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Laboratorio di Astrofisica: Introduzione al Corso
Overview della nostra attuale visione dell’Universo basata sulla fisica
Topics:
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. Solar System
Stars
Other “deep sky” objects
Interstellar Medium
Our Galaxy
Other galaxies
Black Holes and AGN
Dark Matter
Cosmology
In questa lezione, una semplice visione d’insieme: Il campo è “sterminato” ! Su ArXiv ( h@p://ArXiv.org ): Cosmology and Extragalactic Astrophysics; Earth and Planetary Astrophysics; Galaxy Astrophysics; High Energy
Astrophysical Phenomena; Instrumentation and Methods for Astrophysics; Solar and Stellar Astrophysics
10.000 arGcoli/yr
INCIPIT METODOLOGICO: le domande che ci dovremmo sempre fare Come facciamo a saperlo ? Come lo abbiamo misurato ? E’ un dato o una ipotesi ? Quanto l’ipotesi (teoria) è accreditata ? 1. Sistema Solare Formazione: Collasso di una nube molecolare (H2, CO, NH3, etc.) avvenuto circa 4.6109 yr ago. Composizione: Sole (stella di Gpo G2) + 8 pianeG: Mercurio, Venere, Marte, Terra, Giove, Saturno, Urano, Ne@uno Alcuni numeri importanG: Massa del Sole: M ≈ 21030 kg (330.000 massa Terra) Luminosità: L ≈ 3.81026 W Raggio: R ≈ 750.000 km Distanza Sole-­‐Terra: 1AU (Unità Astronomica) ≈ 1.5108 km ≈ 8 m 19 s (≈ 1.610-­‐5 ly) Raggio orbita Ne@uno ≈ 30 AU Distanza raggiunta dal Voyager 1 ≈ 100 AU Confini estremi del Sistema Solare: Nube di Oort (ipotesi) ≈ 50.000 AU h@p://en.wikipedia.org/wiki/Solar_System Cerchiata, la Terra fotografata dal Voyager 1 da circa 40 AU (Pale Blue Dot)
Leggi di Keplero (I) (Astronomia Nova, 1609) I piane; si muovono su orbite elli=che di cui il sole occupa uno dei fuochi r = p/(1 + ε cos θ) Deriva dalla seconda legge della dinamica: Tu@e le soluzioni di equazioni differenziali del Gpo ma ~ 1/r2 sono sezioni coniche Leggi di Keplero (II) (Astronomia Nova, 1609) Il raggio veDore che congiunge il pianeta al Sole spazza aree uguali in tempi uguali La velocità areolare è costante: dA/dt = cost. =(rxv)/2 Deriva dalla conservazione del Momento Angolare, che vale per tuo i moG a forza centrale in cui il momento delle forza è nullo. Legge di Keplero (III) (Harmonice Mundi, 1618) I cubi dei semiassi maggiori delle orbite sono proporzionali ai quadra; dei periodi di rivoluzione a3 ~ p2 Deriva dalla seconda legge della dinamica e dalla legge di gravitazione universale. Si può facilmente dimostrare nell’ipotesi semplificata che il moto sia circolare, ponendo: (GMm)/r2 = macentrifuga (En passant: G ≈ 6.710-­‐11 m3kg-­‐1s-­‐2) o anche, applicando la conservazione dell’energia a un potenziale U(r) che va come 1/r: U(r) + Ek = cost. (Ek = energia cineGca) Esercizio: Provate a ricavarlo! 2. STELLE
Proxima Centauri: 4.24 ly ≈ 262.500 AU (1ly ≈ 63.000 AU) Osservazione e studio delle stelle Posizioni (oss. visuali) MoG propri (telescopio) Distanze (telescopio, spe@roscopio) Stru@ura fisica (composizione, temperatura, raggio, etc.), Evoluzione (strumenG di misura di flussi e di spe@ri) Diagramma di Hertzsprung-­‐Russell Evoluzione stellare
… Stelle supergiganti
R136a1 in the R136 star cluster: 265 M ?
The R136 star cluster hosts several stars whose individual masses greatly exceed the accepted 150
Msun stellar mass limit
Paul A Crowther (Sheffield), Olivier Schnurr (Sheffield, AIP), Raphael Hirschi (Keele, Tokyo), Norhasliza Yusof
(Malaya), Richard J Parker (Sheffield), Simon P Goodwin (Sheffield), Hasan Abu Kassim (Malaya)
arXiv:1007.3284v1
Stelle in ammassi M45 M44 M13 Omega Centauri Doppio ammasso in Perseo
3. Altri oggeo di “cielo profondo” M42 Nebulose a emissione (M16) Nebulose (polveri) in assorbimento
Horse Head Nebula Residui di supernova (M1) Eskimo Nebula M57 N
e
b
u
l
o
s
e
p
l
a
n
e
t
a
r
i
e
NGC6543 IC418 … e altri ogge< “nebulari” (M51) 4. Mezzo Interstellare
Soprattutto H (HI: neutro, HII: ionizzato, H2: molecolare)
Altri elementi (O, N, He, etc.)
Ma anche molecole spesso raggruppate in nubi molecolari (H2 e altre molecole più complesse, es.:
PAH Idrocarburi policiclici aromatici)
Polveri (Silicati, Grafite, etc., con dimensioni da alcuni µm in giù)
Effetto sulla luce
Attenuazione (Estinzione) e Arrossamento
5. La nostra Galassia (Milky Way)
Bulge
M = about 5÷101011 M M about 100.000 ly ≈ 30 kpc about 27.000 ly Disco
About 1.000 ly Esercizio:
Supponendo che nella Galassia ci siano circa 100 miliardi di stelle e che la
loro dimensione media sia pari a quella del Sole, calcolare (in anni luce) il
raggio della sfera che occuperebbero se fossero messe tutte l’una accanto
all’altra.
