Cosmologia
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vengono proposte le basi della cosmologia secondo il modello standard dell'Universo
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Cosmologia
- 3. La cosmologia è la scienza che studia l’origine, l’evoluzione, la struttura e le proprietà dell'universo. www.astronomiavallidelnoce.it
- 4. Come è fatto l’Universo ? Come è nato l’Universo ? Come evolve l’Universo ? Perché è nato l’Universo ? www.astronomiavallidelnoce.it
- 5. Greci Romani Cinesi Egizi Maya Inca Arabi … www.astronomiavallidelnoce.it
- 6. 1916 •Teoria della Relatività Generale 1929 •Hubble – Espansione dell’universo 1948 •Alpher, Herman e Gamow – Teoria del Big Bang 1948 •Bondi Hoyle e Gold – Teoria dello stato stazionario 1965 •Penzias e Wilson – Radiazione fossile di fondo www.astronomiavallidelnoce.it
- 7. Die Grundlagen der allgemeinen Relativitätstheorie (1916), espose in forma definitiva la sua teoria della relatività generale Nuova teoria della gravitazione in cui il campo gravitazionale generato da ogni corpo materiale è rappresentato come una modificazione delle proprietà geometriche dello spazio fisico. www.astronomiavallidelnoce.it
- 8. L’universo è sempre esistito. Non è nato e non morirà. È così com’è. Einstein dalle sue equazioni di campo dedusse un universo in espansione, ma ciò era in contrasto con la mentalità comune e lo indusse ad inserire una costante cosmologica che rendesse l’universo statico. www.astronomiavallidelnoce.it
- 9. Georges Lemaître fu il primo a proporre che l’universo fosse stato originato da quello che egli chiamò l’atomo primevo, una sfera più o meno delle dimensioni dell’orbita della Terra, fatta di protoni e elettroni, ma estremamente, ma non infinitamente, densa. Egli pensava che anche il suo atomo primevo potesse disintegrarsi dando origine agli elementi leggeri. www.astronomiavallidelnoce.it
- 10. Limite superiore età universo: t = 1/H Legge di Hubble v = H d dove v é la velocità di allontanamento delle galassie, d la loro distanza e H la cosiddetta costante di Hubble. www.astronomiavallidelnoce.it
- 11. Sfortunatamente il valore della costante di Hubble non é conosciuto con precisione, vari metodi danno diversi risultati. Valore molto accreditato é 55 km/s per Mpc www.astronomiavallidelnoce.it
- 12. L’effetto Doppler é un fenomeno fisico secondo il quale se un oggetto luminoso si allontana da noi, le sue righe spettrali si sposteranno verso il rosso (redshift), mentre se si avvicina, le sue righe si sposteranno verso il blu (blushift). Tale fenomeno é stato studiato per la prima volta con onde sonore in cui cambia frequenza dell’onda. www.astronomiavallidelnoce.it
- 13. Per immaginare l’espansione dell’universo dobbiamo immaginare che l’universo sia la superficie di un palloncino che si gonfia. Ogni punto vedrà gli altri allontanarsi, ma é impossibile darne un centro. Non esiste semplicemente, é tutto lo spazio-tempo che si espande. www.astronomiavallidelnoce.it
- 14. Molto spesso si chiede, ma in quale spazio l’universo si sta espandendo? La risposta é in nessuno. L’universo non é una entità contenuta in uno spazio esterno. L’universo é tutto e contiene tutto, perciò non ha senso la domanda. www.astronomiavallidelnoce.it
- 15. elaborato da Friedmann sviluppato da Lemaître, Robertson e Walker presenta molte affinità con i dati osservativi, ma presenta dei gravi problemi › Non spiega l’orizzonte cosmico e risulta instabile cioè sembra collassare molto rapidamente, ma in confronto può prevedere l’evoluzione temporale dell’universo. www.astronomiavallidelnoce.it
