Nuovi mondi, nuovi orizzonti

Istituto superiore “Blaise Pascal”

Via Carducci 4

Giaveno (TO)

Anno scolastico 2010-2011

New Worlds …

… New Horizons

In astronomy and astrophysics

Twinkle, twinkle, little star, MIRIAM

How I wonder what you are! BERTOLA

Liceo

Up above the world so high, SCIENTIFICO

Sperimentale

Like a diamond in the sky! CLASSE 5°A

Introduzione

Non avevo mai osservato il cielo come nella notte trascorsa su una barca a vela tra la Puglia e la Grecia: l’intera volta celeste e la Via Lattea mi si sono manifestate in tutto il loro splendore!

La scorsa estate con un piccolo telescopio ho scoperto per la prima volta la superficie della Luna, Venere, Giove con i suoi quattro satelliti e, più di recente, anche Saturno con i suoi anelli, osservati al Colle del Lys durante la serata di osservazione astronomica organizzata dal corso di astrofisica tenuto a scuola.

E allora sono arrivate le domande: come e perché si è formato l’Universo? Che forma ha? È infinito o finito? Che cosa succederà all’Universo, alla fine?

Tale problema, seppur in forme diverse, è stato oggetto di riflessione sin dai tempi immemorabili, per quel comune bisogno di sapere che si nasconde nel cuore di ogni uomo. Fin dalle più antiche civiltà, infatti, si hanno testimonianze di tentativi di costruire immagini o modelli del cosmo (del suo stato e delle sue origini), che fossero in accordo con le conoscenze naturali disponibili e con le idee generali prevalenti: di costruire cioè una cosmologia.

La cosmologia, la scienza che si occupa di indagare sull’origine, la costituzione, la struttura e l’evoluzione dell’Universo, al contrario di come possa sembrare, riguarda da vicino l’uomo nelle sue origini e nel suo destino, Il Big Bang può sembrare un evento così remoto nel tempo, così estraneo alla nostra quotidianità, eppure anche noi durante il Big Bang c’eravamo!

Se consideriamo infatti la Legge di Lavoisier sulla conservazione della materia, la quale sostiene che la massa si conserva, allora dobbiamo supporre che tutto ciò che compone l’Universo attuale fosse già presente, sebbene in altre forme, al momento del Big Bang che ne ha avviato l’evoluzione, e perciò anche noi, in qualche forma, dovevamo essere lì, ammassati con il resto del creato in quel punto paradossale, a densità inimmaginabile, detto “singolarità”.

Quanta strada abbiamo fatto da allora. In quanti posti siamo stati, e in quante forme differenti: siamo stati fotoni di luce, poi polvere intergalattica alla deriva, forse abbiamo operato nel nucleo rovente di giganti stelle poi esplose, magari abbiamo fatto parte di un pianeta, o ancora di una fredda cometa che ci ha trasportato fino a qui.

Proprio questo sembra volerci dire Italo Calvino che sceglie come voce narrante di tutti i racconti de Le cosmicomiche il personaggio di Qfwfq, presentato in forme differenti nei vari testi, quasi come se assumesse diverse fisionomie e fosse testimone dei diversi momenti dell’evoluzione dell’universo che racconta.

Queste mie esperienze e riflessioni mi hanno motivato nella scelta dell’argomento di questa ricerca che ho deciso di svolgere ripercorrendo in maniera sintetica i modelli cosmologici del mondo antico e approfondendo le teorie cosmologiche considerate attualmente valide. 1

Tali modelli cosmologici, insieme all’odierno sviluppo della scienza sono stati possibili grazie allo sviluppo dei metodi osservativi nel corso del XX secolo, all’elaborazione della teoria della relatività generale di Einstein, allo sviluppo della meccanica quantistica e della fisica delle particelle e alle osservazioni dell’Hubble Space Telescope nei Deep Field dell’Universo; tuttavia la conoscenza scientifica è sempre provvisoria e non esiste tuttora un modello cosmologico in grado di rappresentare esaustivamente il nostro Universo.

