Telescopio Spaziale Hubble, tesina

Liceo Scientifico Statale “Francesco Vercelli” – Asti

Davide Valente

Classe V SA

Anno scolastico 2015/2016

Il telescopio spaziale Hubble

Tesina di Fisica

Indice generale

Introduzione 2

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Capitolo I 3

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Cenni storici di cosmologia 3

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1.1. Cosmologia antica ..................................................................................................................... 3

1.2. La Rivoluzione copernicana ...................................................................................................... 3

1.3. Galileo Galilei ........................................................................................................................... 4

1.4. Il telescopio newtoniano ........................................................................................................... 6

1.5. Telescopi a confronto ................................................................................................................ 6

Capitolo II 7

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Il Telescopio Spaziale Hubble 7

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2.1. Edwin P. Hubble ........................................................................................................................ 7

2.2. Perché un telescopio in orbita? ................................................................................................. 8

2.3. Il Telescopio Spaziale Hubble ................................................................................................... 8

2.4. Houston, abbiamo un problema ................................................................................................ 9

2.5. Come funziona? ...................................................................................................................... 10

Capitolo III 11

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Le scoperte 11

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3.1. La misura dell'età e della grandezza dell'Universo ................................................................. 11

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3.2. 10 stelle................................................................................................................................. 11

3.3. Hubble Ultra Deep Field (HUDF) .......................................................................................... 12

3.4. L'effetto lente gravitazionale ................................................................................................... 14

3.5. La vita delle stelle ................................................................................................................... 14

3.6. Buchi neri, quasar, galassie attive ........................................................................................... 14

3.7. I nostri vicini ........................................................................................................................... 15

Capitolo IV 16

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Il futuro 16

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4.1. JWST: il telescopio spaziale di nuova generazione ................................................................ 16

4.2. Tutte le cose buone… .............................................................................................................. 16

Abbreviazioni 18

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Bibliografia 19

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Cronologia 20

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Referenze fotografiche 22

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Sitografia 23

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Introduzione

407 anni fa, nel 1609, con Galileo Galilei nasceva l'astronomia osservativa moderna, nel pieno di quello straordinario periodo della storia del pensiero chiamato Rivoluzione Scientifica, i cui esponenti principali furono uomini quali Copernico, Keplero, lo stesso Galilei, Newton, Francis Bacon, Cartesio.

Per i successivi quattro secoli gli astronomi hanno sempre perseguito gli stessi obiettivi: vedere di più, più lontano nello spazio e più indietro nel tempo. Grazie allo sviluppo di telescopi sempre più efficaci abbiamo rivoluzionato la nostra visione dell'Universo: prima considerato statico e immutabile, sappiamo ora essere un luogo estremamente variabile e violento, in espansione, del quale abbiamo ancora molto da scoprire.

Il Telescopio oggetto di questo scritto, probabilmente lo strumento scientifico più produttivo della storia dell'umanità, nonché la missione NASA più duratura e riuscita, di cui è stato da poco festeggiato il ventiseiesimo anno di servizio, ci ha permesso di osservare più lontano di quanto non avessimo mai fatto prima, raggiungendo il limite per l'osservazione nello spettro del visibile.

I dati da esso inviatici ci hanno permesso di rispondere a molte domande e ne hanno sollevate altre. Grazie ad esso siamo riusciti a determinare l'età dell'Universo con una precisione senza precedenti, abbiamo notizie molto più precise sia su fenomeni che avvengono a milioni o miliardi di anni luce da noi, sia su quelli che riguardano il nostro Sistema Solare.

Oggi siamo vicini a rispondere a domande che gli uomini si pongono fin dai tempi dell'antica Grecia: siamo soli nell'Universo? Esiste un altro pianeta simile alla Terra? Siamo davvero così speciali?

Per fare questo, però, saranno necessari nuovi strumenti scientifici.

2 Capitolo I

Cenni storici di cosmologia

La cosmologia è la scienza che si pone come obiettivo lo studio dell'Universo nel suo insieme, del quale tenta di spiegare origine ed evoluzione. Essa soffre però di una limitazione fondamentale: non tutti gli oggetti dell'Universo sono osservabili con gli strumenti attualmente in nostro possesso e dobbiamo dunque limitarci a considerare solamente quelli che sono, anche indirettamente, percepibili o ipotizzabili. Ne consegue che i modelli cosmologici risentono del periodo storico in cui sono stati concepiti: quello che in passato veniva considerato l'intero Universo appare ora come una minima parte del Tutto; non si può dunque escludere che l'attuale modello, benché grandioso, non venga superato in futuro.

1.1. Cosmologia antica

Fin da quando gli antichi alzarono per la prima volta gli occhi al cielo, sembrò ovvio che fossimo al centro dell'Universo: vediamo il Sole sorgere ad est e tramontare ad ovest, la Luna attraversare il cielo. Noi eravamo al centro, la Terra era il punto più importante dell'Universo. Il modello geocentrico sviluppato da Aristotele (ed esposto nel De caelo) prevedeva un universo eterno ed immutabile articolato in una serie di sfere concentriche: quella più interna, occupata dalla Terra, era considerata l'unica “imperfetta”, in quanto i moti al suo interno erano rettilinei e perché passibile di mutamento. Le altre sfere (dei pianeti e delle stelle fisse) sarebbero state composte da etere, un elemento incorruttibile; ogni corpo celeste sarebbe stato coeso con la sua sfera, di cui avrebbe condiviso il moto circolare uniforme attorno alla Terra.

