Teoria

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Un' eresia illuminata.   Di Andrea Betlamini

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Agli inizi del Seicento, il padre Domenicano di Nola, Giordano Bruno, pagò con la vita, e nel peggiore dei modi, la colpa di aver ipotizzato una pluralità di Mondi. Egli, campione di antidogmatismo, in un epoca ancora fortemente impregnata di oscurantismo, immaginò un Universo infinito, costellato di una molteplicità di stelle, simili al nostro Sole, ma più deboli perchè assai distanti e confinate al di fuori del nostro dominio.Stimolato dalle idee del cardinale tedesco  Nicola Cusano, reinterpretò molti istituti dell'iconografia cristiana. Sempre mosso dal pensiero di Cusano, e guidato dalla stella polare della ragione, diede inoltre cittadinanza alla possibilità della vita altrove. Fu soprattutto il rifiuto del geocentrismo di stampo aristotelico-tolemaico, a suscitare lo sdegno della Santa Inquisizione, che respinta l' abiuria ed il  pentimento operoso cattolico, lo mise al rogo e al pubblico dileggio, in Campo dei Fiori a Roma, il 17 Febbraio 1600. "Forse avete più paura voi nel condannarmi che non io nel subire la condanna", furono le ultime, immorali ed immortali parole, di questo gigante del pensiero.

Giordano Bruno - Ritratto da "Livre du recteur" (1578) -University of Geneva

Giordano Bruno ci ha lasciato un eredità notevole. Egli fu il naturale continuatore di quell'opera di conciliazione tra i crismi della fede ed i dettami della ragione, che iniziata con Sant Agostino trovò poi plastica espressione in  Antonio Rosmini. L' esperienza personale  del nolano, spesa interamente all'abbattimento di quei costrutti  ormai caracollanti sul piano della legittimazione teoretica, ebbe tanta parte nella Via Crucis verso la luce, di  quelle idee tanto rivoluzionarie, che cominciavano a circolare per l'Europa del  XVII secolo. Una cosmologia talmente illuminata, da non attribuire poi neppure alcuna centralità al Sole., anticipando la visione di un Universo senza un vero centro. Per la verità, il "De Rivolutionibus" di Bruno, fondava le proprie radici su idee che, qua e là, timidamante affioravano già nel mondo antico. Ipparco da Nicea, nel II secolo a.e.v , aveva concettualmente ipotizzato l'esistenza di strutture paragonabili alla Via Lattea. Lo stesso fecero nel Settecento Kant , che per esse ricorse alla ben nota categoria degli  "universi isola" e William Herschel . Ma si deve al metodo di indagine galileiano , dopo l'introduzione del cannocchiale in astronomia, il merito di aver mostrato la reale consistenza della nostra Galassia, che ad occhio nudo appare come un fioco oggetto diffuso e indistintamente lattiginoso, ma che in realtà risulta  costituita da una miriade di stelle.

La scienza moderna ci ha dischiuso le galassie , consacrandole come immani agglomerati di stelle, gas e polveri legati dalla forza di

Guardando la Via Lattea dal Cile, con occhi diversi: quelli smarriti dell' uomo di Neanderthal e quelli  sofisticati di ALMA ( Atacama Large Millimetric/Submillimetric Array ).  Immagine astronomica di Stepahne Guisard, graphic -art ominide di Danny Vendramini. Adattamento mio con Adobe Photoshop CS2.

gravità. L'unità di misura di una galassia,

Esse non sono agglomerati di stelle, semmai sono spesso la nursery, l' officina in cui, per mezzo di contrazioni gravitazionali, queste si assemblano ed emettono i primi gemiti. Oggetti diversi dunque,  ma per quanto possa sembrare strano, questa è scoperta relativamente recente!. Il sasso venne lanciato da Edwin Hubble e da un elettricista suo collaboratore, allorchè, all' oculare del telescopio Hale da 254 cm ,dell' osservatorio di Monte Wilson in California, si interessò della natura di Andromeda. La pietra miliare della cosmologia moderna, la scoperta dell'espansione dell'Universo, fu la

   
                        

Pierre Paul Rubens - La nascita della Via Lattea -1636

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Galaxi'as Kuklos

Come anticipato, il termine galassia ha origini greche ( Galaxi'as Kuklos ). Se scritto con l'iniziale maiuscola diventa nome proprio e sinonimo della nostra casa nel Cosmo.

Con l' eccezzione delle Nubi di Magellano e di quella di Andromeda, visibili chiaramente ad occhio nudo, dalla Terra possiamo osservarle solamente al telescopio.

Esse allora si presentano ai nostri occhi secondo varie prospettive.Al tale scopo si definisce inclinazione (i), l'angolo formato tra la linea visuale dell'osservatore e la normale al piano mediano della galassia. Questo può variare tra 0°, e la galassia sarà allora osservata di faccia (face-on), e 90°, ed allora essa apparirà di taglio (edge-on). Approssimandone la forma ad un cerchio, possiamo usare la trrigonometria e, considerando a e b i semiassi dell'ellissi galattica, scrivere i=arc cos (b/a). Ma è attraverso gli strumenti spaziali che, pur non mutando la prospettiva, i margini osservativi si ampliano. Si ritiene che le ottiche del  telescopio spaziale Hubble siano in grado di risolvere qualcosa come 50 miliardi di Galassie. Anche senza scomodare dati numerici da capogiro, è oggi assodato e anzi a tutti banalmente evidente, che queste strutture siano lontanissime. Percorrendo distanze nello spazio si viaggia anche nel tempo; Se M31, ad esempio, si trova a oltre 2 milioni di anni luce,  noi la vediamo come era 2 milioni di anni fa;  è allora  che partirono quei fotoni che oggi giungono a noi,  stimolando la retina dei nostro occhi  nelle notti serene.  La velocità della luce è elevatissima, ma se l'Universo è quello che è,ciò è dovuto ad una fondamentele caratteriscita della luce e della radiazione elettromagnetica in genere: la sua velocità è finita! Nel percorrere ad una tale velocità la vastità del Cosmo, la luce impiega del tempo .

 

Galassia edge-on. NGC 5866, è una galassia a disco di tipo S0 situata nella costellazione del  Draco. Le S0  possiedono un disco, come le spirali e bulges estesi, come le ellittiche, e sono dette lenticolari. Distanza 44 milioni di a.l e diametro di circa 60,000 a.l. La sua massa è simile a quella della Galassia. Immagine:NASA, ESA, and The Hubble Heritage Team (STScI/AURA)

Vi è un oggetto, poco poeticamente denominato 8C 1435+635, che possiede uno spostamento verso il rosso ( Z ) di 4.25. Il dato traduce il suo allontanamento alla velocità di 4.25 volte quiella della luce. Un giorno sparirà dalla vista, semplicemente perchè i suoi fotoni verranno verso di noi ad una velocità inferiore di quella alla quale si allontanano a causa dell'espansione (attualmente lo possiamo ancora osservare perchè quando quei fotoni partirono, l'Universo era più piccolo, tale galassia era più vicina a noi, e la sua velocità di regresso minore della velocità della luce ). Guardando 8C ,  noi osserviamo l'Universoquando aveva solo qualche miliardo di anni, laddove oggi si ritiene ne abbia 13,7. A causa dell' espansione, l'Universo potrebbe avere oggi un raggio di 78 miliardi di km! Il raggio di quello osservabile, sarà evientemente di 13,7 miliardi di anni luce.

Studiare le galassie significa viaggiare anche nello spazio.
I lontani agglomerati che chiamiamo galassie ,non hanno ne una struttura ne una distribuzione spaziale omogenea, quantomeno  nell 'Universo che possiamo osservare.

Un fascio laser verso il centro della Via Lattea.Immagine di Yuri Beletsky, ESO Photo Ambassador - Osservatorio Astronomico del Paranal, Chile - 6 agosto 2010.

Quasi tutto il materiale visibile dell'Universo è aggregato in esse, d'altro canto, le associazioni di galassie occupano appena il 5% del volume a disposizione nello stesso Universo.

Abbiamo galassie a disco (o spirali), ellittiche, lenticolari, irregolari ,nane e galassie isolate.Galassa a spirale era un espressione coniata da Edwin Hubble, ma oggi ritenuta erronea. Infatti negli esponenti della categoria in questione si osserva sempre la struttura del disco, ma non sempre i bracci a spirale.

