Le componenti oscure dell`Universo

Le componenti oscure dell’Universo
e le nuove frontiere dell’Astrofisica
Prof. Piero Rosati
(Dip. di Fisica e Scienze della Terra, UniFE)
Corso di Eccellenza per scuole secondarie
4 Marzo 2015
Per qualsiasi domanda ed approfondimenti contattare il docente a [email protected]
Ruolo unico dell’Astrofisica nello studio delle
leggi fondamentali della Natura
•
•
L’intero Universo e’ il laboratorio !
•
scoperta di fenomeni che rivelano nuova fisica fondamentale (a volte in modo
casuale): materia oscura, energia oscura, proprieta’ dei neutrini, asimmetria
materia/antimateria, universo primordiale
➔ grandi sinergie con la fisica delle particelle elementari
•
laboratorio unico per lo studio della gravita’ (grandi masse e distanze, senza
“disturbi terrestri”, densita’ estreme con buchi neri e stelle di neutroni)
studio della materia e radiazione in condizioni estreme:
espandere la comprensione delle leggi fisiche, estendendo il range di energie
(densita’, temperatura, pressione) e di distanze delle osservazioni
Sonde d’informazione
•
Portatori d’informazione:
‣
‣
‣
‣
•
Radiazione elettromagnetica
Raggi cosmici (el, protoni, nuclei pesanti)
Neutrini (dal sole, supernovae, e ?)
Onde-gravitazionali ?
Enormi progressi nel dopo guerra con l’apertura ad osservazioni al di fuori dell’ottico
(radio, millimetrico, NIR, IR, X, gamma) da terra e dallo spazio con sensibilita’ e
risoluzioni angolari sempre maggiori; con modelli sempre piu’ complessi resi possibili
da potenze di calcolo sempre maggiori.
L’esplorazione del cielo con l’aiuto di un telescopio inizia con Galileo intorno al 1610
Osservazioni di Galileo (1609-1612)
Crateri lunari
Satelliti di Giove
Macchie solari
Osservazioni di Galileo (1609-1612)
Crateri lunari
Satelliti di Giove
Padova, 7 Gen 2010
Macchie solari
Osservazioni di Galileo (1609-1612)
Crateri lunari
Satelliti di Giove
Padova, 7 Gen 2010
Macchie solari
Fasi di Venere
Osservazioni di Galileo (1609-1612)
Crateri lunari
Satelliti di Giove
Padova, 7 Gen 2010
Macchie solari
Fasi di Venere
Osservazioni di Galileo (1609-1612)
Crateri lunari
Macchie solari
La Via Lattea e’ risolta in miriadi di stelle
....Quello che in terzo luogo osservammo, è l’essenza o materia
della via Lattea, la quale attraverso il cannocchiale si può vedere
così chiaramente che tutte le discussioni per tanti secoli cruccio
dei filosofi, si dissipano con la certezza della sensata
esperienza, e noi siamo liberati da sterili dispute. La Galassia
infatti non è altro che un ammasso di innumerabili stelle
disseminate a mucchi, che in qualunque parte di essa si diriga il
cannocchiale, si offre subito alla vista un grandissimo numero di
stelle, parecchie delle quali si vedono grandi e ben distinte,
mentre la moltitudine delle piccole è affatto inesplorabile. ...
Satelliti di Giove
Padova, 7 Gen 2010
Fasi di Venere
…Altre cose più mirabili forse da me e
da altri si scopriranno in futuro con
l'aiuto di questo strumento, della cui
forma e struttura e dell'occasione
d'inventarlo dirò prima brevemente, poi
narrerò la storia delle osservazioni da
me fatte…. [Sidereus Nuncius, 1610]
Potenza dei telescopi: crescita esponenziale dopo Galileo...
200”
(catalog nebulae)
&&$#'
"#'$#(
(spiral gals)
!#*)&%
100”
Il sistema delle magnitudini
HST Deep
5 magnitudini in piu’ = 100 volte piu’ debole
mag = −2.5 Log (flusso) + costante
VLT limit
30
4m limit
Da prima di Galileo ad Hubble (6→30 mag): sorgenti 4 miliardi di volte piu’ deboli !