- 16. Oggi quasi tutti i cosmologi ritengono che l’universo sia nato da un’immane esplosione avvenuta circa quindici miliardi di anni fa e partita da un punto estremamente piccolo, caldo e denso. In meno di mezzo secolo l’universo statico di Newton é diventato un’entità dinamica, in espansione, mobile quanto violenta. www.astronomiavallidelnoce.it
- 17. L’universo è omogeneo e isotropo su grande scala, cioè tutti gli osservatori vedono proprietà identiche (omogeneità) e tali osservatori non vedono direzioni privilegiate (isotropia). Tale osservazione, solo superficialmente banale, è assai importante, poiché ci assicura che le leggi della fisica che conosciamo possono essere valide anche a milioni o miliardi di anni luce da noi. www.astronomiavallidelnoce.it
- 18. I fisici ritengono che l’universo al tempo zero abbia avuto raggio zero e densità, pressione e temperatura infinite. Questi infiniti non piacciono, ma si riferiscono a tempi anteriori al tempo di Planck 10-44 s. Questi primi istanti di vita sono lasciati alla pura speculazione mancando di vere prove a sostegno delle varie tesi. www.astronomiavallidelnoce.it
- 19. Va ricordato che le informazioni (radiazione elettromagnetica) viaggiano ad una velocità finita e pari alla velocità della luce nel vuoto (c ~ 300000 km/s). L’orizzonte di cui abbiamo coscienza ha un raggio pari a r = c t www.astronomiavallidelnoce.it
- 20. Per risolvere i problemi del modello standard utilizziamo l’idea di Guth, poi sviluppata da Linde, che prevede nella fase iniziale di nascita dell’universo una brusca accelerazione. PROBLEMA: prevede come densità critica il valore uno www.astronomiavallidelnoce.it
- 21. La teoria del Big Bang prevedeva che il nostro universo si comportasse come un corpo nero e dunque doveva emettere radiazione. Questa radiazione é stata trovata e corrisponde a 2.735 K. www.astronomiavallidelnoce.it
- 22. Proiezione della temperatura della radiazione cosmica di fondo, all-sky. Temperatura media: 2,726 K Affinché potessero nascere le galassie e le stelle era necessario che la radiazione fossile di fondo presentasse delle disomogeneità che sono state effettivamente misurate da COBE. www.astronomiavallidelnoce.it
- 24. Era quantistica Era inflattiva Confinamento dei Quark Era del plasma Era nucleare Fine dell’epoca della radiazione Era della materia www.astronomiavallidelnoce.it
- 27. Planck: un’unica forza fondamentale. Equivalenza di fermioni e bosoni. GUT: l’inflazione ha luogo fra 10-35 e 10- 32 s. La gravitazione si separa dalle altre tre forze. Quark e leptoni si scambiano tramite gluoni X e fotoni. www.astronomiavallidelnoce.it
- 28. L’interazione forte si separa dall’elettrodebole. Quark, leptoni, fotoni. I fotoni non hanno sufficiente energia per creare coppie di protoni e antiprotoni, ma sufficiente a creare coppie di elettroni e positroni. E = 8.75 MeV: c’è equilibrio tra fotoni e coppie di elettroni e positroni. p + n = D Formazione di nuclei di D, He3, He4, Li7. www.astronomiavallidelnoce.it
- 29. Si cominciano a formare gli atomi neutri e il gas diventa trasparente alla radiazione. www.astronomiavallidelnoce.it
- 30. particelle che sono i mattoni di tutti gli elementi altre sono le responsabili dell’interazione tra le quattro forze in natura: › gravitazionale, › nucleare forte, › nucleare debole, › elettromagnetica. www.astronomiavallidelnoce.it
- 31. La creazione di ogni particella é accompagnata dalla rispettiva creazione della sua antiparticella Accanto alla materia troviamo l’antimateria. Quando una particella si incontra con la sua antiparticella queste si annichilano, cioè si elidono producendo energia. www.astronomiavallidelnoce.it PROBLEMA: perché il mondo è di materia