Universo matematico:NGC 6872, classe SBb, sembra descrivere il simbolo di integrale. La compagna interagente è di tipo S0.Credit: ESO

Omega Centauri, l'ammasso globulare più esteso dei circa 150 che popolano il cielo ossevabile.Situato nella costellazione del Centauro, si crede che ospiti circa 300 mila soli. ESO/INAF-VST/OmegaCAM. Acknowledgement: A. Grado/INAF-Capodimonte Observatory

Importante, anche al fine della scala cosmica delle distanze, è la distribuzione quasi sempre sferica che caratterizza i globulari (una distribuzione più appiattita è stata osservata sporadicamente in altre galassie). Infatti, a causa di tale geometria, quelli della Via Lattea possono essere considerati tutti alla stessa distanza da noi. Possiamo assumere che anche  la loro distanza dal nucleo, sia confondibile con la nostra.  Le componenti sono della Popolazione II, stelle vecchie, evolute in giganti rosse. La Struttura morfologica degli ammassi globulari è feconda di conseguenza cosmologiche: una tale distribuzione suggerisce che la nube da cui condensò la Galassia, 

doveva essere a sua volta sferica.Un immagine di un globulare è in un certo senso la fotografia di una protogalassia. La stima della loro distanza  fornisce poi un metodo per collocare il centro galattico e quindi la posizione del Sistema Solare, che misure recenti vogliono a circa 28000 anni luce dal Nucleo, nella direzione del  Sagittario. Tale geometria, unitamente alla carenza di elementi pesanti nei loro spettri e al fatto che le stelle ivi contenute abbiano tutte la stessa età, suggeriscono che essi si formarono non molto tempo dopo l'inizio del tutto, il  Big Bang, quando la Galassia era in formazione. La distribuzione di un globulare nel diagramma Herzsprung-Russell (il grafico in cui le stelle si distribuiscono a seconda delle caratteristiche intrinseche di luminosità e classe spettrale o temperatura superficiale), è marcata dal punto in cui le stelle giganti rosse si staccano dalla sequenza principale, per abbracciare il cosiddetto ramo orizzontale. Questa distribuzuione, il fatto che esse siano tutte equidistanti da noi e che si siano formate assieme, forniscono un aiuto nella determinazione delle dimensioni della Via Lattea. Peccato che così si dia agli ammassi un età molto più elevata di quella che coerentemente dovrebbe derivare ,dall' applicazione dei  modelli cosmologici più "in voga". In alcune speculazioni, si arriva ad un età superiore a quella dell'Universo stesso. ..A causa di ciò,qualche anno si alimentò un veemente dibattito,sulla falsariga di quello arcinoto, riguardante la distanza della galassia di Andromeda, che oggi pare rientrato.

Classificazione 

Nel 1925 Edwin Hubble, nell'ambito di una analisi sistematica, adottò un criterio di sistemazione morfologica delle galassie,oggi superato perchè generico e non totalmente corretto, noto come sequenza di Hubble o diagramma a diapason.

Celebre immagine dell' astronomo Edwin Powell Hubble

Infine l'abbondanza relativa tra stelle e regioni HII nel disco (le regioni delle rutilanti nebulose ad emissione, addensamenti di gas che si rivelano grazie al processo di  ricombinazione degli elettroni col nucleo dell'atomo di idrogeno, precedentemente ionizzato dalle emissioni ultraviolette di stelle giovani e calde presenti nelle nubi

Originaria classificazione delle galassie proposta da Hubble nel 1925

Esse sotto molteplici aspetti si comportano come le normali barrate, ma ulteriori tratti peculiari, impediscono di risolverle in esse. In particolare la materia della regione centrale, risulta disomogeneamente ovalizzata e orientata verso la struttura a barre,senza però raggiungerla.

Lo stesso astronomo canadese, osservò poi sostanziali diversità nel comportamento dei  bracci in prossimità del nucleo. Si avvide, cioè, del fatto che alcune spire raggiungevano e si connettevano al nucleo.Altre giungevano solo a lambire una sorta di anello circolare fittizzio attorno ad esso. Ancora una volta si rese  necessaria una revisione, che portò all' aggiunta rispettivamente del pedice (s) ed (r), alle classi note. Abbiamo cosi a puro titolo d'esempio notazionale, le (Sas) e le (Scr) e le Sbc(rs).  Completarono l'opera i tipi intermedi (sr) e (rs). Se infine l'anello si trova all'esterno del disco, la consueta denominazione venne anticipata da (R), come nel caso dell'oggetto del catalogo di Messier, posto al numero 77 ( M77). Questo dipende dal fatto che il disco non ruota sincrono con la struttura a spirale; nel caso contrario il disco sarebbe sincrono. Alla base di questi comportamenti peculiari, stanno fenomeni detti di risonanza.

Questa ulteriore distinzione rese definitivamente evidente l'inadeguatezza del mero criterio classificatorio di tipo osservativo, rendendosi necessario l'impiego di dati di più preciso valore astrofisico.  

I bracci del disco  delle spirali sono costituiti da stelle giovani e calde di Popolazione I. Le vecchie stelle di Popolazione II, sono ubicate invece nel nucleo e nell'alone luminoso. Il tutto è immerso nel materiale interstellare e nel gas, e ancor più intensamente nella stretta della materia oscura.

In questa rappresentazione di Charles Francis si evidenzia il moto dei gas in una galassia a spirale bisimmetrica. Ingoing = verso l'nterno, outgoing = in uscita.

Cosi se n=0  (cioè  a=b),  la galassia, che chiameremo E0, avrà  forma circolare. Se n=7, la galassia E7 avrà ellitticità 0.7 ed eccentricità 0.95.

Va comunque sottolineato che la forma è fortemente influenzata dalla prospettiva dalla quale le osserviamo, potendo formazioni percepite come sferiche, essere in realtà affusolate se, per avventura, potessimo coglierle dal loro polo nord. Le stelle contenute sono vecchie giganti rosse e tale appare generalmente il colore complessivo di una galassia ellittica, determinato proprio dalla detenzione di un infinità di fotoni provenienti dalle sue stelle. Studi accurati hanno mostrato la quasi totale assenza di materiale e gas (che laddove presente è spesso ionizzato) da cui si possa innescare il processo generativo di nuove stelle. In un secondo momento, Hubble aggiunse anche la classe delle giganti ellittiche (cD). In queste, una regione centrale analoga a quella delle ellittiche normali, è cinta da un debole ed esteso alone di stelle. Da ultimo si è data cittadinanza anche alle ellittiche nane (dE) che spesso sono satelliti di altre galassie.

e barrate ( IB ).

Il quintetto di Stephan, ovvero collisioni galattiche in atto. Alla distanza di circa 280 milioni di anni luce, abbiamo un esempio di sistema gravitazioneale con blande emissioni-x, e galassie a spirale, ad uno più sviluppato e dominato dalle galassie ellittiche e caratterizzato da massiccie emissioni di raggi-x. Image Credits: X-ray: NASA/CXC/CfA/E. O'Sullivan Optical: Canada-France-Hawaii-Telescope/Coelum

caratterizzate da emissioni radio e infrarosse dal nucleo) o in relazione a fenomeni di interazioni,scontri e

Magnifico lavoro classificatorio, rispecchiante il vecchio diagramma a forca di Edwin Hubble, del team del Telescopio Spaziale Spitzer. In questo collage sono raccolte immagini di 75 galassie vicine , prototipi di quasi tutti i tipi e sottotipi galattici descritti in questo mio lavoro. L'immagine è di dimensione notevoli,e non può essere presentata a risoluzione nativa. Perciò per leggere le diciture usare simultaneamente  i tasti "ctrl  +" della tastiera. Per tornare allo zoom normale "ctrl - ". NASA/JPL-Caltech/K. Gordon (STScI) and SINGS Team

Origini : frugando tra le carte di Dio

Come può esso conoscersi in ogni sua parte , mantenersi uguale , e come fa l' informazione a viaggiare da un capo all'altro del cielo, se dopo il Big Bang, nulla ha avuto tempo di percorrerlo avanti e indietro? 

Espansione dell'Universo. Quelle sferoidali possono essere galassie( o meglio ammassi galattici) in regresso tra loro.Un ammasso, distante 1 unità arbitraria in un dato istante temporale, si allontana dal Gruppo Locale alla velocità unitaria.Quando sarà alla distanza di 2 unità, esso si allontanerà a velocità 2. E' la legge di Hubble a dirci che a velocità di regresso è proporzionale alla distanza tra due oggetti.Come si può notare dalle altre frecce tracciate,ciò interessa tutti gli oggetti indistintamente.Solo dalla nostra prospettiva, gli altri ammassi si allontanano dal  Gruppo Locale. In verità tutto si allontana da tutto, e l'Universo non possiede un centro di espansione.Se fermiamo idealmente l'espansione, e andiamo a ritroso, è poi doveroso ammettere che l'Universo sia nato nello stato supercompatto di una singolarità. Credito immagine: Angeloleithold 1974 e adattamento mio.

