di tipo terrestre che sono appunto simili alla Terra, cioè rocciosi, di densità abbastanza elevata e di limitate dimensioni; e i pianeti di tipo gioviano, caratterizzati da dimensioni molto maggiori e da una densità decisamente inferiore rispetto a quella dei pianeti terrestri, in quanto sono composti essenzialmente da elementi allo stato liquido e gassoso. Plutone, invece, dall’agosto 2006 non è più considerato un pianeta a tutti gli effetti: esso è infatti costituito essenzialmente da ghiaccio ed è più piccolo della Luna. Nel 2005 è stato scoperto un altro pianeta nano, oltre l’orbita di Plutone. Inizialmente “soprannominato” XENA 2003 UB313, all’Assemblea generale dell’Unione Astronomica Internazionale del 2006 è stato denominato 136199 ERIS, o semplicemente Eris. Tra Marte e Giove si trova una fascia di asteroidi. i pianeti gioviani Giove, Saturno, Urano e Nettuno 19

I pianeti terrestri Mercurio Terra Venere Marte Per l’insegnante: I pianeti terrestri sono composti principalmente da rocce e metalli e sono caratterizzati da un alto valore di densità, superfici solide e bassa velocità di rotazione. Venere e Marte sono i pianeti più simili alla Terra: infatti, Venere è considerato il pianeta "gemello" della Terra, per massa, dimensione, volume e densità. Possiede però Venere possiede un’atmosfera ricca di anidride carbonica, priva di vapor acqueo e con gocce di acido solforico. Per l'effetto serra dovuto a questa atmosfera, la temperatura sulla sua superficie raggiunge i 480 °C . Marte è un pianeta più piccolo della Terra, e sulla superficie sono presenti crateri e canali naturali, deserti, catene montuose (possiede il monte più alto del Sistema Solare, Olympus, alto 24 km) e vulcani, segno di un passato geologico molto attivo. Attualmente questo pianeta è oggetto di studio da parte di diverse missioni spaziali, europee e americane. Marte

I pianeti gioviani Saturno Giove Nettuno Urano Per l’insegnante: I pianeti gioviani sono pianeti di tipo gassoso composti da idrogeno, elio ed altri materiali volatili. Hanno bassa densità, alta velocità di rotazione, atmosfere molto spesse e possiedono molti satelliti e anelli. Giove è il pianeta più grande del Sistema Solare. Probabilmente una sua rapida crescita iniziale ha condizionato la formazione di tutto il resto del sistema, tendendo a inibire la formazione dei pianeti interni, che infatti hanno dimensioni molto minori, e impedendo la formazione di un pianeta tra Marte e Giove, dove oggi troviamo una striscia di asteroidi. Giove e Saturno con le loro enormi masse hanno giocato un ruolo molto importante nel ripulire il Sistema Solare dai "relitti" della sua formazione, catturando asteroidi e meteoriti che ruotavano con orbite altamente ellittiche intorno al Sole. Nettuno Urano

Riflettiamo insieme Quali sono le caratteristiche del Sole? Come è fatta la nostra galassia? Per l’insegnante: La discussione ha lo scopo di mettere a fuoco solo alcuni degli aspetti dell’Universo, che ci riguardano da vicino. L’obiettivo non è dunque verificare l’acquisizione delle conoscenze trasmesse nel corso della lezione: tale verifica potrà essere svolta stampando e distribuendo ai ragazzi il test allegato a questa lezione multimediale. Di seguito si fornisce una traccia delle possibili risposte ai quesiti della slide. Quali sono le caratteristiche del Sole? Il Sole è nato circa 5 miliardi di anni fa e si trova nella fase “adulta” della sua vita: sta infatti bruciando idrogeno in elio. Ha una temperatura superficiale di circa 5500 °C ed è una stella con una massa non molto elevata (alla fine infatti diventerà una nana bianca). Sulla sua superficie si possono osservare fenomeni particolari come le macchie solari e i brillamenti. Come è fatta la nostra galassia? La Via Lattea è una spirale dotata di quattro bracci maggiori e più bracci minori. In uno di questi, detto Braccio di Orione, si trova il Sistema solare. Il “disco” galattico ha un diametro di circa 100000 anni luce e uno spessore di circa 15000 anni luce. 22