Universo e astronomia: stelle, materia oscura, buchi neri e origine del Sistema Solare

Composizione chimica delle stelle e spettroscopia

Composizione chimica delle stelle e di come possiamo saperla

Le stelle sono formate principalmente da idrogeno (H) ed elio (He). Osservando lo spettro di assorbimento della luce solare si vedono alcune righe scure che corrispondono agli spettri dell'elio e dell'idrogeno: queste linee indicano gli elementi presenti nell'atmosfera stellare.

Materia oscura

Che cos'è la materia oscura?

La materia oscura è una componente dell'universo che non emette radiazioni elettromagnetiche osservabili, quindi risulta «oscura» ai telescopi tradizionali; tuttavia esercita attrazione gravitazionale e influenza il moto del gas, delle stelle e delle galassie.

Perché sappiamo che la materia oscura esiste?

Le osservazioni delle galassie e dei loro ammassi mostrano movimenti e collisioni che non possono essere spiegati solo dalla materia visibile. Ad esempio, le curve di rotazione delle galassie e lo spostamento delle masse nelle collisioni di ammassi suggeriscono la presenza di massa addizionale invisibile. Inoltre, effetti come la lente gravitazionale rivelano massa che non corrisponde alla materia luminosa.

Buchi neri

Che cosa è un buco nero? Come li troviamo? Dove si trovano?

I buchi neri sono concentrazioni di materia ad altissima densità che generano un campo gravitazionale così intenso che nemmeno la luce può sfuggire oltre l'orizzonte degli eventi. Ne inferiamo l'esistenza osservando il comportamento della materia circostante: il gas e la polvere che cadono verso un buco nero si riscaldano e emettono radiazioni prima di attraversare l'orizzonte. Molti buchi neri si trovano al centro di galassie (buchi neri supermassicci), altri sono resti di stelle massicce.

Dove ci troviamo nell'universo?

Ci troviamo nel Sistema Solare, che è parte della Via Lattea. La Via Lattea appartiene al Gruppo Locale, un insieme di alcune decine di galassie. Il Gruppo Locale è a sua volta parte di strutture più grandi, come il Superammasso della Vergine, e l'universo presenta una rete di filamenti e vuoti la cui estensione e complessità continuano a essere esplorate.

Il Big Bang

Come è nata l'idea?

Si osserva che la luce proveniente dalle galassie è spostata verso il rosso nello spettro, cioè le lunghezze d'onda risultano allungate: questo fenomeno è collegato all'effetto Doppler e indica che molte galassie si allontanano tra loro. L'espansione dell'universo porta a ipotizzare che, in passato, tutta la materia fosse concentrata in una regione molto piccola.

Come è stata confermata l'idea?

Nel 1964 Arno Penzias e Robert Wilson, mentre lavoravano con una nuova antenna radio, scoprirono una debole radiazione proveniente da tutte le direzioni del cielo: la radiazione cosmica di fondo. Questa radiazione è considerata l'eco del Big Bang.

Quanti anni fa è nato l'universo?

L'età stimata dell'universo è di circa 13.700 milioni di anni (13,7 miliardi di anni).

Energia oscura e scenari futuri

Energia oscura e il possibile Big Rip

Dopo circa 9 miliardi di anni dalla formazione dell'universo, le galassie hanno cominciato a separarsi a velocità crescente. L'agente che causa questa accelerazione è chiamato energia oscura: si tratta di una componente dell'universo la cui natura è ancora sconosciuta e che agisce contro l'attrazione gravitazionale. In alcuni scenari teorici, se l'energia oscura aumentasse in modo opportuno, potrebbe portare a una progressiva disgregazione delle strutture legate dalla gravità (galassie, stelle e, in casi estremi, anche atomi) in un evento ipotetico chiamato "Big Rip" (grande strappo).

Il Sistema Solare

Qual è l'origine del Sole?

Il Sole si formò dal collasso di una nube molecolare (nebulosa) probabilmente innescato da un'onda d'urto, ad esempio prodotta da una supernova nelle vicinanze. Durante il collasso la materia si concentrò in un centro di gravità crescente: le collisioni tra particelle riscaldarono il nucleo fino a raggiungere temperature dell'ordine di 10 milioni di gradi, condizione in cui i nuclei di idrogeno iniziarono a fondersi in elio, liberando energia sotto forma di luce e calore.