Figura 1: un’illustrazione del modello geocentrico, con pianeti e costellazioni orbitanti intorno alla Terra, tratta dall’opera Harmonia macrocosmica (1660) di Andreas Cellarius.

Evidenze osservative creavano però delle domande: se si osserva il moto dei pianeti lungo la fascia zodiacale per un lasso di tempo successivamente lungo si può notare come alcuni compiano dei moti “anomali”: i cosiddetti moti retrogradi apparenti, che sono particolarmente evidenti nel caso di Marte. I pianeti sembrano procedere all'indietro, per poi riprendere il loro usuale percorso.

Questa evidenza, contrastante con la teoria delle sfere omocentriche aristoteliche, portò Claudio Tolomeo a perfezionare la teoria aristotelica nel suo famoso Almagesto del II secolo d.C.: i corpi celesti, formati da quintessenza (estranea al mondo fenomenico), avrebbero orbitato lungo piccole orbite circolari dette epicicli, il cui centro era posto su circonferenze più ampie dette deferenti.

1.2. La Rivoluzione copernicana

Il modello tolemaico, essendo stato incorporato da Tommaso d'Aquino nella dottrina cristiana, rimase invariato per 1300 anni fino a quando, nel 1543 (l’anno della sua morte), Niccolò Copernico (1473-1543), matematico ed ecclesiastico polacco, non pubblicò il De revolutionibus orbium coelestium, in cui espose la sua teoria eliocentrica, i cui aspetti salienti sono:

• Il centro della Terra non è il centro dell’Universo, ma solo il centro della massa terrestre e della sfera lunare (l'orbita della Luna intorno alla Terra);
• Tutte le sfere ruotano intorno al Sole, che è vicino al centro dell'Universo;
• Le stelle sono immobili, dunque il loro movimento apparente è dovuto al moto di rotazione terrestre;
• Il moto di rivoluzione terrestre provoca il fenomeno del moto retrogrado apparente;
• Il moto apparente del Sole dipende dalla Terra e dalla nostra sfera, insieme alla quale ruotiamo intorno al Sole come ogni altro pianeta.

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Figura 2: il modello eliocentrico, tratto dal De revolutionibus orbium coelestium (1543) di Copernico.

Copernico era giunto alle sue conclusioni utilizzando solamente strumenti matematici. Egli non aveva modo di dimostrare la sua teoria perché non disponeva degli strumenti osservativi necessari; il modello copernicano, però, verrà successivamente sostenuto sia da Giovanni Keplero che da Galileo Galilei. Fu quest'ultimo a fornire l'evidenza osservativa che scardinò completamente le teorie geocentriche.

1.3. Galileo Galilei

Il cannocchiale venne inventato nei Paesi Bassi nei primi anni del XVII secolo, e da lì si diffuse rapidamente in tutta Europa. Nel 1609 ne giunse notizia a Galileo Galilei, che lo ricostruì e potenziò empiricamente; si trattava di uno strumento semplicissimo, costituito da due sole lenti, dalle prestazioni mediocri, paragonabili a quelle di un moderno binocolo. Il cannocchiale, però, rivelò particolari fino ad allora sconosciuti del nostro Sistema solare: per tutto il 1609 Galileo puntò il suo strumento al cielo, riuscendo ad osservare i rilievi lunari (fino ad allora la Luna era stata ritenuta un corpo perfetto), le fasi di Venere, gli anelli di Saturno (dei quali non comprese la natura). Galileo fu inoltre il primo a comprendere che la Via Lattea è un addensamento di moltissime stelle, non una sorta di “nube” quale era considerata fino ad allora. Dai suoi disegni si evince che il 28 dicembre 1612 e il 27 gennaio 1613 osservò il pianeta Nettuno, scambiandolo per una stella fissa. La scoperta che però cambiò per sempre la storia della scienza fu quella dei quattro satelliti medicei di Giove.

Galileo osservò Giove la prima volta l'11 gennaio 1610 e vide accanto ad esso quattro punti luminosi, che reputò essere stelle. Ma tornò ad osservare il pianeta, e notò solo tre punti. Continuando le osservazioni per più notti giunse alla conclusione (in verità, già il 15 gennaio 1610) che il moto di quegli oggetti era compatibile con quello di lune orbitanti intorno al pianeta. I suoi risultati, esposti nel Sidereus nuncius del 1610, furono rivoluzionari: per la prima volta nella storia dell'umanità un uomo aveva visto degli oggetti in orbita intorno ad un corpo celeste che non fosse la Terra. Questa scoperta fu la prova definitiva contro il sistema geocentrico: Galileo capì che gli antichi e Tolomeo avevano torto, che la Chiesa aveva torto e che Copernico aveva ragione. Da questa straordinaria scoperta le nostre conoscenze astronomiche sono andate sempre aumentando, ma grazie al lavoro di un altro genio, Isaac Newton.

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Figura 3: una serie di disegni di Galileo. Nei primi due è mostrata la superficie lunare e sono visibili le fasi del nostro satellite; costituiscono la prima rappresentazione realistica della Luna della storia. A destra, l’annotazione delle posizioni dei satelliti di Giove.

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1.4. Il telescopio newtoniano