COSMOLOGIA

L’Universo è nato tra 13 e 14 miliardi di anni fa (per l’esattezza  13,73 +/- 0,12  miliardi di anni fa). Esso è nato dall’esplosione di un punto iniziale in condizioni di temperatura e densità infinite. Non ha nessun senso chiedersi cosa vi fosse prima, in quanto il tempo, come lo spazio, sono nati nel momento stesso di questa esplosione, comunemente conosciuta come Big-Bang.
Senza entrare nella complessa descrizione fisica di questi primi istanti, osserviamo che già dopo un milionesimo di secondo, si formarono i protoni ed i neutroni che costituiscono la materia, così come noi la conosciamo. Poi, dopo 379.000 anni, si formarono i primi atomi di Idrogeno e di Elio che andarono a formare quelle enormi nubi di gas e polveri dalla quali si sono formate le stelle.
L’attuale modello fisico-matematico riesce a descrivere il Big Bang, tornando idietro nel tempo, fino a 10 alla meno 43 secondi dalla esplosione. Questo limite è chiamato il muro di Plank. Prima del muro, l’Universo è qualcosa di totalmente inconoscibile per la nostra mente.
A causa di questa esplosione, è iniziata quella che viene comunemente chiamata l’espansione dell’Universo: le particelle costituenti la materia cominciano ad allontanarsi l’una dall’altra ad altissima velocità. Col procedere di questa espansione, la temperatura media dell’Universo va via via diminuendo, fino a raggiungere il livello attuale di 3 gradi Kelvin (-270°C).
Il fatto che l’Universo continui ad espandersi all’infinito o che ad un certo punto si fermi e poi ritorni a contrarsi fino a riconcentrarsi nel punto iniziale, dipende dalla quantità totale di materia in esso presente.
E’ stato calcolato il valore limitè della densità della materia dell’Universo che separa queste due ipotesi: 3 protoni al metro cubo. Fatto sta che, per ora, l’espansione dell’Universo sta ancora accelerando.
Non potremo essere certi dell’una o dell’altra ipotesi finchè non determineremo la quantità di materia oscura presente nell’Universo.
I Fisici e gli Astrofisici definiscono “Materia Oscura” quella materia presente nell’Universo della quale si misurano gli effetti gravitazionali, ma che non è direttamente osservabile.
In realtà, tutto l’Universo osservabile è formato solo dal 10% di tutta la materia esistente . Il 90% della materia che costituisce l’Universo  non è osservabile, perchè, a differenza della materia ordinaria, non emette radiazione elettromagnetica e quindi luce.
Parte di questa materia oscura (diciamo il 20%) è sicuramente formata da buchi neri, stelle nane brune (stelle morte da lungo tempo che non emettono più luce), stelle di neutroni (pulsar) e da pianeti, ma la maggior parte della materia oscura si ipotizza che sia formata da particelle ancora sconosciute che non interagiscono con la radiazione elettromagnetica.
Dopo circa un miliardo di anni, dalle immense formazioni di gas e polveri, cominciarono a formarsi le protogalassie ed al loro interno le prime stelle.
La formazione delle stelle avviene nelle grandi nubi di gas e polvere presenti nell’universo. Queste nubi, per effetto della gravita’, ma anche per altri effetti come l’onda d’urto dovuta all’esplosione di una stella vicina o l’incontro tra due nubi, cominciano a contrarsi, formando vari grumi piu’ densi. Se la massa di un grumo e’ sufficiente, sempre a causa della gravita’, al suo interno si innescano le reazioni nucleari: quattro atomi di idrogeno si uniscono formando un atomo di elio. La massa dell’atomo di elio formatosi e’ un po’ inferiore alla somma delle quattro masse degli atomi di idrogeno e la massa persa si trasforma in energia secondo l’equazione: E = M x C², nella quale E e’ l’energia irradiata, M e’ la massa persa e C e’ la velocita’ della luce. In questo caso diciamo che la stella “si accende”.