L'Inflazione avrebbe inoltre omogeneizzato il continuum spazio-temporale, rendendo l'Universo, come le osservazioni suggeriscono, piatto o euclideo. Ma cosa è esattamente l'Inflazione?  Tanto per cominciare , almento per una volta,non ci si riferisce alle speculazioni sui mercatifinanziari o all'aumento dei prezzi !!L'Inflazione in questo ambito designa la sintesi cosmologica di quel complesso di teorie (in modo speciale le Grandi Teorie Unificate e la meccanica quantistica) che si propondono di descrivere i primissimi istanti di vita dell'Universo e

risolvere questioni che la teoria basata sul Big Bang nella formulazione originale, lasciava insolute.Va da se che per la meccanica quantistica, questa storia inizia da un istante, il tempo di Planck (il tempo impiegato dalla luce a percorre una lunghezza di Planck ,la minima espressione temporale che abbia un senso, ed equivalente a 10^ -43 s) allorchè lo stesso Universo aveva un diametro della lunghezza di Planck  appunto (10 ^ -33 cm). Prima di allora, ogni studio è per ora precluso (forse una teoria quantistica della gravitazione, quando verrà formalizzata, potrà dire qualcosa di valido a riguardo). Perchè? Semplicemente perchè le leggi della fisica, come le intendiamo noi,  in contesti remotissimi, perdono di ogni significato.Quindi dobbiamo correttamente ammettere che non solo l'Universo inflazionario, ma l'Universo tout court, iniziò quando questo aveva già l'età di Planck. L'era dell'Inflazione è caratterizzata da tempi scala molto rapidi e di crescita esponenziale ,che l'Universo non incontrerà  più nella sua storia evolutiva. In soldoni (o soldini...) in 10^-32 secondi, essò subì qualcosa come100 raddoppiamenti di dimensioni. Come un passaggio da qualcosa 10^20 volte più piccolo di un protone ad un pompelmo di circa 10 cm di diametro.Per comprendere quale sia la rilevanza di tuto questo , occorre fare un passo indietro.Già Albert Einstein, intorno al 1917,comprese che se l'Universo non fosse stato in espansione o contrazione, esso sarebbe collassato su se stesso.Peraltro egli non si ascoltò, commettendo cosi un grave errore, ma di questo parlerò più sotto. Il  punto è che la densità della Singolarità primordiale,creava in questa un campo gravitazionale che avrebbe dovuto trasformarla immediatamente in un Buco Nero, e l'Universo sarebbe morto appena mosso il primo vagito.

Se pensiamo poi, che una superficie curva enormemente gonfiata, arrivi a sembrare piatta, abbiamo anche una risposta al quesito della piattezza dello spazio tempo.  I pionieri del  modello inflazionario furono, intorno al 1980, nell'allora U.R.S.S, Aleksej Starobinskij, Alan Guth a cui, tra l'altro, si deve il nome, Andrej Linde, e negliU.S.A , Andreas Albrecht e Paul Steinhardt.

La superficie di un pallone gonfiato per un tempo prolungato, può dirsi piatta.

Ma già nel 1917 Willem de Sitter pescò dal cilindro della Relatività Generale una "curiosità matematica" che faceva leva su di una espansione esponenziale dello spazio tempo, che però

Questo spettro ottico reca inconfondibile l'impronta  dell'espansione dell'Universo. Quelle nere orizzontali sono alcune righe in assorbimento caratteristiche di un elemento presente sia nell'atmosfera solare (sinistra) e nel Superammasso di galassie noto come BAS11 (d estra).Notare come nel secondo caso, esse siano  tutte spostate verso la parte rossa dello spettro. Credito:Georg Wiora

Dall'equazione sopra riportata segue cheConsiderando che , possiamo dire che in ambito cosmologico, un redshift (z) pari ad esempio a 2, sta ad indicare che il rapporto tra la velocità di regresso dell'oggetto e quella della luce nel vuoto c ( 299,792,458 ms^-1), equivale alla differenza tra la lunghezza d'onda osservata delle righe prese a riferimento nello spettro di tale oggetto e quella a riposo, divisa per quest'ultima.
In termini matematicie
Un esempio può chiarire meglio.Se lo spettroscopio accoppiato ad un telescopio, registrasse uno shift (blu o rosso) ,supponiamo di 5 Aº (1 Angstrom=10^-1 nm), sulla riga H-alpha dell'idrogeno (situata nella serie di Balmer a 6562.8 A° e abbondante nel mezzo interstellare;è responsabile del colore rutilante delle nebulose ad emissione come quella di Orione), avremmo una velocità radiale di circa 228 km/s. E' chiaro che l'espansione del'Universo è sempre caratterizzata da uno spostamento verso il rosso, ma ciò non toglie che gli oggetti astronomici, per un reale movimento fisico, possano anche essere blushiftati. E' il caso della galassia di Andromeda, che si sta minacciosamente avvicinando alla Via Lattea, con cui si fonderà tra qualche miliardo di anni.La formula Doppler sopra descritta è di tipo non relativistico.Fino ad una velocità radiale di circa 5000 km/s, lo scarto tra le variazioni di lambda tra questa formula e quella relativistica è dello 0.85%. Ove le differenze diventano marcate,occorre introdurre quella relativistica, che è espressa da .Come vedremo successivamente, una volta ottenuta la velocità di espansione del tessuto cosmico in una data regione dello spazio-tempo, si può risalire alla distanza alla quale  tale rateo di recesso è commisurato, applicando la legge di Hubble.

Occorre poi accennare al fatto che ,per allontanarsi da un campo di forze gravitazionali, un sistema di particelle( da una molecola fino ad un intera galassia) perde energia. Anche in tal caso si assiste ad uno spostamento verso il rosso delle righe spettrali, ma il processo responsabile è ben diverso da quello fin qui descritto, ed è noto come redshift gravitazionale.

Redshift cosmologico .Per un osservatore situato al centro del campo gravitazionale, le regioni periferiche appaiono spostate verso il rosso. Credito:Systemizer

L'equazione che lo descrive è, che può tranquillamente essere semplificata in , G è la costante di gravitazione universale, M è la massa da cui avviene l'allontanamento, c è la consueta velocità della radiazione elettromagnetica nel vuoto,  r il raggio di quel campo di forze. 
Derivando queste formule direttamente dalla Relatività Generale,ed essendo misurabile, seppur ancora oggi con qualche incertezza, un valore anche per il nostro Sole (in effetti è più agevole la misura su Sirio B), individuato in circa 0.64 Km/s, si ottiene anche per questa via una conferma della bontà delle predizioni einsteniane.

 Infine il tutto può essere scritto nella notazionecon Rsc raggio di Schwarzschild. Questo raggio venne introdotto dall'astrofisico tedesco Carl Schwarzschild nello studio di quelle condizioni superaddensate di materia che portano alle stelle di neutroni o ai buchi neri. Un buco nero è tale perchè da esso non può fuggire neppure la luce, come dimostrò alla fine del 1700 Simon de Laplace, ancora sulla base della meccanica classica. Sappiamo infatti che uno dei fondamenti della fisica afferma che in un sistema conservativo( non sottoposto a rilevanti forze esterne)  l'energia si conserva, dunque indicando con K l'energia cinetica ed U quella potenziale,la loro somma deve essere nulla. Abbiamo quindi

Una massa m lascia la superficie di un corpo di massa M e raggio r , con energia cinetica ed una potenziale .
La velocità di fuga di un sistema di particelle in un campo gravitazionale generato da un corpo di massa M e raggio r , è la minima velocità che permette a tale sistema di arrivare all'infinito con velocità nulla rispetto al corpo stesso. E all'infinito la nostra massa m possiede energia potenziale e cinetica pari entrambe a 0. Eguagliando allora le energie, semplificando ed esplicitando in v, otteniamoove  il termine Vf è detto appunto  velocità di fuga. Quanto più alta è questa velocità, tanto maggiore dovrà essere l'energia di una massa per allontanarsi indefinitamente e tanto più spostate vero il rosso saranno le righe spettrali dei fotoni che lasciano la superficie della massa M , generando quindi un redshift gravitazionale.Ma posto che nessuna informazione può muoversi più velocemente della luce, se la velocità di fuga diventa maggiore di c, nessuna radiazione uscirà più dalla superficie di quell'oggettoche apparirà completamente nero, un buco nero appunto. La superficie equipotenziale che descrive tale condizione è detta orizzonte degli eventi. La velocità di fuga supera quella della luce quando il raggio r è minore di un raggio critico, definito come   e noto come raggio di Schwarzschild. Allo stesso risultato, ma in modo ancor più elegante, ci guida la Relatività Generale. Sempre in questa prospettiva ,la meccanica classica e quella relativistica  prevedono una deflessione gravitazionale nel cammino della luce, di fatto verificata nel corso dell'eclisse di sole del 1919, attraverso misure effettuate da Eddingston,Dyson e Davidson dallla Guiana Francese. Anche tale deflessione è implicita nella formula.