- 32. L’elemento più abbondante dell’universo é l’idrogeno Si suppone che nel calderone primordiale successivamente all’idrogeno si siano formati deuterio, elio ed altri elementi leggeri (Alpher, Bethe, Gamow) La vera produzione di elementi pesanti é stata realizzata all’interno delle stelle (von Weizacker, Fermi, Hoyle, Fowler, M. e G. Burbidge). www.astronomiavallidelnoce.it
- 33. www.astronomiavallidelnoce.it •Densità < Densità Critica Universo Aperto •Densità = Densità Critica Universo Critico •Densità > Densità Critica Universo Chiuso
- 34. Ci si accorse che la materia visibile era troppo poca per mantenere stabile le galassie nonché gli ammassi. Utilizzando le leggi di gravitazione si scoprì che doveva esistere della materia che non era visibile. Il primo esperimento che diede risultati fu quello della scoperta della compagna di Sirio. www.astronomiavallidelnoce.it
- 35. • Il tempo, come lo conosciamo noi, ha una sua direzione. Le teorie fisiche non vietano al tempo di essere negativo, cioè di tornare indietro. È come se una tazzina rotta si ricomponesse da sola!?!?! Ma se così fosse noi potremmo viaggiare nel tempo… e lo spazio?!?! La freccia del tempo • Il secondo principio della termodinamica ci assicura che una tazzina rotta non potrà mai aggiustarsi da sola e da una precisa indicazione di come evolvono le strutture nell’universo. Entropia e la freccia termodinamica www.astronomiavallidelnoce.it
- 36. Se l’universo fosse aperto o critico quello che succederebbe è che ad un certo punto le distanze tra gli oggetti sarebbero tali che con la morte delle stelle (nane nere) non ci sarebbe più la possibilità di creare nuove generazioni stellari. www.astronomiavallidelnoce.it
- 38. • Questa domanda fa parte più della metafisica che della fisica, anche se alcuni fisici, specialmente delle particelle, cercano di spiegare ogni istante dell’universo sviluppando idee su ciò che ci sarebbe stato prima utilizzando potenti acceleratori di particelle. Cosa c’era prima • Non vi era possibilità di dare una risposta fisica fino a quando un giovane borsista Edward Tryon non pensò “forse l’universo non é altro che una fluttuazione del vuoto”. Cioè l’universo é nato dal nulla e ciò é possibile in quanto l’energia totale dell’universo é zero. Da dove si é formato l’universo www.astronomiavallidelnoce.it
- 40. Cluster gravitazionale Cluster gerarchico www.astronomiavallidelnoce.it
- 43. All’inizio del Novecento l’avvento dei grandi telescopi consente di esplorare il cielo in modo sistematico. Così, il Sole si perde tra i cento miliardi di stelle della Via Lattea. La quale si perde, a sua volta, tra le centinaia di miliardi di galassie che popolano l’universo. www.astronomiavallidelnoce.it
- 44. Intorno al 1780, William Herschel fu il primo a tentare di determinare la forma della Via Lattea enumerando le stelle in diverse posizioni. Ottenne una forma più o meno schiacciata (giusto), ma coi bordi irregolari ed il Sole al centro (sbagliato). www.astronomiavallidelnoce.it
- 45. Nucleo galattico Bulbo centrale Bracci delle spirali Alone www.astronomiavallidelnoce.it
- 46. Diametro: 90000 a.l. Diametro bulbo: 25000 a.l. Diametro nucleo: 10000 a.l. Spessore al centro: 15000 a.l. Spessore in posizione del Sole: 1000 a.l. Massa totale: 200 x 109 masse solari 1 a.l. è circa 1013 km www.astronomiavallidelnoce.it
- 47. Harlow Shapley (1885- 1972) fu il primo ad individuare il centro galattico nella costellazione del Sagittario. Attualmente il nucleo galattico è localizzato nella posizione della radiosorgente Sagittario A = 17h 42,5m = - 28° 59’ www.astronomiavallidelnoce.it
- 48. www.astronomiavallidelnoce.it Raggio 1500 a.l. Densità > 109 vicinanza Sole > 150 ammassi globulari Distanza media stella-stella 1 settimana luce 15 volte diametro Sistema Solare Massa 109 masse solari Polveri e gas Emissione onde radio e lontano infrarosso
