L’Uomo e il Cosmo:

Agatino Rifatto Astronomo Ricercatore

rifatto@oacn.inaf.it

Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF) - Osservatorio Astronomico di Capodimonte, Napoli

XVII Scuola Estiva di Stilo (RC) “Scienza e Profezia

Un Programma da Fine del Mondo” Stilo (RC) – 23 / 28 Luglio 2012

Venerdì 27 luglio 2012

Una storia d’amore e di catastrofi dalla Galassia Universo all’Universo di Galassie

È una lunga storia quella che lega gli uomini e il cielo.

L’aspirazione dell’Uomo a penetrare i misteri dell’Universo si è manifestata dapprima attraverso i miti e le leggende per assumere, col progredire delle conoscenze scientifiche, forme sempre più complesse e sofisticate.

La curiosità per i fenomeni celesti ha sviluppato le osservazioni, il ragionamento, la logica, la matematica, la filosofia e l’astronomia. Così, i nostri lontani predecessori con il solo strumento della vista e aiutati dalla loro intelligenza, hanno cominciato a stabilire, con rara precisione, misure, dimensioni, forme e movimenti della Terra e degli altri corpi celesti. La nascita dell'astronomia risale sicuramente ai tempi dei Babilonesi.

All'epoca del declino della civiltà mesopotamica, l'astronomia fu uno degli ultimi aspetti culturali di questa società a scomparire. E non scomparì mai completamente. Alcune conoscenze astronomiche furono trasmesse ai greci e utilizzate dai grandi astronomi del passato, come Tolomeo. Molta dell'astronomia e della matematica babilonese era conosciuta e usata in Egitto, ma anche altrove. I risultati raggiunti dall'astronomia babilonese sono tra i successi scientifici più significativi del mondo antico, ma soltanto ora cominciamo a comprendere pienamente di cosa questa scuola astronomica fu capace.

Vale la pena ricordare che si sono occupati di astronomia grandi matematici, astronomi, filosofi, tra i quali ne ricordiamo alcuni come Aristarco, Talete, Ipparco, Eratostene, Tolomeo, Copernico, Keplero, Galileo, Socrate, Platone, Aristotele, Bacone. Tanti grandi nomi della letteratura, della storia e della poesia sono stati attratti ed hanno trovato ispirazione in questa disciplina. Ricordiamo, per esempio, Plutarco, Saffo, Plinio, Seneca, Lucrezio, Ovidio, Virgilio, Giulio Cesare, Cicerone, e tanti altri di cui tratta ampiamente Giacomo Leopardi nella sua opera “Storia dell’Astronomia”.

Nell’introduzione dell’opera di Giacomo Leopardi, “Storia dell’Astronomia”, si legge: ”La più sublime, la più nobile, tra le fisiche scienze ella è, senza dubbio, l’Astronomia. L’uomo si innalza per mezzo di essa come al di sopra di se medesimo, e giunge a conoscere la causa dei fenomeni più straordinari”.

E Ovidio, nelle “Metamorfosi”, ci annuncia che egli vuol prendere il volo verso le stelle:

“……Iuvat ire per alta Astra, juvat, terris,et inani sede relicta,

Nube vehi, validique humeris insistere Atlantis“.

Lo stesso Leopardi, a conclusione dell’opera citata, ricorda il monito di Plinio nella “Historia Naturalis”, che lamentava la negligenza degli antichi nello scrivere la storia dei progressi dello spirito umano nella scienza degli astri. Scrive: “E’ una vera depravazione di spirito, che si ami riempir le carte di narrazioni di guerre, di stragi e di delitti, e non si voglia poi tramandare alla posterità nelle storie i benefici di coloro, che han posto ogni cura nell’illustrare una scienza così utile”. Mosso da questo sì giusto rimprovero, dice Leopardi, intrapresi di scrivere la storia dell’Astronomia.

Nella tradizione mitologica, l’Astronomia è l’unica, tra le discipline NON umanistiche, ad avere una musa: URANIA

Me vero primum dulces ante omnia Musae, quarum sacra fero ingenti percussus amore, accipiant caelique vias et sidera monstrent, defectus solis varios lunaeque labores ... Verg., Georg., II, 475-478

Così Virgilio invoca la Musa, affinché gli si schiudano i segreti del cielo, delle eclissi e delle fasi lunari: è questo, in particolare, il compito che la tradizione attribuisce ad Urania, Musa dell'astronomia, che “eleva la contemplazione dell‘Uomo dalle cose terrestri a quelle celesti donandogli serenità e pace”.

