LEZIONI DI ASTRONOMIA VIVA

L'Organizzazione gerarchica dell'Universo

Di alcuni argomenti ho scelto di trattare, nella lezione e in questa dispensa che ne il corrispondente , solo gli aspetti a mio giudizio più salienti o più innovativi rimandando ai libri scolastici e ad altre lezioni del corso la trattazione degli altri aspetti non trattati per una questione di tempo e di spazio. Per i riferimenti bibliografici ho riportato la fonte italiana e, nel caso in cui questa faccia a sua volta riferimento ad altra fonte ( in questo caso si tratta, per lo più, di fonti in lingua inglese), ho riportato anche questa con un sistema che stravolge le regole usate in bibliografia.
In alcuni punti mi sono tenuto, per così dire, stretto; in altri ho dato spazio a quella che è la mia personale visione che, così, è venuta a frammischiarsi ai dati che comunque non ho mancato, credo, di inserire nel testo.
Il modo migliore per iniziare un viaggio è quello di capire bene qual è la stazione da cui si sta partendo. Viviamo sulla Terra terzo pianeta, in ordine di distanza, della stella Sole. E' un pianeta molto grande : ne abbiamo la certezza ogni volta che ci avviciniamo ad una qualche montagna o collina delle nostre zone. Si tratta di rilievi che, paragonati alle nostre dimensioni corporee, sono enormi. Eppure se li cerchiamo su una carta geografica in cui è riportata l'Italia essi quasi scompaiono. Su un planisfero non ci sono proprio più : sono meno di minuscole "escrescenze" sulla superficie della Terra il che ci fa capire quanto essa sia enorme. Con un raggio di 6.378 km e una circonferenza misurata all'equatore di circa 40.000 km, essa è un corpo celeste con ragguardevoli dimensioni, l'unico che conosciamo, fino a questo momento del viaggio. Nel suo moto intorno al Sole, con una velocità media di 29.79 km/sec (è maggiore quella al perielio, minore quella all'afelio), essa è accompagnata dalla Luna, un altro corpo roccioso di raggio pari a circa 1.738 Km. Questa differenza fra i raggi dei due corpi celesti sembra enorme : in realtà quella esistente fra gli altri pianeti e i loro rispettivi satelliti è ben maggiore tanto che il sistema Terra - Luna è più un pianeta doppio che un sistema pianeta - satellite (1).

L'ORIGINE DELLA LUNA

Quattro sono le teorie che affrontano la questione dell'origine della Luna.
Una di esse vuole che la luna si sia originata quasi per "gemmazione" dalla Terra in rapidissima rotazione : si sarebbe staccata una parte della crosta terrestre (il che, essendo la crosta meno densa delle regioni più interne, darebbe conto della differente densità dei due corpi: 5,515 g/cm3 la Terra, 3,34 g/cm3 la Luna) che sarebbe andata a costituire poi il satellite che rischiara parte delle nostre notti. Per spiegare questa differenza di densità una seconda ipotesi postula che la Luna si sia formata in una regione della nebulosa protoplanetaria diversa da quella in cui si andava addensando la Terra e che, in un secondo momento, quando le orbite dei corpi che orbitavano intorno al Sole erano ancora instabili, essa sia stata catturata dal campo gravitazionale della Terra. E' però piuttosto difficile immaginare come un corpo grande come la Luna abbia potuto dissipare l'energia cinetica che possedeva al momento della cattura. D'altra parte le somiglianze di composizione, per quanto riguarda gli isotopi dell'ossigeno, fra le rocce terrestri e lunari, suggerisce quasi una comune origine in regioni fra loro molto vicine (3a teoria).Ma come spiegare allora la differenza di densità? La teoria che sembra armonizzare tutti i dati di cui oggi disponiamo è la seguente. Circa 4,5 miliardi di anni fa una giovane Terra da poco nata, nel caos delle orbite planetarie ancora da stabilizzare e in un ambiente superaffollato da comete (si calcola che almeno 100 comete all'anno, contro le 1-2 attuali, venissero sospinte dalle zone periferiche del neonato sistema solare nelle sue regioni più interne e profonde) asteroidi e polveri (2) sia venuta in collisione con un corpo celeste delle dimensioni pari a quelle di Marte. Il nucleo di questo corpo si sarebbe fuso con quello terrestre mentre una quantità enorme di detriti "crostali" veniva scagliata nello spazio dove si sarebbe disposta a formare un disco (simile a quello di Saturno) a circa 10.000 Km dalla martoriata superficie terrestre. Nel giro di qualche anno i detriti della zona esterna del disco avrebbero cominciato ad addensarsi dando così origine alla Luna che, dunque, orbitava vicinissima alla Terra. Ma in che modo essa si sarebbe allontanata raggiungendo gli attuali 384.400 km di distanza media (356.400 km al perigeo, 406.700 all'apogeo)? Sottraendo energia ai frammenti rimasti sul lato interno del disco e in special modo a quelli che compivano 2 e 3 rivoluzioni intorno alla Terra mentre la Luna ne compiva una soltanto. Questi frammenti, così rallentati, finivano per avvicinarsi sempre più alla Terra per poi precipitare, spiralando, su di essa.(L'astronomia 2000. 212: 11)

