Appunti - lo spazio che ci circonda - l'universo infinito e le galassie

APPUNTI

Lo spazio che ci circonda

L'UNIVERSO INFINITO E LE GALASSIE

È difficile immaginare la grandezza dell' Universo; esso è costituito da un numero incredibile di corpi celesti: stelle, pianeti, satelliti, asteroidi, meteore, comete; alcuni, come le stelle, sono dotati di luce propria, altri come i pianeti e i loro satelliti, sono privi di luce propria ma appaiono luminosi ai nostri occhi perché riflettono la luce del Sole.

Il nostro pianeta, la Terra, ruota, insieme ad altri 8 pianeti ed ai loro satelliti, insieme a migliaia di asteroidi, meteore e comete - intorno al Sole, formando il Sistema solare. Per quanto ci possa sembrare grande, il Sistema solare è solo una piccola parte periferica della Via Lattea, la Galassia di cui fanno parte, oltre al Sole, circa 100 miliardi di stelle. E l'Universo, infinitamente esteso, è costituito da milioni e milioni di galassie.

Le galassie sono enormi sistemi di stelle: ognuna è costituita da centinaia di miliardi di stelle; esse vengono distinte, in base alla loro forma, in galassie a spirale, a spirale barrata, ellittiche e irregolari.

II Sole dista 'solo' 150 milioni di km dalla Terra, mentre le altre stelle sono a migliaia di miliardi di km! Una unità di misura più 'comoda' per misurare la distanza tra i diversi corpi celesti è l'anno luce, che corrisponde alla distanza percorsa dalla luce in un anno intero, circa 9460 miliardi di km.

Vita e morte di una stella

Le stelle nascono da enormi nubi di gas (soprattutto idrogeno ed elio) e polveri, dette nebulose.

I finissimi granelli di polvere cosmica e le molecole dei gas, sottoposti alla forza di attrazione gravitazionale, tendono ad avvicinarsi e raggrupparsi in blocchi di materia sempre più grandi.

Crescendo la massa di questi blocchi di materia, aumenta anche la loro forza di attrazione gravitazionale e altre particelle vengono perciò a essere attratte, aumentando sempre più la massa di materia. Le particelle più interne vengono sottoposte a una pressione sempre più intensa e la temperatura aumenta enormemente fino a determinare la fusione dei nuclei degli atomi di idrogeno: è la fusione nucleare.

La fusione nucleare libera una quantità enorme di energia, che rende tutto il blocco di materia caldissimo e luminosissimo: nasce così una stella.

L'energia che si libera dalla fusione nucleare fa dilatare la materia che costituisce la stella, mentre l'attrazione gravitazionale tende a comprimerla. La stella si mantiene in equilibrio tra le due forze contrastanti finché ha idrogeno da utilizzare per la fusione nucleare.

Quando questo si è quasi tutto consumato, la stella si avvia verso la fine, che sarà diversa a seconda della sua grandezza.

Polvere cosmica e molecole di gas, sottoposte alla forza di attrazione gravitazionale, si raggruppano in blocchi di materia .

Quando pressione e temperatura hanno raggiunto gradi elevati, si innesca la fusione nucleare che genera un'enorme forza espansiva.

Durante la fusione nucleare, i nuclei di 4 atomi di idrogeno si fondono insieme e danno origine a

un nucleo di un atomo di elio, liberando un'enorme quantità di energia.

fusione nucleare = unione dei nuclei di due o più atomi che comporta liberazione di notevoli quantità di energia

Le stelle sono corpi celesti che brillano di luce propria, costituite in gran parte da idrogeno, elio e altri elementi allo stato gassoso; la loro luminosità è dovuta all'energia liberata nelle reazioni di fusione nucleare che avvengono all'interno della stella, dove le temperature sono elevatissime (milioni, miliardi di gradi).

Il colore e la luminosità delle stelle che vediamo a occhio nudo o con il telescopio dipende dalla temperatura superficiale della stella, dalle sue dimensioni e dalla distanza dalla Terra.

Temperatura

Possiamo classificare le stelle in base alla loro temperatura superficiale (che determina il loro colore):

azzurre, le più calde (da 11.000 °Cn oltre 30.000 °C);

bianche (tra 6 e 11.000 °C);

gialle (come il Sole, temperatura tra 5 e 6000 °C);

arancioni (tra 4 e 5000 °C);

rosse (3-4000 °C).

Inoltre le stelle si possono classificare in base alle loro dimensioni:

nane: 100 volte più piccole del Sole;

medie: della grandezza del Sole;

giganti: almeno 10 volte più grandi del Sole;

supergiganti: almeno 300 volte più grandi del Sole.

NASCITA DEL SISTEMA SOLARE

La storia del Sistema solare e della Terra ha inizio circa quattro miliardi e seicento milioni di anni fa.

Una nebulosa fredda e molto rarefatta ossia una immensa nube di gas e polveri costituita da idrogeno, elio e da elementi chimici più pesanti (prodotti dall'esplosione di una supernova) comincio a centrarsi, ad afflosciarsi su se stessa, per cui le molecole dei gas si avvicinarono

sempre di più, precipitando in un enorme vortice.

La nube, ruotando, assunse la forma di un disco appiattito, al cui centro le particelle si andavano sempre più addensando, fino a raggiungere una massa tale da innescare la fusione nucleare e a dar vita a una nuova stella il Sole

La maggior parte dei gas e delle polveri della nube precipitarono al centro del disco, aumentando, così, la massa del Sole in via di formazione, intorno al Sole, intanto, si andavano aggregando particelle di polvere e cristalli di ghiaccio, formando corpi sempre più voluminosi, ma non abbastanza grandi da innescare la fusione nucleare (che li avrebbe trasformati in stelle) Questi corpi, freddi e privi di luce propria, sono i pianeti

Essi ruotano tutti nello stesso senso intorno al Sole e le loro orbite (tranne quella di Plutone) sono tutte sullo stesso piano, quello dello stesso disco appiattito da cui derivano

IL SOLE

II Sole è una stella gialla di dimensioni medie. Dista solo 150 milioni di km dalla Terra ed è per questo che ci sembra così luminosa.