Per tutta la sua vita, la pressione verso l’esterno dovuta alle reazioni nucleari bilancera’ l’enorme pressione verso l’interno dovuta alla gravita’ causata dall’enorme massa e la stella sara’ in equilibrio. Dopo la nascita, la stella si trova al centro di un disco piatto di gas e polveri in lenta rotazione. In questo disco si formano altri grumi piu’ piccoli che non avranno la possibilita’ di “accendersi”. Questi grumi costituiranno i pianeti che cominceranno a ruotare attorno alla stella. In una stella della grandezza del nostro sole l’idrogeno sara’ sufficiente per circa 10 miliardi di anni. Quando l’idrogeno sara’ esaurito commincera’ la morte della stella: la stella comincera’ a contrarsi finche’ al centro non si raggiungeranno le condizioni di temperatura e pressione per cui l’elio si trasformera’ in carbonio, poi in ossigeno ed infine in ferro. Esaurito anche l’elio, la parte centrale della stella si trasformera’ in una “nana bianca” (ce ne sono tante nell’universo), mentre gli strati esterni cominceranno ad espandersi formando la cosidetta “nebulosa planetaria”. Infine anche la nana bianca lentamente si spegnera’ diventando un oggetto nero privo di ogni attivita’ nucleare.
Tutto cio’ e’ vero per una stella che abbia all’incirca la massa fino ad 8 volte la massa del nostro sole. Se la stella ha una massa superiore a questo limite, la sua morte avverra’ con una violenta esplosione (supernova) e di lei restera’ soltanto una stella di neutroni (pulsar). Famosa e’ la supernova esplosa nel 1054 d.c. nella costellazione del Toro ed osservata dagli astronomi cinesi. Il suo residuo e’ la nebulosa del granchio, ancora oggi osservabile. Con l’esplosione di una supernova si generano gli elementi chimici piu’ pesanti del ferro che saranno presenti nella nebulosa generata. Se in una tale nebulosa si formera’ una nuova stella, i suoi pianeti conterranno anche questi elementi, come e’ accaduto per la formazione del sistema solare.
Stelle di massa ancora piu’ grande, dopo la loro esplosione, lasciano come residuo un “buco nero”. Il buco nero e’ un oggetto talmente denso che nulla puo’ sfuggire al suo campo gravitazionale, neppure la luce in quanto la velocita’ di fuga dalla superficie dell’oggetto e’ superiore alla velocita’ della luce. Il buco nero e’ dunque un oggetto invisibile.
Ovviamente l’esistenza di un sistema planetario non è una caratteristica esclusiva della nostra stella. Le opinioni degli scienziati sulla percentuale delle stelle dotate di un corredo di pianeti è assai variabile: si va da coloro che ritengono che quasi tutte le stelle posseggano un loro sistema planetario a coloro che restringono questa possibilità ad un 10% delle stelle. E’ chiaro che ci si riferisce a stelle singole, perchè è assai improbabile che vi siano sistemi planetari attorno a stelle doppie o multiple.
Solo dagli anni ’90 in poi si sono cominciati a scoprire pianeti extrasolari. Attualmente ne sono stati individuati oltre 400. A causa della difficoltà della individuazione di tali oggetti, quasi tutti i pianeti extrasolari finora individuati hanno grande massa, paragonabile a quella di Giove o superiore.
In ogni caso, questo tipo di ricerca è solo agli inizi ed i suoi sviluppi saranno fondamentali per lo studio della possibilità di forme di vita extraterrestre.
Le stelle sono raggruppate in Galassie. Le galassie sono enormi insiemi di stelle. Ve ne sono di tutte le dimensioni: si va dalle galassie “nane” che contengono alcune decine di milioni di stelle alle galassie giganti che contengono fino a 1000 miliardi di stelle. Si stima che nell’universo osservabile vi siano circa 100 miliardi di galassie. Le distanze fra le galassie sono enormi, dell’ordine di milioni di anni luce, inoltre esse si allontanano le une dalle altre a causa dell’espansione dell’universo. Vengono usualmente classificate in galassie ellittiche e sferiche (18% del totale), galassie a spirale (63% del totale), galassie a spirale barrata (15 % del totale) e galassie irregolari (4% del totale).
Dunque, a causa dell’epansione dell’Universo, le galassie si stanno allontanando le une dalle altre. In realtà è lo spazio che si sta espandendo, portando le galassie con sé, come l’uvetta in un panettone che lievita.
