Possiamo capire Possiamo capire l’Universo?l’Universo?

Catalina CurceanuCatalina CurceanuLNF-INFNLNF-INFN

Summer Camp AISTAPSummer Camp AISTAP10-12 Luglio 201310-12 Luglio 2013

L’Universo è L’Universo è StazionarioStazionario o in o in Evoluzione?Evoluzione?

(L’età dell’Universo) (L’età dell’Universo)

Quali sono le dimensioni dell’Universo?Quali sono le dimensioni dell’Universo?

L’Universo di cosa è fatto ?L’Universo di cosa è fatto ?

Le Dimensioni Le Dimensioni dell’Universodell’Universo

Nel 1755 Kant postulò l’esistenza di Nel 1755 Kant postulò l’esistenza di remoti ammassi di stelle, “gli universi remoti ammassi di stelle, “gli universi

isola”isola”

Ancora nel 1924 si pensava che l’intero Ancora nel 1924 si pensava che l’intero universo avesse un diametro di universo avesse un diametro di 200.000 anni200.000 anni

luce e fosse composto da luce e fosse composto da 3 sole galassie3 sole galassie

Dalla scoperta del telescopio il Dalla scoperta del telescopio il progresso tecnologico ha progresso tecnologico ha “allontanato” sempre più i “allontanato” sempre più i

confini dell’universoconfini dell’universo

Dal 1990 the Hubble Space Telescope Dal 1990 the Hubble Space Telescope raccoglie spettacolari immagini raccoglie spettacolari immagini

dell’universo profondodell’universo profondo

Edwin Hubble

abell2218 blu

Galassie a Spirale Galassie a Spirale

Galassie Ellittiche Galassie Ellittiche

Galassie LenticolariGalassie Lenticolari

Galassie Irregolari, come la Nube di Galassie Irregolari, come la Nube di MagellanoMagellano

La luce non viaggia a velocità infinita:

la luce che noi riceviamo di una galassia lontana, per esempio, 5 miliardi di anni luce da noi, porta con sé l'immagine di quella galassia quale era 5 miliardi di anni fa, poiché tanto ha impiegato il raggio luminoso per giungere fino alla Terra.

Nell'universo, spazio significa Nell'universo, spazio significa tempo e viceversatempo e viceversa

10 anni luce

100 anni luce

1000 a. l.

10 000 a. l.

100 000 a. l.

1000 000 a. l.

10 000 000 a. l.

100 000 000 a. l.

1 miliardo a. l.

NGC 1068

NGC 4051

NGC 4151

NGC 3565

NGC 7469

Buchi neri, stelle di neutroni e gas caldo si vedono in raggi X

Nascita di una stellaNascita di una stella

* Modelli di Evoluzione stellare *

SN 1987A

Esplosione di una Esplosione di una SuperNovaSuperNova

* Emissione di neutrini ed onde gravitazionali*

Immagini spettacolari del vento Immagini spettacolari del vento stellare che illumina una regione di stellare che illumina una regione di

spaziospazio

Cen A

in radio

emiss. nontermica(sincrotrone)

Modello “faro” di T. Gold

Se l’asse di rotazione è inclinato rispettoall’asse magnetico, ogni volta che, nelcorso della sua rotazione, uno dei poli mmagnetici è rivolto verso la Terra, noi riceviamo un impulso, perché gli elettronie i protoni sono ancora liberi e non Impacchettati in neutroni, sfuggono lungo le linee di forza del campo magnetico, emettendo

RADIAZIONI SINCROTRONE

Ogni pulsar ha la sua personalità: alcune presentano impulsi doppi, altre hanno un Impulso più debole tra due impulsi. Pulsar piùgiovani hanno periodi più brevi perchè la v dirotazione diminuisce col tempo

10-15 m

10-10 m

Se il nucleo atomico fosse grosso come me l’elettrone sarebbe una zanzara che ruota intorno a me su un cerchio con un diametro Firenze-Corsica. L’altro uomo-nucleo vivrebbe nel Lazio con una zanzara a 100 km……. La materia ordinaria è quindi VUOTA(Ordinary Matter is Empty)

Differenza abissale tra la materia ordinaria e quella collassata

10-15 m

10-10 m

La materia collassata ha tutti i nuclei (o meglio i neutroni – ma non importa) uno accanto all’altro………

(Collapsed Matter is Full)

Differenza abissale tra la materia ordinaria e quella collassata

Pesa 100 Miliardi di Tonnellate !!!

Le pulsar sono oggetti con queste densità con 20 km di raggio che possono compiere decine e centinaia di giri al secondo su loro stesse

Anche la velocità è un parametro da cui dipende l’emissione

Mappa dellevelocita’di rotazioneattorno a un buco nero

Nel 1929, l'astronomo americano Edwin Hubble mostrò che l'universo è in espansione. Misurando la distanza che ci separa da galassie lontane, provò a stabilire a quale velocità si stessero allontanando.

Il Red Shift Il Red Shift

Telescopio di Hubble

Pensate a quando passa un'ambulanza e il suono della sirena diventa da più acuto più grave: è l'"effetto Doppler", dovuto alle variazioni della lunghezza delle onde a seconda della distanza della fonte sonora.

L' "effetto Doppler"L' "effetto Doppler"

Poiché la luce ha natura ondulatoria, quando la sorgente luminosa si allontana, la lunghezza d'onda aumenta e la luce che percepiamo si sposta verso il colore rosso (nello spettro della luce, le componenti rosse hanno lunghezza d'onda maggiore e quelle blu-violette minore).

