L’Universo
LEZIONE 5
§§1: Le distanze astronomiche
Come abbiamo già accennato, raramente in astronomia si utilizzano i
chilometri o addirittura i metri. Anche per le dimensioni di oggetti celesti
lontani si utilizzano gli anni luce o i parsec. Infatti anche una semplice
nebulosa planetaria può avere un diametro di qualche anno luce, e delle
nebulose a emissione (ovvero che brillano di luce propria) possono avere
diametri di svariati parsec. Ma che cosa sono queste due unità di misura?
§§2: L’anno luce (a.l.)
Il famosissimo “anno luce” è la distanza più usata nell’astronomia
amatoriale e divulgativa. Attenzione! L’anno luce è una misura di distanza,
non di tempo! Esclamare per esempio “ci impiegherò mille anni luce a
raggiungere Milano!” Non è corretta. Infatti l’anno luce è una distanza, e
precisamente la distanza che copre la luce in un anno. Poiché la luce
viaggia a 300'000 km/s, in un anno percorre 9400 miliardi di km,
corrispondenti per l’appunto a 1 anno luce. L’anno luce possiede dei
sottomultipli, come il mese luce, il giorno luce, l’ora luce: corrispondenti
evidentemente alla distanza percorsa dalla luce in un mese, in un giorno, in
un’ora.
§§3: Il parsec
Tuttavia l’anno luce è poco utilizzato nell’astronomia professionale. Infatti
non possiede multipli, il che lo rende scomodo da utilizzare quando si
entra nello spazio intergalattico. Una galassia infatti può distare diverse
centinaia di milioni di anni luce e fare dei calcoli con questi numeri è
scomodo. Il parsec, la cui definizione matematica è molto complessa,
equivale a 3,26 anni luce. Nonostante non ci sia molta differenza con gli
anni luce, il parsec possiede dei multipli: kiloparsec, megaparsec,
gigaparsec. Con queste unità di misura le galassie distano qualche decina
di megaparsec. Quindi con il parsec è possibile eseguire velocemente i
calcoli astronomici.
§§4: Il Big Bang
La teoria più accreditata
sulla nascita dell’Universo
è quella del Big Bang.
Questa spiegazione è stata
dedotta dalle osservazioni
dirette che sono state fatte
e che vengono eseguite
quotidianamente
dai
telescopi spaziali e da
quelli terrestri. Infatti si
nota che tutte le galassie si stanno allontanando una dall’altra con velocità
proporzionale con la distanza, come se fossero posizionate sulla superficie
di un palloncino che si sta gonfiando. Se noi procediamo a ritroso nel
tempo con le simulazioni matematiche, le galassie si avvicinano sempre di
più fino a toccarsi tutte, poi si toccano le stelle, i pianeti e infine gli atomi.
Questa sorta di brodo primordiale ha una temperatura elevatissima e una
pressione enorme. Se noi procediamo ancora, arriviamo ad un punto in cui
l’Universo è diventato una singolarità, ovvero un punto privo di
dimensioni con temperatura e pressione infinite. Si crede quindi che
l’Universo si sia formato da questa singolarità che ad un certo punto, non
si sa come, sia esploso e abbia dato inizio alla storia dell’Universo. Le
teorie sono piuttosto traballanti perché procedendo all’indietro con le
simulazioni, si arriva ad un punto in cui le nostre leggi della fisica e le
nostre conoscenze non sono più valide: a quel punto si procede a tentoni!
§§5: Le galassie
Le galassie sono i mattoni fondamentali
dell’Universo. Sono come delle isole,
infatti fra una galassia e l’altra c’è il
vuoto assoluto. All’interno di una
galassia ci sono stelle, nubi di gas,
pianeti, ammassi stellari eccetera. Le
galassie che sono sensibilmente
collegate fra loro tramite la forza di gravità fanno parte di un ammasso. Più
ammassi legati fra loro formano i superammassi. La nostra Via Lattea,
insieme ad una ventina di altre galassie vicine forma quello che viene
chiamato gruppo locale. Possiamo dire che è il nostro quartiere nello
spazio. Il nostro gruppo locale è a sua volta situato in un immenso
superammasso chiamato superammasso della Vergine. I superammassi,
secondo le ultime teorie, si riunirebbero a loro volta formando gigantesche
strutture cosmiche. Un esempio è la Grande Muraglia, ovvero un cordone
enorme di galassie lungo circa 500 milioni di anni luce. Esistono diversi
tipi di galassie. Le galassie spirali sono quelle con un nucleo centrale
luminoso e i bracci che dipartono subito dal nucleo. Le spirali barrate
sono quelle che presentano una barra centrale da cui dipartono i bracci. Le
galassie ellittiche sono le galassie che non presentano bracci ma solo un
nucleo parecchio luminoso. Secondo gli ultimi studi, al centro di molte
galassie troverebbe posto un buco nero supermassiccio.
