Universo

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Data:	23.02.2001
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L’UNIVERSO E IL SISTEMA SOLARE

La Terra, insieme con altri 8 pianeti, ruota intorno alla stella Sole. La Terra, gli altri pianeti e il Sole costituiscono il Sistema solare.
Nel secolo scorso un celebre astronomo inglese, sir John Herschel, aveva proposto un modello di Sistema solare un po’ particolare: “Ponete su un piano orizzontale un globo di 60cm di diametro per rappresentare il Sole. A una distanza di 25 metri mettete un seme di senape al posto di Mercurio, a 46 metri un pisello per Venere, e un altro pisello a 64 metri sarà la Terra. Marte sarà indicato da un grano di pepe a 98 metri e Giove da una grande arancia posta a circa 334 metri dal centro, mentre dei granelli di sabbia raffigureranno i pianetini, perlopiù raggruppati a 150-180 metri dal centro, ma in parte vicini a Marte e Giove. Saturno sarà una piccola arancia a 615 metri. Urano una grande ciliegia a 1235 metri e Nettuno una prugna a 1936 metri”. (all’epoca di Herschel non si conosceva ancora Plutone, il pianeta più lontano dal Sole).
Questo modello, nella sua semplicità, ha il merito di rendere immediatamente comprensibili i rapporti tra le distanze e le dimensioni dei corpi celesti (stelle e pianeti) che formano il Sistema solare.
I pianeti del sistema solare e il Sole sono solo alcuni dei miliardi di corpi celesti che nel loro insieme formano l’universo.

La storia
Lo studio dei corpi celesti, o astri, è chiamato astronomia. Sebbene l’osservazione del cielo abbia destato l’interesse e la curiosità umane fin dall’antichità, questa disciplina nacque come vera e propria scienza soltanto nel XVI secolo, in seguito alle scoperte di Niccolò Copernico, Galileo Galilei e Giovanni Keplero. Fu un secolo di grande fervore intellettuale durante il quale ebbe luogo una vera e propria rivoluzione del pensiero, la cosiddetta rivoluzione copernicana: le analisi di Copernico infatti, in seguito confermate dagli altri 2 scienziati, smentirono la convinzione che la Terra fosse al centro dell’Universo. Essi sostenevano la teoria eliocentrica, secondo la quale è il Sole il centro del Sistema solare e i pianeti, Terra compresa, ruotano intorno ad esso.
Una rivoluzione di questa portata era destinata ad avere profonde conseguenze non solo in campo scientifico ma soprattutto in campo religioso, filosofico e persino nelle coscienze dei singoli individui.
Queste straordinarie scoperte vennero perfezionate oltre che con il calcolo e l’intuizione, anche con l’uso di nuovi strumenti di osservazione come il cannocchiale, che con il passare del tempo venne migliorato permettendo l’osservazione di corpi celesti sempre più lontani.
Nei secoli successivi le conoscenze si sono accresciute con grande rapidità, anche tra discussioni e aspri contrasti come era già accaduto nel corso del 500. Oggi sappiamo che il Sole e i pianeti del sistema solare sono soltanto alcuni dei corpi celesti che popolano l’Universo.
Arriviamo ai giorni nostri. La teoria più affascinante dell’ultimo secolo è sicuramente quella del big bang, la grande esplosione primitiva che avrebbe dato vita all’universo, come si è calcolato circa 15 miliardi di anni fa; allora tutta la materia e l’energia dell’universo erano concentrate in una sfera di fuoco a temperature di migliaia di miliardi di gradi. Le dimensioni di questa sfera erano 10 miliardi di volte più piccole di quelle dell’universo attuale. Si pensa che questo miscuglio infuocato ad un certo punto abbia cominciato a espandersi fino a raggiungere le dimensioni attuali: una vera e propria esplosione dunque. Gli scienziati sostengono che a partire da quell’attimo l’universo non abbia mai smesso di espandersi, seppure a velocità minore, e che tutti i corpi celesti si stiano tuttora allontanando progressivamente gli uni dagli altri. Tale ipotesi è verificata attraverso misure fisiche.
Oggi l’universo avrebbe una dimensione pari a un centinaio di migliaia di miliardi di chilometri: una distanza difficile da immaginare!