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Nell’antichità, l’universo è stato sempre rappresentato, da Pitagora e fino a Tolomeo (tranne rare eccezioni) da sistemi “chiusi”, costituiti da tutta una serie di sfere concentriche con la Terra, incapsulate una dentro l’altra, dentro le quali sono racchiusi i pianeti conosciuti del sistema solare e le cosiddette stelle fisse.

L’universo di Anassimandro è infinito: a noi pare ovvio ma, in passato, per molto tempo si è pensato che fosse finito. Questa concezione di finitezza dell'universo si era radicato ai tempi dei Pitagorici, che avevano attribuito al termine "infinito" una connotazione fortemente negativa e confusionaria.

Anassimandro (610 A.C. – 546 A.C.)

Anassimandro affermava che il mondo aveva avuto un’origine e che prima o poi sarebbe finito. Aristotele, tre secoli dopo, avrebbe invece affermato che il mondo è sempre esistito e sarebbe sempre esistito. Per Anassimandro il nostro mondo non è il solo nell'universo: per lui l'intera realtà universale è cosparsa di mondi come il nostro. Egli concepiva l'universo come un oceano di apeiron con sparsi qua e là infiniti mondi come il nostro. Questi mondi erano per lui realtà definite e tra l'uno e l'altro c'era l'apeiron.

Secondo Anassimandro (VI sec. A.C.), il tutto ha origine dall’apeiron (letteralmente: ciò che non ha limiti), che trova una sua collocazione fisica alla periferia di un universo sferico al cui centro è posizionata la Terra, dotata di forma cilindrica ed equidistante dalla periferia.

Nel VI sec. A.C., Pitagora da Samo propone una teoria sulla struttura dell'Universo: un fuoco intorno al quale ruotano tutti i corpi celesti, seguendo movimenti ciclici.

Pitagora (570 A.C. – 495 A.C.)

Anassagora (496 A.C. – 428 A.C.)

Secondo Anassagora (V sec. A.C.), tutto ha origine da uno stato di compattezza iniziale cui fa seguito, per intervento di un Principio Primo, un moto di rotazione che determina la separazione delle sostanze che si organizzano in modo tale da originare i vari costituenti dell’Universo.

La cosmologia di Anassagora è dunque anche una cosmogonia (teoria sull’origine dell’Universo).

Secondo Anassagora, “nulla si crea e tutto si trasforma”: la materia che forma tutte le cose è da sempre presente nell'universo ed è indistruttibile, non può essere generata e nemmeno distrutta.

L'universo è un sistema chiuso, ovvero tutto ciò che l'universo contiene non cresce e non decresce in quantità. Tale quantità costante di materiale cosmico cambia però di aspetto, e quindi muta, perché i suoi elementi semplici e originari si disgregano e si riaggregano ogni volta in combinazioni sempre diverse.

Nel IV secolo A.C. Aristotele afferma che l'Universo è sferico e finito, con al centro la Terra immobile, mentre la Luna, il Sole, i pianeti e le stelle le ruotassero intorno.

Le idee di Aristotele furono largamente accettate dalla cultura greca di quell'epoca.

L'eccezione fu Aristarco, un secolo più tardi.

Aristarco fu uno dei primi a credere in un Universo eliocentrico, cioè centrato sul Sole.

Aristotele (384 A.C – 322 A.C.)

Partendo dalla teoria aristotelica, Tolomeo (II sec. D.C.) sviluppa la sua Teoria Geocentrica, nell’opera “Grande Sintassi”, meglio conosciuta col nome deformato di “Almagesto”. Il Sistema Tolemaico sarà accettato fino al 1500.

L'universo di Tolomeo si basa su due assunti che dominavano il pensiero greco dell’epoca:

1) la Terra è al centro dell'universo (geocentrismo);

2) il movimento dei corpi celesti avviene attraverso sfere che rappresentano la perfezione.

Claudio Tolomeo (85/90 D.C. – 165/168 D.C)

L'universo tolemaico, inoltre, si sposava bene con la religione, anche con quella cristiana, che poneva l’uomo al centro del cosmo, tra il Paradiso in alto e l'Inferno in basso.

Nella mente di Dante (l’astronomia occupa un ruolo preminente, come si evince dal Convivio (II, 13):

“La scienza è alta nobilitade del suo subietto e per la sua certezza; e questa più che alcuna de la sopra dette è nobile ed alta per nobile e alto subietto ch’è de lo movimento del cielo; e alta e nobile per la sua certezza, la quale è senza ogni difetto … E se difetto in lei si crede per alcuno, non è de la sua parte, ma, sì come dice Tolomeo, è per la negligenza nostra, e a quella si dee imputare.”