Il SOLE

Al centro del nostro sistema planetario si trova il Sole, stella nana di classe spettrale G2.
Esso ha un diametro di 1.394.000 km ed ha una distanza media dalla Terra di 149.600.000 Km. Questa distanza viene presa come unità di misura in astronomia : ad essa si dà il nome di Unità Astronomica ( simbolo = U.A.). Il sole è talmente grande che se ponessimo il suo centro all'altezza della superficie terrestre, muovendoci per uscire da esso, dopo aver percorso una distanza pari a quella media Terra - Luna saremmo appena a metà strada fra centro e superficie solare. Nel suo nucleo viene prodotta energia che si irradia verso l'esterno addentrandosi negli strati meno densi e meno caldi che, essendo formati da gas ionizzati, non sono in grado di trasmettere il calore per conduzione. I fotoni ( di qualunque lunghezza d'onda essi siano) viaggiano alla velocità della luce : circa 300.000 Km/sec. Può sembrare curioso, ma un fotone che abbandona il nucleo dove è stato prodotto impiega alcune migliaia di anni ( 50.000.000 secondo alcune stime) per raggiungere la superficie del Sole e non due secondi circa come ci aspetteremmo data la sua velocità e la distanza da percorrere. Esso infatti "urta" contro gli altri atomi, viene da essi assorbito e riemesso in media una volta ogni 3 centimetri. Talvolta imbocca la strada "sbagliata", muovendosi in direzione del nucleo. Potremmo pensare che la cosa ci sia indifferente in quanto il fotone che ci colpisce (eventualmente) in questo momento è partito circa 8 minuti fa dal sole; uno di quelli prodotti invece in questo momento colpirà la terra (se emesso in direzione di essa) tra diecimila anni e 8 minuti (o fra 50 milioni di anni e otto minuti); c'è un turn over che sembra lasciarci indifferenti. Così non è. I fotoni prodotti nel nucleo sono molto duri, hanno cioè una energia altissima e se raggiungessero la Terra così come sono, distruggerebbero ogni forma di vita. Il "rallentamento", che comporta anche perdita di energia da parte dei fotoni, li priva dunque di molta della loro energia così che, quando emergono dalla fotosfera, sono divenuti molli e quasi innocui in quanto "contengono" molta meno energia di quella che avevano appena prodotti. Se intorno al nucleo solare non ci fosse lo strato radioattivo (in cui l'energia prodotta nel nucleo si trasmette per irraggiamento) e quello convettivo più esterno (in cui l'energia si trasmette grazie a moti convettivi) la vita sulla terra non sarebbe minacciata dai fotoni duri perché se non ci fossero questi strati la temperatura del nucleo non sarebbe quella che è e, dunque, in esso non potrebbero avvenire le reazioni nucleari che producono fotoni (3). A questo proposito vale la pena di ricordare che la massa del sole diminuisce di 5 milioni di tonnellate al secondo … sì perché ogni secondo 700 milioni di tonnellate di idrogeno vengono trasformate in 695 milioni di tonnellate di elio. Le "mancanti" 5 x 106 tonnellate "mancano" appunto perché sono state convertite in energia secondo l'equazione E = m c2. Quando finirà la massa del sole? Mai perché prima che finisca in esso avverranno tanti cambiamenti da trasformarlo in ben altro tipo di stella … ma è interessante sapere che se potesse "bruciare" col "fuoco" nucleare tutta la sua massa esso resterebbe acceso per diverse migliaia di miliardi di anni. Ma così non sarà.

Il VENTO SOLARE

Dal sole origina un flusso di particelle cariche (soprattutto protoni, elettroni e un 4% di particelle alfa) che prende il nome di vento solare. Esso consta di due componenti : una più veloce che si muove a circa 800 km/sec e l'altra più lenta (circa 400 km/sec). Sino a qualche tempo fa si pensava che la componente veloce originasse solo dai poli solari mentre quella lenta da una regione equatoriale (chiamata streamer belt). La sonda SOHO, lanciata proprio per osservare il Sole, ed una osservazione effettuata grazie ai segnali lanciati dalla sonda Galileo in orbita intorno a Giove, segnali che hanno raggiunto a Terra passando attraverso la corona solare, se hanno confermato l'origine della componente lenta (precisando comunque che questo flusso di particelle nasce da lunghi pinnacoli o steli che si innalzano al disopra delle linee di forza del campo magnetico) hanno invece portato a pensare che la componente veloce origina non solo dai poli ma anche da varie altre regioni distribuite un po' ovunque sulla superficie solare (l'astronomia 1998. 184:16). Questo vento fatto di particelle che sfuggono in qualche modo al campo magnetico solare (4) crea intorno al Sole una sorta di guscio oblungo del diametro di 100 - 300 U.A. che prende il nome di eliosfera. Questo alone allungato di particelle cariche è in grado di interagire con gli ioni del mezzo interstellare deviandoli ai suoi lati e facendo sì che nelle zone interne del sistema solare ne arrivino molti di meno. Se ne arrivassero di più, quando il Sole nel suo moto intorno al centro della Via Lattea dovesse attraversare regioni di più alta densità di materia, il clima del nostro pianeta probabilmente si modificherebbe. (La regione di confine fra eliosfera e mezzo interstellare, detta eliopausa, sarà studiata da una sonda : Interstellar probe). (l'Astronomia 2000 210 :14-15) Il vento solare ha anche un altro effetto: quello di asportare dall'atmosfera della terra da 1 a 3 kg di materia ogni secondo (se l'effetto erosivo non è maggiore lo si deve al campo magnetico terrestre che fa da schermo). A questi tassi di erosione la nostra atmosfera sarà completamente dispersa fra 50 miliardi di anni (l'astronomia 2001. 223 : 16-17) Protoni e particelle alfa che sfuggono al campo magnetico del Sole non riescono però a tenere lontana dalle zone interne del sistema solare un'altra componente del mezzo interstellare : le polveri. Queste sono costituite da grani di dimensioni microscopiche (0,4 micron : un decimo circa del diametro di un globulo rosso o, se vogliamo, proprio il diametro di un mitocondrio in sezione trasversale) : vi sono circa 10 grani per km3 nello spazio compreso entro 4-5 UA dal Sole. La scoperta è stata effettuata dalla sonda Ulysses che ha strumenti che le consentono di raccogliere 2 grani a settimana. Siccome l'orbita intorno al Sole di questa sonda è molto ellittica si è potuto stimare la densità dei grani a diverse distanze dalla nostra stella. A meno di 4 UA dal Sole i grani sono molto meno abbondanti (quelli più piccoli sono addirittura assenti) questo perché essi, assorbendo fotoni solari, sono rallentati, fermati e poi sospinti indietro e alle spalle del sole che avanza rispetto ad essi alla velocità di 26 km/sec. Addensandosi questi grani nella zona retrostante la direzione del moto solare vanno a formare in essa una plaga ricca di polveri. La pressione esercitata sui grani di polvere interstellare dalla radiazione solare spazza dunque le zone più interne del sistema solare. ( l'Astronomia 2000 207 :12-13 . Science, 286, 2319; 1999 )