Misurare l’universo
Date le enormi distanze che separano i corpi celesti nell’universo, per esprimerle è stato necessario ricorrere a nuove unità di misura.
L’unità più usata all’interno del sistema solare è l’unità astronomica (UA) che corrisponde alla distanza media tra la Terra e il Sole, pari a 149,6 milioni di chilometri.
L’anno luce è l’unità di misura più comune in astronomia per esprimere la distanza che la luce copre nell’arco di un anno. Dato che la luce percorre all’incirca 300000km al secondo, un anno luce è pari a circa 9,46x10¹²km.
Il parsec (abbreviazione di parallasse secondo) è pari a 3,26 anni luce. Un parsec corrisponde alla distanza dal Sole che deve avere un corpo celeste affinché il triangolo che ha per base la distanza media Terra-Sole, abbia l’angolo al vertice pari a un secondo d’arco (1”).
Si può constatare come l’utilizzo dei sistemi di misura usati comunemente sulla Terra (metri, chilometri, ecc.) non sarebbe possibile per le dimensioni dell’universo.

Cosa c’è nell’universo
Stelle, ammassi, pianeti, asteroidi e molti altri sono i corpi celesti che si osservano nell’universo. Descriviamone i principali.
Le stelle sono corpi celesti formati da gas e polveri ad altissima temperatura. Brillano di luce propria, ossia emettono radiazione luminose, perché al loro interno avvengono reazioni che liberano l’energia. Esistono diversi tipi di stelle che vengono classificate in base alle dimensioni, alla densità, alla composizione chimica e alla temperatura. Esse inoltre appaiono di diverso colore in base alle temperature superficiale:le stelle più calde sono bianco-azzurre, quelle a temperatura inferiore sono gialle, infine le stelle più fredde sono rosse. Il nostro Sole, per esempio, è di grandezza media e di colore giallo. La più grande stella conosciuta, VV Cephei, ha un diametro 2000 volte più grande di quello del Sole; Batelgeuse è rossa e ha una densità 10 milioni di volte più bassa di quella del Sole. Sirio è azzurra.
Le galassie sono insiemi di stelle; possono contenere da 10 a 100 miliardi. Appaiono nel cielo come macchie biancastre di tenue luminosità, di forma indefinita, o a spirale, o a disco. Se vengono osservate con un buon telescopio si scompongono in tanti puntini luminosi che corrispondono agli astri di cui sono formate. Il Sole fa parte della galassia chiamata Via Lattea che ha una forma simile ad un disco rigonfio al centro. Questo disco, visto da un punto nel suo interno (la Terra), ci appare nel cielo notturno come una lunga striscia luminosa.
Gli ammassi galattici sono costituiti da insiemi di galassie e ne contengono a migliaia. Tutti gli ammassi esistenti, che forse superano il milione, formano l’universo.
Il Sole, così come molte altre stelle, è circondato da altri corpi celesti che gli ruotano attorno: i pianeti. Essi non emettono luce propria ma sono visibili poiché riflettono la luce della loro stella. I pianeti hanno dimensioni molto inferiori rispetto alle stelle e possono essere accompagnati da uno o più satelliti, ancora più piccoli: la Terra ne ha uno, la Luna, il cui diametro è circa un quarto di quello terrestre.

