Anna Curir – ISTITUTO NAZIONALE DI ASTROFISICA - Osservatorio Astrofisico di Torino

1. l'Universo e le Galassie Anna Curir – ISTITUTO NAZIONALE DI ASTROFISICA - Osservatorio Astrofisico di Torino Anna Curir - Cieloascuola 2014

2. Legge di Newton F = G m1m2/r^2 Anna Curir - Cieloascuola 2014

3. Equazioni di Einstein Le equazioni di campo di Einstein La massa dice allo spazio-tempo come curvarsi e lo spazio-tempo dice alle masse come muoversi • Metrica di Schwarzschild • Deviazione raggi luminosi • Avanzamento perielio di Mercurio • Buchi neri Anna Curir - Cieloascuola 2014

4. Principio cosmologico • omogeneità • isotropia ==> spazio a curvatura costante Soluzioni cosmologiche delle equazioni di Einstein: Metrica di FLRW : UNIVERSI IN EVOLUZIONE!! Anna Curir - Cieloascuola 2014

5. La vecchia visione dell’Universo • Primi ‘900: determinata la dimensione della galassia, spirale di circa 100000 anni luce di diametro (H. Shapley). • Si pensa che la Galassia sia la più grossa struttura osservabile. • Problema: natura delle nebulose… Anna Curir - Cieloascuola 2014

6. Cronologia • 1905: A. Einstein, Relatività ristretta. Equivalenza massa - energia • 1912 H. Leavitt: relazione periodo-luminosità Cefeidi • 1916: A. Einstein, Relatività generale. La gravità curva lo spazio. Anna Curir - Cieloascuola 2014

7. Cronologia (2) • 1920: Dibattito Curtis-Shapley • 1924: E. Hubble, le nebulose sono esterne alla Galassia. • 1929: E. Hubble, relazione distanza-velocità v=Hr Anna Curir - Cieloascuola 2014

8. Fino al 1929 si pensava che l'Universo fosse statico. In quell'anno E. Hubble scoprì che le galassie si stavano tutte allontanando dalla Terra con una velocità proporzionale alla loro distanza: l'Universo si sta espandendo. • Se si ripercorre all'indietro tale espansione, si arriva a un inizio in cui tutto era racchiuso in un punto di temperatura e densità infinite: si ipotizza che da tale punto nacque l'Universo, con una grande esplosione (Big Bang), con la quale ebbe origine ogni cosa, anche lo spazio e il tempo. Questo punto iniziale è detto singolarità, in quanto in esso le leggi della fisica perdono di significato. Anna Curir - Cieloascuola 2014

9. Massa, Curvatura, Espansione • Equazioni di Friedmann-Lemaitre-Robertson-Walker: Relatività Generale usata per descrivere globalmente l’Universo • La massa-energia dell’Universo ne determina la “forma” (curvatura) • La curvatura è legata a sua volta all’espansione e quindi al “fato finale” dell’Universo (aperto, piatto, chiuso) Anna Curir - Cieloascuola 2014

10. Il ritmo dell’espansione • La presenza di massa-energia influisce sull’espansione mediante la gravità, opponendovisi e rallentandola. • Quanto la rallenta…? Dipende dalla densità globale  (t)= M/V(t) • La densità necessaria a fermare l’espansione a tempo infinito si chiama densità critica Cr • Parametro di densità =/Cr Anna Curir - Cieloascuola 2014

11. Universo = macchina lanciata a folle velocità • Costante Hubble: la velocità del tachimetro • Densità media: quanto è premuto il pedale del freno, che decide se la macchina prima o poi si ferma Anna Curir - Cieloascuola 2014

12. Universo finito o infinito ? Terminologia: • Aperto o chiuso se temporalmente in espansione continua o se destinato a richiudersi • Finito o infinito se spazialmente finito o infinito Anna Curir - Cieloascuola 2014

13. Evoluzione dell’Universo La Cosmologia è la scienza che studia l’intero Universo . Anna Curir - Cieloascuola 2014

14. 1633- Galileo: Discorsi e dimostrazioni matematiche intorno a due nuove scienze • Il metodo scientifico galileiano procede per prove ed errori. • Galileo sviluppò  la ricerca sperimentale basata su misure fatte con strumenti opportuni con lo scopo di interrogare direttamente la natura, in contesti controllati e ripetibili. Anna Curir - Cieloascuola 2014