Parafrasando il Convivio, dunque, se l’astronomia è ritenuta ostica, questo deve essere imputato, in larga misura, alla negligenza del lettore …

L’astronomia di Dante è quella di Aristotele e Tolomeo, resa compatibile con la teologia degli scolastici, in particolare di Tommaso d’Aquino.

Nel suo capolavoro, “La Divina Commedia”, Dante dissemina conoscenze astronomiche in un contesto poetico, senza alcuna pretesa di scrivere un trattato scientifico.

Dante Alighieri (1265 – 1321)

Nel 1543, anno della morte di Copernico, viene resa pubblica la sua teoria eliocentrica, contenuta nell’opera “De rivolutionibus Orbium Celestium”. In questa nuova teoria, la Terra e gli altri pianeti orbitano intorno al Sole, percorrendo orbite circolari con una velocità di rivoluzione costante.

Questa teoria viene sostenuta e perfezionata, successivamente, da Galileo e Keplero.

Niccolò Copernico (1473 – 1543)

In particolare Keplero, utilizzando i risultati delle osservazioni ottenute da Tycho Brahe, formula le tre leggi che portano il suo nome.

Con la Rivoluzione Copernicana si passa dunque da una concezione geocentrica ad una eliocentrica.

Questo passaggio non rappresenta solo un cambiamento di prospettiva ma costituisce l'inizio di una vera e propria rivoluzione scientifica, che fa prevalere l’aspetto sperimentale rispetto a quello dogmatico.

Thomas Digges (1546 – 1595)

T. Digges (1576) fu il primo ad infrangere la barriera delle stelle fisse considerandole NON oggetti posti tutti alla stessa distanza, ma oggetti uniformemente distribuiti nello spazio, aprendo così la strada alle più moderne concezioni di universo.

Dopo appena 30 anni dalla rivoluzione copernicana si compie dunque un’altra rivoluzione: dalla concezione medievale di universo racchiuso nella sfera delle stelle fisse ad una concezione di universo infinito ed uniformemente popolato di stelle.

Il suo pensiero è però ancora molto impregnato di teologismo, in quanto si preoccupa di dare una collocazione alle divinità: oltre lo spazio delle stelle che si estende infinitamente, esiste uno spazio teologico, che è “la corte del grande Dio, l’abitacolo dell’Eletto e degli Angeli celesti”.

Giordano Bruno “supera” non solo la concezione geocentrica, ma anche quella eliocentrica ed antropocentrica tutti gli infiniti mondi che popolano l’Universo devono essere popolati da esseri viventi

Giordano Bruno, per le sue audaci posizioni,

venne condannato al rogo

A Giordano Bruno Nolano Italiano «Tu, così insigne, così grande che in te si son riversati,/ Tutti insieme, i doni di tutti gli Dei./ Tu che possiedi tutti i doni del ricco tesoro della natura,/ Uno solo dei quali è dato di possedere a ciascun altro./ O

essere sublime, oggetto di meraviglia per tutti,/ Dinanzi a cui stupisce la stessa natura, superata dall’opera sua:/O fiore d’Ausonia, Titano della tua splendida Nola,/Decoro e delizia dell’uno e dell’altro cielo:/

Posso forse tentar di parlar di te con un mio carme,/ Di te, di cui nessuno, in un carme, può parlare degnamente?/ Non io: tu vinci la bocca e la lira dello stesso Apollo,/ Né alle Muse è concesso saper cantare di te./ Che cosa posso dunque io dir di te, a meno che non

dica/ Solo questo: che di te non posso dir nulla?/ Che debbo fare? Ma ti basti, o grandissimo uomo,/ Questa lode: da nessun carme puoi

venir lodato abbastanza».

Valens Acidalius (1567 – 1595), Helmstedt 1589

Giordano Bruno (1548 – 1600)

Giordano Bruno, oltre a difendere il sistema copernicano, espresse il concetto che il sistema solare non è l’unico sistema planetario e che l’Universo è costituito da infiniti sistemi solari uniformemente distribuiti nell’universo infinito. E’, inoltre, il primo a porsi il problema della natura delle stelle, che vengono da lui considerate astri, come il Sole.

Per rendersi conto della genialità di questa intuizione basti pensare che bisognerà aspettare ancora due secoli, arrivare cioè all’inizio dell’ottocento, per avere la prova scientifica dell’identità della natura tra stelle e Sole.

E’ dunque da questo punto che bisogna partire per ricostruire la storia del concetto di Galassia, cioè di un insieme di stelle più o meno simili al nostro Sole.