PLUTONE

Plutone, pianeta dalle dimensioni inferiori a quelle della Luna (1.150 km di raggio), ha una densità inferiore persino a quella dei pianeti giganti : 1,1 g/cm3 contro 1,33 di Giove, 1,24 di Urano e 1,58 di Nettuno; è superiore solo a quella di Saturno che è pari a 0,704 g/cm3. Plutone, pianeta "roccioso" dalla densità inferiore a quella dei pianeti cosiddetti "gassosi" e di poco superiore a quella dell'acqua, si segnala (5) anche per l'orbita fortemente inclinata sul piano dell'eclittica (che è il piano sul quale giace l'orbita terrestre): 17° 19' mentre le inclinazioni rispetto all'eclittica, delle orbite degli altri pianeti si mantengono al di sotto dei 5° facendo eccezione solo Marte con 5° 09' e Mercurio con 7°. Plutone è stato al centro di una accesa disputa iniziata quando, nel 1998, il direttore del Minor Planet Center propose di declassarlo al rango di pianetino e di assegnargli il nome (10.000) Plutone, così come si fa per i pianetini e gli asteroidi il cui nome è preceduto da un numero in parentesi che segna la posizione di registrazione nel catalogo ad essi dedicato. Le sue caratteristiche anomale, che lo apparentano più agli asteroidi e ai pianetini che non ai pianeti, e il fatto che stava arrivando il momento di assegnare il posto 10000 nel catalogo degli asteroidi (ne vengono scoperti decine ogni anno) fece nascere questa proposta. Molti si sono opposti dicendo che è un corpo che orbita intorno al Sole (ma anche un asteroide lo fa), che ha un satellite (ma anche (243) Ida, un asteroide, ne ha uno : Dattilo scoperto nel 1993 dalla sonda Galileo; e ne ha uno anche un altro asteroide (45) Eugenia, scoperto nel 1998 da un telescopio a Terra - l'Astronomia 2000. 205: 13), che ha una forma determinata dalla propria gravità (e questa è una differenza significativa con un asteroide la cui forma è determinata dal campo magnetico). Così, vista la forte opposizione della maggior parte della comunità internazionale degli astronomi e il parere contrario della Planetary System Science, l'Unione Astronomica Internazionale ha decretato che Plutone resta confermato nel suo rango di pianeta sia pure, di fatto, dimezzato: infatti i corpi minori che in numero sempre crescente vengono scoperti nella fascia di Kuiper (6) (corpi la cui esistenza era stata solo ipotizzata e il cui primo rappresentante è stato scoperto nel 1992 ) non vengono chiamati trans - plutoniani, bensì trans - nettuniani (TNO = oggetti trans nettuniani). Plutone probabilmente verrà inserito in un catalogo specificamente dedicato ai TNO dei quali rappresenterebbe l'elemento di transizione verso la classe dei pianeti propriamente detti. La presenza di un "pianeta" roccioso al di là della zona occupata nel sistema solare dai pianeti gassosi, potrebbe essere spiegata proprio con l'appartenenza di Plutone alla fascia di Kuiper che avrebbe ospitato, in un remoto passato, decine di minipianeti rocciosi delle dimensioni di Plutone. Alcuni di essi sarebbero stato espulsi da tale fascia dalle interazioni gravitazionali con stelle di passaggio nelle vicinanze del Sole mentre Tritone (7) (satellite di Nettuno), Plutone, Caronte, Phoebe (satellite di Saturno), Chirone e l'intero gruppo dei Centauri (8) sarebbero stati sospinti verso le zone interne del sistema solare.Anni addietro era in auge una ipotesi "centrifuga" : Plutone sarebbe il satellite sfuggito al campo gravitazionale di un pianeta gassoso. I nuovi dati raccolti ne hanno decretato l'abbandono.

