IntroduzioneMassimo Badiali

INAFIstituto di Astrofisica Spaziale e Fisica cosmica

01/02/10 

Perché un corso di Astrofisica

L’astrofisica è una parte di quella che una volta si chiamava RICERCA FONDAMENTALE

Quel nome era un implicito riconoscimento dell’importanza della ricerca svolta al puro scopo di estendere la CONOSCENZA. In altre parole, si riconosceva che senza la ricerca fondamentale non può vivere e svilupparsi nessun’altra ricerca (es. la ricerca applicata).

Da qualche tempo si preferisce usare un’altra definizione: RICERCA CURIOSITY DRIVEN, che invece sembra contenere un implicito giudizio negativo rispetto ad una supposta ricerca “utile” (“TARGET DRIVEN” ?)

Ciò rispecchia il mutato atteggiamento della società (e dei governi) nei confronti della scienza e della cultura in genere. Un atteggiamento non solo ingeneroso, ma purtroppo anche SBAGLIATO

Cerchiamo di rispondere alla domanda: l’astrofisica è solo affascinante, o è anche importante?

Domanda ancora più precisa:

Vale la pena di spenderci i soldi del contribuente?

Prima di tutto, non costa poi molto, se confrontata con altre spese. L’Italia spende in ricerca meno della metà della media europea

L’Istituto Nazionale di Astrofisica (7 sedi ex-CNR e 12 Osservatori sparsi sul territorio nazionale, per un totale di 1100 persone): costi annui in € 82 Milioni, di cui il 75% stipendi. Meno del costo di un singolo caccia bombardiere militare

Il contribuente italiano si preoccupa se si danno più di 500 Mil. di € all’anno per la ricerca?Ma almeno 12 milioni di Italiani frequentano maghi e fattucchiere per una spesa totale annua di 5 MILIARDI di € (da privati, ovviamente: oroscopi RAI a parte)

Abbiamo un evidente problema di cultura

A parte il fatto che spendiamo poco per la ricerca.Perché è importante la scienza fondamentale?

Perché, in particolare, è importante anche l’ASTROFISICA?

1. Un primo esempio. L’astrofisica moderna è sempre più un valido supporto alla fisica fondamentale

Per capire i segreti della materia occorre costruire acceleratori sempre più giganteschi. L’astrofisica moderna permette di osservare acceleratori enormemente più grandi che l’universo offre spontaneamente

2. Secondo argomento. Continua sfida tecnologica: innovazione, utilizzabile anche in campi molto diversi dall’astronomia (sensoristica, diagnostica biomedica).

Deve esistere una filiera efficiente che conduce dalla ricerca alla sua applicazione, al mondo della produzione e dei servizi.

3. Resta l’importanza della missione istituzionale

primaria: lo sviluppo della conoscenza.

Insomma: all’inizio della filiera deve esserci la ricerca di base, quella che ha la conoscenza come obbiettivo. Essa è indispensabile anche per la formazione di validi ricercatori in campi applicativi.Senza di essa prima o poi si inaridisce il resto della filiera. Senza ricerca fondamentale, un paese non può sviluppare ricerca applicata e alta tecnologia propria.

“I don't think the human race will survive the next thousand years, unless we spread into space. There are too many accidents that can befall life on a single planet."  “Non penso che il genere umano potrà sopravvivere per i prossimi mille anni, a meno che non colonizziamo lo spazio. Vi sono troppi incidenti che possono accadere nella vita di un singolo pianeta”

Stephen Hawking (fisico, cosmologo)

Sarà questa l’ultima riflessione di nostri lontani pronipoti davanti alla Terra morente?

“Ci sono molti debiti e molte promesse non mantenute.Noi promettemmo di far grandi cose nel futuro,

di conquistare le stelle e rendere migliore l’universo.Invece non ci siamo riusciti.

L’uomo muore, e l’universo non saprà neppure che è scomparso.”

Lester del Rey, scrittore- Mia è la vendetta - Vengeance is mine

C’è un quarto argomento, a lunghissimo termine….

È tempo di entrare nel merito. Introduzione allo studio del nostro sistema solare: particolarità del nostro sistema solare e sistemi

extrasolari

Oggi sappiamo che le stelle sono solo una parte della materia che compone l‘universo: ci sono i corpi non luminosi, le nubi fredde di gas interstellare e intergalattico, la materia oscura …

… veramente neppure tutto ciò che è luminoso, cioè emette radiazione, è necessariamente una stella. Faremo conoscenza di questi oggetti strani più oltre, nel corso dello stage.

Nel quale cercheremo anche di definire meglio che cos’è una stella, la sua formazione e la sua evoluzione.

Per ora ci basti sapere che il nostro Sole si è formato grazie alla contrazione gravitazionale di una grande

nebulosa fatta di gas e polveri

Questo poteva essere l’aspetto del nostro sistema solare appena nato, 5 miliardi di anni fa …

I detriti poi, sempre per attrazione gravitazionale, hanno fatto raccogliere la materia in corpi più grandi, sempre minori della stella centrale.

Una domanda frequente: siamo soli nell’universo?

Una domanda più precisa, alla quale si può già dare una risposta: il nostro sistema planetario è unico nell’universo?

Conosciamo già la risposta a questa domanda

Oggi sappiamo che nella Galassia la formazione di pianeti dal disco di gas e polveri attorno a una stella è la norma piuttosto che l’eccezione. Si osservano molti dischi protoplanetari e si conoscono già oltre 200 pianeti extrasolari

Per capire le condizioni in cui possono formarsi pianeti solidi sarebbe necessario… almeno aver compiuto lo stage. Qui però possiamo fornire qualche utile nozione preliminare.