27
Plutone
POSS
20
22
SDSS
Galileo
Venere
14
10
Vega
Sirio
Limite occhio nudo
Luna
25
6
0
-1
Sole
-5
Legenda:
-13
-27
o
um
l
+
s
o
in
VLT: Very Large Telescope (8 m diameter)
HST: Hubble Space Telescope (2.5 m)
POSS: Palomar Observatory Sky Survey
SDSS: Sloan Digital Sky Survey
e
d
+
le
o
b
1920: Il “grande dibattito” sulla “natura delle nebulose
gassose” e la scala dell’Universo
Sorprendentemente, fino a primi anni 20 si pensava che tutte le “nebulose” catalogate nel
secolo precendente fossero parte della Via Lattea, le cui dimensioni non erano chiare, quindi le
scale enormi dell’Universo erano del tutto ignorate fino a poco piu’ di 100 anni fa
Heber Doust Curtis (1872-1942)
Galassia di Andromeda (M31)
Riteneva che la natura delle nebulose
gassose fosse extra-galattica (stelle novae
in M31 molto piu’ deboli che nella
Galassia), ma collocava il sole al centro
della Galassia
Harlow Shapley (1885-1972)
Riteneva che le nebulose gassose facessero parte
della Galassia, ma aveva capito che il sistema
solare era esterno al centro (concentrazione di
ammassi globulari verso il Sagittatio) e misurato la
distanza del centro galattico ~50,000 anni luce
(variabili Cefeidi), sovrastimandola solo di un fattore
due. Osteggio’ il lavoro di Hubble per diversi anni..
Nella seconda meta’ dell‘800
si era anche aperta l’era
della spettroscopia che
rivela composizione chimica,
temperatura, densita’ dei
gas, natura delle sorgenti di
energia e poi dal 1920 la
distanze delle galassie...
(1889-1953)
•
•
Edwin Hubble
Apre l’era dell’astronomia extra-galattica
1926: con l’uso delle variabili Cefeidi come indicatori di distanza fornisce
la prova definitiva che le “nebulose gassose” sono galassie come la
nostra ma a grande distanza dalla Via Lattea
- Cefeidi: stelle ~10-1000 volte piu’ luminose del sole quindi osservabili
a grandi distanze
- Periodo di variabilita’ ∝""Luminosita’ intrinseca (Henrietta Leavitt)
- Periodo ➔ Luminosita’ ➔ Distanza da Lapparente ∝"L/distanza2
(1889-1953)
•
•
Edwin Hubble
Apre l’era dell’astronomia extra-galattica
1926: con l’uso delle variabili Cefeidi come indicatori di distanza fornisce
la prova definitiva che le “nebulose gassose” sono galassie come la
nostra ma a grande distanza dalla Via Lattea
- Cefeidi: stelle ~10-1000 volte piu’ luminose del sole quindi osservabili
a grandi distanze
- Periodo di variabilita’ ∝""Luminosita’ intrinseca (Henrietta Leavitt)
- Periodo ➔ Luminosita’ ➔ Distanza da Lapparente ∝"L/distanza2
Hubble annota le Cefeidi in M33
Un universo in espansione
•
1929: con osservazioni spettroscopiche al 100” di Mt.Wilson scopre la
famosa legge che la velocita’ di recessione delle galassie e’ proporzionale
alla distanza: Legge di Hubble: V = H ⋅d
Un universo in espansione
•
1929: con osservazioni spettroscopiche al 100” di Mt.Wilson scopre la
famosa legge che la velocita’ di recessione delle galassie e’ proporzionale
alla distanza: Legge di Hubble: V = H ⋅d
•
La proporzionalita’ tra velocita di allontamento delle galassie e loro
distanza prova che l’Universo e’ in espansione
•
La velocita’ radiale e’ misurata dallo spostamento verso il rosso, i.e.
“redshift” z, delle righe spettrali, per effetto Doppler dovuto all’espansione
Un universo in espansione
•
1929: con osservazioni spettroscopiche al 100” di Mt.Wilson scopre la
famosa legge che la velocita’ di recessione delle galassie e’ proporzionale
alla distanza: Legge di Hubble: V = H ⋅d
•
La proporzionalita’ tra velocita di allontamento delle galassie e loro
distanza prova che l’Universo e’ in espansione
•
La velocita’ radiale e’ misurata dallo spostamento verso il rosso, i.e.