COMETE E PIANETA X

Le comete sono corpi celesti che possono percorrere orbite ellittiche o paraboliche. Le prime, chiuse, fanno di esse dei corpi che periodicamente ritornano nelle regioni interne del sistema solare avvicinandosi al sole che ne occupa uno dei fuochi. Le seconde, essendo aperte, fanno delle comete che le percorrono degli oggetti non periodici. Se intervengono perturbazioni planetarie (soprattutto ad opera di Giove) , le orbite paraboliche possono diventare ellittiche e comete periodiche possono essere deviate su orbite che le espellono dal sistema solare. Anche le orbite delle comete non periodiche possono essere modificate trasformandole così in periodiche. Tra quelle periodiche si distinguono quelle a breve periodo (con due passaggi consecutivi separati da meno di 200 anni) e quelle a lungo periodo ( con due passaggi successivi separati da almeno 200 anni). La cometa, "palla" di alcuni km di diametro, formata da ghiaccio "sporcato" da polveri e rocce, si "accende di luce" quando giunge, provenendo dalle zone esterne del sistema solare, in prossimità dell'orbita di Giove. Qui giunta comincia infatti ad emettere gas e polveri che formano la chioma le cui particelle sono sospinte poi a formare le code dalla pressione esercitata dai fotoni solari. Secondo un altro modello la cometa o, meglio, il suo nucleo, viaggia sempre accompagnato da nubi di particelle emesse nei precedenti passaggi dalle parti del Sole. Le comete a breve periodo provengono dalla fascia di Kuiper; quelle a lungo periodo provengono dalla nube di Oort, un immenso agglomerato di detriti, di forma più o meno sferoidale che circonda il Sole e la cui esistenza fu ipotizzata dall'astronomo olandese Jan Oort (9) nel 1950. Essa comincia a circa 30.000 U.A. dal Sole e si estende fino a circa 100.000 U.A. Ognuna di queste due zone contiene miliardi di comete allo stato però di semplice nucleo. Statisticamente dovremmo aspettarci numeri uguali di comete provenienti da regioni di uguale ampiezza della nube di Oort. Indipendentemente l'uno dall'altro due diversi gruppi di ricercatori universitari, uno inglese ed uno statunitense, studiando le orbite rispettivamente di 13 e 82 comete a lungo periodo hanno scoperto che le orientazioni di queste non sono casuali così come dovrebbero essere se tutte le zone della nube di Oort fossero equivalenti come "sorgenti" di comete. Ci sarebbe quindi un corpo perturbatore in grado di modificare le orbite di una parte dei nuclei cometari della nube di Oort sospingendoli anche verso l'interno del sistema solare con una frequenza maggiore di quella che ci si aspetterebbe in base alle sole interazioni fra i nuclei stessi. Il gruppo inglese ha concluso che il corpo perturbatore dovrebbe avere una massa pari almeno a quella di Giove e dovrebbe trovarsi nelle regioni più interne della nube di Oort a 32.000 UA dal Sole.(Monthly Notices of the Royal Astronomical Sociaty,309 31; 1999) Gli americani hanno concluso che il corpo la cui evidenza il loro studio sembra rivelare dovrebbe avere massa pari a tre volte quella di Giove ed essere o un pianeta o una nana bruna (10) orbitante, comunque, un po' al di qua della nube di Oort, a 25.000 UA da Sole. (Icarus, in corso di stampa ). Tale oggetto si muoverebbe intorno al Sole in direzione opposta a quella dei pianeti, compiendo un'orbita in 4-6 milioni di anni. Esso sarebbe in grado di influenzare le orbite del 25% delle comete a lungo periodo (11). Potrebbe essersi originato là dove ora si trova o potrebbe essere un corpo catturato dal campo gravitazionale del Sole. Sarebbe, se fosse un pianeta, il decimo del sistema solare (vista la permanenza di Plutone fra i pianeti). A metà degli anni '80 per spiegare periodiche, supposte (e poi smentite) estinzioni in massa di organismi viventi si avanzò l'ipotesi di un decimo compagno del Sole che, orbitando lontano da esso e vicino alla nube di Oort, perturbava appunto le orbite delle comete causando periodiche, massicce piogge di comete verso le regioni interne del sistema solare, piogge che avrebbero sconvolto la vita sulla Terra. A questo ipotetico pianeta fu dato il nome di Nemesis. Questa prima ipotesi di un decimo compagno planetario del Sole fu poi abbandonata. Essa non ha nulla a che vedere, come è evidente, con le recenti conclusioni dei due gruppi citati (anche se uno dei ricercatori americani, Matese, faceva parte del team che negli anni '80 avanzò l'ipotesi Nemesis). Una reale pioggia di corpi di grandi dimensioni ( L'astronomia 2001. 219 .14-15. Scienze 290, 1754) si sarebbe verificata sulla Terra e sulla Luna circa 3.9 miliardi di anni fa : per circa 20 - 200 milioni di anni sui due giovani corpi celesti sarebbero piovuti frammenti prodotti da uno scontro fra asteroidi della fascia principale o dalla migrazione di Urano e Nettuno dalla zona compresa fra le orbite attuali (12) di Giove e Saturno (dove si sarebbero formati ) alle loro attuali posizioni : quest'ultimo evento avrebbero sconvolto le orbite degli oggetti più interni della fascia di E-K scagliandone molti verso le regioni interne del sistema solare (Icarus in fase di stampa ).