- 49. Nel bulbo centrale si trova un anello di nebulose giganti, all’interno del quale si trovano numerose nubi di gas e di polveri insieme a stelle giovani e ammassi stellari, ma anche molte vecchie stelle. www.astronomiavallidelnoce.it
- 50. Nella Galassia vi sono grandi quantità di idrogeno interstellare (regioni HI). Tale presenza si trova con osservazioni radioastronomiche della riga di emissione di 21 cm. La determinazione della distanza di tali regioni ci dà una stima accurata della natura a spirale. La distribuzione di tali regioni a portato all’identificazione della struttura della Galassia. www.astronomiavallidelnoce.it
- 51. L’alone è formato da ammassi globulari che presentano una distribuzione uniforme attorno al disco galattico. Sono formati da stelle vecchie e presumibilmente si sono formati all’incirca nello stesso periodo di formazione della Galassia www.astronomiavallidelnoce.it
- 52. www.astronomiavallidelnoce.it Formazione stellare Piano galattico data la presenza di molte polveri, le stelle si formano continuamente e qui convivono stelle giovani e vecchie. Alone essendo privo di polveri e gas, in tale zona non potranno nascere altre stelle.
- 53. www.astronomiavallidelnoce.it Mezzo interstellare Polveri La polvere consiste di minuscole particelle solide, agglomerati di molecole formati dagli elementi più abbondanti. A causa delle dimensioni di tale particelle, paragonabili alle lunghezze d’onda delle radiazioni ottiche e ultraviolette, la polvere si comporta come un attenuatore di luce continuo e selettivo. Gas Il gas è costituito di atomi e molecole sparse fra stella e stella con una densità che sul piano galattico raggiunge al massimo quella di un atomo per centimetro cubo. Il gas assorbe la radiazione stellare solo a certe ben determinate lunghezze d’onda tipiche degli elementi che lo compongono e del loro stato di ionizzazione.
- 54. Harlow Shapley (1885- 1972) pone il Sole in una posizione periferica. L’uomo perde la sua centralità all’interno della Galassia www.astronomiavallidelnoce.it Distanza dal centro 30000 a.l. Distanza dal piano galattico 46 a.l. N Velocità di rotazione del Sole 220 km/s Periodo di rivoluzione attorno al centro 240 x 106 anni
- 55. Le stelle della Via Lattea devono ruotare attorno al centro di questa, e ciò per soddisfare le leggi della dinamica. Le stelle che si trovano tra il Sole e il centro galattico ruotano attorno a questo più velocemente del Sole e lo precedono, mentre le stelle nella direzione dell’anticentro si muovono più lentamente e si lasciano sorpassare. Un effetto analogo si ritrova nella misura delle velocità radiali. www.astronomiavallidelnoce.it
- 58. Fino ai primi anni del XX secolo non si era sicuri che esistessero altri oggetti al di fuori della nostra Galassia. Con la determinazione della distanza della galassia di Andromeda si é aperta la visione dell’universo nella sua completezza. Ma é solo dopo la metà di questo secolo che si é riusciti a determinare le distanze con maggior precisione. www.astronomiavallidelnoce.it
- 59. E.P. Hubble classificò vari tipi di galassie. www.astronomiavallidelnoce.it Galassie Spirali Spirali barrate Ellittiche Irregolari
- 60. Le galassie a spirale sono di gran lunga le più numerose. Ciò é dovuto al fatto che sono più grandi rispetto agli altri tipi e dunque é più facile la loro individuazione. www.astronomiavallidelnoce.it
- 61. www.astronomiavallidelnoce.it A differenza del tipo precedente, queste galassie presentano una barra più o meno pronunciata che si diparte dal nucleo e dalla quale si dipartono le braccia a spirale.