Le leggi che governano il moto dei corpi celesti
I pianeti del Sistema solare ruotano su se stessi attorno ad una asse, compiendo un movimento detto rotazione, e inoltre si muovono intorno al Sole (questo movimento è detto rivoluzione). Le traiettorie che compiono sono dette orbite. Il tempo impiegato a percorrere un’orbita è detto periodo. Per esempio, il periodo di rivoluzione del pianeta Terra è pari a 1 anno.
Le caratteristiche del moto dei pianeti nel Sistema solare sono state individuate all’inizio del 600 dall’astronomo tedesco Keplero. Egli, sulla base dell’osservazione diretta del cielo, individuò 3 leggi che descrivono il movimento dei pianeti.
La prima legge di Keplero dice che l’orbita di ciascun pianeta è un’ellisse di cui il Sole occupa uno dei 2 fuochi. Percorrendo la propria orbita ellittica, ciascun pianeta viene a trovarsi a distanze diverse dal Sole che variano tra 2 posizioni estreme: quelle di massima distanza è l’afelio (dal greco apó= lontano da, e hélios= Sole); quella di minima distanza dal Sole è il perielio (dal greco perì= vicino, e hélios= Sole).
La seconda legge di Keplero afferma che ciascun pianeta si muove sulla sua orbita con velocità variabile: più rapidamente quando è più vicino al Sole, più lentamente quando è lontano.
La terza legge di Keplero sostiene che i pianeti più vicini al Sole si muovono sulle loro orbite più velocemente di quelli più lontani. I rapporti tra tali velocità sono regolati da una legge matematica: il rapporto tra i quadrati dei periodi di rivoluzione di 2 pianeti qualsiasi è uguale al rapporto tra i cubi della loro distanza media dal Sole.
Le 3 leggi di Keplero sono frutto dell’osservazione diretta del moto dei pianeti nel cielo. Esse sono la conseguenza della legge di gravitazione universale di Newton: 2 corpi si attraggono con forza direttamente proporzionale al prodotto delle loro masse, e inversamente proporzionale al quadrato della loro distanza. Tale legge è espressa dalla formula:
F= G* (M*m/ r²)
dove “M” e “m” sono le masse dei corpi; “r” è la loro distanza; “G” è una costante che dipende dal mezzo nel quale si trovano immerse le 2 masse (il vuoto extraplanetario, l’acqua, l’aria,…).
Più i corpi sono massicci e più sono vicini, maggiore è la forza che li attrae. La più semplice verifica della legge di Newton è la forza di gravità agente sulla Terra: qualsiasi oggetto tende a cadere al suolo, appunto perché è attratto dalla grande massa del nostro pianeta. Nel caso del Sistema solare i piccoli pianeti sarebbero attratti dalla grande massa del Sole e vi cadrebbero sopra. Perché questo no succede? Tale forza gravitazionale di attrazione, detta anche centripeta, perché è diretta verso il Sole che è al centro del Sistema, è perfettamente bilanciata dalla forza centrifuga sviluppata dal moto di rivoluzione dei pianeti. Per avere un’idea del fenomeno è sufficiente far ruotare con un braccio un secchiello pieno d’acqua: la velocità impressa dal movimento crea una forza centrifuga che “schiaccia” il liquido contro il fondo del recipiente e gli impedisce di cadere a terra seguendo la forza di gravità.
I pianeti più vicini al Sole e quindi attratti da una forza gravitazionale centripeta maggiore, devono sviluppare una forza centrifuga sufficiente a bilanciare la prima. Tale forza centrifuga è sviluppata da un movimento rotatorio più veloce. I pianeti più distanti e attratti da una forza minore possono ruotare più lentamente.
Anche la seconda legge di Keplero deve essere letta alla luce della legge di gravitazione universale. Quando un pianeta è al perielio è molto vicino al Sole perciò subisce un’attrazione centripeta forte che deve essere bilanciata da una forza centrifuga altrettanto forte: ne consegue che al perielio il pianeta si muove più velocemente. Viceversa, quando il pianeta è all’afelio, quindi più lontano dal Sole, l’attrazione centripeta è meno forte e sarà controbilanciata da una forza centrifuga minore: all’afelio il pianeta si muove più lentamente.