SCALE COSMICHE

Avendo dato uno sguardo ai paraggi della Terra e del Sole, adesso proviamo ad allargare in po' il nostro angolo visuale. Il Sole fa parte di un immenso agglomerato di stelle, gas e polveri che prende il nome di Via Lattea (o , semplicemente, Galassia con l'iniziale maiuscola). Si tratta di una galassia che se fosse possibile vedere di taglio apparirebbe come una lente biconvessa, con un disco e un rigonfiamento centrale detto bulge. Il Sole si trova nella zona del disco ad una distanza dal centro pari a tre quinti della distanza che separa il centro dal bordo del disco. La Galassia fa parte di un gruppo (detto Gruppo Locale) di circa 36 galassie fra le quali spicca, per dimensioni e massa, la grande galassia posta in direzione della costellazione di Andromeda e nota con la sigla M31 o, più semplicemente, come galassia di Andromeda ( o nebulosa di Andromeda: ma questa definizione è molto datata, anche se la si ritrova ancora qua e là in qualche testo ). Proviamo a costruirci una sorta di mappa nella quale sistemare gli oggetti celesti finora visti. La prima cosa da fare è quella di stabilire una scala. Nelle carte geografiche la scala è, per esempio, 1 a 25.000 oppure, 1 a 100.000. Ciò vuol dire che 1 cm sulla carta corrisponde, sul terreno, a 25.000 o 100.000 cm. Che scala proporreste per la mappa che ci accingiamo a disegnare? Io scelgo la scala 1 a 100.000.000 …una scala cioè in cui 1 cm corrisponde a 100.000.000 sì …ma di chilometri non di centimetri. La scala scelta fa intuire quanto grande deve essere quello che andiamo a rappresentare. Ripensiamo per un attimo all'esperimento con la montagna vicina alla nostra abitazione, esperimento che ci faceva capire quanto grande fosse la Terra.
Ora costruiamo la mappa.
La terra, con questa scala sarà rappresentata da un puntino microscopico, invisibile cioè ad occhi nudo, avente le dimensioni di 0,67 millesimi di millimetro (= 0,67 micron); cioè sarà un puntino avente un raggio pari a un decimo circa del diametro di un globulo rosso. La Luna avrà un raggio di 0,17 micron e sarà posta ad una distanza dal puntino che rappresenta la Terra di 38,4 millesimi di millimetro una distanza pari al diametro di circa due globuli bianchi. Un sistema grandissimo (le missioni Apollo viaggiando a circa 5.000 km/h percorrevano la distanza reale Terra- Luna in 3 giorni) è stato ridotto in questa rappresentazione, con questa scala, a qualcosa di microscopico. Lo stesso Sole, grande immenso, (impiegheremmo sei giorni alla velocità dell'Apollo per andare dal suo centro alla superficie) sarebbe in questa scala un cerchietto del diametro di 0,14 mm posto a 1,5 cm di distanza dalla Terra. La distanza che un raggio di luce percorre in circa 8 minuti viaggiando alla velocità di 300.000 km/sec si riduce, nella nostra mappa, a 1,5 cm! Bene. Ora proviamo a immaginare che il Sole sia nell'angolo in alto a sinistra di questo foglio ( o dello schermo). A che distanza dovremmo disegnare la stella più vicina? A 5 cm? Alla fine di questo rigo? In fondo al foglio?
No.A quattro chilometri di distanza.
La stella più vicina al Sole in questa nostra mappa dobbiamo disegnarla a 4 chilometri di distanza! E se pensiamo che ogni centimetro di questi 4 chilometri corrisponde nella realtà a 100.000.000 di km (la scala è 1cm = 10 alla ottava km) ci rendiamo conto che si tratta di una distanza spaventosa. E non è ancora niente! Ora cominciamo a renderci conto anche che la nostra enorme Terra (e chi può negare che lo sia?!) è molto piccola al confronto. La distanza reale è pari dunque a circa 40.000 miliardi di chilometri. Dunque è un miliardo di volte più grande della lunghezza dell'equatore terrestre. Ma cosa ci dice questa cifra? Quasi nulla! Chi ha mai percorso l'equatore? Se pure lo avessimo fatto saremmo in grado di saper cosa significa realmente 10 alla nona volte tale distanza? E siamo ancora … agli inizi: praticamente dobbiamo ancora cominciare a muoverci. Quanto dista la Terra dal centro della Via Lattea in questa nostra rappresentazione? 30.000 chilometri! Quindi sulla nostra mappa, il centro della Galassia lo porremo a 30.000 km di distanza dal dischetto, quasi invisibile ad occhio nudo, che rappresenta il Sole. E il confine esterno della Via Lattea? A 20.000 km in direzione opposta. Dunque, per rappresentare solo la metà della Via Lattea che ospita il Sole, in una mappa in scala 1cm = 100 milioni di km, occorrerebbero 50.000 km (ogni cm dei quali corrisponde a 100 milioni di km); per disegnare questa mappa non basterebbe quindi l'intera superficie della Terra!
E la galassia di Andromeda?
In questa mappa la cui scala ci sembrava strana tanto da ridurre l'enorme Terra ad un puntino più piccolo di un microscopico globulo rosso, verrebbe a trovarsi a 2.750.000 km circa dal Sole. E siamo ancora dentro il microscopico Gruppo Locale di galassie. Ma se esso è tanto grande (lo abbiamo visto con la rappresentazione in scala fin qui fatta) eppure è definibile microscopico, quanto grande e immenso sarà quello che c'è oltre? E' tanto grande che la scala scelta risulta inadatta per rappresentarlo e ce ne vorrà una nuova e più adeguata. Ma questa rischierebbe di ridurre la Terra , il Sole e i loro immediati paraggi e la stessa Galassia a dimensioni meno che microscopiche per poter rapportare quello che c'è al di là del Gruppo Locale (13) a dimensioni rappresentabili in superfici dalle dimensioni alla nostra portata ma questo ci dà una idea di quanto enorme (è un eufemismo: non ci sono iperboli che possano avvicinarsi alla reale dimensione dell'universo) sia veramente il Cosmo e quanto veramente microscopica (ma anche questo è un eufemismo inadeguato), eppure enorme per noi, sia la zona di Universo che ci è familiare e in cui viviamo. Solo dal confronto in scala fra queste due zone possiamo farci un'idea, sia pur vaga, dei reali rapporti dimensionali; le dimensioni reali poi, beh quelle, pur conoscendole numericamente, possiamo solo illuderci di averle comprese.

Stelle doppie, sistemi stellari multipli, ammassi e associazioni; complessi stellari