15. Galileo parla di contesti controllati e ripetibili. Dunque un esperimento, una ‘prova’ si deve poter rifare…Galileo ha espressamente scritto che ‘il provare e riprovare’ è la base della sua scienza sperimentale.. • I laboratori dei fisici, dei chimici, dei biologi servono proprio a questo scopo: si ideano nuovi esperimenti e poi si ha la possibilità di ripeterli sino ad essere sicuri del risultato Anna Curir - Cieloascuola 2014

16. Ma ora pensate all’astronomia. Gli astronomi hanno come laboratorio il cielo! • L’esperimento è qualcosa di meno ‘attivo’ di quanto avviene in un vero laboratorio dove lo scienziato è il soggetto dell’azione sperimentale. Per gli astronomi gli esperimenti sono le osservazioni, si devono accontentare di ricevere le informazioni dagli oggetti che studiano, non possono agire direttamente su di essi. Anna Curir - Cieloascuola 2014

17. L'Universo tutto invece è per definizione un evento unico, osservabile da una sola posizione (seppur non privilegiata), e le osservazioni non sono ripetibili! Anna Curir - Cieloascuola 2014

18. A confermare la teoria del Big Bang c’è la radiazione cosmica di fondo. • La radiazione cosmica di fondo è il residuo del Big Bang che ancora pervade l'Universo; la si osserva a una temperatura di circa 2,73 K, molto minore rispetto a quella dell’esplosione iniziale a causa del raffreddamento causato dall'espansione. La sua esistenza era già stata prevista teoricamente (dai fisici Gamow, Alpher e Bethe nel 1948, teoria αβγ), fu scoperta per caso nel 1965(da Penzias e Wilson). Questa radiazione è inconciliabile con l'idea di un Universo stazionario. Anna Curir - Cieloascuola 2014

19. 100 anni prima della teoria di αβγ: EUREKA! – Edgar Allan Poe (1848) • Poe era convinto di aver scritto l'opera più importante della sua vita ed intendeva proporre seriamente una teoria cosmologica su basi metafisiche e scientifiche, anche se descritta in un'opera letteraria, un "poema in prosa".. • Poe espone la sua teoria dell'Universo nato dalla Particella Primordiale Anna Curir - Cieloascuola 2014

20. Velocita-spazi-tempi… La velocità della luce non è infinita!!!!! La luce viaggia a  300.000 km/s La Luna è molto vicina, quasi 400.000 km dalla Terra e la sua luce impiega quindi poco più di 1 s per raggiungerci Per arrivare dal Sole la luce ci mette un po’ più di tempo, 8 minuti la luce che ci illumina ora era partita 8 minuti fa dal Sole E’ per questo che gli astronomi non misurano le distanze in km ma in anni-luce. L’anno-luce è la distanza che la luce copre in un anno Anna Curir - Cieloascuola 2014 9500 miliardi di km

21. Il campo ultra profondo di Hubble è l'immagine di una piccola regione dello spazio nella costellazione della Fornace (un decimo del diametro della luna piena) composta grazie ai dati raccolti dal telescopio spaziale Hubble . Essa è l'immagine più profonda dell'universo mai raccolta nello spettro della luce visibile, e ci permette di guardare indietro nel tempo di 13 miliardi di anni.. Anna Curir - Cieloascuola 2014

22. Il telescopio è come la macchina del tempo, guardare lontano equivale a guardare indietro nel passato…..Fino a dove possiamo arrivare osservando lontano nello spazio e nel tempo? • L’universo evolve a partire da una grande esplosione iniziale • Potremmo immaginare di poterci spingere nel tempo passato sino a vedere l’origine dell’Universo: il Big Bang! Anna Curir - Cieloascuola 2014

23. L’espansione cosmologica non ha un centro come un’esplosione nello spazio ordinario • L'espansione di Hubble non implica l'esistenza di un osservatore privilegiato, che vede tutte le galassie allontanarsi radialmente. Infatti, la velocità con cui due galassie si allontanano tra di loro cresce con la distanza, qualsiasi sia il punto preciso in cui ci poniamo (verificherete nel laboratorio di Richard Smart!) Anna Curir - Cieloascuola 2014