Per esempio, è sorprendente quanto poco si conoscano, fuori della cerchia degli addetti ai lavori, le dimensioni e le distanze tipiche dell’universo che ci ospita, a partire da quelle che riguardano il nostro Sistema solare.

In questa immagine (un fotomontaggio) sono rispettate le proporzioni ma non le distanze! Quanto è grande il sistema solare rispetto alla Galassia? E quanto è grande la Galassia rispetto all’Universo?

L’universo ha un’età limitata (circa 14 miliardi di anni) e noi possiamo vedere solo a una distanza limitata: 14 miliardi di anni-luce. Questo è il nostro cosiddetto orizzonte

All’interno dell’orizzonte, ci sono miliardi di galassie

Terra 8 min.-luce dal Sole

Luna 1 sec.-luce da Terra

Plutone 5 ore-luce dal Sole

Cen 4 anni-luce

Sirio 9 anni-luce

Antares 400 anni-luce

Centro galattico 25.000 anni-luce

G. N. Magellano 150.000 a.l.

Andromeda (M31) 2.3 milioni di a.l.

quasar (galassie remote, protogalassie) miliardi di a.l.

Per avere un’idea più precisa delle distanze e delle proporzioni all’interno dell’universo visibile, potremmo… dare i numeri, non

in Km naturalmente, ma in tempo-luce

I numeri però non danno un’idea immediata delle proporzioni. Quest’immagine mostra le orbite da Mercurio a Saturno: già in quest’immagine la Terra (orbita gialla) risulta MOLTO vicina al Sole

Con uno zoom out, riduciamo l’immagine precedente di circa 6 volte, fino a includere l’orbita di Plutone: Mercurio, Venere e Terra appaiono quasi coincidenti col Sole.

Uno zoom out molto più drastico. Questa regione è molto estesa, circa un ANNO-LUCE. Ricordiamo che la stella più vicina, Alfa del Centauro, è a 4 anni-luce.

Ben oltre le orbite dei pianeti si estende una zona di materia relativamente densa, la cintura di Kuiper, che qui è solo una fascia interna alla grande Nube di OORT che circonda il Sistema Solare. Questa Nube dev’essere ciò che rimane della grande NEBULOSA che ha dato origine al Sole e ai suoi pianeti.

Procediamo oltre coi nostri zoom-out. Il Sole si trova nella Via Lattea. Ma… Dove siamo

esattamente?

Il Sole è nel braccio di Orione, una zona dove il gas interstellare è stato compresso da un’onda di densità che ha permesso nuova formazione stellare. Il suo nome è dovuto al fatto che le stelle più vicine appartenenti al Braccio si trovano nella costellazione di Orione, entro circa 2000 anni-luce, comprese le stelle della Cintura di Orione.

Il Sole giace sul fianco interno del Braccio di Orione. Quando guardiamo Orione, l’osserviamo attraverso le stelle del nostro stesso braccio di spirale, verso il bordo esterno.

Vista dall’esterno, la Via Lattea potrebbe apparire così

Altri sistemi solari? Sono possibili? Sì, conosciamo parecchi pianeti extrasolari, anche se per ora riusciamo a rivelare solo quelli più grandi, di tipo Giove. Conosciamo anche alcuni sistemi con più pianeti noti.Dalla conoscenza dell’evoluzione stellare, si può dedurre che pianeti di tipo terrestre (abitabili) si possono formare solo nel Disco Galattico, non troppo vicino al Centro, né troppo lontano.

La parte centrale è troppo turbolenta: densa di buchi neri, passaggi ravvicinati di stelle, supenovae. Difficile formare orbite stabili.Difficile trovare pianeti anche nella parte esterna della galassia. Lì ci sono pochi elementi pesanti e potrebbe essere difficile formare pianeti solidi di dimensioni sufficienti a renderli abitabili

Nelle altre galassie, almeno in quelle a spirale come la nostra, la situazione è certamente analoga, anche se naturalmente non riusciamo ad osservare i pianeti.

Sino ad oggi nella Via Lattea si sono trovati più di 200 pianeti giganti attorno a stelle simili al Sole, relativamente ricche di elementi pesanti.

C’era una volta la legge di Titius-Bode…Titius-Bode…In base alla quale la distribuzione delle masse e delle distanze dei pianeti doveva seguire una certa regola, ovviamente in buon accordo con la distribuzione nel Sistema Solare, l’unico ben noto

…ma in buona misura la distribuzione è frutto del puro caso.I pianeti di tipo terrestre si formano sempre in zone di “evaporazione” delle sostanze volatili, e quindi in zone più vicine alla stella.

La dinamica dei pianeti giganti, però, è di tipo casuale. Anche se si formano più lontani, possono finire per essere “sparati” verso l’interno in tempi brevi. Allora, addio Terra…

Quando ne sapremo di più? In tempi molto brevi, grazie a diverse missioni spaziali Per esempio, GAIA, telescopio spaziale destinato a scrivere la mappa 3-D dell’intera Galassia. Per un gran numero di stelle dei nostri dintorni la precisione sarà tale da far individuare i loro pianeti.

Stato: in preparazione. Lancio: dicembre 2011 Fine missione: 2020

Hipparcos Gaia

Magnit. limite 12 20 -21

Numero di stelle 120 000 1.3 miliardi

Precisione Uno – due millesimi di secondo d’arco

4 – 10 microsecondi d’arco