Astro-Percorsi
Prologo al progetto
Astro-Percorsi, a cura di
Domenico Licchelli
(Osservatorio Astrofisico R.P.Feynman) e
Prof. Francesco Strafella
(Gruppo di Astrofisica, Dipartimento di Fisica, Università del
Salento)
Astro-Percorsi
è una idea che nasce nel Dicembre 2011 a partire da discussioni
intercorse durante le “pause caffè” pomeridiane nel Laboratorio di
Astrofisica dell'Università del Salento. Lo scopo di questa
iniziativa è di offrire una possibilità di comprensione dei fenomeni
celesti, e quindi familiarizzare con essi, ad un pubblico più vasto
di quello tradizionalmente costituito dagli studenti dei corsi di
Astrofisica che si tengono presso l'Università del Salento.
Nelle nostre intenzioni non si tratta di riprodurre uno dei tanti "tutorial" dedicati all'Astrofisica visto che questi si possono facilmente trovare sulla rete internet, sebbene il più delle volte in lingua inglese. Vogliamo invece far vedere come sia possibile conciliare un approccio intellettuale, tipico di un corso universitario, con un approccio molto più legato alla reale e concreta osservazione del Cielo, realizzando così nel nostro piccolo quella formidabile sinergia tra teoria ed osservazione che nella storia dell'uomo ha portato a capire ciò che appariva incomprensibile.
Naturalmente la nostra azione si svolge sulle spalle dei giganti, ovvero sul sapere accumulato dagli uomini di scienza che ci hanno preceduto e che possiamo per questo indicare come i nostri "Saggi". A questi Saggi quindi facciamo riferimento per appropriarci del metodo che ha guidato la loro attività conoscitiva e che vogliamo qui adottare nella convinzione che sia il miglior modo per farsi un'idea, la più possibile coerente e soddisfacente, del mondo fisico.
Impossessarsi di questo metodo in generale non richiede particolare sforzo di comprensione perché, in estrema sintesi, la faccenda si può ridurre alla accettazione o meno di una visione filosofica del mondo fisico, che è poi quella che dal Galilei in poi ha dato corpo al cosiddetto "metodo scientifico". Talvolta, però, seguire questa strada maestra può richiedere un certo impegno, in particolare quando ci imbattiamo in fenomeni nuovi, che emergono e si presentano alla nostra attenzione ogni volta che le capacità osservative migliorano.
Dal punto di vista del nostro potenziale lettore, questo si può tradurre nell'avvertimento che l'inquadramento di un dato fenomeno non sempre sarà subito chiaro alla nostra mente e che quindi potrebbe essere richiesto uno sforzo di approfondimento di quelle conoscenze teoriche che ci possono dare una chiave di lettura. Questo è del tutto normale ed anzi è un segnale che ci accingiamo a superare una soglia che finora ci ha impedito una comprensione più profonda del mondo fisico.
Nello spirito di questa premessa ci avviamo quindi alla preparazione di una serie di percorsi, di informazione e approfondimento, su temi che legano lo studio del mondo extraterrestre alla Fisica attraverso l'osservazione del Cielo.
Astro-Percorsi - Le Costellazioni
Osservando
il cielo stellato in una notte limpida, quasi istintivamente siamo
portati a collegare tra loro, con segmenti immaginari, le stelle più
luminose. Probabilmente senza rendersene conto, stiamo emulando gli
antichi astronomi che, così facendo, hanno creato le Costellazioni,
figure altamente stilizzate, in cui la loro fantasia riconosceva
animali, eroi e personaggi mitologici (a fianco la figura di Pegaso,
il cavallo alato in una rappresentazione del planetario software The
Sky).
Un esempio è la celebre costellazione di Orione, forse la più bella del cielo boreale, riprodotta nell'immagine in basso. Le sue stelle, con un po' di fantasia, tracciano le linee essenziali della figura del mitico cacciatore, compresa la cintura e la spada, che ospita la straordinaria nebulosa M42.