“redshift” z, delle righe spettrali, per effetto Doppler dovuto all’espansione
•
Questo nuovo scenario trovava una spiegazione naturale nella teoria della
Relativita’ Generale di Einstein (universo omogeneo isotropo deve
espandere o contrarre, Lemaitre), ma lo stesso Einstein aveva ignorato
questa soluzione nel 1917 seguendo il pregiudizio di un Universo statico!
(λ oss − λem)
z=
=
λem
Vr
c
La macchina del tempo
Scoprendo e studiando oggetti sempre piu’ lontani, si possono studiare la formazione
ed evoluzione delle strutture cosmiche, indietro fin dove si riesce a rivelare la
radiazione elettro-magnetica, a qualche centinaio di migliaia anni dopo il Big Bang.
• Più alto e’ il redshift della sorgente, più indietro nel tempo si guarda
• Quando si osserva una galassia a redshift z, l’Universo era 1+z volte più piccolo
z=2
z=1#(>1965)
z=0.5#(1960)
z=0.1
Viste da Saturno
Sonda Cassini (NASA, ESA, ASI): lanciata nel 1997, in orbita intorno a Saturno dal 2004
Distanza di Saturno: d=1.5 miliardi di Km
Configurazione favorevole: 19 Luglio 2013
Terra !
Viste da Saturno
Sonda Cassini (NASA, ESA, ASI): lanciata nel 1997, in orbita intorno a Saturno dal 2004
Distanza di Saturno: d=1.5 miliardi di Km
NAC image
WAC image
Configurazione favorevole: 19 Luglio 2013
Wide Angle Camera (WAC):
F=20 cm f/3.5 refractor
Narrow Angle Camera (NAC):
F=2m, f/10.5 reflector
Terra !
Viste da Saturno
Sonda Cassini (NASA, ESA, ASI): lanciata nel 1997, in orbita intorno a Saturno dal 2004
Distanza di Saturno: d=1.5 miliardi di Km
NAC image
WAC image
Configurazione favorevole: 19 Luglio 2013
Wide Angle Camera (WAC):
F=20 cm f/3.5 refractor
Narrow Angle Camera (NAC):
F=2m, f/10.5 reflector
Terra !
Le dimensioni dell’Universo
Scala del sistema solare
UA
Le dimensioni dell’Universo
Scala del sistema solare
UA
Lasciando il sistema solare, poi fuori della Galassia, fino all’ammasso della Vergine (a 50 Mil. anni luce)
La Via Lattea
lNCP=123°
La Via Lattea
lNCP=123°
3000 a.l.
220 km/s
25000 a.l.
100 000 a.l.
[Bradt]
Da Galileo ai telescopi di 8-10m di oggi
ESO VLT (Very Large Telescope)
Cerro Paranal (Deserto Atacama, Chile)
4 telescopi con specchi da 8.2 m (15 strumenti). Peso: 430 Ton.
Risoluzione angolare (teorico): 0.05 arcsec (~ 10 cm a 400 km di distanza)
Magnitudine limite: ~27 in 1h integrazione (250M più debole del limite occhio umano)
Da Galileo ai telescopi di 8-10m di oggi
ESO VLT (Very Large Telescope)
Cerro Paranal (Deserto Atacama, Chile)
4 telescopi con specchi da 8.2 m (15 strumenti). Peso: 430 Ton.