6. Le altre galassie (la dimensione cosmologica)
M31 Andromeda Galaxy
Edwin Hubble seated at the 100-­‐inch Hooker telescope at Mt. Wilson Observatory Classificazione di Hubble
Stima: circa 100 miliardi di galassie
Campo di galassie fotografate dal telescopio spaziale Herschel
7. Buchi Neri e Nuclei Galattici Attivi (AGN)
Radio (1 m)
X (Chandra)
IR (very high resolution)
Il centro della Via Lattea
Orbite di stelle attorno al centro della Galassia
Dai parametri orbitali: Mcentrale≈ 3.7106 M A.M.Ghez et al., Astrophys.J.620:744-757,2005
Gli spettri delle galassie
In alcuni casi: righe di emissione molto intense, eccesso ultravioletto (+ X rays +
γ rays), lobi radio, etc.
In molti casi l’emissione proviene da una regione centrale molto piccola
della galassia (Nuclei Galattici Attivi – AGN) – sotto: Il caso di un Quasar
(Quasi-stellar)
AGN – modello unificato
8. Materia Oscura
Curva di rotazione della Galassia In rosso la curva teorica (tenendo conto di stelle e gas) In blu la curva sperimentale… Materia Oscura? v(R) =
v(R) = R
4 π ⋅ G⋅ ρ
3
0
= K⋅ R
v(R) = R
4 π ⋅ G⋅ ρ (R)
3
G⋅ M
∝
R
1
R
Esercizio:
Ricavate le relazioni precedenti per la rotazione galattica, supponendo che la
quasi totalità della massa sia concentrata in una sfera di raggio R0 con
densità costante (ricavare la velocità per ogni punto dentro la sfera e fuori
della sfera).
Come dovrebbe variare con R la densità di materia fuori della sfera per avere
una curva di rotazione piatta?
Nel 1936, Fritz Zwicky applica il
Teorema del Viriale all’ammasso di
galassie delle Chioma (Coma Cluster) e
scopre che ci dovrebbe essere molta più
massa di quella che si osserva….
9. Cosmologia
Misura di distanze (uno dei problemi centrali dell’astrofisica)
Misura di velocità (radiali)Spettroscopia
λo − λ e
v
E e − E o ΔE
=z≈ →
=
λe
c
Eo
Eo
v = Hd H≈ 75 km s-­‐1 Mpc-­‐1 Distribuzione della materia nell’Universo (cubo di circa 500 Mpc di lato)
Mappa delle anisotropie della radiazione cosmica di fondo (dati WMAP)
“Benchmark” Standard Model:
Ω0 = Ωr,0 + Ωm,0 + ΩΛ,0 = 8.410-5 + 0.3 +0.7
Come abbiamo compreso tutto questo (e molto altro?...)
Sviluppo di telescopi sempre più grandi e sofisticati
(Lezioni su: Telescopi, Ottica, Montature)
Sviluppo di rivelatori
(Lezioni su: CCD)
Sviluppo di strumenti (computer) e tecniche di analisi dei dati
(Lezioni su: Software vari e risorse di rete)
Estensione della capacità di osservare (acquisire dati) in bande spettrali sempre più
ampie, soprattutto con telescopi nello spazio
(Lezioni su: tecniche osservative in diversi intervalli spettrali)
Buone idee…
(ragionare da fisici: tutto il corso)
Alcune letture consigliate
Mike Inglis, L’astrofisica è facile!, Springer-Verlag italia, 2009 (Inglis Mike, Astrophysics is Easy!, Springer-Verlag)
Un testo divulgativo d’introduzione generale all’astrofisica
Alessandro Boselli, Alla scoperta delle galassie, Springer-Verlag italia, 2010
Divulgativo specifico sull’astronomia extragalattica
Fulvio Melia, Il buco nero al centro della nostra galassia, Bollati Boringhieri, 2005
Divulgativo avanzato sugli studi astrofisici dedicati al centro della Via Lattea
Amedeo Balbi, La musica del Big Bang, Springer-Verlag Italia, 2007
Divulgativo sugli studi più recenti dedicati al fondo di radiazione cosmica
Martin Rees, Il nostro ambiente cosmico, Adelphi, 2004
Divulgativo su Cosmologia e considerazioni generale sull’Universo e gli Universi
N.Degrasse Tyson, D.Goldsmith, Origini, Codice Edizioni, 2005
Un percorso di quattordici miliardi di anni dall’origine dell’Universo fino all’origine della vita
Giuseppe Gavazzi, La colorata lentezza delle galassie, Marsilio, 2008
L’autobiografia personale e scientifica di un astrofisico
George Johnson, Le stelle di Miss Leavitt, Codice Edizioni, 2006
La storia poco nota di una donna che ha dato un contributo importante alla moderna astrofisica
Michael Hoskin (a cura di), Storia dell’astronomia, Rizzoli, 2009 (una copia in Biblioteca BAST)
Una buona storia dell’astronomia, necessariamente succinta, ma ben scritta e rigorosa
Testi tecnici per eventuale consultazione e approfondimento
Carrol B.W.,Ostlie D.A. , An Introduction to Modern Astrophysics, AddisonWesley, ISBN 0805304029, seconda edizione 2006
(varie copie della precedente edizione disponibili in Biblioteca BAST)
S.B.Howell, Handbook of CCD Astronomy, Cambridge Observing Handbook
for research Astronomers, 2006
(una copia in Biblioteca BAST)
