Astronomia

Astronomia 2021/22

Programma

• Il sistema solare
• Coordinate celesti
• Spettro elettromagnetico
• Esopianeti
• Classificazione spettrale delle stelle

Il sistema solare

Il sistema solare è formato da 4 pianeti rocciosi piccoli e 4 giganti gassosi/liquidi. La Terra dista dal Sole 1 AU, misura che permette di dire con semplicità che Giove dista 5 AU, Saturno 10, Urano 20, Nettuno 30.

È il sistema planetario composto dai corpi celesti mantenuti in orbita dalla forza di gravità esercitata dal Sole. L’intero sistema ha un diametro di 240-260 AU ed è situato nel braccio di Orione della Via Lattea, orbitando attorno al centro galattico a una distanza di 30000 AL e con velocità di 230 km/s, ciò vuol dire che servono 200 milioni di anni per completare un giro.

Il Sole costituisce da solo il 99,9% della massa del sistema nonostante esso sia formato da 8 pianeti, 5 pianeti nani (Cerere, Plutone, Haumea, Makemake, Eris), satelliti naturali, asteroidi, comete, meteoroidi e polvere interplanetaria. Il vento solare è un flusso di plasma generato dalla corona solare che permea l’intero sistema solare.

Le orbite dei pianeti

I pianeti orbitano attorno al Sole ruotando nello stesso modo, con orbite quasi complanari e quasi circolari, eccetto il caso di Mercurio che ha un’orbita più eccentrica. Guardando le orbite in modo tale che i pianeti compiano il moto di rivoluzione in senso antiorario, si nota che Venere e Urano sono gli unici pianeti a ruotare attorno al proprio asse in senso orario (essi compiono un moto retrogrado in senso antiorario).

Si nota che i pianeti rocciosi sono tutti simili tra di loro a livello di massa, diametro e densità, mentre i giganti gassosi hanno caratteristiche ben diverse; infatti, Saturno ha una densità più bassa dell’acqua.

Pianeti terrestri

• Sono relativamente densi, con massa e raggio però minori rispetto a quelli della Terra.
• Hanno superficie rocciosa e sono composti da Fe, O, Si, Mg, Ni, S.
• Hanno struttura interna simile formata da nucleo e mantello.
• Ruotano lentamente, poche lune e nessun anello.
• Superfici osservabili tranne quella di Venere poiché è costituito da un’atmosfera densa.

Il nucleo dei pianeti terrestri è generalmente solido circondato da uno strato di Fe liquido che costituisce il nucleo esterno liquido. La presenza del ferro liquido è la causa della formazione dei campi magnetici planetari, dovuto al movimento interno del magma. L’orbita di Mercurio è più eccentrica rispetto a quella di Venere, infatti le angolazioni della massima elongazione sono diverse.

Mercurio

• Ha piccole dimensioni ma grande densità, poiché ha un nucleo metallico con il 5% del raggio, circa il 50% della sua massa.
• Campo magnetico debole (1% di quello terrestre).
• Non ha atmosfera.
• Temperatura superficiale di 600 K e 100 K.
• Periodo di rotazione che è 2/3 del periodo di rivoluzione (unico caso).
• È stato dimostrato da Giuseppe Colombo che Mercurio ha la particolarità dell’accoppiamento rotazione-rivoluzione pari a 2/3. Questo è dovuto al fatto che Mercurio non è perfettamente sferico e che l’orbita è molto ellittica. Se Mercurio avesse l’orbita circolare il suo asse longitudinale punterebbe sempre verso il Sole, dunque sarebbe in rotazione sincrona con il Sole, ma in realtà essendo l’orbita ellittica l’asse punta verso il Sole solo al perielio, quindi Mercurio ruota su se stesso una volta e mezzo durante il moto di rivoluzione.
• La superficie è coperta da crateri formatisi durante la nascita del sistema solare (4 miliardi di anni fa). Le pianure tra i crateri sono state formate dalla fuoriuscita di lava poco dopo il periodo dei meteoriti (3.8 miliardi). Le zone sono meno scure rispetto alla luna poiché il terreno è composto da meno ferro.

Dato che i crateri non sono mai stati cancellati, si deduce che su Mercurio non c’è attività geologica. Bacino di Caloris con 680 km di raggio, circondato da montagne alte 2000 m, con al centro una pianura lavica. Terreno corrugato dovuto a onde d’urto sismiche, increspature dovute al raffreddamento che possono distorcere i crateri.