Il Sole è una stella che non ha una compagna (a parte l'ipotesi, poi rientrata, di Nemesis e le ultime ancora da sottoporre a verifica). Ciò potrebbe portarci a ritenere che tutte le altre stelle sono singole. In realtà più del 50 % delle stelle della Galassia hanno una o più compagne. Se la nube molecolare (14) da cui nasce una stella è oblunga da essa nasceranno due stelle gravitazionalmente legate (Le Scienze 1995 238 ). Se il numero delle stelle gravitazionalmente legate è compreso tra 3 e 9 si parla di sistema stellare multiplo. Se ne conoscono di due tipi : il tipo gerarchico e il tipo trapezio. Nel primo vi sono gerarchie nelle distanze fra le componenti: per es. due stelle ruotano intorno al loro comune centro di massa e la stessa cosa fa un'altra coppia di stelle. Ma le due coppie ruotano, a loro volta, intorno ad un comune centro di massa. Nel tipo trapezio tutte le stelle sono equivalenti e uno solo è il centro di massa del sistema. In realtà esistono gruppi ben più numerosi formati da qualche decina a qualche centinaio di stelle nate dalla stessa nube molecolare (queste nascite multiple sono molto più comuni di quanto si pensasse - L'Astronomia 2000. 212: 7-8): essi prendono il nome di ammassi galattici (o aperti) e associazioni (associazioni OB e associazioni T). Nei primi le stelle sono gravitazionalmente legate ma possono evaporare (al pari delle molecole di un liquido) allontanandosi dal gruppo se, nel passaggio vicino a grandi concentrazioni di massa subiscono un aumento dell'energia cinetica. E' per questo motivo che ammassi galattici vecchi (la cui età arriva ad alcune centinaia di milioni di anni) non si trovano in prossimità delle zone più interne della Via Lattea là dove maggiore è la concentrazione di materia. Le stelle di una associazione sono invece legate solo nella fase iniziale che segue alla loro nascita : in seguito all'emissione di forti venti stellari da parte delle giovani stelle vengono spazzati via i resti della materia che le avvolgeva e da cui erano nate. Perso così il "collante gravitazionale" le stelle si allontanano le une dalle altre in un tempo dell'ordine di qualche decina di milioni di anni ( L'Astronomia 1998. 188 :22 ). Nelle associazioni si trovano sempre nubi di H ionizzato (regioni HII) associate a giovani stelle calde e molto energetiche che emettono radiazioni ionizzanti. Si riteneva che le associazioni OB fossero formate da sole stelle massicce, di grande massa e molto calde, mentre le associazioni T fossero costituite da stelle di piccola massa il cui prototipo era la stella T Tauri, una stella dalla luminosità variabile, ancora avvolta nei residui della nube da cui ha avuto origine e che ancora deve entrare nella sequenza principale del diagramma HR. Il fatto che questi due gruppi di stelle sembravano essere a composizione nettamente diversa aveva fatto pensare che esistessero due meccanismi diversi di formazione stellare : uno che portava alle T- Tauri e uno alle giganti OB. La scoperta nella regione intorno alla stella Betelgeuse di circa 126 stelle di tipo OB (associazione Ori OB1b) e 104 stelle T- Tauri tutte molto giovani (circa 2 milioni di anni di età) ha suggerito che nane e giganti nascano invece insieme, dalla stessa nube molecolare. Alla stessa conclusione sono giunti gli astronomi che hanno studiato la nebulosa NGC 3603 ricca di ben 7.000 stelle sia giganti, dei tipi spettrali O e B, sia nane, queste ultime ben più numerose delle prime (L'Astronomia 1999. 197 : 21. L'astronomia 1999. 204 : 10-11). Ma, potremmo chiederci, sono queste le strutture più grandi che ci siano a livello sovrastellare? Subito dopo le associazione e gli ammassi troviamo dunque la galassia?

Proviamo a guardare il cielo nelle prime ore di una bella sera di fine inverno. A sud ci troviamo di fronte il cacciatore dei cieli, Orione, accompagnato dai due cani segnati dalla splendente ma fredda luce di Sirio e dalla più opaca luce di Procione; più ad ovest, ma spostata verso nord, troviamo l'Auriga con la bella Capella dalla bella luce "calda". Ad est sorge già il Bovaro con la stella Arturo, mentre pronte a tuffarsi sotto l'orizzonte ad ovest sono le Pleiadi, giovane ammasso aperto le cui stelle sono ancora avvolte in una nebulosità azzurrina. Ad est di Orione sale la Via Lattea : riusciremmo a vederla se ci trovassimo sotto cieli meno luminosi e in ambienti dall'atmosfera meno polverosa: essa sale verso nord per ridiscendere dall'altra parte del polo nord celeste (dobbiamo aspettare la fine dell'estate per vedere questa parte là dove ora scorgiamo Orione), dove diventa più visibile, nelle costellazioni del Cigno, dello Scudo e infine del Sagittario dove, con la Grande Nube Stellare a 5.000 anni luce di distanza, trova il massimo del suo splendore per noi che osserviamo dalle nostre latitudini. A ovest del Sagittario, nelle calde serate estive, lo Scorpione fa sfoggio della bella Antares : bella ma pericolosa se fosse al posto del Sole.
Che cos'è quello che stiamo vedendo? L'Universo? L'intera Via Lattea? Una gran parte di essa? Più o meno saranno stelle a una distanza massima di qualche centinaio di parsec (15) dal sole il che ci dice quanto a noi esse siano vicine e quanto piccola è la parte di Via Lattea che stiamo osservando ad occhio nudo.
Ora prendiamo un telescopio, anche modesto, e puntiamolo sulla spada di Orione: scopriamo una nebulosità che a 1400 anni luce di distanza è una grande fucina di stelle e acqua (16)(L'astronomia 1999. 196 : 12 ; The Astrophysical Jurnal Letters 495, L105 ). Il piccolo strumento disegna quasi una sorta di golfo nella nebulosità lattescente di M42 (nome della nebulosa secondo il catalogo di Messier). In esso si annidano 4 stelline (17), piccole ma brillanti, dalla vaga forma di un trapezio. La nebulosa è luminosa, del tipo ad emissione (la luce che da essa proviene nasce dalla ionizzazione dei gas che la costituiscono. Le radiazioni ionizzanti originano dalle 4 stelle del trapezio - che tale è anche per il fatto di essere un sistema stellare multiplo di tipo non gerarchico-). Cosa ci lega a M42 , al trapezio di Orione, allo Scorpione e alle Pleiadi? Solo il fatto di far parte di propaggini della Via Lattea accomunate da una ridotta distanza reciproca e da una notevole, per esempio, lontananza dal centro galattico? Facendo delle osservazioni volte ad evidenziare i moti propri delle stelle osservabili e di quelle visibili con gli strumenti in uso nell'astronomia di oggi, ci si è accorti che associazioni, ammassi aperti, nubi molecolari e stelle nane e giganti più o meno isolate formano degli aggregati policentrici al quale è stato suggerito di riservare il nome di aggregazione. Più aggregazioni nate da una stessa grande nube molecolare poi frammentatasi nei "pezzi" che hanno dato origine alle singole aggregazioni, formerebbero un complesso stellare ancora avvolto nei residui più esterni di H allo stato atomico della super nube delle dimensioni di due - tremila anni luce (L'Astronomia 1998. 188:20-27). Bene, l'associazione Ori OB1b, il trapezio di Orione, un ammasso di stelle giovani, molte stelle T Tauri, alcune nubi molecolari ed altri ammassi costituiscono l'aggregazione di Orione. Questa (a 1.400 anni luce di distanza circa) assieme a quella dello Scorpione (a circa 500 anni luce in direzione opposta), le Pleiadi ed altri piccoli ammassi galattici più un certo numero di stelle luminose come Sirio, Aldebaran, Vega ecc. (che nel loro insieme costituiscono la Fascia di Gould) costituirebbero il complesso stellare di cui facciamo parte anche noi e che prende il nome di Sistema Locale.
Dunque, siamo nati insieme, dalla stessa super nube di idrogeno!
Ecco perché stiamo vicini (18), ci muoviamo quasi insieme e ci circondano i resti della materia da cui siamo nati… Proviamo a immaginare lo scenario protogalattico da cui ha avuto origine tutto questo. Una grande nube (super nube) di idrogeno atomico, una delle tante che si sono aggregate, ad un certo punto comincia a frammentarsi in tante nubi più piccole (le nubi molecolari giganti) : ognuna di esse acquista, rispetto alle altre, una certa "autonomia" e in ognuna di esse, poiché la densità è alta e c'è della polvere, nasce l'idrogeno molecolare e, da esso, le prime stelle, i primi ammassi, le prime associazioni… Nascono così gli aggregati multicentrici : le aggregazioni. Diverse di queste, cioè tutte quelle formatesi dalla stessa super nube di idrogeno atomico, formano il complesso stellare : 2-3.000 anni luce di diametro e diversi milioni di masse solari coinvolte… E' andata così? Sembra di sì: le componenti elencate sembrano animate da un moto comune e sono avvolte in un alone di idrogeno atomico (L'Astronomia 1998. 188:20-27). Ecco: guardando la sera il cielo stellato vediamo, quasi esclusivamente, i nostri fratelli, quelli che sono nati con noi, quelli nati prima di noi e quelli che stanno or ora nascendo … e la materia dalla quale altri ne nasceranno.
E per vedere quelli di altri parti cosmici? Ci vogliono gli strumenti.(19)