Le più autorevoli interpretazione dell equazioni di campo della Ralatività einsteniana,ci consegnano poi un Universo finito (anche nello spazio, seppur con volume in aumento) ma illimitato (come la superficie di una sfera). In esse, lo spazio-tempo origina in un brodo primordiale e finisce nell'attrorciliamento di dimensioni di  un buco nero o in un Big Crunch.  cosi come interpreatate da Lamaitre e poi da Alexander Freedman, e che semplicemente non ammettevano un Universo statico. Ma dato che questa era convinzione largamente invalsa, prima degli studi sul redshift compiuti da Hubble,  Einstein per piegare il proprio apparato teorico ad un tale Universo , dovette introdurre una costante cosmoslogica che poi (pare) definì  <il più grande errore della mia vita>. Sappiamo come andarono le cose, ma in una prospettiva cosmologica più ampia, tale costante è però riaffiorata come una sorta di quintessenza, di energia del vuoto, tale forse da spiegare quell'accelerazione dell'espansione, pure osservata negli ultimi decenni.

Nel 1965  Arno Penzias e Robert Wilson, due ricercatori della Bell Telephones Research Laboratories, stavano studiando alcuni fenomeni di interferenza atmosferica sulle radiocomunicazioni.

Questi, nei tempi morti che necessariamente presentava questo genere di attività, decisero di non  giocare a carte! Collaborando con un gruppo di lavoro radioastronomico che cercava qualche eco del Big Bang, decisero di modificare un antenna horn di 6 metri installata a Holmdel, nel New Jersey, che era progettata per ricevere segnali dai satelli di telecomunicazione della costellazione Echo. L' idea che nell'Universo vi fosse un impronta della Grande Esplosione, sotto forma di radiazione a temperatutra appena sopra lo 0 Kelvin, non era nuova negli anni Sessanta del secolo scorso. Era già stata introdotta per via speculativa, da quel genio, troppo presto messo da parte, che fu  George Gamow e dal suo gruppo di lavoro costituito da Ralph Alpher e Robert Herman,  già negli anni Quaranta. Questi sostenevano che tutti gli elementi fossero stati prodotti appena dopo il Big Bang.Seppur non corretta, in quando solo l'idrogeno e l'elio furono creati in quelle condizioni primordiali,questa visione di fatto preannunciava l'esistenza del CBR. Per sintetizzare quegli elementi, l'Universo giovane doveva infatti essere estremamente caldo, ma

Robert Wilson a sinistra ed Arno Penzias, di fronte all ' antenna horn della Bell Laboratories a Crawford Hill, a Holmdel nel New Jersey. Da questo relativamente modesto strumento, nel 1965 venne una delle scoperte più importanti della storia della scienza. Immagine: archivi  U.S Federal Government.

l'espansione avrebbe raffreddato la sua radiazione fino a quella tipica di un corpo nero freddo.

Con un' attività che oggi diremmo di  "serendipità", i due si imbatterono in un rumore radio, proveniente  uniformenete da tutto il cielo, e non da una direzione preferenziale, come sarebbe stato ragionevole ritenere, in caso di un normale disturbo in radionatura. Per giungere a tale risultato,i due , prima calibrarono l'apparato di ricezione sulla radiosorgente Cassiopeia A e poi attraverso la mappatura della Galassia sulla riga a 21 cm dell'idrogeno neutro.Rimossero poi  tutte le ragionevoli fondi di rumore, e nonostante ciò si imbatterono un debole rumore, uniformemente distribuito nello spazio e nel periodo diurno o notturno,di osservazione.Se questo disturbo fosse stato prodotto da un corpo nero, esso avrebbe dovuto possedere una temperatura appena sotto i 3 gradi Kelvin. E secondo Dicke , ciò poteva trovare giustificazione solo ammettendo che l'Universo avesse avuto inizio in uno stato caldo ed estremamente compresso. Lo stesso Dicke fu avvisato dell'incredibile scoperta e volle verificare personalmente la precisa  corrispondenza con quella di un corpo nero di 2.7 Kelvin, misurando la radiazione su un altra lunghezza d'onda.Vi era un incredibile accordo con le osserazioni dei ricercatori della Bell. Era stata scoperta la radiazione cosmica di fondo, il fondo a microonde ed il residuo del  Big Bang.La sua esistenza, come anticipato, era postulata anche dalla teoria dell'Inflazione, la quale richiedeva increspature quando l'Universo aveva un diametro di 10^ -25 cm (quasi 100 milioni di volte inferiore alla lunghezza di Planck).

Ancora una foto dell'antenna della stazione di Holmdel nel 1965, coi due ricercatori della Bell. Accuratamente calibrato e privato di ogni disturbo immaginabile, compresi quelli che venivano prodotti da alcuni sgraditi regali dei piccioni...., l' apparato di ricezione tra il 1964 e il 1965 registrò il sibilo del CBR. Immagine : fonte Nasa

coordinate tendono all'infinito) da cui lo stesso ha avuto inizio.In quel calderone, ribollente a 100 miliardi di gradi, le singole particelle barioniche (protoni,neutroni ed elettroni in senso lato) non potevano avere vita lunga, decadendo subito in radiazioni. Isolato, un neutrone soppravvive 15,5 minuti dopodiche decade in un protone, un elettrone e un antineutrino (subisce cioè un decadimente beta); ma anche elettroni e protoni , particelle ragionevolmente stabili ( le Grandi Teorie Unificate affermano che un protone decada in 10^45 anni), in quelle condizioni estreme non lo erano.

George Gamow (1904-1968), grande fisico-teoricoe cosmologo sovietico.Le sue idee anticiparono di decenni i risultati della scienza del Big Bang. Credits:Serge Lachinov (обработка для wiki)

L'energia che permeava il minuscolo Universo appena uscito dalla Singolarità, non era più sufficiente a spezzare questi legami. Cosi, appena 3 minuti dopo il Big Bang, essi

oggi l'Universo sarebbe permeato unicamente da radiazioni.Non sarebbe difficile ipotizzare un mondo di antimateria, ma è impossibile ammettere un Universo toccabile con mano, formato equamente dai due stati opposti.Se oggi esistono alberi ,montagne, case e persone, ciò è dovuto a una lieve asimmettria nelle leggi di natura: un barione su un miliardo è soppravvissuto all' annichilarzione che lo avrebbe voluto trasformato in uno sbuffo di raggi gamma.E' straordinario poi notare come le predizioni di quel  complesso apparato teorico, che va sotto il nome di Modello Standard e prevede 12 particelle fondamentali, sia esattamente confermato dallo studio spettroscopico di queste abbondanze e dalla scoperta della radiazione di fondo, anche essa conseguenza necessaria.Nei processi aggregativi di quella minuscola palla di fuoco in espansione,giocò un ruolo determinande la materia oscura.Trattandosi di materia a tutti gli effetti ( almeno così si è portati a credere) essa subisce ed agisce per mezzo della forza di gravità.Fu così che, sotto l'azione di quella oscura, la materia visibile evitò la rarefazione conseguente all'espansione epermise l'aggregazione di strutture filamentose che diedero luogo alle galassie. Un altro processo che andò nell'unico modo possibile affinchè l'Universo fosse come lo

Andrej Sakharov, altro genio sovietico. Fu uomo politico di idee liberali e perciò perseguito dal regime come dissidente. Non tutti sanno che egli era anche grande scienziato,e a lui si deve la scoperta di quella leggera asimmetria nelle leggi di natura in virtù della quale noi stessi esistiamo.