Galileo Galilei, grazie al telescopio da lui costruito, riconosce che la Via Lattea è costituita da miliardi di stelle, che quindi tendono a raggrupparsi in sistemi di cui la Via Lattea è un esempio (1610): “nihil aliud quam innumerarum stellarum coecervatim consitarum congeries” (Sidereus Nuncius)

Le osservazioni di Galileo confermano dunque la concezione di Universo di Giordano Bruno, con la differenza che non sono le singole stelle che si distribuiscono uniformemente nell’Universo, ma sono i sistemi di stelle a popolare l’Universo.

Il concetto di galassia subisce dunque un’ulteriore evoluzione, in quanto viene intesa come “uno degli infiniti sistemi che popolano lo spazio”.

Galileo Galilei (1564 – 1642)

Thomas Wright (1711 – 1786)

La Via Lattea è dunque una sorta di struttura circolare composta da stelle, cingente la sfera celeste a guisa di una superficie a due dimensioni, con il Sole posto al suo interno.

Nel 1750 T. Wright fu il primo che cercò di spiegare la presenza della Via Lattea, nel suo trattato intitolato “An horiginal theory on new hypothesis of the Universe”, in cui sono presenti molti elementi suggeriti dalla teologia. I sistemi stellari sono gusci sferici o anelli sottili gravitanti intorno ad un centro comune detto “Agente primario dell’Onnipotente”.

In questa visione di perfetta simmetria, l’apparente irregolarità nella distribuzione delle stelle che si addensano lungo un cerchio massimo della volta celeste chiamato Via Lattea, è spiegata come segue: guardando lungo il piano tangente ai gusci sferici si vedono molte più stelle che non perpendicolarmente ad essi.

Ovviamente, l’idea che le stelle fossero distribuite in gusci sferici era errata (dettata solo da motivi teologici), mentre era corretta l’idea che la Via Lattea fosse prodotta dal fatto che in quella direzione il sistema stellare è più esteso.

Kant sviluppa nel 1755 una delle più belle concezioni di Universo mai prodotte dalla mente umana. Nella sua opera “Storia Generale della Natura e Teorie del Cielo” egli afferma che le nebulose che si osservano in cielo non sono altro che altrettante “Vie Lattee”, ognuna delle quali è costituita da miliardi di stelle distribuite in modo da formare una struttura schiacciata, a forma di disco, che ruota intorno ad un asse centrale.

Con Kant nasce il concetto degli infiniti Universi-isola.

L’opera di Kant non è circoscritta alla descrizione della natura delle singole galassie, ma anche all’ordinamento dell’intero Universo.

Secondo Kant, le galassie si raggruppano in sistemi e questi, a loro volta, in sistemi di sistemi, secondo un ordinamento sempre più gerarchico.

Queste sue intuizioni si dimostreranno geniali due secoli dopo, nel 1920, quando verrà accertata l’esistenza e la natura delle galassie.

Ma mentre per Kant si trattava esclusivamente di intuizioni di tipo speculativo-filosofico, nel 1920 si hanno prove scientifiche rigorose della loro esistenza e natura.

Emanuel Kant (1724 – 1804)

Astronomo del XVIII secolo, famoso per aver costruito un grande telescopio riflettore, di diametro di oltre 1 m e focale di 12.20 m. Con questo ed altri telescopi da lui costruiti (i più potenti dell’epoca) fece alcune scoperte molto importanti:

• 1787: 2 satelliti di Urano • 1789: 2 satelliti di Saturno

Fece anche studi importanti che riguardavano la distribuzione delle stelle all’interno della Galassia, grazie ai quali riuscì a fornire una rappresentazione 3D della Via Lattea:

William Herschel (1738 – 1822)

Inoltre, non conoscendo il fenomeno dell’assorbimento interstellare, era portato a stimare dimensioni molto più piccole del vero (appena 13 a.l., circa 4 pc). Herschel pone il Sole al centro della Galassia, dando origine al “Galattocentrismo”: quest’idea sarà portata avanti per più di un secolo, quando si scoprirà che il Sole occupa una posizione periferica.

In questa rappresentazione, le stelle sono disposte in cielo secondo una configurazione a forma di lente e il Sole si trova al centro della struttura.

Come già sospettato da Herschel, grazie all’uso dello spettroscopio (seconda metà del XIX sec.) viene confermata l’esistenza di due diversi tipi di nebulose: a) nebulose formate da stelle (come sospettato

da Galileo); b) nebulose formate da polvere e gas diffuso.

• Alla fine del XIX secolo le idee sulla natura della Via Lattea, e sul problema direttamente connesso concernente la natura delle nebulose, erano ancora poco chiare.