Su Mercurio è stata presente acqua ghiacciata, dimostrato dalla sonda Messenger, che sicuramente non si è formata alla formazione del pianeta, ma è stata portata sulla superficie dalle comete (lo stesso vale per la presenza di Na, K, S, Cl).

Venere

• È simile alla Terra in massa, raggio e densità, ma ha un’atmosfera più densa poiché formata dal 96% di anidride carbonica, nuvole spesse di vapor d’acqua e acido solforico.
• Ha una rotazione lenta e retrograda (come Urano ruota in senso orario attorno al suo asse), infatti il periodo di rotazione è di 234 days con un periodo orbitale di 224.6 days. Questa rotazione lenta è la causa dell’assenza di campo magnetico planetario, dato che per la teoria della dinamo, occorre che il ferro liquido nel nucleo ruoti a una certa velocità.
• La superficie del pianeta è riscaldata dalla radiazione solare (principalmente nel visibile), il calore è re-irradiato dalla superficie sotto forma di radiazione infrarossa. CO₂ e altri gas nell’atmosfera assorbono l’infrarosso facendo aumentare la temperatura della superficie creando l’effetto serra.
• Superficie:
  • Molto più pianeggiante della Terra per via della crosta più sottile (movimento della superficie in più zone).
  • Crateri distribuiti in modo casuale, ciò vuol dire che la superficie di Venere ha più o meno la stessa età, quindi c’è attività geologica che cancella i crateri.
  • Non ci sono catene montuose come sulla Terra poiché le correnti convettive sono molto più potenti, ma tendono a non far ispessire la crosta, provocandone la rottura.
  • C’è stata per lungo tempo attività vulcanica (sono osservabili crateri vulcanici, ormai spenti, e zone in cui vi sono state colate laviche), infatti la superficie è rovente e di origine vulcanica.

Transito Venere – Sole: fu importante per calcolare l’unità astronomica, misurando il tempo di transito di Venere davanti al Sole da diverse angolazioni sulla superficie terrestre.

Marte

• È simile alla Terra, con raggio grande la metà e 1/10 della massa, periodo orbitale quasi il doppio.
• Ha una densità relativamente bassa, con un nucleo meno denso e più piccolo di quello terrestre.
• Il periodo di rotazione e l’inclinazione sono simili a quelli della Terra, infatti sono osservabili dei cambiamenti stagionali sulla superficie: la calotta polare ghiacciata cresce e si restringe.
• Ha un campo magnetico estremamente debole.
• Atmosfera rarefatta formata dal 95% da CO₂.
• Temperatura superficiale di 290 K, ma la mancanza di atmosfera porta la pressione a essere 1/100 di quella terrestre.
• È presente attività vulcanica e ci sono evidenze geologiche di erosione da acqua.

L’eccentricità è leggermente maggiore di quella di Venere (ma non di quella di Mercurio), rappresenta un’orbita ellittica, fu questa scoperta da parte di Keplero e Brahe a portare all’eliminazione del modello delle sfere celesti e aprì la strada alla teoria gravitazionale di Newton.

Nel 1877 l’astronomo italiano Giovanni Schiaparelli annunciò la scoperta di canali su Marte, allora il miliardario Percival Lowell fece costruire un telescopio a Flagstaff, Arizona per confermare le misure. Esse si rivelarono erronee ma stimolarono le osservazioni di Marte.

Superficie:

• Priva di canali ma ha zone di colore diverso che furono scambiate per canali.
• Presenza di crateri da impatto, spesso alcuni crateri sopra altri, questo indica che la superficie è molto antica, poiché la maggior parte degli impatti è avvenuta 4 miliardi di anni fa. Essi sono stati osservati solo recentemente poiché la superficie è spesso soggetta a tempeste di sabbia (anche Hubble faceva fatica) che a volte oscurano l’intera superficie.
• Ci sono molti vulcani, tutti spenti, e la presenza di crateri nelle loro vicinanze indica che sono molto antichi, quindi Marte si è raffreddato prima di Venere e ha una crosta molto spessa.
• Il Monte Olimpo è il vulcano più grande del Sistema Solare, con un’altezza di 67 km, un diametro alla base di 600 km, con dirupi alti 6 km.
• Stagioni: ai poli può fare sufficientemente freddo da far ghiacciare l’anidride carbonica e durante l’inverno si può presentare una neve di ghiaccio secco.
• Si formano delle piccole trombe d’aria chiamate dust devils (fenomeni comuni anche sulla Terra), tornati molto utili alle sonde Spirit e Opportunity dato che hanno ripulito i loro pannelli solari e hanno permesso di aumentare la durata della missione.

