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Massimo Capaccioli » 1.Introduzione al corso

Struttura del Corso

Il corso, strutturato in 21 lezioni, è un’introduzione allo studio dell’astrofisica stellare.

In particolare, verranno trattati i seguenti argomenti:

proprietà fondamentali delle stelle e della radiazione elettromagnetica;
misura di massa, luminosità e distanza;
composizione chimica delle stelle e interpretazione degli spettri;
processi principali per la produzione di radiazione;
struttura delle stelle (regioni interne e cenni sulle atmosfere);
produzione e trasporto dell’energia;
un modello elementare di stella;
evoluzione stellare (formazione, evoluzione e morte delle stelle);
stelle degeneri: nane bianche, stelle di neutroni, buchi neri.

Contenuto della prima lezione

In questa lezione introduttiva:

esamineremo il campo di indagine dell’astrofisica, e valuteremo la differenza di questa disciplina con l’astronomia;
mostreremo alcuni esempi di fenomeni indagati dall’astrofisica, dalla scala del Sistema Solare al cosmo;
introdurremo parte della nomenclatura utilizzata nel seguito del corso.

Alcune costanti/unità di misura fondamentaliutili per questo corso

Costanti fisiche fondamentali di frequente uso in astrofisica.

Cos’è l’astronomia

L’astronomia è certamente la più antica fra le scienze (Domanda: per quale ragione?).

E’ una scienza osservativa, piuttosto che sperimentale. Il laboratorio dell’astronomo è il cosmo, dove tutti gli esperimenti sono già confezionati e non modificabili dall’uomo.

Strettamente legata a tutte le scienze della natura e ad altre discipline quali la filosofia, è connessa con l’estetica e con la religione, ma anche con la superstizione.

Storicamente, si sviluppò per servire l’astrologia e per aiutare gli uomini nella vita quotidiana (ad esempio, nella misura del tempo e agricoltura).

Il concetto stesso di scienza nasce con l’astronomia: fu infatti la periodicità dei moti planetari a suggerire la possibilità di costruire modelli matematici (geometrici, in effetti) per prevedere i fenomeni naturali.

Domande: come definiresti la “scienza”? Che vuol dire modello, predizione, falsificazione?

Cos’è l’astrofisica

L’astrofisica è quel ramo della fisica che tratta dei corpi celesti.

L’assunzione fondamentale di questa nuova scienza, nata alla fine del XIX secolo (quindi una scienza tra le più giovani), è l’unità dell’universo fisico: un convincimento maturato lentamente a partire dall’intuizione newtoniana di una forza unica per interpretare la gravità terrestre e le orbite dei pianeti, in contrapposizione con la distinzione aristotelico-tomista fra il mondo sublunare, corruttibile e imperfetto, e quello celeste, perfetto e senza tempo.

L’astrofisica classica include lo studio delle proprietà fisiche: luminosità, densità, temperatura e composizione chimica, di oggetti quali pianeti, stelle, galassie, mezzo interstellare, e le loro reciproche interazioni.

Quando lo studio riguarda scale più grandi di quella di ogni sistema gravitazionalmente legato, l’astrofisica diventa cosmologia: studio dell’universo nelle sue proprietà medie d’insieme.

Un rapido sguardo al cielo

Vedremo ora alcuni esempi di oggetti e fenomeni osservabili guardando al cielo notturno con strumentazione per raccogliere l’informazione che poi deve essere opportunamente elaborata.

Oggetti e fenomeni che richiedono una spiegazione fisica, inserita in uno scenario coerente e unitario.

La sfera celeste attorno al Polo Australe. Fonte: ESO.

Uno sguardo al cielo stellato

Gas e nuove stelle: costellazione di Orione (centro-destra) e ammasso delle Pleiadi (alto-sinistra). Davanti le antenne di ALMA. Fonte ESO.

Uno sguardo al cielo di luci e ombre

Formazione stellare in IC 2944, una Nebulosa della Via Lattea, fotografata dal Very Large Telescope. Fonte ESO.

Uno sguardo al cielo dei vecchi clan di stelle

Antico ammasso di stelle nella costellazione del Centauro, fotografato dal VLT Survey Telescope (VST). Fonte ESO.

Uno sguardo al cielo di polveri e gas

Grande Nebulosa in Orione, fotografata dal telescopio infrarosso VISTA. Fonte ESO.

Uno sguardo al cielo con un grand’angolo

Il VLT Survey Telescope, il telescopio a grande campo sul Cerro Paranal in Cile. Fonte: ESO.

Uno sguardo al cielo dei miliardi di stelle

Cento miliardi di stelle, tanta polvere e gas nella galassia spirale NGC 253, vista con il VST. Fonte ESO.

Uno sguardo al cielo dal cielo

Il telescopio spaziale Hubble (HST). Fonte: NASA.

Uno sguardo al cielo delle galassie

Centinaia di galassie nell'ammasso MCS J0416.1–2403 visto da HST. Fonte: ESA-NASA.