• Nello stesso tempo: a) erano stati compiuti progressi importanti nell’osservazione delle

nebulose, culminati nella pubblicazione del New General Catalog (1888) contente circa 13000 di questi oggetti;

b) erano stati fatti progressi nella determinazione delle distanze stellari e lo studio della distribuzione delle stelle nei dintorni del Sole aveva portato ad un nuovo modello di universo da parte di Kapteyn, sempre galattocentrico come quello di Herschel.

Jacobus Cornelius Kapteyn (1851 – 1922)

L’astronomo olandese J.C. Kapteyn, nei primi anni del ‘900 (1922), perfeziona il modello di universo di Herschel. Dopo aver compiuto studi sulle parallassi stellari ed i moti propri delle stelle vicine, propose un modello che appariva essere come un'isola appiattita di stelle, lungo non più di 50 000 a.l. e largo non più di 10 000 a.l., con il Sole posto vicino al centro. Questo modello aveva un’ampiezza tripla e uno spessore quintuplo di quello proposto da Herschel.

Rappresentazioni così imprecise della Via Lattea derivavano dal problema principale dell’astronomia dell’inizio del Novecento: la quasi totale assenza di informazioni sulle distanze stellari.

Si conosceva la distanza delle stelle vicine, ma quella delle stelle lontane poteva solo essere ipotizzata.

Nel 1908 l’astronoma statunitense Henrietta Leawitt pubblicò la relazione periodo-luminosità delle stelle variabili cefeidi, divenuta poi la pietra miliare per la scala delle distanze astronomiche.

In tale studio si afferma che tanto più una cefeide è luminosa, tanto più è lungo il suo periodo di variazione.

Si potevano così determinare le distanze relative delle cefeidi, per esempio si riusciva a stabilire che una cefeide era posta a distanza doppia dell’altra, ma non si poteva determinarne la distanza effettiva, non essendo ancora stata misurata la distanza per alcuna cefeide.

La relazione “Periodo – Luminosità” per le stelle variabili “Cefeidi”

A partire dal 1918 l’astronomo di Harward, Harlow Shapley, cominciò a osservare le variabili cefeidi RR-Lyrae poste negli ammassi globulari, allo scopo di determinare le dimensioni della Via Lattea. Gli ammassi globulari infatti, essendo al di fuori del disco galattico, non sono oscurati in modo significativo. Poiché Shapley utilizzava la relazione luminosità-periodo delle Cefeidi, le distanze che ottenne erano sbagliate, ma la geometria era quella giusta: la Galassia (a quei tempi l'Universo) è costituita da una distribuzione sferoidale centrata su un punto, collocato in direzione della costellazione del Sagittario, che è lontano dal Sole (8 kpc secondo le stime più recenti), ben più ampia dell'Universo di Kapteyn: ben 250 mila a.l., cioè 10 volte più grande dell’Universo di Kapteyn (oggi sappiamo che le dimensioni sono di 100 mila a.l.).

Harlow Shapley (1885 – 1972)

A differenza di quanto accade nei modelli di Herschel e Kapteyn, il Sole si trova dunque in posizione periferica, Nel grafico, il punto giallo rappresenta la posizione del Sole nella Galassia, mentre la “X” rossa indica la posizione del centro galattico.

• Come consequenza del lavoro di Shapley, le nebulose a spirale (non ancora chiamate “galassie”) dovevano trovarsi relativamente vicine e non potevano essere comparabili, in dimensioni, alla Via Lattea.

• Ciò provocò l’opposizione dei sostenitori dell’idea degli “universi-isola”.

Intanto ….

• Confrontando la luminosità delle “novae galattiche” con quella delle “novae” osservate in altre nebulose, ci si rese conto della loro enorme distanza

La discussione tra gli astronomi divenne così vivace che l’Accademia delle Scienze di Washington decise di formalizzarla invitando i due esponenti delle opposte tendenze a confrontarsi il 26 aprile 1920:

Harlow Shapley natura galattica delle nebulose

Heber D. Curtis natura extra-galattica delle nebulose

Harlow Shapley era convinto (come la maggior parte degli astronomi dell’epoca) che la Via Lattea costituisse l’intero Universo, e che le nebulose a spirale fossero masse di gas poste all’interno della nostra Galassia.

Heber D. Curtis, era il rappresentante della fazione il cui parere era diametralmente opposto, favorevole all’idea degli “universi-isola” e che quindi la “Via Lattea” altro non fosse che una delle innumerevoli nebulose a spirale dell’universo.

Nel 1920 ha origine il concetto di galassia ed ha inizio l’era dell’astronomia extragalattica!