- 62. www.astronomiavallidelnoce.it Le galassie ellittiche hanno forma che passa dall’essere quasi circolare a molto più allungate, avendo un appiattiment o massimo che può arrivare al massimo a circa 3:1.
- 63. www.astronomiavallidelnoce.it Sono il gruppo più scarno. Sono galassie dalla forma indefinita. Attualmente sono fecondissime di nuove stelle anche se sono un migliaio di volte meno dense di quelle a spirali.
- 64. Vi sono molti tipi di galassie per le quali la classificazione di Hubble va un po’ stretta: troviamo galassie dalle diverse caratteristiche fisiche ed altre che interagiscono coi membri vicini. www.astronomiavallidelnoce.it Tipologia galassie Radiogalassie Quasar BL Lac Blazar Liner Seyfert Markanian o N
- 65. Sono galassie a spirale o ellittiche che presentano una radiazione radio dal migliaio al milione più volte intensa rispetto a quella normali. La più intensa radiosorgente é Cynus A. www.astronomiavallidelnoce.it
- 66. Le quasar sono potenti sorgenti di radiazione X e infrarossa. Si vedono come punti luminosi, ma sono gli oggetti più distanti conosciuti dall’uomo. Il processo che li rende così luminosi non é molto chiaro. Tra le varie ipotesi si suppone che sia una galassia in formazione. www.astronomiavallidelnoce.it
- 67. Il nome deriva da una stella che successivamente si é scoperto essere il nucleo attivo di una galassia ellittica. La caratteristica é che presenta uno spettro continuo privo di righe. www.astronomiavallidelnoce.it
- 68. Blazar sta a significare BLLacQuaSar. La parola richiamo il termine fiamma, infatti questi oggetti presentano bruschi aumenti di luminosità. www.astronomiavallidelnoce.it
- 69. I Liner é l’acronimo di Low Ionization Nuclear Emission Region, in esse le emissioni gassose provengono da gas a bassa ionizzazione. www.astronomiavallidelnoce.it
- 70. Queste galassie presentano un nucleo talmente luminoso che mette in ombra I bordi circostanti. Prendono il nome da colui che per primo le catalogò e studiò. www.astronomiavallidelnoce.it
- 71. Prendono nome dall’astrofisico russo che le ha studiate. Presentano nuclei brillanti e radiazione più blu e ultravioletta rispetto alle galassie normali. Queste caratteristiche sono indice di attività più o meno intensa dei loro nuclei. www.astronomiavallidelnoce.it
- 72. Può capitare che alcune galassie interagiscano per effetto della reciproca attrazione gravitazionale. In questo cosa scoviamo galassie a nuclei multipli che presentano strane forme. La galassia formatasi raggiunge dimensioni ragguardevoli, anche 60 volte maggiore della nostra Galassia. www.astronomiavallidelnoce.it
- 73. www.astronomiavallidelnoce.it •La Via Lattea ha parte del cosiddetto gruppo locale, un insieme di una ventina di galassie in cui spiccano M31 e M33 e le Nubi di Magellano, galassie satelliti della nostra. La maggior parte delle galassie sono ellittiche o irregolari. Il diametro é di circa 3 milioni di a.l. Gruppo Locale •Il gruppo locale fa parte del cosiddetto superammasso della Vergine. La posizione della Via Lattea é periferica ed il centro é dominato dall’ammasso della Vergine che si trova a 70 milioni di a.l. Superammasso della Vergine
- 74. La disposizione delle galassie non é uniforme. L’universo é dominato da grandi vuoti sferici, del diametro dell’ordine dei milioni di a.l., e le galassie si addensano sulla superficie di tali vuoti. www.astronomiavallidelnoce.it