Cosa resta da vedere a livello galattico superiore? Braccia, barre, nuclei e rigonfiamenti centrali; aloni ed ammassi globulari di stelle "vere" e, forse, di stelle mai nate come tali (20), nubi ad alta velocità e fontane galattiche. E poi, nel mondo delle galassie? Gli ammassi di galassie e i superammassi e, in essi, scontri tra galassie, fenomeni di fagocitosi e spoliazione, getti di materia e code mareali; cambiamenti di forme galattiche e nascita di nuove stelle e ammassi e galassie nane mareali.
E poi? E poi la geometria dello spazio e il tempo; la materia che non c'è (21) e l'universo che accelera (22). E poi? I quark e le stringhe; il Big Bang e quello che forse c'era prima del Big Bang.
E poi ? .......
 

Lavoro ultimato il 30.04.2001; Aggiornato il 18.10.2002

NOTE

(1)Per la verità anche il sistema Plutone - Caronte è particolare: in esso il rapporto fra il raggio del pianeta (1150 km) e quello del satellite (585 km) è pari a 1,96, quindi è ancora più basso di quello fra la Terra e la Luna che è pari a 3,65.

(2)Le polveri presenti intorno ad una stella dopo i suoi primi 300-400 milioni di anni di vita non sono più quelle della nebulosa protoplanetaria in quanto queste non sopravvivono per più di un milione di anni poiché vengono a) sublimate e spazzate via dalla radiazione della stella b) espulse nelle regioni esterne per via delle interazioni gravitazionali con i pianeti c) catturate dal stella e dai vari pianeti - soprattutto Giove e Saturno nel caso del Sole - per una sorta di "effetto ramazza". Esse derivano a) dalle chiome cometarie b) dagli urti fra grani più grandi di polveri c) dagli urti fra asteroidi d) dagli urti fra asteroidi e pianeti. L'ultima fase dell'accrescimento planetario consiste proprio in una intensa cattura di corpi minori che precipitano sul pianeta di dimensioni maggiori. La cattura si conclude con un urto violento che scaglia nello spazio grandi masse di detriti che possono raggiungere anche altri pianeti. Nel passato più di una volta tra Marte e la Terra è avvenuto uno scambio di materiali con questo meccanismo. Uno studio effettuato su un campione di 84 stelle ha rivelato che il 60% di quelle con età inferiore a 400 milioni di anni ha un disco di polveri che le ruota intorno, mentre solo il 9% di quelle con età superiore a questa è fornita di tale disco. Le polveri "secondarie" che orbitano intorno al sole sul piano dell'eclittica sono visibili per la luce che esse diffondono, visibile dopo il tramonto ad occidente e nota con il nome di luce zodiacale. (l'Astronomia 2000 205: 15-16. Nature, 401, 456; 1999)

(3)Stelle più massicce del sole hanno una struttura interna diversa con lo strato convettivo a ridosso del nucleo e quello radioattivo al disotto della superficie; stelle di massa non superiore a 0,2 volte quella del Sole, hanno solo lo strato convettivo.

