Progetto – Il Cielo come Laboratorio (UniPd)
Incontri Luce Dalle Stelle 2016/17(INAF-UniFi)
Lunedi’ h 15-17 -- http:www.arcetri.astro.it/~romoli/LDS2016
1. A come Astronomo: i corpi celesti, i telescopi, i computers (Corbelli-Romoli)
2. Osservare le stelle: magnitudini, classificazione (Marco Romoli)
3. La vita delle stelle: diagramma HR, evoluzione, nucleos. (Daniele Galli)
4. L’universo che evolve: spettroscopia e chimica (Laura Magrini)
5. Dalle nebulose alle galassie: storia, luce e materia oscura (Edvige Corbelli)
6. Cosmologia e le onde gravitazionali (Guido Risaliti)
7.
8.
9.
L'astrofisica ad Arcetri: visita, ricerche, osservazioni - 2 Turni 1-2
Febbraio 2017
TEST : Lunedi’ 6 febbraio 2017 dalle 15 alle 17
VIRGO x tutti e osservazioni ad Asiago e Loiano per gruppi selezionati:
date da decidere
Teoria della Relatività Generale:
Un nuovo concetto di gravità
Cosmologia:
Studio dell’Universo
nel suo insieme
Onde Gravitazionali:
Fluttuazioni di gravità
che attraversano lo
spazio
Relativita'speciale
UnateoriasulleLEGGI fisiche
Grandezzefisiche:quantita’ MISURABILIchedescrivonounsistema
Valoridellegrandezzefisiche:MISUREditaligrandezze
LEGGIfisiche:relazionimatematichefraivaloridellegrandezzefisiche
Ivaloridellegrandezzefisichecambianoasecondadelsistemadi
riferimento.Cosaaccadealleleggi?
1) Tutte le leggi della fisica sono le stesse in tutti i sistemi inerziali
2) La velocita’ della luce nel vuoto e’ sempre la stessa
indipendentemente dal moto della sorgente o dell’osservatore
àConseguenze: la velocita’ della luce nel vuoto e’ la massima possibile
Ad ogni massa corrisponde un’energia “di riposo”
E=mc2
Relativita' Generale: un nuovo concetto di gravita'
Che cos’e’ la massa ???
Rispostan.1:Lamassae’ lagrandezzacheindicaquanto
uncorpo“resiste’’ alcambiamentodelpropriostatodi
moto:MASSAINERZIALE
Rispostan.2:Lamassae’ lagrandezzacheindicaquanto
uncorpoe’ attrattoinuncampogravitazionale:MASSA
GRAVITAZIONALE
Relativita' Generale: un nuovo concetto di gravita'
Massa inerziale = massa gravitazionale
F=ma
F=mg
PRINCIPIO DI EQUIVALENZA:
Le leggi della fisica sono le stesse in tutti i sistemi
di riferimento uniformemente accelerati
AlbertEinstein,1906-1915
PrincipiodiEquivalenza
Unqualsiasiesperimentofatto
dentrounrazzocheacceleracon
un’accelerazionepariaquelladi
gravita’,e’ identicoaunofattosulla
terra
Relativita' Generale: un nuovo concetto di gravita'
Principio di equivalenza: le leggi della fisica sono le stesse in tutti
i sistemi di riferimento uniformemente accelerati
A
A
g
B
-g
B
Segnali luminosi
intermittenti
(per esempio 1 ogni
secondo)
da A e da B
Relativita' Generale: un nuovo concetto di gravita'
L
D
L
t=2
c
2
1
L
2
g-g D = gt = 2g 2
2
c
D
g
=2 2 L
L
c
10
−16
L!!!
Relatività Generale: un nuovo concetto di gravità
Non un’azione a distanza fra masse, ma un’alterazione dello spazio-tempo
Relatività Generale: un nuovo concetto di gravità
Non un’azione a distanza fra masse, ma un’alterazione dello spazio-tempo
Relatività Generale: un nuovo concetto di gravità
Non un’azione a distanza fra masse, ma un’alterazione dello spazio-tempo
Relativita' Generale: calcoli complessi….
Esempio: la derivata di un vettore spostamento, e’ la variazione del
vettore in un intervallo infinitesimo di tempo. In altre parole, devo
misurare il vettore al tempo t, misurarlo ancora al tempo t+dt, e poi
calcolare la differenza. Ma al tempo t+dt il vettore si trova in un altro
punto dello spazio-tempo, quindi con un’altra metrica. Quale metrica uso
per misurare la variazione?
Soluzione: devo calcolare la
variazione dopo aver riportato
il vettore all’istante t+dt nello
stesso punto dello spaziotempo del vettore all’istante t.
Nel fare questo, la misura del
vettore cambiera’ per effetto
della variazione della metrica.