Secondo gli studiosi di Archeoastronomia, l’origine delle costellazioni è databile attorno al 2600 a.c. presso la civiltà minoica. Nei secoli queste conoscenze giunsero in Egitto e in Asia Minore ma già Eudosso nel 380 a.c. nel suo globo astronomico, andato perduto, aveva rappresentato le costellazioni e l’eclittica in maniera sostanzialmente analoga a quella attuale.
Ne abbiamo la prova nella descrizione del cielo fatta dal poeta Arato da Soli attorno al 280 a.c. nel suo “Fenomeni e Pronostici”. A questa opera si rifarà Ipparco di Nicea, per compilare il suo “Catalogo” in cui erano descritte 49 costellazioni e 1080 stelle.
L’Almagesto
di Tolomeo, pietra miliare dell’Astronomia fino ai tempi di Galileo
Galilei, era basato a sua volta sul testo di Ipparco. Il più antico
planetario conosciuto è l'Atlante Farnese, basato in gran parte sul
globo di Eudosso. Sono rappresentate, scolpite nel marmo, 42
costellazioni. Questo evidente filo rosso che lega nei secoli la
descrizione del cielo è tuttavia fondato su una semplice illusione
prospettica.
Con l’eccezione di un gruppo di stelle dell’Orsa Maggiore, le altre costellazioni perdono di significato se si dispongono in uno spazio tridimensionale. Le diverse stelle che si trovano entro i confini di una costellazione, sono distribuite casualmente, a distanza molto variabili e spesso sembrano luminose solo perché relativamente vicine; viceversa se potessimo portarle tutte alla medesima distanza, il cielo assumerebbe ben altro aspetto.
Nonostante questa incongruenza l’utilizzo delle costellazioni semplifica molto il lavoro degli studiosi tanto che i confini odierni sono stati definiti con cura dall’Unione Astronomica Internazionale.
L’aspetto del cielo cambia durante la notte e nell’arco dell’anno. Questa variazione è dovuta alla azione combinata del moto di rotazione e di quello di rivoluzione della Terra. Osservando il cielo in direzione Sud, per alcune ore, si nota che le stelle apparentemente si spostano e mentre alcune tramontano in direzione Ovest, altre sorgono in direzione Est. In più, ripetendo le osservazioni in notti successive, ci si accorge che la medesima stella passa un po’ prima al meridiano (arco di cerchio massimo che congiunge il Nord con il Sud), in ragione di due ore al mese. Questo significa, per esempio, che l’aspetto del cielo alle ore 24:00 del 15 del mese di Gennaio è lo stesso di quello delle ore 22:00 del 15 del mese di Febbraio, ossia delle ore 20:00 del 15 di Marzo.
Alla
luce di questo fatto è possibile dividere le costellazioni in:
primaverili, estive, autunnali ed invernali riferendosi a quelle
visibili in direzione Sud in una particolare stagione.
L’inclinazione sul piano dell’eclittica dell’asse di rotazione
terrestre aggiunge un’altra sorpresa al ciclo delle costellazioni;
tutte le costellazioni vicine al polo nord celeste, per gli
osservatori dell’Emisfero Boreale, non tramontano mai e sono
visibili, seppure a diversa altezza sull’orizzonte, durante tutto
l’anno. Sono le cosiddette costellazioni circumpolari.
Alla latitudine media dell’Italia le costellazioni circumpolari sono: Orsa Minore, Orsa Maggiore, Cassiopea, Cefeo, Dragone, Giraffa.
Le costellazioni primaverili: Bootes, Bilancia, Cani da Caccia, Chioma di Berenice, Corona Boreale, Coppa, Corvo, Idra, Leone, Leone Minore, Sestante, Vergine.
Le costellazioni estive: Aquila, Cavallino, Capricorno, Cigno, Delfino, Ercole, Lira, Freccia, Ofiuco, Sagittario, Scorpione, Scudo, Serpente, Volpetta.