 

    

Ma la  scoperta nel CBR di minuscole ma significative increspature era ciò che gli astronomi speravano di trovare, per avere un riscontro tangibile della fondatezza di quei modelli.La teoria del Big Bang esigeva che tale radiazione, seppur raffreddata e marcatamente stirata verso il rosso per via dell'espansione, dovesse essere rimasta uguale a partire dal disaccoppiamento. Nelle condizioni che ho brevemente accennato sopra, una volta raggiunta la neutralizzazione degli atomi, le interazioni con le radiazioni non potevano più essere significative.Di conseguenza il CBR doveva propagardi da allora , intaccato.Ma se come conseguenza l'Universo fosse totalmente omogeneo e isotropo, come avrebbero potuto formarsi le galassie , i filamenti di esse e tutto ciò che oggi esiste?

La radiazione di cosmica di fondo attraverso tre generazioni di strumenti.Dopo la scoperta del 1965, COBE trovò e analizzò per quattro anni le fluttuazioni cercate, WMAP (Wilkinson Mirowave anisotropy probe) nel 2003 ha realizzato scansioni del cielo a microonde con risoluzione straordinaria. Immagine: fonte NASA

 
L'analisi teorica doveva prevedere  qualcosa in più. Questo quid è rinvenuto in irregolarità della

stessa radiazione, riflesso diretto di quelle presenti all' epoca del disaccoppiamento.Queste fluttuazioni o increspature di temperatura( gradienti), furono poi accuratamente analizzate. Il loro esiguo ammontare ha però richiesto una mappaturra dallo spazio, fuori dall'atmosfera terrestre che col suo effetto schermante finiva per appiattire tali disuniformità. Cosi ci volle la missione della Nasa denominata COBE (Cosmic Background Explorer) per trovare quanto cercato.COBE fu lanciato nel 1989,dopo alcuni problemi di ridimensionamento per contenere il modulo nei  razzi americani Delta, designati dopo il disastro dell' originario vetore, lo shuttle Challanger, che esplose al lancio nel 1986.Questo stumento ha operato specialmente a 3.3, 5.7 e 9.6 mm,e a parte alcune fonti discrete di disturbo (soprattutto nel Cygno) e la traccia inconfondibile del piano della Via Lattea, col CBR ha messo chiaramente in luce sia il più perfetto spettro di corpo nero reale mai osserato dall'uomo, sia  le anisotropie.In particolare le misure di COBE si riferiscono ad un corpo nero di 2.735±0.006 K prima e dopo una revisione dei dati raccolti, di 2.728±0.0004 k.Esso ci fornisce informazioni di prima mano di qualcosa che accadde quando l' Universo aveva un età di 10^ -30 secondi.Le fluttuazioni di densità trovate in quel minuscolo Universo sarebbero poi diventate la struttura a grande scala dell' Universo in cui viviamo,e  che oggi riscontriamo dalla distrubuzione in esso delle galassie. 

Ma prima di tutto, va chiarito che la deviazione dall'isotropia, misuarata in  2 parti su 1000, viene prodotta in prima battuta da fattori di tipo cinematico. il moto del Sole attorno al centro galattico, il moto dell'ammasso di galassie di cui la Galassia fa parte, noto come Gruppo Locale, ed infine il moto del Gruppo Locale in relazione al cosiddetto flusso di Hubble, cioè sostanzialmente all' Universo in espansione.La somma vettoriale di questi moti è un cammino netto in una particolare direzione, mentre l'Effetto Doppler giustifica le differenze di temperatura riscontrate.Come risultato il CBR appare più caldo in un una direzione e un po più freddo in quella opposta. Quindi la radizaione che ci viene in contro dalla direzione del moto è spostata verso il blu e più calda, quella proveniente dalla direzione opposta è fredda e spostata verso il rosso.E COBE mise in luce tutto questo.

Nel grafico a sinistra è riportata la distanza tra due galassie( o fattore di scala) supposte appartenere ad ammassi soggetti alla mutua separazione ad opera dell'espansione dell'universo, in funzione del tempo.

L'universo piatto è come un foglio di gomma sul quale valgono i postulati degli Elementi( ad esempio la somma degli angoli interni di un triangolo eguaglia sempre 180°). Uno curvato in positivo è equiparabile alla superficie di una sfera ( e la somma degli angoli interni di un triangolo sferico supera 180°).Se infine la curvatura è negativa la forma più congrua è una sella infinitamente estesa (quella somma è inferiore a 180°). Non legittimi troppe rassicurazioni la possibile espansione perenne, in primo luogo perchè nessuno di noi (salvo forse qualche assicuratore molto sicuro di se!) vivrebbe comunque in eterno. Le intere civiltà poi,in una considerazione di più ampio respiro socilogico, a causa di conflitti interni,di crisi economiche prolungate o in altro modo,prima o poi crollano (la storia è paradigmatica in questo senso). E che dire dei nefasti eventi che scaturiscono dal nostro pianeta o che arrivano dal Cielo?  Ma quel che più conta, è la considerazione che tutta la materia è in definitiva instabile, anche quella su cui confidiamo "quotidianamente", su tempi scala lunghi ma pur sempre finiti,decade in radiazioni.L'ipotesi di un Universo in eterna espansione, in equilibrio termodinamico (a 0 gradi Kelvin ), e  permeato unicamente da sbuffi di raggi gamma non è poi cosi edificate;questa situazione  è descritta, non a caso, come Big Chill ( il grande gelo).

In questa efficacie immagine bidimensionale (spazio e tempo) di Jim Pivarsky, sono ben evidenziate le dinamiche della Grande Esplosione a partire dalla singolarità iniziale e l'inizio del tempo. Abbiamo quindi l'era di espansione accelerata, nota come Inflazione,la nucleosintesi cosmologica, con la creazione di stabili atomi di idrogeno ed elio primordiali.300 mila anni dopo l'inizio la radiazione di fondo lascia la superficie di ultimo scattering. Segue poi la formazione delle prime strutture, in un continuum spazio temporale che continua ad espandersi.

L'astronomo sovietico Jakob Zeldovic, ipotizzò un percorso inverso, per divisione,  dai superammassi alle strutture elementari, in quella che divenne nota come teoria della frammentazione.Questi grossi aggregati risentivano fortemente dell'espansione del tessuto spaziale prodotta dal Big Bang e la gravità li avrebbe stirati in un foglio addensato e non in strutture con simmetria sferica cme gli ammassi glibulari.La contrazione di questi fogli avrebbe dato luogo a filamenti che a loro volta, frammentatisi, avebbero prodotto ammassi di galassie.Infine nelle nubi sarebbero emerse singole galassie e le stelle in esse formatesi.
La prima teoria trova oggi maggior credito presso i ricercatori: nel corso del suo onorato servizio, il telescopio spaziale Hubble, ha ripreso straordinarie immagini di regioni del cielo lontane nello spazio e quindi nel tempo .L' osservazione  di galassie ellittiche, formatesi appena qualche miliardo di anni dopo la Singolarità iniziale, è prova della fondatezza della teoria gerarchica. Nei giorni in cui scrivevo queste righe, il telescopio Hubble ha ripreso una minuscola galassia ( 1% della Via Lattea) dispersa nello spazio remoto. Agli occhi del telescopio appare ricca di stelle azzurre ed evidenzia un intensa attività formativa di nuovi astri. Essa si mostrerebbe come era  13.2 miliardi di anni fa, quando l' Universo aveva circa il 4% della prorpia veneranda età, nemmeno 500 milioni di anni dopo il  Big Bang. Trattasi con ogni probabilità dell'oggetto più antico mai osservato.Gli astronomi ritengono che nell 'intervallo compreso tra 500 a 650 milioni di anni dall'evento genetico,il rateo formativo di stelle aumentò di ben 10 volte. Ulteriori conferme della fondatezza del modelle gerarchico verranno  dal James Webb Telescope che , seppur non ancora in orbita ( leggi ritardi e tagli nel programma spaziale americano), presto pensionerà Hubble e sonderà il Cosmo ancora più in profondità e con maggiore risoluzione.Non si dubita che le prime galassie si siano formate entro 1 miliardo di anni dal BB e poi, ma con rateo inferiore, a seguito di eventi di fusione o incorporazione.

Un tuffo nella Via Lattea:

Cogliere la reale struttura tridimensionale del nostro universo-isola è per noi impossibile, essendoci dentro.  