Uno sguardo al cielo radio

L'antenna di 64 metri del Sardinia Radio Telescope, in Sardegna. Fonte: INAF.

Uno sguardo al cielo profondo

Termografia della Via Lattea e dell'Universo fatta dal satellite Planck. Fonte: ESA

Gli obiettivi dell’astrofisica

Sinteticamente, potremmo elencare i seguenti scopi:

scoprire nuovi oggetti e nuovi fenomeni celesti. Lo strumento sono le osservazioni, che possono essere fortuite, mirate, oppure sistematiche esplorazioni di ampie regioni di cielo (survey);
comprendere i fenomeni osservati e costruirne modelli fisici in base alle leggi note (in altre parole, «facendo quello che si può con quello che si ha e con quello che si sa»);
descrivere la formazione e l’evoluzione dei sistemi celesti e su questa base fare predizioni da verificare osservativamente;
costruire un quadro unitario e consistente della varietà dei fenomeni osservati;
utilizzare queste conoscenze specifiche per comprendere la struttura e l’evoluzione del cosmo nelle sue parti e nel suo insieme.

Vediamo forse il primo esempio della simbiosi tra Astronomia e Astrofisica, in una classica applicazione della Meccanica e della Teoria della Gravitazione di Newton al Sistema Solare.

La Meccanica Celeste

La Meccanica Celeste (classica o relativistica) è quel settore della meccanica generale (e razionale) che si occupa del moto dei corpi celesti sotto l’azione della mutua interazione gravitazionale (e non solo, ma per ora ci basta).

Newton aveva ricavato le sue tre leggi (su inerzia, forza, e azione e reazione) guardando alla Terra. Poi, guardando ancora alla Terra (la famosa mela) e al cielo (leggi di Keplero sui moti planetari), le aveva applicate al moto dei pianeti riuscendo a costruire traiettorie e leggi orarie in accordo con le osservazioni.

L’approccio descritto nei Philosophiae Naturalis Principia Mathematica divenne il banco di prova del genio dei matematici e dei fisici del Sette e dell’Ottocento, dando vita per l’appunto a una disciplina che raggiunse l’apice del successo con la scoperta a tavolino del pianeta Nedttuno.

Nel Novecento l’ambito di applicazione della Meccanica Celste si è ampliato ai sistemi stellari costituiti da pochi corpi e soprattutto alla navigazione spaziale.

Domanda: se i corpi sono molti, a quale disciplina si ricorre?

Come si muovono i pianeti intorno al Sole?

La prima applicazione della Meccanica Celeste, che è anche storicamente la più importante, è al Sistema Solare.

Essa descrive e predice i moti di corpi come pianeti, satelliti naturali, asteroidi e comete, ma anche di corpi artificiali, fabbricati dall’uomo, come le sonde interplanetarie (si veda, a titolo d’esempio, il caso recente della missione Rosetta dell’ESA).

Disciplina di taglio prevalentemente matematico, viene applicata anche a piccoli sistemi stellari: binarie, sistemi multipli, ammassi poverissimi.

Deve la propria fortuna al fatto che non esiste soluzione esatta al cosiddetto problema degli N corpi (o punti materiali).

Questo problema richiede la soluzione di $N$ equazioni differenziali del tipo:

$m_j \, \frac{d^2 r_{i}}{d t^2} = G \Sigma_{j=1}^N \frac{m_j m_k (r_k - r_j)}{|r_k - r_j|^3} \,$ ,

dove $m_j$ è la massa del generico punto $j \le N$ .

Per $N \ge 3$ non esistono soluzioni analitiche. E’ allora indispensabile sviluppare metodi approssimati: uno scoglio da cui è nata la gran parte dell’analisi matematica dell’Ottocento.

Ulteriori, serie complicazioni conseguono al rilascio dell’ipotesi sulla natura puntuale dei corpi, all’introduzione di fenomeni dissipativi non gravitazionali e degli effetti relativistici.

Lo scopo di questo corso: la fisica delle stelle

Lo scopo di questo corso è un’introduzione allo studio della fisica delle stelle. Una stella può essere schematizzata come una sfera di gas, per lo più idrogeno, mantenuta in equilibrio dal contrasto fra la forza di gravità e la pressione.

Messo così, sembrerebbe un problema facile. E invece, per comprendere la struttura e l’evoluzione di questo semplice sistema fisico è necessario conoscere e adoperare i risultati e gli strumenti forniti da molte altre discipline come:

la meccanica classica e quella dei fluidi;
l’elettromagnetismo;
la termodinamica;
la relatività speciale e generale;
la chimica;
la fisica nucleare;
la meccanica quantistica.

A questo elenco si devono aggiungere l’astronomia e la moderna tecnologia astronomica, necessarie a raccogliere i dati con l’osservazione puntuale o sistematica del cielo, e l’informatica che spesso serve per ridurre i dati medesimi e aiuta persino ad interpretarli (data mining).