§§6: L’espansione dell’Universo
Se noi puntiamo una galassia con il nostro
telescopio e misuriamo la sua velocità (ciò è
possibile
con
metodi
spettroscopici
complessi) notiamo che si sta allontanando da
noi. Se ripetiamo la stessa osservazione per
altre galassie e poi confrontiamo i valori,
noteremo che la velocità di allontanamento è
direttamente proporzionale alla distanza.
Questo significa che più una galassia è distante, più si allontana
velocemente. Possiamo quindi concludere che l’universo si sta espandendo
con un moto accelerato. Quest’ultima è una prova indiretta del Big Bang.
Una cosa che inoltre non conosciamo è la forma dell’Universo. Potrebbe
essere chiuso, quindi approssimabile ad una sfera; piatto, come un foglio;
oppure iperbolico, ovvero a forma di sella di cavallo. La forma
dell’Universo è dovuta esclusivamente al valore della sua densità. In
questo momento sappiamo che la densità è all’incirca quella dell’acqua (1
grammo al centimetro cubo).
§§7: La radiazione cosmica di fondo
La radiazione cosmica di fondo è, se
così si può dire, l’energia prima che
permea tutto l’Universo. E’ infatti il
residuo di radiazioni prodotte dal Big
Bang. E’ stata scoperta nel secolo
scorso per puro caso, ascoltando il cielo
con antenne radio. Gli astronomi che l’hanno scoperta si sono accorti che
questa radiazione non è collegata ad alcun oggetto fisico, come stelle o
galassie. Infatti l’energia permea anche gli spazi intergalattici che sono
sostanzialmente vuoti (densità media = 1 atomo per metro cubo). La
radiazione cosmica di fondo è anche isotropa, ovvero è uguale in ogni
punto dello spazio. Si tratta quindi di una forma di energia completamente
omogenea.
§§8: Nascita, vita e morte delle stelle
Le stelle sostanzialmente nascono tutte nello stesso modo. All’inizio è
presente una nube di gas in rotazione. La nube, se ha determinate
caratteristiche, inizia a comprimersi. Gli atomi si avvicinano sempre di
più, fino a quando la forza repulsiva viene vinta dalla pressione. Gli atomi
non si respingono più, ma si fondono insieme. La fusione nucleare è
iniziata. La stella inizia a guadagnare sempre
più massa, assorbendo il gas in eccesso nella
nube. Dopo una prima fase di accrescimento, la
stella si stabilizza e continua la fusione di due
atomi di idrogeno per formare uno di elio.
Questo processo libera una enorme quantità di
energia che tiene in vita la stella. La vita media
di una stella è di circa 10 miliardi di anni,
durante i quali la stella è stabile. Quando la
stella esaurisce tutto l’idrogeno, non è più
possibile formare elio. A quel punto inizia la
fusione dell’elio che produce carbonio e successivamente ossigeno
continuando lungo la tavola periodica. Tuttavia le stelle riescono a fondere
materiale fino a formare il ferro: dopo non è più energeticamente
vantaggioso. La stella quindi si comprime e successivamente si espande
diventando una gigante rossa. Una stella può avere diverse sorti: se la
stella è poco massiccia si forma una nebulosa planetaria o una nana bianca.
Se è massiccia esplode formando una supernova. Alcune stelle possono
degenerare in un buco nero.
§§9: Gli ammassi stellari
Non è raro osservare il cielo e notare che ci
sono punti in cui sono presenti più stelle.
Questi oggetti sono ammassi stellari. Ci sono
due categorie di ammassi: gli ammassi aperti e
gli ammassi globulari. I primi sono formati da
stelle relativamente giovani e con una
formazione comune. I secondi sono invece
formati dalle stelle più antiche dell’Universo. I
primi si trovano disposti più o meno
omogeneamente all’interno della galassia; gli
ammassi globulari sono distribuiti all’interno di
un guscio sferico che circonda la galassia. Questo guscio prende il nome di
alone galattico. Studiando le stelle contenute negli ammassi globulari si
possono ripercorrere le tappe di formazione della galassia stessa. Le
differenze visive: gli ammassi aperti sono costituiti da stelle abbastanza
distanti fra loro, mentre gli ammassi globulari sono formati da stelle
vicinissime fra loro.
§§10: Le nebulose planetarie
Le nebulose planetarie sono lo stadio finale della vita di una stella. Sono
caratterizzate dalla presenza di un anello di gas che circonda una stellina
centrale. L’anello è stato espulso dalla stella durante la sua espansione
finale.
§§11: Le supernovae
Le supernovae sono delle esplosioni stellari causate da stelle massicce. La
loro luminosità può superare quella dell’intera galassia che le ospita. Le
supernovae hanno la proprietà di raggiungere tutte la stessa luminosità
intrinseca (cioè a distanza costante) quindi è facile calcolarne la distanza
misurando lo splendore apparente.
§§12: I buchi neri
I buchi neri sono oggetti misteriosi del cosmo. Si sa molto poco della loro
struttura. I buchi neri sono definiti come oggetti con una tale gravità che
nemmeno la luce può sfuggire al loro campo gravitazionale. E poiché la
luce non può fuggire, ci appaiono completamente neri. Per questo non
possono essere osservati direttamente, ma solo gli effetti che producono su
stelle vicine.