                                               
                                                                                        

                                                                                

La Via Lattea da La Silla, Cile. Somma di più immagini,  per un totoale di 120 ore di  posa !  Sono visibili anche le Nubi di Magellano. Fonte ESO

Esso è circondato da una struttura dotata di simmetria sferica: L'alone galattico.  

Qui hanno cittadinanza stelle vecchie e povere di metalli, e della maggior parte degli  ammassi globulari della Via Lattea. Nucleo e alone si estendono sopra e sotto un disco appiattito  ,costituito da bracci spiraliformi, ed esteso per  100000 anni luce di diamentro.Qui si trovano la maggior parte delle stelle, per lo più giovani ,che la compongono. Nei bracci, vari meccanismi utilizzano gas e polveri interstellari per  innescare un costante processo rigenerativo di stelle.Ai bracci a spirale vengono attribuiti i nomi delle costellazioni in cui maggiormente si estendono, così come osservati da Terra.Procedendo dall'interno verso la periferia  abbiamo i  bracci di:  Norma, Scudo/Centauro, Sagittario,  Orione, Perseo ed il braccio Esterno. Per la verità, quello di Orione non è un vero braccio, ma piuttosto una diramazione di quello del Sagittario, (Orion Spur).

                                                                                                

Nella Galassia,fino a qualche anno fa, si stimavano circa 100 miliardi di astri.Oggi si ritiene che siano almeno il doppio, e qualcuno ipotizza che essa ospiti addirittura 400 miliardi di  soli.Queste misure sono state ottenute"pesando" letteralmente la materia, sulla base del comportamento orbitale delle nubi di monossido di carbonio, alla perifieria di essa.
L' individuazione della morfologia e dell'estensione della Galassia furono questioni dibattute da molti secoli, perchè da ciò discendevano le dimensioni dello stesso Universo.In breve ,a domanda era: la nostra Galassia ricomprende tutto o è essa stessa una porzione del tutto?

La combricola: Ammassi di galassie, il  Gruppo Locale

Il Cielo ci riserva spesso oggetti facenti parte di sistemi doppi o multipli. Basti pensare alle stelle binarie, agli ammassi aperti o agli ammassi globulari. Anche su scala galattica si assiste ad una versione di questo solidarismo cosmico. Anche gli insiemi di centinaia o migliaia di galassie, gravitazionalmente legate, vengono detti ammassi. Questi possiedono forme ( sferoidali o all'estremo opposto appiatte) ed estensioni varie, e nemmeno confini ben delineati. Tratti comuni sono l'elevata densità stellare: Mediamente in un ammasso vi sono 100 volte più galassie che in una casuale regione dello spazio, e le galassie facenti parte di esso sono anche 10 mila volte più addensate rispetto ad una situazione standard. La scala su cui si estendono è dell'ordine dei Megaparsec.Quseti agglomerati sono considerati ricchi o poveri a seconda di quanti membri brillanti si rinvengano a 1,5 Megaparsec (3.26 a.l) dal centro della sfera ideale su cui si dispongono le galassie.Il moto orbitale delle galassie entro gli ammassi viene parametrato per mezzo della cosiddetta velocità di dispersione. Nelle regioni centrali è mediamente di un migliaio di kilometri al secondo. Essa va diminuendo verso la periferia dell'ammasso.

 

Si dice poi che sono regolari o irregolari se evidenziano o meno simmetria centrale e addensamento centrale.Quelli ricchi di galassie e morfologicamente regolari sono quasi tutti in equilibrio dinamico, mentre gli irregolari , più giovani pare non abbiano ancora raggiunto un certo grado di stabilità.Prototipo di ammasso regolare è quello della Chioma di Berenice, nella costellazione omonima. L'ammasso della Vergine, il più vicino a noi, e che annovera il nostro Gruppo Locale some sottogruppo, è invece irregolare, essendo dominato da vari livelli di aggregazione.  

Simbiosi o cannibalismo cosmico?  In questa straordinaria immagine dell' Hubble Space Telescope è ritratto il sistema di galassie interagenti  NGC 6050/IC 1179 (Arp 272 dell' Arp's Atlas of Peculiar Galaxies.), sito a 450 milioni di a.l da noi. Esisso è il frutto di una  collisione tra spirali, NGC 6050  e IC 1179 e fa parte dell' Ammasso Galattico di Ercole. A sua volta questo è parte del Grande Muro di ammassi e superammassi, la più grande struttura conosciutadell'Uniberso.Le due spirali sono attorcigliate attraverso i rispettivi bracci. Possibile anticipazione di quanto avverrà tra la Via Lattea ed Andromeda, tra qualche miliardo di anni ?   Immagine: NASA-Hubble Space Telescope

Nel clan di Andromeda si annoverano Messier 31 e Messier 110. Esse sono entrambe ellittiche orbitanti M 31.

                             

Alcuni membri del Gruppo Locale al quale appartiene anche la Via Lattea.

Per contro e come le altre due maggiori,  essa ha struttura a spirale e almeno una compagna, nota con l'acronimo di LGS3.

 Vi è poi il Gruppo del Polo Sud ( direzione del polo su galattico). Con ogni probabilità questi agglomerati un tempo interagivano marcatamente o erano membri del Gruppo Locale, mentre oggi ,come detto, appaiono molto meno vincolati ad esso.
Da un analisi morfologica emerge un dato molto interessante. Ad eccezione della Galassia , di  Andromeda ed M33,  tutti i membri del Gruppo sono galassie irregolari o ellittiche nane orbitanti le spirali. E' una caratteristica riscontrata anche in altri raggruppamenti galattici e forse una caratteristica evolutiva comune di tutti gli agglomerati dell' Universo su questa scala. Basti pensare che nell'ammasso della Chioma le irregolari sono più dell'80%.In genere le ellittiche sono al centro del raggruppamento.Molte galassie di ammasso sono poi lenticolari, altrimenti piuttosto rare. Le spirali scarseggiano. Del resto questo non deve sorprendere se , come accennavo sopra, i modelli evolutivi delle galassie sembrano descrivere una loro trasformazione da spirali ad ellittiche, in seguito ad eventi collisionali. Nello studio cinematico degli ammassi galattici, supposti in equilibrio dinamico, è centrale l'impiego del teorema del viriale. Questo, impiegato nello studio della  cinematica dei gas, può essere utilmente adoperato anche nella fisica delle galassie sulla base della considerazione che il moto delle galassie che compongono gli ammassi, è prodotto dalla forza di gravità, a sua volta determinata dal moto di ogni atomo che le compongono. Perciò la massa dell'ammasso, forza di gravità e velocità orbitale delle galassie sono direttamente proporzionali tra loro. L' espressione( semplificata) del teorema è : ove M è la massa (Kg), V è la velocità di dispersione (Km/s) , ed R il raggio dell'ammasso. G ,come consuetudine, denota la costante di gravitazione universale, che vale. Il teorema del viriale permette quindi di ricavare la massa della condensazione galattica, nota la velocità ed il raggio. Con questo metodo si sono trovate masse dell' ordine di 10^15 masse solari .

Superammassi galattici.

Il Superammasso Locale di galassie. L'immagine evidenzia bene tre cose: La distribuzione casuale delle galassie, la centralità dell' Ammasso della Vergine, e l'enorme presenza di sacche vuote o , secondo alcuni, riempite di materia oscura. Immagine  Andrew Z. Colvin

Da questo punto di vista sembra proprio che, come nel regno dell' infinitamente piccolo, un atomo è in derfinitiva vuoto, così al livello opposto, l'universo sembra costituito da enormi bolle, probabilmete di vuoto, ma non è da escludere che possa trattarsi di sacche di materia oscura. Sui bordi di queste bolle vanno a collocarsi ammassi e supermammassi, a formare strutture a filamento lunghe molti megaparsec.
Va infine segnalato che, entro i confini della costellazione del Sagittario, un enorme bacino di potenziale gravitazionale, noto come Grande Attrattore, agisce in contrasto con l'espansione locale del tessuto dello spazio-tempo e condiziona enormemente le dinamiche del Superammasso Locale.

Ho lasciato per ultima un immagine, quella qui a sinistra,  nota come Hubble Deep Field , che  merita di essere descritta separatamente. Essa è la somma di 342 scatti operati ininterrottamente tra il 18 e il 28 Dicembre 1995, dalla Wide Field and Planetary Camera 2 del Telescopio Spaziale Hubble,.
Secondo me questa è forse la più straordinaria immagine mai ripresa .