La galassia alla quale appartiene il nostro sole e’ una galassia a spirale barrata (fino a pochi anni fa si pensava che fosse una galassia a spirale) del diametro di circa 100.000 anni luce. Il sole si trova a circa 27.000 anni luce dal centro. Essa contiene circa 200 miliardi di stelle. Al centro della nostra galassia vi e’ un oggetto massiccio che si pensa che sia un buco nero. Nella zona centrale della nostra galassia vi sono stelle piu’ vecchie (popolazione 2), mentre nei bracci a spirale le stelle sono piu’ giovani (popolazione 1). Attorno alla nostra galassia ruotano numerosi ammassi globulari che sono insiemi sferoidali di centinaia di migliaia di stelle vecchie (popolazione 2). Attualmente sono noti 158 ammassi globulari che ruotano attorno alla nostra galassia. E’ ormai certo che quasi tutte le galassie sono corredate da numerosi ammassi globulari satelliti.
La nostra galassia fa parte del cosidetto “gruppo locale” che comprende una cinquantina di galassie. Le due galassie piu’ grandi del gruppo locale sono la nostra e la galassia di Andromeda. Quest’ultima e’ costituita da circa 300 miliardi di stelle e dista dalla nostra piu’ di 2 milioni di anni luce. La nostra galassia, come quasi tutte le galassie, e’ dotata di un sistema di galassie satellite piu’ piccole. Le piu’ note sono la grande nube di Magellano e la piccola nube di Magellano, entrambe visibili dall’emisfero australe. Il gruppo locale fa parte di un ammasso di galassie denominato superammasso della Vergine. Questo superammasso contiene circa 100 tra gruppi ed ammassi di galassie.  Il superammasso di galassie della Vergine e’ in lento movimento verso un “misterioso “grande attrattore” che sarebbe una eccezionale concentrazione di materia equivalente a 100000 galassie, ma per ora se ne sa poco.
L’Universo non è riempito uniformemente dalle galassie, che ne costituisconono, per così dire, gli atomi. Decenni di osservazioni hanno infatti mostrato che l’intero Universo appare costituito da strutture simili a bolle di vuoto pressoché assoluto, sulla cui superficie si ramificano lunghi filamenti di galassie, maggiormente concentrati laddove due bolle adiacenti giungono a contatto.
Nella categoria delle galassie si possono inserire i Quasar. Il nome Quasar deriva dall’inglese “quasi-stellar radio source” che fu dato a questi misteriosi oggetti appena scoperti. I primi Quasar furono scoperti negli anni ’50.
I Quasar sono oggetti estremamente distanti (miliardi di anni luce dalla terra) e nei telescopi ottici hanno l’aspetto puntiforme di una stella. Essi sono gli oggetti più luminosi esistenti nell’Universo ed emettono una quantità enorme di energia (quanta ne emetterebbero decine di galassie messe insieme). Questa energia è emessa in quantità uguale in tutte le fasce dello spettro elettromagnetico (raggi gamma, raggi x, infrarosso, ultravoletto etc..). L’energia emessa da un Quasar è tale che sarebbe in grado di incenerire un pianeta come la Terra da decine di anni luce di distanza. Essi emettono in un secondo tanta energia quanta ne emetterebbe il Sole in centomila anni.
Attualmente si ritiene che i Quasar siano enormi galassie dove gas e polveri precipitano in un buco nero supermassiccio causando così una eccezzionale emissione di energia.
Uno dei Quasar più vicini a noi (dista “solo” tre miliardi di anni luce) è l’oggetto 3C 273. Esso è più luminoso di 1000 galassie messe insieme e se fosse posto ad una distanza di 32 anni luce dalla Terra apparirebbe come un secondo Sole.
Lasciamo adesso tutta questa immensità per descrivere la nostra “casa”: il sitema solare. Esso e’ costituito dal sole e da tutti gli oggetti che gli ruotano attorno. Il sole e’ una stella gialla di tipo G che irradia energia nello spazio a causa delle reazioni nucleari che avvengono al suo interno. Attorno al sole ruotano nove pianeti. In ordine di distanza dal sole sono: Mercurio, Venere, Terra, Marte, Giove, Saturno, Urano, Nettuno e Plutone (quest’ultimo e’ stato declassato di recente a “pianetino”: e’ piu’ piccolo della Luna!). Iprimi 4 pianeti e Plutone sono di tipo roccioso, mentre Giove, Saturno, Urano e Nettuno sono pianeti giganti gassosi.
