ASTRONOMIA, un esempio di rapporto tra SCIENZA e BELLEZZA (ossia tra il particolare e la totalità)

1. ASTRONOMIA, un esempio di rapporto tra SCIENZA e BELLEZZA (ossia tra il particolare e la totalità) Venerdì 13 febbraio 2009 prof. Francesco Barberis

2. “Ogni persona che si rallegra della vista della creazione vivente e della sua bellezza è vaccinata contro il dubbio che tutto ciò possa essere privo di senso … La familiarità con il bello è un ottimo antidoto contro la convinzione erronea che soltanto ciò che si può definire con esattezza e quantificare sia reale.” Konrad Lorenz

3. “Vi è qualcosa di grandioso in questa concezione della vita, con i suoi diversi poteri, originariamente impressi dal Creatore in poche forme o in una forma sola; e nel fatto che, mentre il nostro pianeta ha continuato a ruotare secondo l’immutabile legge di gravità, da un così semplice inizio innumerevoli forme, bellissime e meravigliose, si sono evolute e continuano ad evolversi.” Charles Darwin

5. Non si può stare di fronte ad un cielo stellato senza provare stupore, meraviglia ed interesse Anche per questa ragione da sempre gli uomini di scienza hanno cercato di sondare e studiare il cielo, uno scenario che ogni notte ritorna senza apparenti modifiche con una ciclicità regolare e prevedibile

6. Nebulosa di Orione

8. DOVE CI TROVIAMO ? • Terra al centro dell’Universo • natura diversa dagli altri corpi celesti ( eterni e immutabili ) ANTICHITA' OGGI • origine ed evoluzione dell’Universo ( nella composizione e nelle dimensioni ) • stelle ( fatte di materia, nascono, evolvono e si spengono ) • Terra ( le sue particolari caratteristiche dipendono dal luogo, dal modo e dal tempo in cui si è formata )

9. SISTEMA SOLARE F = G m1* m2 r2 Insieme dei corpi in movimento che risentono in modo apprezzabile dell’attrazione gravitazionale

10. Stella che produce autonomamente luce e altre radiazioni elettromagnetiche INTORNO si muovono 9 pianeti : corpi opachi, freddi, traiettorie ellittiche intorno al sole e ruotano su loro stessi ( rotazione e rivoluzione ) SOLE TERRA - SOLE Distanza media 150.000.000 km • corpo solido – rigido • approssimativamente sferico e piccolo se confrontato con il sole • diametro 12.750 km

12. Il Sistema Solare comprende quindi il SOLE, una stella nana gialla, i PIANETI, corpi opachi dotati di un movimento di rotazione intorno al proprio asse e di un moto di rivoluzione intorno al Sole, i SATELLITI che si muovono intorno ad alcuni pianeti, e una serie di corpi minori ( comete, asteroidi, meteoriti ) Il Sole ed il Sistema Solare si sono formati contemporaneamente circa 5 miliardi di anni fa. Il Sole ha una temperatura superficiale di circa 6000 K e irradia una quantità di energia pari a 3,9 * 1026 W. E’ costituito prevalentemente da idrogeno ed elio, ma contiene anche elementi pesanti come calcio, carbonio, ossigeno, azoto, ecc…

13. Il Sole è una stella normale La sua massa (2x1030 kg) non è né troppo grande, nel qual caso il Sole avrebbe vita troppo breve per accompagnare un’evoluzione biologica) né troppo piccola (la Terra finirebbe con il sincronizzare il proprio moto di rotazione con quello di rivoluzione, distruggendo il clima temperato e l’avvicendarsi delle stagioni) La radiazione solare è relativamente stabile.Inoltre la maggior parte della radiazione emessa dal Sole è alle lunghezze d’onda della luce visibile (e questo dipende dalla temperatura della fotosfera) Se il Sole fosse più freddo, emetterebbe la maggior parte della radiazione all’infrarosso; se fosse più caldo emetterebbe di più nell’ultravioletto SE IL SOLE AVESSE UNA DIFFERENTE SUPERFICIE, POTREBBE QUINDI ESSERCI UN FENOMENO IMPORTANTE COME LA FOTOSINTESI CLOROFILLIANA?