Prima del 1920 nessuno sapeva cosa fosse una galassia

Nel 1920 pochi sapevano cosa fosse una galassia

A partire dal 1920 tutti gli astronomi sanno cos’è una galassia

Nel 1920 si conclude, dopo quasi un secolo e mezzo, il “grande dibattito” sulla natura delle nebulose gassose, iniziato con Herschel alla fine del ‘700, dimostrando quanto fossero state geniali le intuizioni di Wright e Kant sugli “universi-isola”. Ma, mentre per loro si trattava “solo” di intuizioni, adesso si hanno prove “rigorosamente scientifiche”.

Le galassie svolgono nel “macro-cosmo” la stessa funzione svolta dagli atomi nel “micro-cosmo” possono essere considerate gli elementi fondamentali di cui è costituito l’Universo, nello stesso modo in cui gli atomi vengono considerati gli elementi fondamentali di cui è costituita la materia.

Da cosa sono formate le Galassie:

Massa (visibile): 1011 M (1044 g)

stelle: 90% materia interstellare: 10%

gas: 90% polvere (e corpi solidi): 10%

ionizzato: 10% neutro: 90%

atomi e molecole

Classificazione delle galassie

Nel 1924, Edwin Hubble suddivise le galassie in “classi morfologiche”, sulla base della loro “apparenza”.

Il 1920 segna l’inizio di una nuova epoca nello studio dell’Universo, segnata subito dall’opera di uno dei più grandi astronomi del secolo scorso, H. Hubble (1889-1953), fondatore dell’astronomia extra-galattica e scopritore di uno dei fenomeni più profondi della natura: l’espansione dell’Universo, espressa matematicamente per mezzo di una famosa legge che porta il suo nome.

Schema di classificazione di Hubble (Hubble 1936)

Ellitticche (E)

Lenticolari (S0)

Spirali (S) e spirali barrate (SB)

Irregolari (Ir)

diminuisce il rapporto Bulge/Disco

diminuisce l’età delle stelle

aumenta il contenuto di gas

aumenta la formazione stellare

Andamento generale all’interno della sequenza di Hubble, da E a Sc:

Proprietà delle galassie in funzione del tipo morfologico:

E0-E7 S0 Sa Sb Sc Irr

"Bulge"

nucleare

Solo

"bulge"

"bulge"

e disco

grande piccolo no

Bracci di

spirale no

no appena

accennati

aperti

evidenti

lievi

tracce

Gas quasi

assente

quasi

assente

~ 1% 2-5% 5-10% 10-50%

Stelle giovani /

Regioni HII no no tracce parecchie dominanti

Stelle vecchie

(~ 1010 y)

vecchie qualcuna

giovane

quasi tutte

giovani

Tipo spettrale G-K G-K G-K F-K A-F A-F

colore rosso rosso blu

Massa (MO) 108 - 1013 (molte) 1012 - 109 (poche) 108 - 1011

Luminosità (LO) 106 - 1011 (molte) 1011 - 108 (poche) 108 - 1011

Le galassie tendono ad associarsi in sistemi sempre più grandi: gruppi, ammassi, super-ammassi, secondo un ordine gerarchico sempre più grande.

Struttura dell’universo:dalla piccola alla grande scala

Sistema solare:

diametro: ~ 10 ore luce

massa: ~ 1 MO

Galassia:

diametro: ~ 105 anni luce

massa: ~ 1012 MO

componenti: stelle, gas, polvere, materia oscura

Galassie esterne:

morfologia: varia (ellittiche, spirali, irregolari)

massa: ~ 108 ÷ 1012 MO

componenti: dipende dal tipo morfologico - in generale, come per la Galassia

Gruppi di galassie: numero di galassie: < 50

esempio: Gruppo locale (Via Lattea, Andromeda, Nubi di Magellano, ecc.)

Ammassi di galassie: numero di galassie: 102 ÷ 103

massa: 1013 ÷ 1015 MO

diametro: 106 ÷ 4x107 anni luce (0.3 - 12 Mpc)

struttura: a) irregolare (Vergine); b) regolare (Coma)

Super-ammassi di galassie: struttura: aggregati irregolari di ammassi e gruppi

massa: 1015 ÷ 1016 MO

dimensioni: ~ 1.5x108 anni luce (~ 50 Mpc)

esempio: Super-ammasso locale (dimensioni: ~ 20 Mpc; massa: 1015 MO; solo il 5% del volume occupato da galassie)

Strutture filiformi e “Voids” I super-ammassi di galassie tendono a distribuirsi secondo strutture filiformi (~ 10% dell’Universo)

I “Voids” hanno dimensioni di ~ 25-50 Mpc ed una densità di galassie inferiore di un fattore ~ 5-10 rispetto a quella del super-ammasso.