Risoluzione angolare (teorico): 0.05 arcsec (~ 10 cm a 400 km di distanza)
Magnitudine limite: ~27 in 1h integrazione (250M piu’ debole del limite occhio umano)
Specchio primario sottile (18 cm, 23 Ton)
con ottiche “attive” (correzioni: 1-10 Hz)
Tecnica delle ottiche adattive
Come vincere l’effetto della turbolenza atmosferica
Laser Guide Stars:
creare una stella artificiale nel campo di
osservazione per monitorare e correggere
il fronte d’onda
Stella artificiale laser al VLT
La “messa a fuoco” con le ottiche adattive
Uso delle ottiche adattive
Nettuno nel vicino IR (1.65 micron) con il telescopio Keck (10m)
Senza Ottiche Adattive
Con Ottiche Adattive
Uso delle ottiche adattive
Nettuno nel vicino IR (1.65 micron) con il telescopio Keck (10m)
Senza Ottiche Adattive
Con Ottiche Adattive
Il centro galattico
Esplorazione del parsec centrale della Galassia
Una delle applicazioni piu’ importanti delle ottiche adattive con i telescopi Keck e VLT
Buco nero massiccio al centro galattico
The orbit of S2 (2002-2013)
S2 (B1V) closest distance 17 ly-hrs=124 UA with v=5000 km/s
S2 orbit: a=5.5 ly-days, e=0.87, T=15.8 yr
Le stelle sono le sonde migliori per misurare il potenziale
gravitazionale del buco nero, piuttosto che il gas che e’
infleunzato da forze non gravitazionali
ESO-VLT NAOS observations with AO (Genzel et al.)
1997
1999
0.05” ≃ 2 light-days
visible star
cluster
( http://www.mpe.mpg.de/369216/The_Orbit_of_S2 )
A 27000 anni luce: 1” = 0.13 a.l., 1 mas = 8 UA
1 mas/year = 40 km/s
Buco nero massiccio al centro galattico
Orbita della stella S2, secondo le 3^ legge di Keplero:
La massa contenuta all’interno di ~120 AU e’:
M = a3/G 4π2/P2 = (5.5*ly-days)^3/(15.8
=
=
•
yr)^2*
4π2/G
(5.5*3e10*86400)^3/(15.8*3.1e7)^2*4*pi^2/6.67e-8/2e33
3.6×106 M⊙
Oggi si sono tracciate le orbite di >20 stelle, dalle quali (con
la semplice legge di Keplero) di deriva:
MBH = (2.6 ± 0.1) ×106 M⊙
•
Cosi’ tanta materia in cosi’ poco spazio non puo’ essere
che un buco nero (un ammasso di stelle si dissolverebbe
in 10 M-anni per mutue collisioni)
•
Osservazioni VLBA della radio sorgente Sgr A* non
mostrano alcun moto proprio ed dimensioni di soli ~50 µas
(~10 Rg). Si ritiene quindi che Sgr A* sia nella posizione del
buco nero.
Fuga (o non) da oggetti super-compatti
1 cm
spazio tempo intorno al Sole
spazio tempo intorno al Sole
compresso ad una nana bianca
Stella
Nana bianca
Stella di neutroni
Buco nero
spazio tempo intorno al Sole
compresso ad un buco nero
“Raggio” di un buco nero (orizzonte degli eventi): 3 (M/Msole) km
Soluzione dell’equazioni di Einstein trovata da Karl Schwarzschild (1878−1916) nel 1915
Buchi neri
di taglia piccola:
M ~ M⊙
Binarie a raggi X
buco nero, nana
bianca, stella di
neutroni
di taglia grande: M=106-9 M⊙
al centro di tutte le galassie ?