24. La corretta analogia è quella della superficie del palloncino che si gonfia: è una analogia bidimensionale. Per gli esseri bidimensionali che abitano sul palloncino l’espansione non ha centro • E’ come se si creasse spazio in ogni punto….. • Dentro e fuori la superficie del palloncino non c’è nulla Anna Curir - Cieloascuola 2014

25. Storia termica dell’Universo (1) • 10-43s.: Tempo di Plank • Altissima energia: interazioni nucleare forte, debole, elettromagnetica unificata • Scende la temperatura: si “dividono” le interazioni fondamentali. • Si generano via via una serie di particelle elementari: sino alla materia com’è ora Anna Curir - Cieloascuola 2014

26. Storia termica dell’Universo (2) Dopo solo un milionesimo di secondo Si arriva ad un Universo composto da fotoni, protoni, neutroni, elettroni, neutrini, e materia oscura non barionica • Quando la temperatura scende ancora, dopo circa un secondo, protoni e neutroni formano i nuclei atomici: nucleosintesi • La fase della nucleosintesi è molto breve: circa 3 minuti Dal mare di protoni si formano idrogeno, elio e deuterio e tracce di litio e berillio. Anna Curir - Cieloascuola 2014

27. Tutti gli altri elementi successivi della Tavola di Mendeleev saranno sintetizzati piu’ tardi, all’interno delle stelle e sparsi nel cosmo dalle esplosioni di supernovae Anna Curir - Cieloascuola 2014

28. Dopo 3 minuti dal big bang i livelli di temperatura e densità erano ormai insufficienti per innescare le reazioni di fusione nucleare Questo fatto è di fondamentale importanza. Se le condizioni adatte fossero durate anche solo per 10 minuti, invece che 3, l’Universo si sarebbe riempito di elementi pesanti; quasi tutto l’idrogeno sarebbe scomparso e la stessa nascita delle stelle, galassie e la vita stessa sarebbe stata impossibile. La nucleo-sintesi primordiale è un altro successo della teoria del Big Bang. Nessun altro fenomeno è in grado di spiegare come mai nell’Universo esiste un’abbondanza del 74% di idrogeno e 25% di Elio (in Totale circa il 99% della massa dell’Universo) Oggi sappiamo che l’unico ambiente nel quale si produce elio sono le stelle, ma tutte le stelle dell’Universo non sono in grado di produrre, nel corso di quasi 14 miliardi di anni, il 25% dell’Elio che si osserva. La teoria del Big Bang spiega e giustifica esattamente la presenza di Elio nell’abbondanza che oggi possiamo osservare: un successo che nessun’altra teoria è in grado di raggiungere Anna Curir - Cieloascuola 2014

29. Nucleosintesi: si creano nuclei Anna Curir - Cieloascuola 2014

30. Ricombinazione Anna Curir - Cieloascuola 2014

31. Anna Curir - Cieloascuola 2014

32. Storia termica dell’Universo (3) • In seguito i nuclei catturano gli elettroni e si formano gli atomi. • Quando si formano gli atomi l’Universo “diventa trasparente”. • Oggi continuiamo ad essere circondati da quei fotoni che, perdendo energia durante l'espansione, si trovano ora ad una temperatura di 2,73 gradi sopra lo zero assoluto, e costituiscono la radiazione cosmica di fondo Anna Curir - Cieloascuola 2014

33. Superficie di ultimo scattering • La radiazione si propaga d’ora in poi liberamente ed arriva sino a noi. • La radiazione ci informa su com’era la materia al disaccoppiamento: superficie di ultimo scatterings • La radiazione di fondo è generata dalla superficie di ultimo scattering. Anna Curir - Cieloascuola 2014

34. Aggiungere immagine a cono universo con sup ultimo scattering Liceo Copernico - Febbraio 2009 Anna Curir - Cieloascuola 2014

35. L'analisi della radiazione di fondo costituisce un'importante fonte di informazioni sulla struttura e sulle proprietà dell'Universo da circa 400.000 anni dopo il Big Bang in poi, da quando cioè la luce riuscì a liberarsi dalla forte interazione con la materia, lasciando l'Universo trasparente alla radiazione Noi vediamo nella superficie dell’ultimo scattering l’impronta fossile delle primissime strutture formate nelle fasi inziali- Sono rimaste scolpite nell’ultimo fotogramma . Anna Curir - Cieloascuola 2014