Come si sono formati i pianeti del Sistema Solare?

Il collasso della nebulosa portò alla formazione di un disco di gas e polveri attorno al proto-Sole. Le particelle del disco cominciarono ad aggregarsi per forze elettrostatiche formando piccoli corpi, che poi crescevano per attrazione gravitazionale. Nelle regioni interne del disco si formavano planetesimi che, scontrandosi e agglomerandosi ulteriormente, diedero origine ai pianeti terrestri; nelle regioni esterne si formarono i giganti gassosi.

Potremmo dire che siamo polvere di stelle? Origine degli elementi chimici

In effetti, la materia che ci circonda è costituita da elementi sintetizzati nelle stelle. Nelle stelle avvengono reazioni di fusione nucleare che producono elementi più pesanti; alla fine della vita di stelle molto massicce, processi catastrofici come il collasso gravitazionale e le esplosioni di supernova generano molti degli elementi più pesanti presenti nella tavola periodica, distribuendoli nello spazio interstellare.

Come si è formata la Luna? Come lo sappiamo?

La Luna si è probabilmente formata a seguito di una collisione tra la Terra primordiale e un corpo di dimensioni planetarie. Le analisi delle rocce lunari mostrano abbondanza di composti con elevati punti di fusione e scarsa presenza di composti più volatili a basso punto di fusione. Questo indica che il materiale lunare ha subito processi ad alte temperature e che le parti più volatili sono state disperse, concentrando i composti refrattari.

Pianeti extrasolari e vita

Che cos'è un pianeta extrasolare? Come sono stati scoperti? Qual è il significato per la ricerca di vita?

Un pianeta extrasolare (esopianeta) è un pianeta in orbita attorno a una stella diversa dal Sole. I primi esopianeti sono stati confermati negli anni '90; molte scoperte iniziali (a partire dal 1995) sono state ottenute osservando variazioni periodiche nella luminosità delle stelle (transiti) o oscillazioni della stella dovute all'interazione gravitazionale con il pianeta (metodo delle velocità radiali). La scoperta di migliaia di esopianeti ha riaperto e ampliato il dibattito sulla possibile esistenza di forme di vita al di fuori del Sistema Solare, mostrando che i pianeti sono comuni nella galassia.

Quali condizioni devono esistere perché ci sia vita su un pianeta?

Le condizioni necessarie per la vita come la conosciamo includono la presenza di acqua liquida, una fonte di energia, elementi chimici essenziali (carbonio, idrogeno, ossigeno, azoto, fosforo, zolfo, ecc.) e un ambiente stabile per periodi di tempo geologici. Tuttavia, la definizione di "vita possibile" può variare e la ricerca considera anche scenari alternativi a quelli terrestre.

Storia dello studio dell'Universo

Aristotele: propose che i corpi celesti fossero fissati in sfere concentriche perfette che ruotavano attorno alla Terra, un modello di tipo geocentrico con caratteristiche filosofiche e fisiche dell'epoca.

Tolomeo: sviluppò un modello geocentrico matematico con epicicli per spiegare i moti osservati dei pianeti, descritto nell'Almagesto.

Niccolò Copernico: proposero il modello eliocentrico, in cui il Sole è al centro del sistema planetario e la Terra è uno dei pianeti in moto attorno ad esso.

Johannes Kepler:, analizzando i dati osservativi di Tycho Brahe, concluse che le orbite planetarie non sono circolari ma ellittiche attorno al Sole, formulando le sue tre leggi del moto planetario.

Galileo Galilei: perfezionò il telescopio e con le sue osservazioni (come le fasi di Venere, le lune di Giove e le macchie solari) fornì prove a favore del modello eliocentrico e cambiò profondamente la pratica osservativa dell'astronomia.

Isaac Newton: formulò la legge di gravitazione universale, che spiegò come le orbite dei pianeti siano governate dall'attrazione gravitazionale tra le masse.

Albert Einstein: propose la teoria della relatività generale, un nuovo modello per la gravità in cui la gravità è descritta come la curvatura dello spazio-tempo generata dagli oggetti dotati di massa ed energia.