Nuclei Galattici Attivi (tra cui i quasars)
Stella “normale”
donatrice di massa
Osservazione con HST del buco nero
centrale attivo della galassia NGC 4261
• Grandi quantità di energia da regioni molto piccole
• Grandi luminosità (100 x galassie) → grandi distanze
• Forti emettitori di raggi X
• Accrescimento di materia su BN: meccanismo più efficiente che la Natura mette a
disposizione per generare energia (10 volte piu’
efficiente della fusione nucleare!): energia gravitazionale → energia cinetica/calore
Dal deserto del VLT al telescopio spaziale
Dal deserto del VLT al telescopio spaziale
Al di sopra dell’atmosfera (560 km) le immagini sono perfettamente nitide (limitate dal
solo diametro 2.4m dello specchio) e il cielo molto piu’ buio (solo luce zodiacale)
Absorbing medium
Lo straordinario impatto scientifico di Hubble
SM4, May 2009, ultima missione
SM3b, lunch, Mar 2002
M31 (Andromeda) con HST
Archeologia dei sistemi stellari risolti in
galassie distante milioni di anni luce
L’eredita’ dell’ Hubble Space Telescope
•
Misura della costante di Hubble ➜ scala ed eta’ dell’Universo
•
Esistenza di un’ “energia oscura” che accelera l’espansione
•
Distribuzione di materia oscura in galassie ed ammassi (dalle lenti
gravitazionali)
•
Formazione ed evoluzione della galassie
•
Scoperta di galassie primordiali (500 M anni dopo il big bang)
•
Scoperta di buchi neri super-massicci al centro di (quasi tutte) le
galassie
•
Formazione stellare e sistemi planetari extra-solari
Dall’espansione dell’Universo alla teoria del Big Bang
•
Anni 30: Lemaitre, Friedmann, de Sitter trovano soluzioni alle eq. di Einstein
nell’ipotesi di omogeneità ed isotropia dell’Universo (principio cosmologico). L’Universo puo’ espandere o contrarsi, ma non puo’ essere statico
•
Andando indietro nel tempo si deve raggiungere, in un tempo finito (13.7 miliardi
di anni), uno stato in cui la densità della materia, e quindi la temperatura era
“infinitamente” alta, un momento (“big bang”) in cui lo stesso spazio-tempo si e’
venuto a creare
•
Nel 1948 Gamov & Alpher elaborano la teoria della nucleosintesi primordiale
spiegando l’abbondanza di H e He (ma non degli elementi pesanti spiegata piu’
tardi da Fred Hoyle)
•
Alpher & Herman predicono il fondo cosmico a microonde (a 5 gradi Kelvin), poi
confermato accidentalmente da Penzias&Wilson nel 64
Espansione e Geometria dell’Universo
•
L’espansione e’ dovuta all’impulso iniziale, questa rallenta sotto la gravita’
di tutta la materia ➜ il destino dell’espansione e’ legato alla densità totale dell’Universo
Analogia con il lancio del grave verso l’alto,
per vincere la gravita’ data dalla massa M, la
velocità di lancio deve superare la velocità di
fuga: Espansione e Geometria dell’Universo
orbita circolare
Secondo la Relativita’ Generale (Einstein 1915)
•
•
orbita non legata
orbita ellittica
Le masse curvano lo spazio-tempo intorno a loro
I corpi (e la luce) si muovono lungo le traiettorie piu’ brevi (geodediche) nello spazio curvo
La geometria dell’Universo dipende dalla
massa-energia in esso contenuta e
quindi dalla sua densita’, che a sua volta
determina il destino dell’espansione
Contenuto di materia+energia
ρ > ρc
ρ < ρc
Geometria
Relativita’
Dinamica dei corpi
Espansione universo
Generale
ρ = ρc
Alexander
Friedmann
Densita’ critica che separa i tre casi possibili:
ρc = 9⋅10−30 g/cm3 ~ 10 H atoms/m3
Universo chiuso, aperto e piatto
Georges Lemaitre
Censimento di tutta la materia-energia dell’Universo
1. Pesare tutta la materia di sistemi in equilibrio (galassie, ammassi di galassie)
usando le leggi le condizioni di equilibrio in presenza di gravita’
Scoperta della Materia Oscura
Dalla dinamica degli ammassi di galassie
Ammasso di galassie della Chioma (Coma Cluster)
Fritz Zwicky (1898-1974)
Zwicky applica il teorema del viriale per sistemi in equilibrio: 2T+U=0 ➜
•
1934: Il moto disordinato con velocita’ medie di 1000 km/s delle galassie implica una
massa totale (risultato dell’equilibrio gravitazionale) ~10 volte maggiore di quella luminosa
Scoperta della Materia Oscura
Dalla dinamica delle galassie
Vera Rubin (studi dal 1970 in poi)
(sole)
•
Materia oscura
Le curve di rotazione delle galassie mostrano che c’e’ una grande quantita’ di
materia “oscura” ben al di la’ della parte luminosa delle galassie a spirali
Scoperta della Materia Oscura
Dalla dinamica delle galassie
Vera Rubin (studi dal 1970 in poi)
(sole)
•
Materia oscura
Le curve di rotazione delle galassie mostrano che c’e’ una grande quantita’ di
materia “oscura” ben al di la’ della parte luminosa delle galassie a spirali
Un metodo moderno e potente per pesare le strutture nell’Universo
Lenti gravitazionali
Secondo la Relativita’ Generale (Einstein 1916)
•
Anche la luce segue le traiettorie piu’ brevi (geodediche) nello spazio
modellato dalle masse (stelle, galassie, ammassi di galassie)
Effetto lente gravitazionale
• Eddington (1919) conferma la predizione di Einstein osservando le stelle intorno al
sole durante un’eclisse
1919
Effetto lente gravitazionale
• Eddington (1919) conferma la predizione di Einstein osservando le stelle intorno al
sole durante un’eclisse
• Einstein (1936) considera la possibilita’ di immagini multiple dalle stelle ma
conclude che e’ impossibile osservarle (anche Cholson 1926 “fictitious stars”)
• Zwicky (1937) usa la sua nuova stima di massa dell’ammasso “Coma”:
– l’effetto lente gravitazionale e’ osservabile!