(4)Al livello dei poli solari le linee del campo magnetico solare non sono chiuse, rivolte cioè verso la superficie del sole, ma sono aperte, rivolte cioè verso lo spazio. Qui le particelle cariche più che una sorta di varco o di buco nel campo magnetico che le intrappola, trovano una sorta di "autostrada" che le conduce lontano dal Sole. La presenza di buchi coronali, dai quali origina una parte della componente veloce del vento solare, pare possa influenzare il clima della Terra: in concomitanza con una più intensa attività magnetica del Sole le dimensioni dei buchi coronali, regioni della corona solare a più bassa densità, aumentano e questo fa sfuggire attraverso essi una maggiore quantità di particelle cariche le quali, a contatto con l'atmosfera terrestre, provocherebbero una più intensa formazione di nubi e, quindi, una diminuzione della temperatura. Tale studio è stato effettuato da una équipe di astronomi e climatologi - (l'astronomia 2000 . 211: 11. New Astronomy, 4 563; 2000). Altri dati circa l'influenza dell'attività solare sul clima della Terra, sono contenuti in Cancellati dal sole (l'astronomia 2001. 223: 14 - 15) e Il gelido abbraccio di LIA (l'astronomia 2002. 228: 11- 13).Questi ultimi dati, correlati anche a ricerche geologiche e antropologiche, appaiono complessivamente più convincenti. Essi giungono a conclusioni diametralmente opposte: una maggiore attività magnetica del sole provocherebbe un aumento della temperatura della troposfera mentre ad una sua riduzione sarebbe da ascrivere un raffreddamento responsabile, per esempio, della piccola era glaciale (LIA) che colpì l'Europa tra il 1.400 e il 1.700.

(5)Per la verità si mette in evidenza anche per altre due ragioni: è l'unico pianeta, con Mercurio, ad avere un'orbita veramente ellittica essendo quelle degli altri pianeti quasi circolari (cioè con una bassissima eccentricità); inoltre esso, assieme a Venere, ruota intorno al proprio asse in direzione antioraria.

(6)Tale fascia, che si estende da 30-32 UA fino a 500 - 1000 UA dal sole, conterrebbe un numero di nuclei cometari compreso, a seconda delle stime, tra 1 e 1000 miliardi e più (l'Astronomia 2000 215 : 32 e G.Vanin,1994 : Stelle cadenti). Le stime più prudenti sono quelle più recenti.

(7)Secondo un'ipotesi avanzata da P. Farinella e Coll. (1980)

(8)l'astronomia 2002. 233 : 32 e Stelle Cadenti di G. Vanin.

(9)Jan Oort fu anche il primo a ipotizzare , nel 1932, l'esistenza di materia oscura nella Via Lattea (L'astronomia 1998. 192 :20-33). L'esistenza di tale materia è evidenziabile solo per gli effetti gravitazionali che essa determinerebbe.

(10)Nana bruna : oggetto di massa inferiore a 0.08 masse solari che, perciò, non è mai riuscito ad innescare una fusione duratura dell'idrogeno. Oggetto di "transizione" tra pianeti "giganti" gassosi e stelle nane rosse.

(11)L'effetto perturbante potrebbe essere dovuto almeno in parte, come ammettono gli stessi due gruppi di ricercatori, anche all'attraversamento di zone della Via Lattea più ricche di materia.

(12)Giove si sarebbe formato più lontano dalla posizione che attualmente occupa nel sistema solare.

(13)Abbiamo scelto questo come punto di partenza su scala cosmica ma non è che esso abbia qualcosa di particolare che lo renda unico, singolare : è la prima struttura più grossa, a livello supergalattico, che abbiamo incontrato; ha una sua identità e di essa facciamo parte; non ha nulla di particolare, a parte il non trascurabile fatto che noi ci viviamo dentro, che possa giustificare che si parli di un "suo" fuori. Essa fa parte del fuori di tutte le altre strutture simili e anche più grandi e di livello superiore, che popolano l'Universo.

(14)Nube molto densa e ricca di grani di polvere, in cui l'idrogeno è per la maggior parte allo stato molecolare, H2. I grani di polvere favoriscono l'incontro degli atomi di H . Esse non vanno confuse con le nubi di H atomico presenti tra i bracci di spirale della nostra galassia e rivelate per la prima volta negli anni '50 dagli astronomi, tra cui Jan Oort, che ne "ascoltarono" le emissioni radio alla lunghezza d'onda di 21,1 cm.

(15)Parsec : acronimo di parallasse secondo. E' la distanza dalla quale il semiasse maggiore dell'orbita terrestre viene visto sotto un angolo di 1 secondo. Un parsec equivale a 3,26 anni luce.

(16)Ne viene prodotta nelle 24 ore una quantità pari a 60 volte quella di tutti gli oceani terrestri.

(17)Esse rappresentano il cuore di una associazione formata da circa 2.000 stelle. Hanno un'età di circa 300.000 anni e masse da 15 a 30 volte maggiori di quella solare. Osservate dal satellite per raggi X "Chandra" hanno rivelato temperature che vanno da 30 a 60 milioni di gradi che sarebbero dovute a improvvise emissioni di energia da parte del plasma intrappolato negli intensi campi magnetici che circondano tali stelle. (L'astronomia 2001. 218: 10-12)

(18)Non necessariamente tutto ciò che è vicino, nella stessa regione di una galassia, è nato insieme, ha avuto una comune origine: possono esserci stelle intruse provenienti da altre galassie smembrate e fagocitate o stelle della stessa galassia che nel loro orbitare intorno al bulge attraversano le regioni in esame.

(19)Se si esclude la galassia M31 che è visibile anche ad occhio nudo e qualche altro oggetto.

(20)L'astronomia 2001. 218: 9-10

(21)L'astronomia 1998. 192: 20-33. L'astronomia 2000. 209: 4-6.

(22)L'astronomia 2001. 219: 18-32; L'astronomia 1998.191: 6-10.