15. LUNA Satellite della Terra Corpi opachi di dimensioni variabili legati per attraz. gravitaz. ad un pianeta attorno a cui rivoluzionano Le STELLE, pur essendo distanti tra loro, risentono dell’attrazione gravitazionale delle stelle circostanti; per questo non sono isolate ma aggrappate in sistemi detti GALASSIE. Nelle galassie, le stelle si muovono compiendo una lenta rivoluzione intorno al centro della galassia

16. BLUE MOON Il sistema Terra-Luna è un caso anomalo, nel quale le dimensioni del satellite sono paragonabili a quelle del pianeta compagno. Se la Luna non esistesse, o fosse molto più piccola, l’obliquità della Terra varierebbe caoticamente da 0° a 85° rispetto al piano dell’eclittica

17. Se noi pensassimo di considerare tutte le stelle che possono essere racchiuse entro una sfera, avente il centro nel nostro Sole e un raggio di circa 10 anni luce, ci accorgeremmo solamente della presenza di una decina di altre stelle, la più vicina delle quali è Alfa Proxima Centauri, distante dal Sole circa 4,5 anni luce (la sua luce, quindi, impiega 4,5 anni prima di arrivare fino a noi). Se noi aumentassimo il raggio della nostra ipotetica sfera a 100 anni luce, potremmo racchiudere qualche migliaio di Stelle. Se il raggio aumentasse ulteriormente, fino ad arrivare a 1000 anni luce, avremmo qualche milione di stelle: queste, però, sarebbero una minima parte delle stelle presenti nella nostra galassia, che ha un diametro di circa 100 000 anni luce e uno spessore, al centro, di 15 000 anni luce. Il Sole, infatti, fa parte di una galassia contenente circa 100 miliardi di Stelle: la via Lattea, ben visibile in estate, come una striscia luminosa che percorre il cielo.

18. IL SOLE APPARTIENE ALLA VIA LATTEA La Via Lattea contiene centinaia di miliardi di stelle Ha una forma a spirale con un diametro di 1 miliardo di miliardo di miliardi di km ( diametro di 100.000 anni luce ) IL SISTEMA SOLARE SI TROVA IN UNA POSIZIONE ABBASTANZA PERIFERICA E SI MUOVE INTORNO AL CENTRO DELLA GALASSIA COMPIENDO UNA RIVOLUZIONE IN 225 MILIONI DI ANNI

20. ANDROMEDA

21. NUBI DI MAGELLANO ( galassie satelliti della Via Lattea ) Appaiono come deboli chiazze luminose

22. Gruppi di galassie trattenuti da una forza di attrazione gravitazionale AMMASSI In tre dimensioni risulta essere distribuito in un raggio di oltre 30 milioni di anni luce • AMMASSO DELLA VERGINE • 60 milioni di anni luce da noi ; • Circa 2000 galassie

23. Particolare delle galassie più lontane che finora sono state osservate

24. HTS : Hubble Space Telescope

25. STELLE CON MASSA GRANDE Massa molto più grande del sole ( diciamo più di 10 volte).La gravità prende il sopravvento sulle altre forze e nel nucleo si formano nuclei di ferro grazie alla fusione nucleare a catena che, stavolta non si ferma al carbonio (come succedeva alla gigante rossa) ma prosegue fino al ferro, grazie alle temperature superiori raggiunte. Quindi la stella si viene a trovare in uno stato molto inquieto e inizia ad espandersi in modo incontrollabile divenendo una Supergigante rossa che viene ad avere un diametro grande quanto tutto il sistema solare.

26. Arrivati a questo punto però i nuclei di ferro non possono essere più fusi, seguendo il processo di fusione visto fino ad ora, perché la loro fusione non genera energia ma la assorbe. La catena di reazioni nucleari si interrompe.Le supergiganti rosse sono stelle aventi un core ferroso e le cui temperature interne possono raggiungere 1 miliardo di gradi. Il problema è che, nonostante questa grande temperatura, non vi è emissione di energia (infatti manca la pressione di radiazione nucleare) e quindi la stabilità è sempre più compromessa perchè manca un contrasto alla gravità.In una stella di questo tipo la densità raggiunge un miliardo di grammi per cm3 .Un cucchiaino di materia peserebbe un miliardo di tonnellate sulla Terra.Quando il nucleo diviene stracolmo di atomi di ferro la stella non regge più alla pressione della gravità ed esplode in un modo terrificante gettando nello spazio tutto quello che aveva creato compresi gli atomi più pesanti, diventando una supernova.