L’universo è omogeneo ed isotropo su scale dell’ordine dei 3 miliardi di anni luce

Conclusioni: L’universo presenta una struttura cellulare di dimensioni di 50 milioni di anni luce, con alternanza di vuoti e zone densamente popolate di ammassi e super-ammassi di galassie

Su scale molto grandi ( 3 miliardi di anni luce) l’universo è omogeneo ed isotropo se si vogliono determinare grandezze medie dell’universo si deve considerarle entro volumi di quest’ordine di grandezza

Su ogni ordine di scala c’è evidenza della presenza di materia oscura (~ 6 volte

la materia luminosa) e di “energia oscura” (~ 18 volte la materia luminosa)

http://www.youtube.com/watch?v=4disyKG7XtU&feature=player_embedded

L’universo su larga scala

‘voids’

ammassi

filamenti

super-ammassi

Simulazione dell’evoluzione dell’Universo, dal Big-Bang

ai giorni nostri ...

“Non chiediamo per quale scopo utile gli uccelli cantano, perché il canto è il loro mestiere, in quanto furono creati per cantare.

Similmente, non dovremmo chiederci perché la mente umana si sforzi di penetrare i segreti dei cieli …

La verità dei fenomeni della Natura è così grande, ed i tesori nascosti nei cieli così ricchi, proprio perché alla mente umana non manchi mai di che nutrirsi.”

Johannes Kepler, Mysterium Cosmographhicum

FINE

Stelle

appena formate

giovani (0.1 Gyr) vecchie (15 Gyr)

densità: 1 g/cm3

massa: 1033 g T: 103 - 107 K

Gas (oggetti giovani)

densità: 1 atomo / cm3 T: 103 - 104 K

Gas (stadi finali)

nebulose planetarie

V 1000 km / s massa 0.1 M

Gas (esplosioni di supernova)

radiazione X

visibile

infrarosso onde radio (V c)

T 107 K

T 104 K

T 102 - 10 K

V 10000 km/s massa: 50%

Immaginiamo una splendida serata, una tra le tante nel corso dell’anno ...

Il panorama è illuminato dai caldi colori del tramonto …

La sfera celeste è punteggiata da miliardi di stelle …

Pochi momenti riescono ad infondere pace e serenità alla persona come quelli in cui si riesce a godere di questo affascinante spettacolo della natura ...

Questa visione idilliaca dell’universo è solo apparente. Infatti …

Il cosmo è dilaniato da immani esplosioni, possenti getti di materia, lampi con l’energia pari a quella emessa da miliardi di Soli, galassie che si divorano ...

La scienza moderna ci ha mostrato l’esistenza di fenomeni di una violenza inaudita …

Ma è tutto ciò che permette la sua e la nostra esistenza!

Eruzioni solari ...

Urti tra pianeti ed asteroidi ...

Cannibalismo tra galassie ...

Esplosioni di stelle ...

La radiazione che riceviamo dagli astri è la sovrapposizione di tante onde elettromagnetiche.

L’energia emessa si distribuisce nelle varie regioni dello spettro a seconda dello stato fisico in cui si trovano i corpi celesti.

Nello spettro elettromagnetico la radiazione visibile costituisce una porzione molto piccola ma importante, in quanto è l’unica che riesce a penetrare l’atmosfera terrestre, insieme alle onde radio.

L’occhio umano è sensibile solo a questo tipo di radiazione e questo spiega perché abbiamo una visione parziale dei fenomeni dell’universo.

Ma allora, perché non ci “accorgiamo” di tutto ciò?

Ad esempio, se i nostri occhi fossero sensibili ai raggi X, vedremmo la luminosità di molte stelle variare tra 2 e 100 volte, da una notte all’altra, ed il cielo non ci apparirebbe così perfetto ed immutabile come invece lo osserviamo ...

… forse vedremmo il cielo come quello dipinto da Van Gogh in questi due famosi quadri … questo pittore, un po’ pazzo e visionario, dipingeva il cielo proprio come gli sarebbe apparso se i suoi occhi fossero stati sensibili ai raggi X … o alla radiazione infrarossa ...