36. La temperatura di tale radiazione appare uniforme in tutte le direzioni dell'Universo, ma presenta piccolissime fluttuazioni che corrispondono a piccoli grumi di materia da cui ebbero poi origine le strutture più complesse che oggi osserviamo, come le galassie e gli ammassi di galassie. Tali fluttuazioni furono scoperte per la prima volta nel 1991 dal satellite COBE e sono state poi studiate in modo più approfondito negli anni seguenti, con altre missioni COBE : COsmicBackground Explorerovvero le anisotropie del fondo di radiazione Anna Curir - Cieloascuola 2014

37. Immagine di Wmap 2001-2010 Un neonato a 20 ore dalla sua nascita Immagine di Plank Lanciato nel 2009 Anna Curir - Cieloascuola 2014

38. Tutto il nostro Universo ha avuto origine dalla sbalorditiva espansione di una minuscola regione di spazio-tempo: questa regione era inizialmente quasi perfettamente uniforme, ad eccezione delle inevitabili fluttuazioni dovute all’indeterminazione quantistica. Alla fine dell’inflazione, queste fluttuazioni si sono ritrovate ingigantite su scale macroscopiche e e sono state i semi intorno ai quali la gravità ha aggregato la materia che ha poi formato galassie e ammassi di galassie Anna Curir - Cieloascuola 2014

39. Una mappa molto dettagliata di esse ha permesso di concludere che l'Universo possiede una geometria di tipo euclideo. Anna Curir - Cieloascuola 2014

40. Anna Curir - Cieloascuola 2014

41. Le piccole strutture nella radiazione di fondo osservate da COBE e Wmap • In che epoca si trovano? • Quando l’Universo era 1000 volte piu’ piccolo e 1000 volte piu’ caldo • Qundo si formarono? • Una piccola frazione di secondo dopo il big bang • Cosa sono divenute oggi? • Si sono trasformate in tutto quello che osserviamo nell’universo oggi Anna Curir - Cieloascuola 2014

42. Le irregolarità presenti nell’Universo primordiale sono una fortuna per noi… La forza di gravità in fatti aggruma lentamente la materia formando galassie , stelle, e di qui possono aver origine pianeti e, almeno in un caso, persone! Perciò la mappa del cielo a microonde rappresenta il progetto di tutte le strutture dell’Universo. Noi siamo il prodotto di quelle fluttuazioni quantistiche dell’universo Primordiale Anna Curir - Cieloascuola 2014

43. Distribuzione di oltre due milioni di galassie tratte dai cataloghi 2MASS. Il colore indica la distanza (redshift): blu -> piu’ vicine, rosse -> piu’ lontane (>100 Mpc). Anna Curir - Cieloascuola 2014

44. L’Universo sembra una schiuma. Ogni bollicina è una distesa impensabile di vuoto che si espande per centinaia di milioni di anni luce. Intorno ai vuoti, quando due o tre bolle si incontrano si formano filamenti di galassie lunghi centinaia di milioni di anni luce, intrecciandosi come dendriti che connettono neuroni. Con tali distanze la materia non è ancora totalemente influenzata dall’attrazione gravitazionale e continua a seguire il flusso dell’espansione cosmica. Anna Curir - Cieloascuola 2014

45. Modello gerarchico • Si dice “modello gerarchico” il modello in cui le strutture si formano prima a scale piccole e poi, per aggregazione gravitazionale, a scale via via crescenti. Anna Curir - Cieloascuola 2014

46. Possiamo simulare con i nostri modelli la formazione delle Galassie a partire dalle fluttuazioni

47. Anna Curir - Cieloascuola 2014

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50. La storia di formazione dellegalassie • Formazione di galassie da “merging” continuo di strutture piu’ piccole. • Quali sono le tracce di questo “merging” nella popolazione stellare della nostra Galassia? • COSMOLOGIA LOCALE !!! • (Questo interessantissimo argomento sarà approfondito nella lezione di Paola Re Fiorentin) Formazione cosmologica di una “Milky Way” Anna Curir – Cieloascuola 2014