  

     

Il collage dell' Hubble Deep Field North Credito per l'Immagine: R. Williams (STScI), the Hubble Deep Field Team and NASA-Immagine rilasciata il 15 Gennaio 1996.

Se la si osserva attentamente, è impossibile non lasciarsi prendere da un turbine di pensieri, sulla struttura, sulla omogeneità a grande scala, sulle dimensioni dell'Universo, sulla legittimità di quei presuntuosi convincimenti che da più parti e senza prove tangibili, ancora oggi ci attribuiscono una posizione privilegiata, affermando al contempo l'esclusività dei quella staordinaria esperienza che si chiama vita.Negando categoricamente che da qualche parte la fuori, chissà,adesso ci sia qualche civiltà che muove i primi aneliti. Guardatela questa immagine,  e senza imbarazzo lascitevi guidare dai vostri più profondi pensieri, nessuno potrà mai dire che avete torto.

Nota postuma:  il 25 Ottobre del 2012 la mia straordinaria mamma, al triste esito di una lunga, quanto eroica battaglia contro l a malattia, ci ha lasciati. Ed ha lasciato un vuoto sicuramente incolmabile. Le speculazioni elaborate ed i convincimenti a cui l'atronomia mi ha condotto, oggi, non vengono minimamente sminuiti da quest' evento per me così tristemente diretto. In effetti ho recuperato questo credo solo dopo un periodo di profondo smarrimento. Se mai una grandezza trascendentale, oltre la finitezza del nostro vivere, possa essere concepita, mi piacerebbe pensare che questa possa aver disseminato il seme della vita in qualche altra latitudine cosmica. L'esistenza, quella che noi conosciamo,  resta comunque un' esperienza meravigliosa ed unica, e un' immagine come quella qui sopra, non può che renderci consapevoli di partecipare di un tutto che, miracolosamente casuale o causale che sia, ci lascia attoniti ma sa anche  lenire i nostri più profondi dolori. Ciao Mamma.

Appena un anno dopo questo mosaico, Hubble ne ha realizzato un altro, molto simile e altrettanto emblematico. Questa volta nell'emisfero celeste sud e noto come Hubble Deep Field South. Infine , a completamento di questa opera ricognitiva, nel 2004  è stato ripreso l' Hubble Ultra Deep Field, una compositazione ancora più dettagliata delle prime due. 

Sistemi di coordinate

Se io oggi volessi scoprire  le bellezze di Samarcanda ,è bene che conosca in anticipo il modo per arrivarci; e con lo stesso rigore dovrei procedere se intendessi compiere il giro del mondo in barca a vela.

Similmente gli astronomi antichi avvertirono ben presto la necessità di riprodurre l'osservabilità degli oggetti scoperti. Furono così elaborati vari sistemi di coordinate , tutti concettualmente simili a quelli geografici terrestri con cui facciamo i conti fin dai bambini. Dal  Seicento furono introdotti per pianeti, il Sole e la Luna, i sistemi planetocentrici, planetografici, eliocentrici,eliografici,selenocentrici e selenografici. Ma già nel mondo antico , l'approccio sistematico alle gemme del Cielo, era subordinato alla precisa collocazione delle stesse  su quella emisfera immaginaria, di raggio infinito che costituisce la Volta Celeste. Ciò che differenzia il  reticolato celeste da qualsiasi altro metodo cartografico comunemente invalso, sono i piani e i punti di riferimento da cui partire nella mappatura. L'astronomia conosce cosi il sistema orizzontale, quello equatoriale, quello equatoriale locale, il sistema ecclitticale e quello galattico.Ognuno è preferibile agli altri, a seconda del tipo di indagine condotta ( planetaria, del Sistema Solare, stellare, galattica, radioastronomica ecc.. ) . In questa sede meritano un accenno, per utilità e coerenza tematica, il sistema orizzontale, quello equatoriale e  quello galattico, e quello galattocentrico. Quello eclitticale non verrà qui preso in considerazione.

Anzitutto un piccolo ripasso di geografia terrestre. Un generico sistema di coordinate può essere rappresentato

• su un piano cartesiano a due o tre dimensioni (come nel caso di un punto su  di una sfera orientata Oxyz).
• Attraverso le coordinate polari anomalia e modulo (quelle terrestri vengono dette azimuth e distanza)
• con proiezione cilindrica (spesso in fisica)
• con proiezione sferica.Qui si definiscono l' origine, il piano di riferimento e un asse perpendicolare ad esso.E sono date tre coordinate: la distanza radiale, l'angolo polare tra asse verticale e retta che unisce un punto con l'origine e l'angolo azimutale, cioè la distanza, lungo un cerchio verticale e sul piano di riferimento, tra il punto considerato e la posizione di riferimento.In astronomia, come si vedrà, si tralascia la distanza radiale,essendo la  Sfera Celeste un astrazione di raggio infinito.
  

Tutte queste esperienze del passato hanno trovato conferma nella scienza moderna, la quale però ci ha anche fornito una visione più dettagliata, oggi anzi, attraverso le  immagini inviate dalle sonde spaziali in orbita, estremamente dettagliata, della geometria del nostro mondo. La rotazione terrestre, ne rigonfia l'equatore e ne schiaccia i poli. Fenomeno osservato anche per gli altri pianeti del Sistema Solare, ed a causa del quale un pendolo a Parigi oscilla più lentamente che nella Guiana Francese, come osservato intorno al 1600 da Richer. Per questo moto armonico vale infatti la formula (semplificata), con T periodo del pendolo, d lunghezza di esso e g accelerazione di gravità. Poichè la famosa legge contenuta nei Principia Mathematica di Newton, statuisce che la forza di gravità è inversamente proporzionale alla distanza dal centro (della Terra), solo un suo diverso andamento tra equatore (Guiana) e Parigi (più vicina ai poli), poteva giustificare quelle risultanze.

La mappatura dallo spazio, come accennato sopra, ha evidenziato che la Terra non era  neanche sferica. Si preferì allora riferirsi ad un ellissoide di totazione oblato, cioè quella figura che si ottiene dalla rotazione di un' ellisse attrorno al suo asse minore, coincidente con la retta che unisce i poli terrestri. In questa rappresentazione, l'asse maggiore coincide con il diametro equatoriale.Nel corso degli anni, grazie a misure sempre più accurate effettuate dallo spazio e dal comportamento gravitazionale del satellite Vanguard I, in orbita attorno al campo di forza del pianeta,ci si avvide che il rigonfiamento equatoriale non aveva simmetria in tutti i punti ( il punto che più sporge, sta anzi leggermente sotto la linea mediana equatoriale). Quindi nessun solido noto può realmente rappresentare la superficie del nostro pianeta.Si decise cosi di introdurre una figura sui generis, il geoide ( dal greco Terra ),rappresentata dall 'insieme dei punti in cui la direzione del filo a  piombo è perpendicolare alla superficie. Poichè la superficie di un liquido  è perpendicolare al filo a piombo, il geoide è anche il solido descritto dalla superficie degli oceani. Questa figura ideale può essere concretizzata pensando alla forma che la Terra avrebbe se il livello medio marino arrivasse omogeneamente sopra la terraferma, cancellando le montagne e riempiendo le sacche di depressione.Comunque tranne situazioni eccezionali, la differenza massima tra ellissoide e geoide è di neanche 100 metri, questo fa si che per scopi in cui non sia richiesta una precisione massima, la forma a sferoide può ritenersi come accettabile descrizione.

L'asse ideale attorno a cui avviene la rotazione terrestre, o asse del mondo, sbuca sulla superficie della stessa in due punti antipodici: il polo nord ed il polo sud geografici. Il piano perpendicolare a questo asse e passante per il centro della terra, lascia una traccia sulla superficie della Terra: l'equatore terrestre. Questo è arco di cerchio massimo. I cerchi minori, paralleli all'equatore, individuano allo stesso modo i paralleli terrestri; questi diventano via via più piccoli andando verso nord e verso sud,  e ai poli sono puntiformi. Vi sono infiniti paralleli, ma l'uomo ha ritenuto necessario considerarne solo 181. Tutti i possibili  cerchi massimi che congiungonoi i poli sono detti meridiani terrestri. Di essi sono fondamentali solo 360.
La longitudine terrestre  o è l'angolo diedro tra il meridiano a cui ci riferiamo e quello passante per l'osservatorio astronomico di Greenwich. La sua estensione fisica è data dall'arco corrispondente a tale angolo, e misurato lungo il parallelo del misurante. Spesso ( in astronomia dal 1982)  essa va da 0° a 360° e ha  valore crescente positivo andando verso est, ed ha valore negativo verso ovest; anche se per la verità residuano  convenzioni diverse. E' ancora diffuso, ad esempio, il conteggio da -180° a +180° o la misura in ore, da -12h  a +12h, laddove 1 ora,  in analogia  con la misura dell' ascensione retta nelle coordinate equatoriali, corrisponde a 15° sessagesimali. In questi ultimi due sistemi di misura, la longitudine è positiva verso ovest. In ogni caso la longitudine negativa ( verso ovest o verso est a seconda della convenzione)non viene mai usata nelle mappe.