L' "effetto Doppler"L' "effetto Doppler"

 Nel 1946 l'americano di origine russa George Gamow (1904-1968) propose la teoria del Big Bang per spiegare l'origine dell'universo.

Questa teoria sostiene che l'universo è nato da una palla di fuoco di altissime densità e temperatura: un superconcentrato gassoso di particelle atomiche come neutroni e protoni da cui si sarebbero formati gli elementi chimici attuali.

Il Big BangIl Big Bang

The Big Bang ModelThe Big Bang Model

Nascita del tempo e dello Nascita del tempo e dello spaziospazio

Un evento che diede inizio alla scala del tempo e dello spazio. Di conseguenza in origine tutto doveva essere concentrato in un minuscolo punto, dalla densità e gravità infinite, dove il tempo e lo spazio erano pari a zero e la temperatura dell'ordine di miliardi di miliardi di gradi.

Cosa ci fosse prima rimane per ora un mistero, visto che nemmeno gli scienziati avanzano ipotesi, ritenendo i momenti anteriori a tale istante come inconoscibili ed inspiegabili da qualsiasi teoria.

Il Big Il Big BangBang

Il Big Bang non è stato un esplosione nello spazio, ma l’espansione dello spazio.

Durante l’era dell’inflazione (10-35 sec.) l’universo si è espanso fino alle dimensioni di un grosso pompelmo.

10-35 sec.

ERA DELL’INFLAZIONE

Il Big BangIl Big Bang

ERA DEI QUARK In questa fase si sono

formate dall’energia moltissime copie di quark e antiquark, che si annichilivano ridiventando energia.

10-6 sec. annichilazione di materia e anti-materia

• I PRIMI PROTONI E NEUTRONI• Dopo 1 μs l’universo era

abbastanza freddo perché i quark potessero combinarsi e formare particelle più massicce: protoni e neutroni

Il Big BangIl Big Bang

1 sec.

I quark formano Adroni, elettroni e neutroni

• Subito dopo entrarono in gioco le forze fondamentali dell'universo, ed alla già esistente forza gravitazionale, che regola l'attrazione fra le masse, si aggiunsero le altre tre che insieme a questa governano l'universo: – la forza debole, che agisce a

livello atomico, – la forza forte che governa i

nuclei atomici, – la forza elettromagnetica

responsabile di tutti i fenomeni elettromagnetici quali la luce, le onde radio, ecc...

Il Big BangIl Big Bang

LE FORZE FONDAMENTALI

• ERA DELLA NUCLEOSINTESI

• In questa fase i neutroni si sono gradualmente trasformati in protoni. Mentre la temperatura dell’universo si abbassava, gradualmente i neutroni si combinavano con i protoni per formare i primi nuclei di elio ognuno formato da 2 protoni e 2 neutroni.

Il Big BangIl Big Bang

100 sec. NUCLEOSINTESI

Dopo alcune centinaia di migliaia di anni, l'universo era divenuto ancora meno denso e più freddo, avveniva la "ricombinazione", i protoni e gli elettroni si combinavano per creare i primi atomi di idrogeno.

Finiva a quel punto la prima parte della storia dell'universo, quella dominata dalla radiazione, ed iniziava "l'era della materia" che vedeva l'aggregazione delle particelle nelle prime forme atomiche, mentre i fotoni, liberi ormai da ogni vincolo, potevano così irradiarsi in tutte le direzioni sotto forma di radiazione cosmica di fondo.

Il Big BangIl Big Bang

300.000 anni

ERA DELLA MATERIA

I modelli CosmologiciI modelli Cosmologici

1.1. Recollapsing UniverseRecollapsing Universe: l’espansione si ferma e l’universo collassa

2.2. Critical UniverseCritical Universe: non collassa, si espande più lentamente

3.3. Coasting Universe:Coasting Universe: si espande all’infinito con velocità costante

4.4. Accelerating Universe*:Accelerating Universe*: l’espansione è sempre più accelerata con il tempo *teoria attualmente più accreditata

La fine dell’universoLa fine dell’universo

La densità criticaLa densità critica

• Se il valore di Ω sarà al di sotto di 1 non si supererà la densità critica,

• non ci sarà abbastanza materia,

• si proseguirà in un'espansione all'infinito,

• il nostro universo avrà

raggiunto la sua velocità di fuga...

La densità criticaLa densità critica

• Se il valore di Ω sarà maggiore di 1

• la densità reale sarà maggiore delle densità critica

• ci sarà sufficiente materia per generare un'attrazione sempre più forte che porterà verso l'inversione di marcia:

• il BIG CRUNCH ( la grande implosione)

La densità criticaLa densità critica

• Se il valore di Ω sarà uguale a 1

• ad un certo punto la spinta espansionistica dovrebbe rallentare, tendendo a zero senza mai giungervi.

Tuttavia l'espansione sembra accelerare!

Dark Energy ?

Le recenti osservazioni astronomiche forniscono il seguente quadro dell’universo:

Piano ed infinito In espansione accelerata (71 km/sec per

mega parsec)

Età dell’universo 13,7 miliardi di anni Temperatura media del fondo cosmico

2,735 gradi assoluti

La visione attualeLa visione attuale

Dark Energy73%

Dark Matter23%

“Normal Matter”4%

Materia ed energia

L’espansione accelera? L’espansione accelera?

• Gli studi portati avanti indipendentemente da due gruppi distinti, l' "High-z Supernova Search Team" ed il "Supernova Cosmology project“ hanno portato ad una scoperta inaspettata.

Una forza che

si oppone alla gravità