Quasi tutti i pianeti sono dotati di satelliti, cioe’ corpi celesti che ruotano attorno al pianeta. Mercurio e Venere non hanno satelliti. la Terra ne ha uno (la Luna). Marte ha due piccoli satelliti rocciosi (Phobos e Deimos). Giove pare che abbia addirittura 63 satelliti; i quattro piu’ grandi sono Io, Europa, Callisto e Ganimede scoperti da Galileo Galilei col suo canocchiale. Ganimede e’ piu’ grande di Mercurio. Io e Callisto sono piu’ grandi della Luna ed Europa e’ di poco piu’ piccolo. Saturno pare che abbia 57 satelliti di cui il maggiore e’ Titano anch’esso piu’ grande di Mercurio. Urano ha 27 satelliti noti, di cui i piu’ grandi sono Titania, Oberon, Umbriel, Ariel e Miranda. Nettuno ha 13 satelliti di cui il piu’ grande e’ Tritone. Plutone ha un satellite che si chiama Caronte.
Mercurio compie un giro attorno al sole in 0,24 anni, Venere in 0,62 anni, la Terra in 1 anno, Marte in 1,88 anni, Giove in 11,86 anni, Saturno in 29,46 anni, Urano in 84,01 anni, Nettuno in 164,8 anni e Plutone in 248,6 anni.
Mercurio non ha atmosfera, Venere ha una atmosfera molto densa composta principalmente da anidride carbonica e tracce di azoto. La Terra ha una atmosfera costituita da azoto (79%), ossigeno (20%) ed altri gas (1%). Marte ha una atmosfera costituita principalmente da anidride carbonica (95%) e poi azoto, argon ed altri gas. Giove e Saturno hanno atmosfere molto simili costituite prevalentemente da idrogeno ed elio e tracce di metano. Urano e Nettuno hanno atmosfere dalla tipica colorazione azzurra, costituite prevalentemente da idrogeno ed elio. L’atmosfera di Plutone e’ costituita da azoto ed un sottile strato di monossido di carbonio.
Attorno al sole ruotano, con orbite molto eccentriche, anche le comete, caratterizzate da un nucleo formato da ghiaccio, roccia e polvere (neve sporca) e dalla famosa coda causata dal vento solare.
Attorno al Sole, poi, ruotano altre migliaia di oggetti: gli asteroidi. Essi sono dei piccoli pianeti che, proprio come i pianeti maggiori, orbitano attorno al Sole. Gli asteroidi attualmente noti sono circa 170.000. Date le loro dimensioni hanno forma irregolare e non sferica. Le loro orbite sono spesso caratterizzate da una elevata eccentricità ed alcuni di essi hanno anche asteroidi satelliti. In genere sono costituiti da materiale roccioso con abbondante presenza di ferro.
La maggior parte degli asteroidi ruota tra le orbite di Marte e Giove. I più grandi asteroidi di questa fascia sono: Cerere, con un diametro di 1000 kilometri, Pallade e Vesta con un diametro di circa 500 kilometri.
In questa fascia troviamo anche la famiglia dei “troiani”, divisa in due gruppi, uno che precede Giove nella sua orbita e l’altro che lo segue.
Esistono anche altre fasce di asteroidi. Una di queste si trova oltre Giove e l’oggetto più grande di questa famiglia è Chirone di circa 100 kilometri di diametro.
Recentemente è stata scoperta una fascia di asteroidi che orbita oltre l’orbita di Nettuno. Sono molto difficili da osservare perchè, anche ai più potenti telescopi, appaiono come dei semplici puntini. Però alcuni di essi hanno delle dimensioni piuttosto consistenti come Eris con un diametro di 2400 kilometri (più grande di Plutone) ,Quoar con un diametro di 1200 kilometri e poi Sedna, Orco, Issione e Varuna tutti con diametro superiore ai 1000 kilometri.
In quest’ultima fascia c’è anche Plutone che recentemente è stato declassato da pianeta a “piccolo pianeta”. La nuova categoria dei piccoli pianeti per ora comprende Eris, Plutone, Quoar, Sedna, Orco, Issione, Varuna, Cerere, Pallade e Vesta.
Per quanto riguarda poi il destino del nostro pianeta, bisogna osservare che il sole è una stella abbastanza tranquilla che è nata 5 miliardi di anni fa e morirà fra 5 miliardi di anni, quando avrà esaurito il suo combustibile nucleare. Come già abbiamo detto il suo nucleo collasserà in una nana bianca ed i suoi strati esterni si rigonfieranno, inghiottendo prima Mercurio, poi Venere ed infine la Terra.
Ma questo sarà un avvenimento insignificante, di nessun rilievo nell’immensità dell’Universo.

Informazioni su giuseppemerlino

Ingegnere Chimico
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