L'angolo tra la direzione del filo a piombo ed il piano equatoriale è detta latitudine geografica o.

                               

Grafico Andrea Betlamini Open Offic.org Draw

     

Se equipariamo la latitudine geografica a quella geodetica, e consideriamo l'equazione implicita dell'ellisse, data da
la direzione della retta perpendicolare all'ellisse in un generico punto di coordinate (x,y), è data da
tan φ = - (dx)/(dy)= (a^2 y)/(b^2x). 
La latitudine geocentrica è data da  tan φ′ = y / x.
Segue allora che tan φ′ = (b^2) / (a^2) tan φ = (1- e^2) tan φ ,
in cui e corrisponde all'eccentricità, ed è dato da  e = sqrt (1-(b^2) / (a^2)).

                                       

Grafico Andrea Betlamini OpenOffice.org Draw

  

Data la sfericità ( seppur approssimativa ) della Terra, concepire il Firmamento come una sfera centrata su di noi, non richiede un eccessivo slancio di immaginazione.Con un astrazione concettuale si definisce quindi Sfera Celeste, quel globo, per convenzione osservato dall'esterno, su cui sono incastonati gli oggetti celesti, che per la loro distanza e per un illusione percettiva, immaginiamo tutti alla medesima distanza. Questa rappresentazione è cosi coerente che, come noto, gli antichi finivano per ritenerla reale. Alla luce della nostra supposizione, riteniamo il raggio di tale sfera infinitamente esteso e comunque puramente arbitrario. Dato poi che il rapporto tra il raggio celeste e quello terrestre, tende anch'esso all ' infinito, possiamo considerare la Terra come puntiforme. E' di evidenza geometrica  poi, che per un riferimento topocentrico ( cioè per una data località d'osservazione) , l' osservabilità di tale sfera richiederebbe che la Terra fosse trasparente; al contrario la presenza dell'orizzonte la limita ad una emisfera ( la Volta Celeste ). Tale orizzonte viene detto apparente e può essere immaginato come la superficie di un liquido in quiete. Orizzonte astronomico è invece quello individuato dal piano che passa per il centro terrestre e normale alla verticale del luogo di osservazione. Entrambi gli orizzonti sono cerchi massimi e la loro differenza, a seconda del riferimento prescelto, conduce ad una misurazione dell'altezza della Luna divergente di quasi 1°. Allontanandoci essa diviene però trascurabile.L'orizzonte infine può mutare pur rimanendo alle stesse coordinate, ciò avviene quando ci si eleva.Come noto inaftti, a causa del fenomeno noto come depressione dell'orizzonte, più ci si allontana dalla superficie terrestre più esso si abbassa, divenendo puntiforme all'infinito.L'orizzonte che quindi realmente si apprezza è chiamato reale (o sensibile).

Il prolungamento in cielo dell' equatore terrestre, descrive un arco di cerchio massimo sulla sfera celeste, l'equatore celeste. Il prolungamento dell'asse polare terrestre , individua sulla stessa sfera il  polo nord celeste ( PNC ) ed il  polo sud celeste( PSC ).La stella Polare (alpha Ursa Major) dista circa 47' d'arco dal PNC. I cerchi, ottenuti intersecando la sfera celeste con piani paralleli alll' equatore celeste,  verso nord e verso sud, sono detti comunemente, paralleli celesti (o paralleli di declinazione). Di tutti i paralleli, solo l'equatore è evidentemente arco di cerchio massimo, riducendosi gli altri con l'approssimarsi ai poli, laddove essi sono teoricamente puntiformi. Sono invece tutti archi di cerchio massimo i circoli orari ( meridiani celesti ). Essi si lasciano individuare dall' intersezione della sfera, con piani perpendicolari all'equatore celeste. Particolare importanza riveste il  circolo che passa per la verticale ( direzione del filo a piombo) dell'osservatore ( Zenit ), la verticale agli antipodi dell'osservatore ( Nadir ) e i due poli celesti. Questo è chiamato meridiano locale.Il piano passante per l'osservatore e contenente i due poli celesti, divide il meridiano locale in due semicerchi; quello contenente lo zenith è detto meridiano superiore, l'altro meridiano inferiore.

L'intersezione dell'equatore celeste col meridiano locale superiore si definisce mezzo cielo superiore ( MCs ),mentre col meridiano inferiore la situazione è opposta (MCI)

La Terra revolve attorno al Sole.Ma nella rappresentazione astronomica, per maggiore agevolezza , ci si riferisce al moto del Sole attorno alla Terra; esso si compie ovviamente in un anno. L' arco di cerchio massimo, traccia ideale lasciata in cielo da questo moto, viene definita eclittica. Il nome deriva dalla suggestiva constatazione che fecero i nostri avi, chi li vi si trovava la Luna durante le eclissi.

Coordinate orizzontali.Questo sistema di rappresentazione risulta comodo in quanto molto semplice. Per contro presenta lo svantaggio che  altezza e azimut mutano continuamente anche  per il medesimo osservatore. Grafico Andrea Betlamini -AutoCAD 2008.

Alla luce di queste notazioni definiamo declinazione (δ )la distanza angolare tra l'equatore celeste e l'oggetto considerato. Essa non risente della rotazione terrestre. Definiamo inoltre ascensione retta o giusta ascensione  ( R.A ), l'angolo misurato sull'equatore celeste in senso antiorario, tra il punto vernale e il punto determinato dall'incontro dell' equatore col meridiano celeste passante per l'oggetto astronomico considerato.

Il circolo orario passante per il primo punto d'Ariete e quello della Bilancia, è detto coluro equinoziale. Quello per i poli ed i punti con minore declinazione sull'eclittica (cioè per i primi punti del Cancro e del Capricorno), coluro solstiziale. A causa della precessione, entrambi i coluri ruotaveno verso ovest di 50 secondi d'arco l'anno.
Una semplice relazione lega l'angolo orario con la giusta ascensione:

h = TSL  -  R.A 

Sistema di coordinate galattiche:

Ad esso vi si ricorre quando l'indagine condotta è su scala stellare, galattica o supergalattica ( ammassi, superammassi,raggruppamenti di galassie ecc..).Questo sistema è piuttosto approssimativo, e ad esso vi si ricorre quando si vuole sfruttare la sua semplicità, e non è richiesto al contempo un elevato grado di precisione.Qui il piano di riferimento non è ricavato per via geometrica, ma  si individua attraverso le formazioni (gas, polveri,stelle) che delineano l' equatore della Via Lattea.L'esatto orientamento di tale piano è oggi ottenuto molto precisamente per mezzo di osservazioni radio della riga a 21 cm ell'idrogeno neutro (superficie di massima brillanza).                                                                                                                                                                                                                                                              Essendo il Sole molto prossimo a tale piano, possiamo collocare l'astro diurno all' origine del sistema stesso (coordinate galattiche eliocentriche). L'origine può essere  anche  nella Terra, (coordinate galattiche geocentriche), ma le differenze di misuarazione a cui si perviene, sono trascurabili.   Si lasciano cosi individuare la longitudine e la latitudine galattica. La longitudine (l) si misura in senso antiorario ( cresce cioè lungo la direzione orbitale del Sole sul piano galattico), partendo dal centro della Via Lattea, situato nel Sagittario, alle coordinate di giusta ascensione (A.R) 17h 42,4m e declinazione (Dec) -28,9°. La latitudine galattica (b) si misura dallo stesso piano, ma cresce verso il nord e decresce, con segno negativo, verso sud. Come già detto, questa definizione fu adottata solo nel 1959, dopo sistematiche osservazioni della Via Lattea nel dominio radio.Prima di allora si ricorreva alla simbologia ( l′ ) e ( b′ ) per indicare un sistema il cui equatore era individuato mediante l'osservazione visuale.

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Masera, Agosto 2012.