25/05/2012 II Corso di Astronomia (Sothis) - Cosmologia

Crescenzo Tortora

L’Universo: cosa c’è dietro?

ITP Zurich

dentro?

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Hawking si propone di discutere fenomeni (seppur complicati) evitando di usare formule ed equazioni,

seguendo il suggerimento di chi gli diceva che ogni formula avrebbe avuto un impatto negativo sulle vendite

E= m c2

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…tante parole e tanti concetti…

…equazioni e formule…

Fisica

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Separazione tra eventi

Glossario (I)

Sistemi di coordinate

Metrica

distanza euclidea

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Glossario (II)

Anno luce e parsec

Anno luce = distanza che percorre la luce in un anno

Parsec = 3.26 anni luce

cioè 9500 miliardi di km

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• Quanto tempo impiega la luce a viaggiare dalla luna/sole alla terra?

• Come si può misurare la distanza della luna e quindi il suo diametro?

DOMANDA PER VOI

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Glossario (III)

KiloX = 103 X = mille XMegaX = 106 X = 1 milione XGigaX = 109 X = 1 miliardo X

Mpc = 1 milione di parsecGyr = 1 miliardo di anni

G è la costante di Gravitazione Universale

c è la velocità della luceII Corso di Astronomia (Sothis) - Cosmologia25/05/2012

Cosmologiakósmos = ordine + lógos = discorso ordine

Universo

La Cosmologica spiega l’origine e l’evoluzione dell’Universo!

E’ una scienza “composita”:1) Astrofisica2) Astronomia3) Relatività ristretta4) Relatività generale5) Fisica delle particelle6) …….

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Cosmogonia = nascita del cosmo

Mito delle origini, Mito della creazione, Mitologia, Leggende, …….

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2 visioni contrapposte

Visione “astro-filosofica”GreciSistema tolemaio (geocentrico)

Universo immutabile ed eterno

Visione “teo-filosofica”Dottrina ebraica e cristianaSant’Agostino

L’universo ha avuto un inizio

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Le prime fondamentali tappe

1915 – A. Einstein pubblicò il primo articolo sulla Relatività generale

1929 – E. Hubble scoprì che le galassie recedono da noi

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Fisica Newtoniana

(II principio della dinamica)

Legge di gravitazione universale

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Moto di pianeti e comete(3 leggi di Keplero)

Caduta di gravi sulla terra

il perielio dell’orbita di Mercurio

la deviazione della luce per effetto della gravità

Cosa funzionava?

Cosa non funzionava?

azione a distanza della gravità Newtoniana

concetto di tempo e spazio assoluti II Corso di Astronomia (Sothis) - Cosmologia25/05/2012

Relatività Generale

Concetto di forza a distanza

Concetto di tempo e spazio assoluto

Un corpo (attraverso la sua massa) perturba lo spazio-tempo (curvatura dello spazio-tempo), che a sua volta esercita “un’interazione” sugli altri corpi

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Equazioni di campo di Einstein

Geometria dello spazio-tempo(generatore dell’interazione)

Distribuzione di massa(sorgente del campo)

Analogia con altre teorie fisiche

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GeodeticheParticelle di piccola massa si muovono lungo geodetiche, che sono le traiettorie nello spazio-tempo curvo

Senza curvatura (senza gravità) le geodetiche sono retteII Corso di Astronomia (Sothis) - Cosmologia25/05/2012

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Tizio

Caio

Sempronio

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Le equazioni di Einstein sono molto complicate da risolvere in casi generali.

Attraverso l’assunzione di simmetrie dello spazio-tempo se ne facilita la risoluzione

Principio CosmologicoScelta opportuna del sistema di riferimento

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“Principio” cosmologicoAssunzioneL'universo è omogeneo e isotropo,

su di una scala opportunamente grande.

pochi metricentinaia di metri

Ci sono verifiche osservative dell’isotropia!!! Le vedremo dopo!