27. Come se non bastasse la sua capacità di "creare" elementi non si arresta perchè, se nel suo core non ha avuto le possibilità di produrre elementi più pesanti del ferro come l'oro, l'argento, l'uranio, ecc., l'esplosione e l'immane temperatura generata da essa, unitamente alla quantità inimmaginabile di radiazioni che emana, è in grado di creare in un processo chimico complesso anche atomi di oro e i restanti elementi della tavola periodica.La tavola periodica, con tutti i suoi elementi compresi quelli del nostro corpo come l'ossigeno, l'acqua e il carbonio solo per citarne alcuni non sono altro che il prodotto di quelle combustioni nucleari che poi le supernove hanno "distribuito" nello spazio.Espulsi i materiali che circondavano la stella si crea quella che viene detta residuo di supernova o nebulosa. Residuo di Supernova

28. FASCIA DEGLI ASTEROIDI Nella regione fra Marte e Giove orbitano numerosi oggetti celesti chiamati pianetini o asteroidi. Il primo asteroide conosciuto è Cerere, scoperto a Palermo da G. Piazzi il 1° gennaio 1801; altri tre, Pallade, Giunone e Vesta, furono individuati fra il 1802 e il 1807.Oggi sono stati catalogati più di 2000 asteroidi; la maggior parte sono compresi fra Marte e Giove (fascia asteroidale); pochi si trovano entro l'orbita di Marte e oltre quella di Giove; uno, Chirone, èè fra le orbite di Saturno e Urano.Gli asteroidi sono corpi relativamente piccoli: Il più grande è Cerere ed ha un diametro di 1000 km, ma la maggior parte degli asteroidi ha una dimensione di pochi chilometri.Discordanti i pareri sull'origine degli asteroidi: alcuni li attribuiscono alla disgregazione di un pianeta; altri ritengono, e questa è l'ipotesi piú accettata, che si siano condensati nella forma attuale dalla materia primordiale.

30. … e GIOVE: I GIGANTI BUONI Questi due pianeti hanno una massa molto più grande di quella della Terra. Giove, in particolare, ha un diametro dieci volte più grande di quello terrestre e una massa 320 volte maggiore

31. La sua rapida crescita ha influenzato la formazione dei pianeti più interni. Inoltre, per la sua massa, ripulisce il Sistema Solare dagli asteroidi. Si calcola che il flusso di asteroidi (con un diametro di 10 km) sulla Terra sarebbe 10 mila volte maggiore se Giove non si fosse formato o avesse tardato la sua formazione. Le conseguenze sarebbero state disastrose: sulla Terra non ci sarebbero state le condizioni relativamente stabili di clima e temperatura, che hanno favorito la presenza della vita sul Pianeta e la sua evoluzione fino a forme evolute.

32. RED SHIFT Lo studio delle galassie lontane è molto complesso a causa dell’enorme distanza e della difficoltà di ottenere immagini nitide. Gli spettri delle galassie presentano un RED SHIFT cioè uno spostamento delle linee spettrali verso le lunghezze d’onda maggiori. Questo dimostra che le galassie si stanno allontanando le une dalle altre ad una velocità che può essere misurata mediante la legge di Hubble ( v = H d ). Il moto di allontanamento è detto MOTO DI RECESSIONE. La scoperta di questo moto induce a ritenere che l’ Universo sia in espansione

33. Se immaginiamo di tornare indietro nel tempo, allora, ci sarà un istante in cui tutta la materia presente nell’Universo doveva essere concentrata in un “atomo primordiale”, dalle dimensioni piccolissime, (paragonabili a quelle di una pallina con cui gioca un bambino piccolo), con un’enorme quantità di energia

35. Circa 15 miliardi di anni fa iniziò l’Universo: la sua origine è descritta dalla teoria “HOT BIG BANG”. Ebbe inizio un lungo processo di espansione che continua ancora oggi, con l’effetto di raffreddare progressivamente l’Universo. Un secondo dopo l’inizio dell’espansione l’Universo è costituito da una miscela di particelle elementari, tra cui protoni, neutroni, elettroni, fotoni, neutrini che costituiscono il suo contenuto di materia e di energia. La sua densità raggiunge i 10 kg/cm³ (come se centomila uomini si stringessero in un cubo di un metro di lato). La scala delle dimensioni dell’Universo è circa quella del nostro Sole.