Sonde su Marte: 4 Rover Pathfinder (1997), Spirit e Opportunity (2004), Curiosity (2012). Mars Global Surveyor nel 1998 ha dimostrato che il cosiddetto volto di Marte ripreso precedentemente dall’orbiter Viking 1, non era un volto ma semplicemente un ammasso roccioso.

La sonda Insight fu mandata su Marte per cercare di inserire una talpa a profondità 5 m per avere informazioni sull’interno, ma nel gennaio 2021 i tentativi si conclusero a una profondità di 30 cm. Ha comunque fornito informazioni sulla crosta che è più sottile di quanto si pensasse (20-37 km), il mantello è di circa 1600 km e un nucleo fuso di 1800 km di raggio. Ha inoltre registrato oltre 700 martemoti di magnitudo 3.0-4.0, causati da attività vulcanica.

Nella zona in cui è atterrato Spirit furono trovate rocce con tracce di sali solfati, ma dato che contenevano olivina, in quella zona non è possibile che ci sia stata acqua poiché l’olivina si distrugge a contatto con essa. Opportunity invece trovò zone con sedimentazione, che è chiaro segno di presenza di acqua.

Successivamente si provò che c’è un grande quantitativo d’acqua sotto forma di ghiaccio soprattutto al polo nord. Nel 2011 un laureando nepalese, osservando le immagini dell’orbiter Mars Reconnaissance, scoprì un cambiamento stagionale in quelli che sembravano dei rivoli di acqua liquida. Un’analisi spettroscopica confermò poi la presenza di acqua liquida.

Marte ha due satelliti naturali di piccole dimensioni: Fobos e Deimos (22 km e 12 km di diametro), è l’unico pianeta roccioso ad avere un sistema di satelliti. Hanno forma irregolare e si ipotizza che possano essere asteroidi catturati, oppure dato che sono formati da materiale simile a Marte, si pensa che si siano formati durante la formazione del pianeta.

Asteroidi: fascia principale

È la regione del sistema solare situata tra le orbite di Marte e di Giove, occupata da numerosi corpi di forma irregolare chiamati asteroidi o pianeti minori. Circa la metà della massa della fascia è contenuta nei quattro asteroidi più grandi: Cerere, Vesta, Pallade, Igea. Questi hanno diametri medi di oltre 400 km, mentre Cerere (l’unico pianeta nano della fascia) ha diametro di 950 km, i restanti hanno diametri minori fino alle dimensioni di un granello di polvere. Il materiale asteroidale è distribuito in modo molto diradato; infatti, numerose sonde hanno attraversato la fascia senza incidenti.

La fascia si è formata dalla nebulosa solare primordiale come aggregazione di planetesimi (oggetti con diametro > 1 km) che a loro volta hanno formato i protopianeti. Le perturbazioni orbitali di Giove, però, avendo dotato i protopianeti di troppa energia orbitale perché potessero accrescersi in pianeti, ne causarono la frantumazione, quindi il 99,9% della massa della fascia degli asteroidi andò persa nei primi 100 milioni di anni di vita del sistema solare.

Il semiasse maggiore è usato per descrivere l’orbita dell’asteroide attorno al Sole e il suo valore determina il periodo orbitale. Nel 1866, Daniel Kirkwood annunciò la scoperta di alcune lacune nelle distanze delle orbite dal Sole. Esse erano posizionate in orbite con periodo di rivoluzione pari a una frazione intera del periodo orbitale di Giove, dunque Kirkwood ipotizzò che le perturbazioni gravitazionali del gigante gassoso causavano l’allontanamento degli asteroidi da quelle orbite.

Missione DAWN, Cerere e Vesta

DAWN fu lanciata nel 2007, fu la prima missione ad orbitare attorno ai planetoidi della fascia di asteroidi (lasciò l’orbita di Vesta nel 2012 e entrò in orbita di Cerere nel 2015).

• Vesta: è l’asteroide più luminoso (si può vedere ad occhio nudo) ed è grande in superficie come il Pakistan, ha periodo di rotazione di 5 ore. La missione DAWN scoprì al polo sud un enorme cratere che fu chiamato Rheasilvia.
• Cerere: è l’asteroide più massiccio della fascia degli asteroidi, fu scoperto nel 1801 da Giuseppe Piazzi (Palermo), per mezzo secolo fu considerato l’ottavo pianeta. Il suo diametro è di 900-1000 km e ha una massa che contiene il 32% della massa della fascia principale. Ha subito un fenomeno di differenziazione che ha condotto alla formazione di un nucleo roccioso e di un mantello di materiali ghiacciati, potrebbe ospitare un oceano di acqua liquida sotto la superficie. Il Monte Ahuna si ipotizza che si sia formato a causa del criovulcanismo; dato che il monte si trova pressoché agli antipodi del più vasto cratere ad impatto Kerwan (280 km di diametro), si pensa che l’energia sismica sprigionatasi durante l’impatto abbia fratturato gli strati esterni sul lato opposto di Cerere, provocando la fuoriuscita in superficie di magma criovulcanico (fanghiglia acquosa fluidificata dalla presenza di sali minerali).