Incaricato dalla National Accademy of Sciences, il Comitato del 2010 per la redazione del rapporto decennale in astronomia e astrofisica ha deciso di comprendere, tra gli obiettivi principali della relazione intitolata “New Worlds, New Horizons in Astronomy and Astrophysics”, dalla quale ho tratto il titolo della mia relazione, lo studio della formazione delle galassie primordiali tramite i grandi progetti del Wide Field Infrared Space Telescope (WFIRST) e il Large Synoptic Survey Telescope (LSST), che, insieme alla messa in orbita del James Webb Space Telescope (JWST) prevista per il 2015, contribuiranno sicuramente ad ampliare le conoscenze umane in campo cosmologico.

Dopo aver approfondito tali argomenti, sono ancora più affascinata da quello che l’uomo è riuscito a scoprire sull’Universo e da tutto quello che è invece ancora da scoprire! Sono molto fiduciosa nei progetti per il prossimo decennio, grazie ai quali la cosmologia moderna potrebbe compiere straordinari passi avanti.

Mi rimangono alcune perplessità: possiamo realmente comprendere quello che abbiamo scoperto sull’Universo?

Anche se dimostriamo queste teorie, ne cogliamo veramente il loro significato?

Riusciamo davvero ad immaginarci modelli così complicati come la deformazione dello spazio-tempo (cioè spazio a quattro dimensioni!) operata dalle masse teorizzata da Einstein nella teoria della relatività?

E anche quando si parla di distanze, che ci sembrano più concrete e reali, ed entrano in gioco i Chilometri, le Unità Astronomiche, gli anni luce, i Parsec, siamo sicuri di comprendere realmente l’entità di tali dati?

La stella più vicina al sistema solare, Proxima Centauri, dista da noi circa 40.681.440.000.000 Km (quarantamilaseicentoottantuno miliardi quattrocentoquaranta milioni di chilometri), ovvero 271.210 UA. Riuscite ad immaginarvelo? 2

Sommario

Introduzione ..................................................................................................................... 1

Sommario.......................................................................................................................... 3

Cosmologia: da Aristotele all’Universo finito ................................................................. 4

La legge di Hubble e l’espansione cosmica .................................................................... 8

Il Big Bang e l’origine dell’universo nel modello standard .......................................... 12

La velocità della luce e la forma dell’Universo ............................................................. 16

La curvatura dello spazio ............................................................................................... 21

Le onde gravitazionali e la deformazione spazio-temporale ...................................... 23

La materia oscura ........................................................................................................... 27

Energia oscura: un altro mistero da svelare ................................................................. 29

Calvino e la cosmologia .................................................................................................. 32

Corsi e conferenze .......................................................................................................... 34

Bibliografia ...................................................................................................................... 34

Fonti multimediali .......................................................................................................... 35 3

Cosmologia: da Aristotele all’Universo finito

La cosmologia era un tempo una dottrina filosofica e teologica. Nel mondo occidentale le prime teorie cosmologiche con alcuni fondamenti scientifici (e non puramente religiosi) furono elaborate da astronomi e filosofi dell’antica Grecia.

Il mondo antico ci ha lasciato in eredità una concezione geocentrica del cosmo, faticosamente superata, nel corso dei secoli XVI e XVII, grazie all’opera di grandi uomini di scienza, come Copernico, Keplero, Galileo e Newton. Nell’antichità, non mancarono tentativi di porre la cosmologia su basi eliocentriche (scuola pitagorica, Aristarco di Samo), ma essi furono ridotti al silenzio in base alle cosiddette prove dell’immobilità terrestre.

L’inconveniente più grave della concezione geocentrica è che, visto dalla Terra, il moto di un pianeta è tutt’altro che circolare. Un primo tentativo di spiegare tali movimenti irregolari fu quello ideato da Eudosso di Cnido (400 a. C) e accolto nella cosmologia aristotelica che prevedeva l’esistenza di sfere concentriche attorno alla Terra sulle quali erano situati i pianeti; il moto irregolare dei pianeti era spiegato dalla rotazione su assi diversi delle sfere ospitanti i pianeti. Per Aristotele le sfere concentriche con la Terra erano cinquantacinque e costituite da etere.

Mundum et hoc quodcumque Il mondo, e tutta questa realtà

nomine alio caelum appellare libuit, che, con un altro nome, piace anche

cuius circumflexu degunt cuncta, chiamare “cielo” nella cui curvatura

numen esse credi par est, si raccoglie ogni vita, è giusto

Aeternum, inmensum, neque reputarlo una divinità, eterna,

genitum neque interiturum umquam. sconfinata, senza origine né morte.