Le costellazioni autunnali: Acquario, Andromeda, Ariete, Balena, Lucertola, Pegaso, Perseo, Pesci, Triangolo.
Le costellazioni invernali: Auriga, Cancro, Cane Maggiore, Cane Minore, Eridano, Gemelli, Lepre, Lince, Orione, Poppa, Toro, Unicorno.
La misura delle distanze
Se volessimo condensare in poche parole le
differenze tra Fisica e Astronomia probabilmente diremmo che l'una
procede per esperimenti, l'altra per osservazioni. Sebbene le cose
siano in realtà un po’ più articolate visto lo scambio di
informazione che si svolge nei due sensi, l'affermazione precedente
ha il pregio di "catturare" l'essenza di due approcci che, sebbene
diversi, sono comunque parenti. In un laboratorio di Fisica possiamo
approntare esperimenti per esplorare il comportamento della Natura
intervenendo in modo opportuno sull'ambiente in cui l'esperimento si
svolge. Ad esempio, modificando le condizioni in cui eseguiamo un
esperimento (p.es. densità, temperatura, carica, velocità, ...)
possiamo osservare e registrare le diverse risposte del sistema alle
sollecitazioni esterne così come possiamo verificare la loro
coerenza (nel senso della riproducibilità). Una volta acquisiti i
risultati sperimentali questi potranno poi essere opportunamente
sistematizzati in modo da permettere una loro interpretazione alla
luce di un modello teorico. A differenza del Fisico, l'Astronomo non
può 'toccare” gli oggetti del suo interesse, con l’eccezione della
Terra e del nostro sistema planetario che l'uomo ha cominciato ad
esplorare 'in situ” solo da pochi decenni. Da questa condizione
nasce la necessità per l'astronomo di saper valutare le distanze,
giacché molte tra le informazioni più rilevanti che possiamo
raccogliere dall'osservazione del cielo (p.es: la quantità di luce,
l'estensione angolare degli oggetti sulla sfera celeste, ...)
dipendono non solo dalla natura intrinseca degli oggetti osservati,
ma anche dalla loro distanza. Ci accingiamo quindi ad interpretare
le osservazioni dei fenomeni celesti sapendo che possiamo certamente
catturare, più o meno efficientemente, i segnali emessi dalle
sorgenti celesti, ma anche consapevoli che il "valore nominale" di
questi segnali è stato modificato per effetto delle distanze in
gioco. Diventa quindi evidente come la corretta valutazione delle
distanze diventa una pietra angolare sui cui costruire
un'interpretazione Fisica dei segnali celesti. Prima di discutere
dei vari metodi finora escogitati per valutare le distanze
astronomiche, vale la pena avvertire il lettore che ognuno di essi
sarà appropriato solo entro un certo intervallo di distanze, allo
sesso modo in cui un metro va bene per misurare le dimensioni di
porte e case ma non per misurare l'altezza dal suolo di un aereo che
invece può essere valutata utilizzando tecniche radar. Prima di
fidarsi però sarà opportuno calibrare la risposta del radar,
misurando con lo stesso strumento distanze già note per altra via.
Prima di fidarci del nuovo metodo quindi punteremo il radar in
direzione di oggetti posti a distanze già misurate con il metro e,
alla fine delle misure, verificheremo se la risposta del radar sia
compatibile con le distanze già note! In questo modo facciamo una
"calibrazione" del nuovo strumento (il radar) che ci permette poi di
spingere le nostre misure a distanze maggiori, cosa che
effettivamente si fa nella misura delle distanze dei satelliti
artificiali, della Luna e dei pianeti più vicini. Questo punto è
cruciale: ogni volta che ci avventuriamo in un nuovo metodo per
estendere la nostra capacità di misurare le distanze, dovremo sempre
usare oggetti a distanza già nota per calibrare il nuovo metodo,
rendendolo così coerente con gli altri metodi. In questo modo
possiamo quindi costruire la cosiddetta "scala delle distanze
cosmiche" che ora andiamo ad illustrare attraverso l'esposizione dei
metodi principali utilizzati in Astronomia.