Per l’omogeneità ci aiuta il Principio Copernicano II Corso di Astronomia (Sothis) - Cosmologia25/05/2012

Sistema di riferimento

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Metrica dell’Universo

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Geometria piatta

Geometria sferica

Geometria iperbolica

Fattore di scala

Fattore di curvatura

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Equazioni di campo di Einstein

Per avere un Universo statico…

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E. Hubble

velocità distanzaCostante di Hubble

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Come si misurano le distanze di stelle e galassie?

DOMANDA PER VOI

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1-2 Gyr14 GyrII Corso di Astronomia (Sothis) - Cosmologia25/05/2012

Equazioni di campo di Einstein

“il mio più grande errore”COSTANTE COSMOLOGICA

Per avere un Universo statico…

Ma diciamo che fu “solo” un mezzo errore!

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Evoluzione temporale del fattore di scala

Fluido!!

Metrica spazio-temporale

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Equazioni di Friedmann-Lemaître

Densità del fluido

Pressione del fluido

GEOMETRIA

GEOMETRIA

FLUIDO

FLUIDO

Equazione di stato

Fattore di scalaVelocità

Curvatura

Fattore di scalaVelocità

Curvatura

Accelerazione

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(1922) (1927)

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Equazione del fluido perfetto (analogia con la termodinamica e i gas perfetti)

Fluido??

1) Polvere fredda (particelle non relativistiche)

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2) Radiazione (particelle relativistiche)

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Sep

ara

zion

e t

ra le

gala

ssie

Tempo cosmologico

25/05/2012

Le osservazioni moderneLa radiazione di fondo cosmico

1964 – A. Penzias e R. Wilson scoprono che l’Universo è riempito da una radiazione che ha il suo picco nelle microonde

- Relitto della formazione dell’Universo- Temperatura media di 2.725 kelvin (-270 gradi centigradi)- Su grandi scale è uniforme (principio cosmologico)- Anisotropie che sono un mezzo osservativo potentissimo- L’universo ha una geometria piatta

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Le osservazioni moderneSupernovae Ia1998-1999 – The High-z Supernova Search Team and the Supernova

Cosmology Project scoprono che l’universo ACCELERA!

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Sep

ara

zion

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ra le

gala

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Decelerazione

Accelerazione

Tempo cosmologico

Forma “strana” di energia con equazione di stato

ENERGIA OSCURA

che esercita un’azione di

antigravitàII Corso di Astronomia (Sothis) - Cosmologia25/05/2012

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Parametri fondamentali

Curvatura k Fattore di scala Velocità di espansione (costante di Hubble)

Accelerazione Densità

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Tipicamente si considerano 3 fluidi

1) Materia non relativistica

2) Materia relativistica (radiazione)

3) Energia oscura

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Universo piatto

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materia visibile(stelle e gas interstellare)

MATERIA OSCURA

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Materia ed energia oscura non ancora

osservate direttamente

Teorie alternative della gravità

?II Corso di Astronomia (Sothis) - Cosmologia25/05/2012

DARK ENERGY

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DARK MATTER

DC comicsFuturama

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Grazie per l’attenzione

Ma vi chiedo altri 2 minuti………

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Lensing gravitazionale

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Deformazione

Archi

Immagini multiple

Telescopi naturali II Corso di Astronomia (Sothis) - Cosmologia25/05/2012

“Bello” e potente mezzo per

Masse di galassie e ammassi di galassie

Stima dei parametri cosmologici

Studio di oggetti lontanissimi, magnificati dall’effetto della lente

Evoluzione galattica

Materia oscura

Pianeti extrasolari

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“Testi” da consultare

Introduzione alla cosmologia, F. B. Lucchin

Principles of Physical Cosmology, P.J.E. Peebles (inglese)

Libri divulgativi (ad es. Hawking)

Internet (Google, Wikipedia,….)

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