Huius extera indagare nec interest Investigare ciò che cade al di fuori

hominum nec capit humanae non importa all’uomo, e sorpassa le

coniectura mentis. Sacer est, ipotesi dello spirito umano. Il

aeternus, immensus, totus in toto, mondo è sacro, eterno, sconfinato,

immovero ipse totum, infinitus ac tutto intero nel tutto, o meglio,

finito similis, omnium rerum certus et coincidente con il tutto, infinito e

similis incerto, extra intra cuncta apparentemente finito, determinato

conplexus in se, idemque rerum in ogni cosa e apparentemente

naturae opus et rerum ipsa natura. indeterminato, capace di

abbracciare in sé tutte le cose,

dentro e fuori, ed è insieme una

produzione della natura, e la natura

Plinio – Storia naturale stessa. 4

Gli astronomi alessandrini elaborarono in seguito una teoria in grado di spiegare il moto retrogrado dei pianeti, che prevedeva gli epicicli, in altre parole piccole orbite circolari che i pianeti percorrono durante la loro rotazione attorno alla terra, che fu sviluppata in forma definitiva ed esposta da Tolomeo (95 d.C. – 173 d.C.) nell’Almagesto.

Il sistema astronomico aristotelico-tolemaico, fu trasmesso all’occidente latino, soprattutto ad opera della scienza araba, e divenne parte della concezione tomistica. Il geocentrismo sembrava inoltre confermato da quei passi della Bibbia ove si parla esplicitamente di moto del Sole.

Immagine del sistema elaborato da Copernico

Il passo successivo fu compiuto da Copernico (1475-1545), il quale, nel “De Revolutionibus Orbium Coelestium”, propose una soluzione apertamente eliocentrica in opposizione al complicato sistema Tolemaico. Le orbite planetarie copernicane erano tuttavia circolari, il che costrinse il loro ideatore a mantenere nel suo sistema numerosi epicicli per giustificare il moto retrogrado dei pianeti, le quali scomparvero definitivamente ad opera di Keplero (1571-1630), scopritore della effettiva forma ellittica delle orbite dei pianeti delle quali il sole occupa uno dei due fuochi. Nel XVI secolo, accanto al sistema tolemaico e quello copernicano, emerse inoltre un terzo sistema, quello di Tycho Brahe (1546-1601), il quale ipotizzava il moto dei pianeti intorno al Sole, combinato con il moto di quest’ultimo attorno alla Terra. Tale sistema era particolarmente gradito agli astronomi della Compagnia di Gesù, in quanto consentiva loro di tener conto delle nuove scoperte, pur rimanendo fedeli all’antico geocentrismo aristotelico-tomistico.

Newton (1643–1727) spiegava con la legge di gravità i movimenti dei pianeti intorno al Sole che Herschel (1738–1822) estese a tutto l’universo attribuendo anche al Sole un movimento all’interno della galassia. 5

Nel 1687 Newton fornì una delle prime chiavi interpretative della struttura del Sistema solare e dell’Universo in generale: la legge di gravitazione universale, che unificava una serie di fenomeni (la caduta dei gravi, le maree, il moto dei pianeti); la cosmologia dei due secoli successivi fu in buona parte un tentativo di applicare le leggi della meccanica newtoniana dapprima al sistema solare e poi ad una scala più ampia.

Nel 1785 Herschel aveva scoperto che la distribuzione delle stelle sulla volta celeste non è uniforme, ma che nella fascia circolare nota fin dall’antichità come Via Lattea il loro numero è molto più alto che altrove. Questo fatto suggeriva che il Sole fosse all’interno di un sistema di stelle a forma di disco che fu chiamato Galassia.

…Trasportato dai fianchi della Galassia il nostro mondo navigava al di là di spazi lontanissimi, e il segno era là dove l’avevo lasciato a segnare quel punto, e nello stesso tempo segnava me, me lo portavo dietro, mi abitava, mi possedeva interamente, s’intrometteva tra me e ogni cosa con cui potevo tentare un rapporto.

Nell’attesa di tornare a incontrarlo, potevo cercare di derivarne altri segni e combinazioni di segni, serie di segni uguali e contrapposizioni di segni diversi.