– puo’ essere usato per stimare la massa della “lente”
– la magnificazione puo’ portare a scoprire galassie distanti !
Effetto lente gravitazionale
• Eddington (1919) conferma la predizione di Einstein osservando le stelle intorno al
sole durante un’eclisse
• Einstein (1936) considera la possibilita’ di immagini multiple dalle stelle ma
conclude che e’ impossibile osservarle (anche Cholson 1926 “fictitious stars”)
• Zwicky (1937) usa la sua nuova stima di massa dell’ammasso “Coma”:
– l’effetto lente gravitazionale e’ osservabile!
– puo’ essere usato per stimare la massa della “lente”
– la magnificazione puo’ portare a scoprire galassie distanti !
• Scoperta dei primi “archi gravitazionali” (Soucail et al. 87). Paczynski (87)
1986, CFHT
2009, HST
Lenti Gravitazionali
Lenti Gravitazionali
Lenti Gravitazionali
Lenti Gravitazionali
Lenti Gravitazionali
Nota: le galassie sono anche amplificate ed ingrandite!
Censimento di tutta la materia-energia dell’Universo
1. Pesare tutta la materia di sistemi in equilibrio (galassie, ammassi di galassie)
usando le leggi le condizioni di equilibrio in presenza di gravita’ (>1935)
2. Utilizzare l’effetto di lente gravitazionale per ricostruire la massa di sistemi
massicci (galassie, ammassi) o interi volumi di Universo (>1990)
3. Studiare l’espansione dell’Universo (velocita’, accelerazione), misurando
distanze sempre piu’ indietro nel tempo (>1990)
➡ mi fornisce tutta la materia+energia che la genera e quindi la geometria
dell’Universo
Nobel per la Fisica nell 2011:
S.Perlmutter, A.Riess, B.Schmidt
Supernovae (di “Tipo-Ia”)
come “candele standard”
e quindi indicatori di
distanza fino a miliardi di a.l.
Raggiungono sempre la
stessa luminosità massima
Storia dell’espansione cosmica
la scoperta dell’Energia Oscura
Nobel per la Fisica nell 2011:
S.Perlmutter, A.Riess, B.Schmidt
Supernovae (di “Tipo-Ia”)
come “candele standard”
e quindi indicatori di
distanza fino a miliardi di a.l.
Raggiungono sempre la
stessa luminosità massima
Storia dell’espansione cosmica
la scoperta dell’Energia Oscura
Nobel per la Fisica nell 2011:
S.Perlmutter, A.Riess, B.Schmidt
Supernovae (di “Tipo-Ia”)
come “candele standard”
e quindi indicatori di
distanza fino a miliardi di a.l.