Gli asteroidi near-Earth

Gli asteroidi near-Earth sono asteroidi la cui orbita è vicina a quella della Terra, alcuni di essi possono rappresentare un pericolo poiché intersecano l’orbita terrestre, ma sono più accessibili dalle sonde.

Esistono tre famiglie di NEA:

• Asteroidi Aten, il cui semiasse maggiore è inferiore a 1 AU.
• Asteroidi Apollo il cui semiasse maggiore è di 1 AU e il perielio inferiore a 1,017 AU.
• Asteroidi Amor il cui raggio orbitale medio è compreso tra quello della Terra e quello di Marte e il cui perielio è leggermente fuori dall’orbita terrestre (1,017-1,3 AU). Questi oggetti incrociano spesso l’orbita di Marte, ma non quella della Terra. Le due lune di Marte, Fobos e Deimos, potrebbero essere due asteroidi Amor catturati.

Le minacce potenziali per il nostro pianeta sono costituite dagli asteroidi Aten e Apollo. 1999 KW4 è un asteroide Aten che attraversa l’orbita di Mercurio, fu scoperto nel progetto Linear nel 1999. Ha un satellite (1999 KW4 Beta) con 360 m di diametro, che orbita in 18 ore a una distanza di 2,6 km.

Bennu è un asteroide Apollo, scoperto nel 1999, presenta un’orbita con semiasse maggiore pari a 1,126 AU ed eccentricità 0,203 e inclinazione 6,04 gradi, un diametro di 500 m. Fu selezionato dalla missione Osiris-Rex per atterrare e recuperare dei campioni, lanciato del 2016 e atterrato nel 2018.

Eros 433 è un asteroide Amor con forma irregolare, ha uno restringimento centrale, ha una massa di circa un decimilesimo della massa lunare. I suoi crateri raggiungono dimensioni confrontabili con Eros stesso. È il primo asteroide attorno al quale abbia orbitato e atterrato una sonda, la NEAR Shoemaker nel 2000 (condusse analisi chimiche del suolo trovando regolite).

I pianeti gioviani

• Sono i pianeti che si trovano oltre la fascia di asteroidi principale.
• Hanno bassa densità ma grande massa, composti principalmente di idrogeno e elio.
• Sono rotatori veloci (periodo < 1d).
• Hanno molte lune.
• Tutti hanno anelli.
• Contengono da soli il 99,5% di tutta la massa planetaria.

Giove

• È il pianeta più grande e più massiccio, densità 1,34 g/cm³, composto principalmente di H (78%) ed He (19%) in fase gassosa e liquida.
• Ruota rapidamente con periodo di circa 10 ore, questo causa uno schiacciamento polare.
• Le caratteristiche bande sono delle zone ad alta/bassa pressione che emergono/affondano nell’atmosfera.
• Ha un forte campo magnetico che dà vita anche a magnetosfera e aurore.

La sonda Galileo fu lanciata nel 1989, raggiunse Giove dopo 4 anni per osservarlo per altri 8. Per un guasto l’antenna della sonda non si aprì completamente e non riuscì a trasferire immagini e dati come previsto.

Atmosfera:

• Le fasce brune (bande) e chiare (zone) sono nuvole trascinate dalla rotazione veloce, nelle zone equatoriali (tra latitudini 7 S e 7 N) esse ruotano più velocemente delle zone polari. La loro alternanza prosegue fino alle regioni polari interrompendosi circa a 50 gradi di latitudine, dove l’aspetto visibile risulta differente. La differenza nell’aspetto di bande e zone proviene in realtà dalla diversa opacità delle nubi, infatti la concentrazione di ammoniaca è maggiore nelle zone e ciò comporta la formazione di nubi più dense di ghiaccio di ammoniaca alle alte altitudini, da qui il loro colore più chiaro. Dunque le bande sono nubi più sottili e ad altitudini inferiori.
• La famosa zona rossa (occhio di Giove) è in realtà una tempesta che dura da secoli.