Starry Night

Polvere

si trova nei dischi

particelle di qualche micron temperature basse (10 - 100 K)

Galassie ellittiche

massa compresa tra 105 e 1013 MO

Luminosità compresa tra 3x105 e 1011 LO

rapporto M/L ~ 100 MO/LO

diametro compreso tra 10 e 600.000 anni luce

popolozione stellare vecchia (II) e giovane “avanzata” (I)

costituiscono circa il 20% dell’intera popolazione di galassie

struttura regolare e simmetrica e contorni ellittici

sotto-tipi da E0 a E7 definiti sulla base dello schiacciamento apparente (non 3-D): En con n = 10x(1-b/a) con a e b assi maggiore e minore apparenti.

Galassie Ellittiche

Galassie lenticolari o S0

regione centrale molto brillante e regolare (“bulge”, simile ad una galassie ellittica), circondata da una regione estesa la cui brillanza decresce meno rapidamente (simile ad un disco)

non è visibile alcuna struttura, né bracci di spirale

questa classe di oggetti potrebbe essere di transizioni tra le ellittiche e le spirali Sa.

Galassie spirali

i sotto-tipi a, b, c sono definiti sulla base di 3 criteri:

1) rapporto di luminosità B/D tra “bulge” (B) e disco (D): Sa B/D>1; Sc B/D<0.2

2) grado di apertura dei braccidi spirale: Sa molto stretti; Sc molto aperti

3) grado di risoluzione delle regioni di formazione stellare (HII)

massa compresa tra 109 e 4x1011 MO

Luminosità compresa tra 108 e 2x1010 LO

rapporto M/L ~ 10 MO/LO

diametro compreso tra 15 e 750000 anni luce

popolozione stellare: giovani stelle di “popolazione I” nei bracci di spirale; stelle vecchie di “popolazione II” nel nucleo e nell’alone

sono costituite da:

“bulge” +

disco +

bracci di spirale

costituiscono circa il 77% dell’intera popolazione di galassie

Galassie spirali barrate

si differenziano dalla galassie a spirale normali per la presenza di una struttura longitudinale a forma di “barra” che attraversa la regione nucleare e dalle cui estremità partono i bracci di spirale

la suddivisione nei sotto-tipi a, b, c avviene secondo gli stessi criteri adoperati per le galassie a spirale normali

Galassie a Spirale

Galassie irregolari

dal punto di vista morfologico, non presentano alcuna simmetria

sono più piccole rispetto alle ellittiche ed alle spirali

si suddividono in 2 sotto-tipi:

1) Irregolari di tipo I: sono risolte in stelle, ma la struttura a spirale è molto disturbata

2) Irregolari di tipo II: hanno una struttura regolare ma “caotica” (M82) con filamenti di gas

massa compresa tra 108 e 3x1010 MO

Luminosità compresa tra 107 e 109 LO

rapporto M/L ~ 10 MO/LO

diametro compreso tra 1 e 30.000 anni luce

popolozione stellare di tipo I: molte stelle giovani (tipo B) e materia interstellare (gas e polvere)

costituiscono circa il 3% dell’intera popolazione di galassie

Galassie Irregolari

Gruppo locale:

dimensioni ~ 1 Mpc

39 galassie, incluse la Via Lattea ed Andromeda

5 galassie brillanti (M31, MW, M33, LMC, IC10)

3 spirali (M31,MW, M33)

22 ellittiche (18 dW e 2 piccole E)

14 irregolari di varie dimensioni

Massa totale ~ 5x1012 MO

Andromeda dista dalla Via Lattea 2.2 milioni di anni luce

Le Nubi di Magellano distano dalla Via Lattea 200.000 anni luce

Ammasso della Vergine:

distanza: ~ 18 Mpc (~ 60 milioni di anni luce)

dimensioni: ~ 2 Mpc

~ 2500 galassie (la maggior parte nane)

Massa totale ~ 1014 MO

L’ammasso della Vergine è l’ammasso di galassie più vicino a noi. Al centro troviamo la galassia ellittica gigante M87. Tra le galassie più brillanti troviamo M84 e M86 (entrambe S0, in alto a destra).

Ammassi ricchi:

dimensioni: ~ 5-10 Mpc

sono costituiti da migliaia di galassie

Massa totale: fino a ~ 1015 MO

al centro si trova sempre una (o più) galassia ellittica gigante

le galassie ellittiche sono concentrate nella regione centrale dell’ammasso

le galassie a spirale si trovano nelle regioni esterne dell’ammasso

le galassie sono immerse in un gas caldo (107-8 K) che costituisce il 10-20% dell’intera massa dell’ammasso ed emette intensamente nel dominio X.

L’ammasso di Coma (distante 90 Mpc; ~ 300 milioni di anni luce) è

un esempio di ammasso ricco

Simulazione dell’interazione tra la Via Lattea ed Andromeda

Simulazione dell’interazione tra galassie all’interno di un ammasso