Raggiungono sempre la
stessa luminosità massima
Storia dell’espansione cosmica
la scoperta dell’Energia Oscura
• Le SNe piu’ distanti sono un po’ troppo deboli
per la loro distanza
• C’e’ qualcosa (“energia oscura”) che le spinge
via piu’ velocemente di quello che ci si
aspetterebbe dalla sola presenza di materia
nell’Universo
Accelerazione dell’espansione nell’ultimo
~30% di vita dell’Universo
Nobel per la Fisica nell 2011:
S.Perlmutter, A.Riess, B.Schmidt
Storia dell’espansione cosmica
la scoperta dell’Energia Oscura
Supernovae (di “Tipo-Ia”)
come “candele standard”
e quindi indicatori di
distanza fino a miliardi di a.l.
Raggiungono sempre la
stessa luminosità massima
• Le SNe piu’ distanti sono un po’ troppo deboli
per la loro distanza
• C’e’ qualcosa (“energia oscura”) che le spinge
via piu’ velocemente di quello che ci si
aspetterebbe dalla sola presenza di materia
nell’Universo
Accelerazione dell’espansione nell’ultimo
~30% di vita dell’Universo
materia oscura
+
energia oscura
a(t)
ΩM
poca materia
senza en.oscura
ΩΛ
caso “critico”
senza en.oscura
molta materia
senza en.oscura
La torta dell’Universo
(censimento di tutta massa-energia)
Energia oscura: “forza repulsiva” (opposta alla gravita’)
distribuita uniformente, forse legata all’energia
del vuoto (meccanica quantistica)
Materia (27%): oscura (23%) + ordinaria (4%),
o “barionica”, che si aggrega in strutture via via
piu’ grandi sotto l’effetto della gravita’
3.6%: Materia
non luminosa
0.4%: Materia luminosa
(stelle)
• La materia ordinaria (“barionica”) luminosa e’ solo una piccola frazione di quella totale !
• Non conosciamo la natura fisica di gran parte del contenuto massa-energia dell’Universo !
Massa mancante o teoria incompleta ?
Lezioni dalla storia della scienza…
• 1687: Newton pubblica nei Principia le sue leggi che spiegano le leggi di Keplero
• 1759: predizione del passaggio della cometa di Halley
• 1757: Scoperta di Urano
• 1839: Le Verrier comincia a calcolare le orbite dei pianeti
- 1845: prevede il transito di Mercurio con un errore di soli 16 arcsec
- cerca di capire perche’ Urano e’ osservato in ritardo nell’orbita rispetto alle previsioni,
nel 1846 predice l’esistenza di un altro pianeta piu’ esterno per spiegare questa
differenza
• 1846: L’osservatorio di Berlino scopre Nettuno a 55’ dalla predizione!
- torna ad occuparsi del moto di Mercurio e predice una precessione del perielio di
527”/secolo invece dei 565 osservati (38” mancanti, oggi 43” con calcoli piu’ accurati)
- ipotizza l’esistenza del pianeta Vulcano interno, fino alla sua morte (1877) per spiegare la differenza dalle leggi di Newton
• Vulcano non sara’ mai trovato, e si comincio’ a dubitare della completezza delle leggi di Newton, finche’...
• 1915: Einstein pubblica la teoria della Relatività Generale che spiega in modo naturale i 43” di eccesso rispetto alla meccanica newtoniana, nel forte campo gravitazionale del sole alla distanza di Mercurio
• Materia oscura: materia mancante o anche la teoria di Einstein ha bisogno di qualche correzione ?
Guardando sempre più indietro nel tempo alla scoperta
della prima luce nell’Universo
“Era dell’oscurità” (400,000 − ~100 milioni di anni dopo il Bing Bang)
Radiazione di fondo cosmico
Formazione delle prime stelle e galassie
Anni dal Big Bang
Si possono usare le lenti gravitazionali (amassi di galassie)
per amplificare ulteriormente le galassie piu’ distanti e deboli, arrivando cosi’ a poche centinatio di milioni di anni dal big bang!
Dalle scale più grandi a quelle più piccole
Telescopi da terra e dallo spazio
dal radio ai raggi-X
3000 ℃
109 ℃
Modello del Big Bang
1011 ℃
Il piu’ grande “microscopio” esistente
1013 ℃
Large Hadron Collider (CERN)
1016 ℃
Beyond “standard model”,
dark matter particles froze out
Big Bang
1026 cm
42 ordini di grandezza !