Dalla Terra al Sole (in
compagnia degli antichi Filosofi della Natura)
Il punto di partenza del nostro viaggio è la
misura della distanza Terra-Sole che è detta Unità Astronomica (in
simbolo AU, da Astronomical Unit), è pari a circa 150 milioni di Km
ed è una delle unità di misura più utilizzate in Astronomia. Qui non
ci soffermeremo a discutere tutti i modi in cui sia possibile
valutarla, ma diciamo solo che il suo valore viene determinato oggi
con notevole precisione ed è pari a 149.5978707 10^6 km. Questo
valore corrisponde alla distanza media tra il punto più vicino
(detto perielio, a 0.98 AU, che si raggiunge intorno al 4 gennaio) e
quello più lontano (afelio, a
Il primo ad occuparsi di queste faccende fu
Aristarco di Samo (circa 310-
In condizioni di mezzaluna Aristarco
riusciva inoltre a misurare l'angolo nel cielo tra Luna e Sole,
valutandolo in circa 87 gradi. Pur non avendo ancora a disposizione
la trigonometria egli riuscì comunque ad utilizzare la stima di
questi due angoli per argomentare che il Sole dovesse trovarsi ad
una distanza compresa tra 18 e 20 volte la distanza Terra-Luna. Oggi
sappiamo che la misura dell'angolo di 87 gradi era in realtà
sottostimata di circa 2.85 gradi e che quindi la distanza del Sole è
in effetti circa 400 volte la distanza Terra-Luna. Nonostante
l'errore di misura tuttavia è evidente che Aristarco sapesse già che
il Sole dista da noi molto più della Luna.
Distanza della Luna
Lo stesso Aristarco escogitò un metodo per
stimare la distanza della Luna utilizzando l'osservazione delle
eclissi di Luna. La sua tecnica si basava sulla registrazione dei
tempi di entrata ed uscita della Luna dalla zona d'ombra prodotta
dalla Terra e sull'ipotesi che l'ombra proiettata dalla Terra fosse
simile ad un cilindro di diametro uguale al diametro della Terra.
In questo modo Aristarco poteva fare questa
proporzione: la durata dell'eclisse sta al periodo di rivoluzione
della Luna (circa 27 giorni, valore ben noto fin dall'antichità)
come il diametro del cono d'ombra sta alla lunghezza dell'intera
orbita della Luna. Determinata la durata delle eclissi in circa 3
ore ed esprimendo l'orbita della Luna come una circonferenza (2pR),
Aristarco ricavava che la distanza della Luna era pari a circa 30
volte il diametro del cono d'ombra, e quindi a circa 60 volte il
raggio della Terra. Un risultato incredibilmente accurato anche per
gli standard attuali. È interessante anche notare che in questo
ragionamento Aristarco era portato a pensare che la Terra fosse
sferica dalla stessa osservazione dei contorni dell'ombra che la
Terra proietta sulla Luna durante le eclissi. I contorni dell'ombra
appaiono infatti come archi di circonferenza e sembra incredibile
come questa capacità di dedurre a partire da semplici osservazioni
sia andata in gran parte perduta nel medio evo.
Raggio della Terra
Le distanze di Luna e Sole sono finora state
valutate in termini relativi: la distanza del Sole in unità della
distanza della Luna che, a sua volta, è in unità del raggio della
Terra. È quindi necessario misurare il raggio della Terra per
tradurre le distanze in termini assoluti. Questo importante passo è
stato fatto da Eratostene (276-
La misura di quest'angolo era di circa 1/50 (un
cinquantesimo) dell'angolo giro cosa che, insieme alla conoscenza
della distanza tra Siene ed Alessandria, gli consentiva di calcolare
la circonferenza della Terra dalla proporzione: differenza di
altezza del Sole / angolo giro = distanza Siene-Alessandria /
circonferenza della Terra che risulta quindi pari a circa
Dal Sole alle altre stelle - In
preparazione