Relatività Generale: propoagazione delle fluttuazioni
Non un’azione a distanza fra masse, ma un’alterazione dello spazio-tempo
Onde gravitazionali: perdita di energia di pulsar
ruotanti (premio Nobel 1993)
Onde gravitazionali: misura diretta, come fare ?
Onde gravitazionali: misura diretta, come fare ?
LIGO
Onde gravitazionali: misura diretta, come fare ?
VIRGO
Onde gravitazionali: rivelazione
Onde gravitazionali: rivelazione
Onde gravitazionali: futuro
Onde gravitazionali: futuro
Cosmologia moderna
Modello
Cosmologico:
Osservazioni:
Paradosso di Olbers
Principio Cosmologico
Legge di Hubble
Radiazione Cosmica di
fondo
Soluzioni delle Equazioni di
Einstein per una
distribuzione omogenea e
isotropa di massa (ed
energia)
UNA SCIENZA OSSERVATIVA
IlParadossodiOlbers
Perchè il cielo di notte è buio?
Se l’universo fosse infinito, ogni direzione di vista
dovrebbe prima o poi incontrare la superficie di una
stella.
Il cielo notturno dovrebbe essere tanto brillante
quanto la superficie di una stella.
Ogni corpo nell’universo dovrebbe essere alla
temperatura media della superficie di una stella.
Osservazioni
Il cielo di notte è buio.
L’universo è (prevalentemente) freddo.
Conclusioni
L’universo deve aver avuto un inizio. Noi vediamo
solo gli oggetti distanti per i quali la luce ha avuto il
tempo di arrivare fino a noi.
L’universo visibile è finito.
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IlPrincipioCosmologico
Basandoci su molte evidenze osservative si può dedurre che, su grande
scala, l’universo è:
Isotropo: la struttura a grande scala dell’universo è uguale in tutte le
direzioni;
Omogeneo: le proprietà fisiche generali dell’universo sono le stesse in
tutti i punti dell’universo.
Principio Cosmologico
L’universo è omogeneo e isotropo
Qualsiasi osservatore, ovunque si trovi nell’universo, vedrà sempre le
stesse caratteristiche.
L’universo non ha limiti né centro.
Infatti la legge di Hubble non comporta che noi siamo il centro
dell’universo ma solo che le galassie si allontanano tra loro.
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LaLeggediHubble
Su grandi scale, le galassie si
stanno allontanando con velocità
proporzionale alla distanza.
Osservazioni chiave
Tutte le galassie si allontanano tra
loro (non c’è un centro di
espansione).
Lo stesso spazio-tempo si sta
espandendo e sta portando le
galassie con se.
Legge di Hubble: Vr = H0 d
Vr = velocità di recessione (km/s)
d = distanza (Mpc)
H0 = 70 km/s/Mpc (costante di Hubble)
I redshift cosmologici non sono
dovuti all’effetto Doppler ma
sono causati dall’espansione
dello spazio (→ aumenta le λ).
27
L’Espansionedell’Universo
L’espansione NON è dovuta al
moto delle singole strutture
(galassie).
Le galassie, gli ammassi ed i
superammassi si allontanano
perchè lo spazio stesso si
espande.
La Via Lattea si sta
espandendo? E noi?
28
IlRedshiftCosmologico
Il redshift cosmologico NON è dovuto
ai moti relativi delle galassie (non è
uno spostamento Doppler).
E’ causato dall’espansione dello
spazio.
Il redshift z è una misura diretta
dell’espansione:
ovvero z determina la distanza.
Esempio: quasar a z=2
λ/λ0 = 1+z = 3
La distanza rappresentativa è
Sz=2 = Sz=0 /3
29
“Big Bang”
Stato iniziale caldissimo con materia ed energia concentrate
ABBONDANZA He/H
Radiazione cosmica di fondo
LaGeometriadell’Universo
Ω0>1, geometria
“chiusa”, la
curvatura dello
spazio è positiva →
raggi paralleli
convergono;
Ω0=1, geometria
“piatta”, curvatura
nulla → raggi
paralleli restano
paralleli;
Ω0<1, geometria
“aperta”, curvatura
negativa → raggi
paralleli divergono.
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L’UniversoèPiatto!
Le fluttuazioni del fondo
cosmico forniscono la
chiave per conoscere la
geometria dell’universo.
Le dimensioni delle zone
“calde” del fondo cosmico
sono in accordo con le
predizioni della teoria e
dimostrano che
Ω0 = 1.0 entro il 2% ovvero
ρ0 ≈ ρC =
9.5×10-27 kg m-3
Ω0>1
più grandi
Ω0=1
uguali
Ω0<1
più piccole
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L’Universoèinespansioneaccelerata!