100
M-a
nni
luce
Dalle scale più grandi a quelle più piccole
Le domande di fisica fondamentale sono le stesse…
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Qual’e’ la natura della materia oscura ?
Come e’ nata l’asimmetria materia-antimateria ?
A che energie le forze si unificano ?
Quale e’ la natura della costante cosmologica ?
Particelle elementari e forze fondamentali
[➔ Lezione Dott. Fiorini il 16 Marzo]
La particella di materia oscura non sono predette dal “modello standard”
Large Hadron Collider (CERN)
“Modello standard”
Ma un’altra rivoluzione e’ dietro l’angolo...
Telescopi giganti in costruzione
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39 m specchio a segmenti (798 esagonali, ⦰ 1.4m)
Secondario 4m ⦰ Cupola: 86m ⦰ , 74m h
Ottiche adattive con lasers: risoluzione 2-50 milli-arcsec
~10 anni di costruzione
Costo: 1.1 Miliardi di Euro
Ma un’altra rivoluzione e’ dietro l’angolo...
Telescopi giganti in costruzione
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39 m specchio a segmenti (798 esagonali, ⦰ 1.4m)
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Scoprire pianeti di tipo terrestre intorno a stelle vicine
Secondario 4m ⦰ Cupola: 86m ⦰ , 74m h
Ottiche adattive con lasers: risoluzione 2-50 milli-arcsec
~10 anni di costruzione
Costo: 1.1 Miliardi di Euro
Identificare le prime stelle ~100 Milioni anni dopo il Big Bang
Misura diretta dell’espansione dell’Universo
Ma un’altra rivoluzione e’ dietro l’angolo...
Telescopi giganti in costruzione
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39 m specchio a segmenti (798 esagonali, ⦰ 1.4m)
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Scoprire pianeti di tipo terrestre intorno a stelle vicine
Secondario 4m ⦰ Cupola: 86m ⦰ , 74m h
Ottiche adattive con lasers: risoluzione 2-50 milli-arcsec
~10 anni di costruzione
Costo: 1.1 Miliardi di Euro
Identificare le prime stelle ~100 Milioni anni dopo il Big Bang
Misura diretta dell’espansione dell’Universo
Ma un’altra rivoluzione e’ dietro l’angolo...
Euclid
(>2020)
Gaia (2014-2020)
Mappa 3D (posizioni e velocita’) della
Galassia dall’osservazione di 1 miliardo
di stelle (composizione chimica,
formazione, evoluzione della Via
Lattea, eso-pianeti, materia oscura)
Mappa 3D dell’Universo fino a 10 Mil.
anni indietro, materia ed energia oscura,
geometria dell’Universo, formazione
strutture cosmiche
Large Synoptic Survey Telescope
JWST (2018-)
LSST (>2020)
James Webb/Next Generation Space Telescope
6.5m, ad L2: sucessore di Hubble,
prime stelle e galassie, formazione e
proprieta’ pianeti extra-solari
Immagine (in 6 colori) di tutto il cielo due
volte a settimana (>50% volume di
Universo): 3.2 Gpixel camera, 3 TB/notte,
eventi transienti (es. Near Earth Objects)
Un futuro luminoso per l’astrofisica e probabilmente pieno di sorprese !
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Progresso tecnologico portera’ alla mappatura 3D della Via Lattea e degli
ultimi 2/3 di vita dell’Universo nei prossimi 5-10 anni
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JWST (successore di Hubble) vedra’ probabilmente “la prima luce” ~100 milioni di anni dopo il Big Bang
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Missioni spaziali e telescopi giganti da terra individueranno pianeti extra
solari di tipo terrestre e ne caratterizzeranno la loro abitabilita’ !
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Lo studio del fondo cosmico portera’ ad individuare con certezza le
increspature della spazio-tempo generate subito dopo il Big Bang
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Ma riusciremo a capire la natura della materia oscura ed energia oscura ?
Abbiamo preso forse un grosso abbaglio ?
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Capiremo i meccanismi fisici nelle piu’ grandi esplosioni cosmiche (e.g.
lampi gamma) ? e quelli della gravita’ quantistica nei primissmi istanti
dopo il Big Bang ?