Ma erano passate già decine e decine di migliaia di millenni dal momento in cui l’avevo tracciato (anzi: dai pochi secondi in cui l’avevo buttato giù nel continuo movimento della Via Lattea) e proprio ora che avevo bisogno di tenerlo presente in ogni suo particolare (la minima incertezza su com’era fatto rendeva incerte le possibili distinzioni rispetto ad altri segni eventuali) mi resi conto che, nonostante lo avessi in mente nei suoi sommari contorni, nella sua apparenza generale, pure qualcosa me ne sfuggiva, insomma, se cercavo di scomporlo nei suoi vari elementi, non mi ricordavo più se tra un elemento e l’altro facesse così oppure così….

Italo Calvino 1965 – Le Cosmicomiche – Un segno nello spazio

Già dagli ultimi anni del XIX secolo l’interesse dalla cosmologia si era spostato su un’altra controversia, che opponeva coloro che sostenevano che la Galassia costituisse praticamente tutto l’Universo, e coloro che invece sostenevano che le cosiddette nebulose a spirale non erano altro che galassie simili alla nostra, che noi osserviamo dall’esterno. Questa seconda ipotesi si rivelò corretta quando nel 1924 Edwin Hubble riuscì a misurare la distanza della Galassia di Andromeda, scoprendo che essa si trova a circa due milioni di anni luce da noi: essa è quindi ben al di fuori della nostra galassia ed ha dimensioni simili ad essa.

La cosmologia contemporanea nasce fra il 1915 ed il 1929: nel 1915 Einstein pubblicò il primo articolo riguardo alla teoria della relatività generale, mentre nel 1929 Hubble scoprì la sua famosa legge, che implica che l’Universo è in espansione.

Nello studio dell’universo è generalmente accettata l’ipotesi del Principio Cosmologico secondo cui l’universo, su grande scala (cioè con distanze dell’ordine di 100 milioni di anni luce), è omogeneo ed isotropo, cioè appare identico per ogni osservatore indipendentemente dalla sua posizione e dalla direzione in cui osserva. Se si assume inoltre che le leggi della fisica newtoniana siano valide

STAR CLUSTERNGC 290 6

ovunque, nello spazio e nel tempo, ci accorgiamo che un universo statico infinito in presenza di forze gravitazionali attrattive è instabile poiché le stelle cadrebbero le une sulle altre data l’impossibilità di rendere nulla la risultante delle forze applicate ad ogni stella; nemmeno se si suppone che a lunghe distanze la forza gravitazionale diventi repulsiva, si può giungere ad una condizione di stabilità in un universo infinito.

Oggi la cosmologia è considerata a pieno titolo una scienza; i suoi oggetti di studio sono le proprietà e l’evoluzione dell’Universo, dalle particelle elementari nel brodo primordiale, fino ai possibili scenari del suo remoto

Futuro. Hubble deep field unveils myriad galaxies back to the beginning if time

Tuttavia la cosmologia, così come l’astrofisica, data l’impossibilità di condurre esperimenti diretti, non è una scienza di alta precisione: l’osservazione del cielo, la spettrometria e la radioastronomia sono i nostri strumenti, ma presentano ancora problemi di natura tecnica nonostante il grado di sviluppo tecnologico raggiunto soprattutto negli ultimi decenni.

In astrofisica l’impossibilità di fare esperimenti con le stelle o con le galassie è compensata dall’abbondanza di oggetti osservabili, che possono essere considerati come realizzazioni dello stesso sistema fisico in condizioni ed età diverse. Così non è in cosmologia: l’Universo è per definizione un evento unico, osservabile da una sola posizione, di cui possiamo osservarne l’evoluzione nel tempo con l’esclusione dei primi 380.000 anni.

A “Rose” made of galaxies highlights Hubble’s 21st anniversary 7

La legge di Hubble e l’espansione cosmica

Edwin Hubble è una delle figure chiave dell’astronomia. A lui è stato intitolato il telescopio orbitante HST (Hubble Space telescope), lanciato nel 1990 come progetto comune della NASA e dell’ESA. Nel 1923 Hubble fu in grado di provare che alcune delle macchie luminose diffuse, catalogate da Messier nel 1781 con il nome di nebulose, erano in effetti insiemi di miriadi di stelle, dimostrando l’esistenza di galassie diverse dalla nostra Via Lattea, come la nebulosa di Andromeda.

Già nella “Storia universale della natura e teoria del cielo” Kant (1705) descrisse la formazione dell’universo a partire da una nebulosa primitiva, secondo le leggi della meccanica newtoniana.