Stage di astrofisica IASF/IFSI, 3° Edizione Giorno 1- Lezione 1: Introduzione all'Astrofisica, Introduzione al nostro Sistema Solare; I sistemi planetari extrasolari

1. Introduzione
Massimo Badiali
INAF
Istituto di Astrofisica Spaziale e Fisica cosmica
01/02/10

2. 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

3. 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

4. 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

5. 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.

6. “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….

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

8. 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.

9. 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

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

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

12. 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

13. 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

14. 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?

15. 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

16. Terra 8 min.-luce dal Sole
Luna 1 sec.-luce da Terra
Plutone 5 ore-luce dal Sole
α 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

17. 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

18. 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.

19. 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.

20. 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.

21. 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.

22. Vista dall’esterno, la Via Lattea potrebbe apparire così

23. 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.

27. 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…

28. 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