36. In queste condizioni e in accordo con la legge di equivalenza tra energia e massa (E = m c²) succede che le coppie di fotoni (raggi gamma) si scontrano e si trasformano in una coppia elettrone – positrone: la radiazione dà origine a materia ed antimateria. Esiste quindi un equilibrio tra produzione di coppie e di radiazione γ γ e - e - γ γ e + e + Produzione di coppie Annichilazione

37. Dopo circa tre minuti, la temperatura dell’Universo è scesa a un miliardo di gradi, la densità è pari a quella dell’acqua (1g/cm³). La scala delle sue dimensioni è aumentata fino a diventare circa cento volte più grande del nostro Sole. In queste condizioni possono avvenire i processi che portano alla formazione dei nuclei degli atomi più leggeri. La formazione di questi nuclei avviene in seguito alle reazioni schematizzate nel grafico della diapositiva successiva.

38. Un protone e un neutrone collidono e si uniscono a formare un nucleo di deuterio. Un nucleo di deuterio può unirsi a un protone per formare He3, oppure può unirsi a un neutrone per formare un nucleo di trizio. In questo modo, combinando le specie che vengono via via formate, si ottengono i nuclei atomici degli elementi più leggeri nel processo noto come “nucleo sintesi cosmologica”.

39. Passati i primi tre minuti, l’Universo è troppo freddo perché possano continuare a formarsi nuovi nuclei. Circa il 30% dell’elio presente oggi nell’Universo è stato creato in questi primi tre minuti ( questo fattore è una prova a sostegno del BIG BANG perché senza questo elio prodotto inizialmente, l’elio presente attualmente nell’Universo deriverebbe dalle reazioni termonucleari delle stelle e questa quantità sarebbe troppo elevata rispetto alle previsioni, e non sarebbe distribuita in maniera così uniforme ovunque. Questo è in accordo con l’ipotesi che si sia formato nell’Universo primordiale, prima della nascita delle stelle e delle galassie )

40. Passati 300.000 anni dal Big Bang, l’energia si è sufficientemente ridotta da consentire ai nuclei atomici di catturare gli elettroni formando così gli atomi neutri. L’Universo è ora trasparente alla radiazione. Avviene cioè il disaccoppiamento radiazione – materia

41. La radiazione emessa dalla sfera di fuoco ad alta temperatura si irraggiava in ogni direzione: pur diluita ed indebolita (raffreddata) dall’espansione, quella radiazione dovrebbe impregnare tutto l’Universo. Nel 1965, per caso, due ricercatori del Bell Telephone Laboratory nel New Yersey ( Penzias e Wilson ) osservarono l’esistenza di una radiazione di fondo, rilevabile con i radiotelescopi e in ogni direzione dello spazio, corrispondente ad una temperatura di circa 3°K (- 270 °C). Tale radiazione residua è come l’ “eco” del Big Bang

42. Il satellite Cobe, messo in orbita intorno alla Terra nel 1989, ha tracciato una mappa che mette in evidenza minuscole variazioni della radiazione di fondo. Le differenze di colore rappresentano lievissime variazioni di temperatura (meno di un decimillesimo di grado Kelvin). Attraverso l’osservazione della radiazione è possibile studiare direttamente le condizioni fisiche dell’Universo primordiale

43. Dopo la formazione degli elementi leggeri, la distribuzione della materia dell’Universo in espansione porta alla formazione di grandi strutture: galassie e ammassi di galassie.

44. Se il parametro che regola la velocità di espansione dell’Universo nei suoi primi istanti fosse stato di una parte su dieci milioni più piccolo, l’Universo sarebbe rapidamente collassato su se stesso e non ci sarebbe stato il tempo per la formazione di nessun oggetto stellare. Se fosse stato più grande di una stessa quantità, non si sarebbero potute condensare le galassie. La dinamica del processo ha portato alla formazione di galassie di vario tipo, tra cui quelle a spirale di cui un esempio è la Via Lattea

45. Chi ha raggiunto lo stadio di non meravigliarsi più di nulla dimostra semplicemente di aver perduto l’arte del ragionare e del riflettere. MAX PLANCK