Nel Sole possiamo distinguere diversi strati:

il nucleo, dove avvengono le reazioni di fusione nucleare e la temperatura arriva a 10 milioni di gradi; l'energia prodotta nel nucleo si propaga verso l'esterno attraverso due zone:

la zona radioattiva, nella quale il calore del nucleo si propaga per irraggiamento;

la zona convettiva, nella quale i gas riscaldati si muovono verso l'esterno formando colonne infuocate, propagando il calore per moti convettivi

La fotosfera è la superficie visibile del Sole, il disco luminoso che noi vediamo.

È costituita da gas infuocati che risalgono dalla zona convettiva. Ha una temperatura di circa 6000 °C. Non essendo trasparenti, i gas rendono invisibili gli strati più interni del Sole. La fotosfera non è uniforme ma appare punteggiata da granuli più chiari e granuli più scuri. Tra i granuli si notano ampie zone più scure, in cui la temperatura è molto più bassa (4500 °C): sono le macchie solari che cambiano continuamente di forma, numero e dimensioni, rispettando un ciclo di circa 11 anni.

L'atmosfera solare circonda la fotosfera e comprende due strati:

a) la cronosfera, un involucro trasparente di gas che si rende visibile solo nelle eclissi solari come sottile alone roseo; dalla cromosfera partono immense fiammate di idrogeno, le protuberanze, che attraversano la corona, formando archi lunghi anche 500.000 km;

b) la corona, anche essa visibile nelle eclissi solari, costituita da particelle ionizzate, che si disperdono nello spazio formando il vento solare.

La fotosfera non è omogenea ma è costellata da aree scure di dimensioni variabili dette macchie solari.

Dalla cromosfera si innalzano grandi nubi simili a fiamme,

Il Sole è una delle tantissime stelle della Via Lattea, la Galassia con la G maiuscola; è situato su uno dei suoi bracci periferici; ruota su se stesso compiendo una rotazione completa in 25 giorni, mentre si muove all'interno della Via Lattea compiendo un giro completo (traslazione) in circa 200 milioni di anni, viaggiando alla velocità di circa 19 km/s.

IL SISTEMA SOLARE

Per la sua grande massa, il Sole 'trattiene' intorno a sé 9 pianeti, che ruotano intorno a esso seguendo orbite ellittiche, situate tutte sullo stesso piano (tranne quella di Plutone).

Il pianeta più vicino al Sole è Mercurio; seguono poi nell'ordine: Venere, Terra, Marte, Giove, Saturno, Urano, Nettuno e Plutone.

II movimento di rotazione dei pianeti intorno al Sole è detto moto di rivoluzione; ogni pianeta, inoltre, ruota intorno al proprio asse (moto di rotazione), in senso antiorario, come il moto di rivoluzione, tranne Venere e Urano che ruotano su se stessi in senso orario.

I pianeti del Sistema solare possono essere distinti in:

• piccoli pianeti terrestri, rocciosi: Mercurio, Venere, Terra e Marte. Sono più piccoli e sono solidi. Intorno a essi l'atmosfera è assente o, comunque, non contiene elementi leggeri come l'idrogeno, che vengono risucchiati dalla forte attrazione del Sole o si sperdono nello spazio interplanetario. Ruotano lentamente e hanno pochi satelliti (lune);
• grandi pianeti gassosi: Giove, Saturno. La loro grande massa e la distanza dal Sole permettono a questi pianeti di mantenere una densa atmosfera, composta da elementi leggeri (idrogeno, elio). Essi ruotano velocemente su se stessi e hanno molti satelliti;
• pianeti di ghiaccio: Urano, Nettuno e Plutone. Sono caratterizzati da una temperatura bassissima: -250 °C.

Plutone è più piccolo e roccioso; lontano dal Sole, è ghiacciato. Ha un'orbita molto ellittica situata su un piano diverso dall'orbita degli altri pianeti del Sistema solare.

Mentre i pianeti ruotano intorno al Sole, attratti dalla grande massa della nostra stella, i satelliti ruotano intorno ai pianeti (e, con essi, intorno al Sole): la Terra ha 1 satellite, chiamato Luna; Marte ne ha 2; Giove 16; Saturno 18; Urano 5; Nettuno 8; Fiutone 1; Mercurio e Venere non ne hanno.

La superficie rocciosa di Marte è molto simile ad aree desertiche della Terra.

Altri corpi celesti, di dimensioni minori, ruotano intorno al Sole: asteroidi, comete e meteore.

Quando passano vicino al Sole le comete emettono la caratteristica coda e sono visibili da Terra. La cometa di Halley tornerà nel 2062, esattamente 76 anni dopo il suo ultimo passaggio nel 1986.

Gli asteroidi sono piccoli pianetini (di diametro compreso tra qualche km e alcune centinaia di km), particolarmente frequenti tra Marte e Giove, dove formano una vera fascia di asteroidi.

Tra le comete la più nota è la cometa di Halley, che compare alla nostra vista ogni 76 anni, con la sua caratteristica forma. Costituite da ghiaccio e polvere, presentano una coda luminosa lunga anche più di 100 milioni di km.

Le meteore, infine, sono corpi celesti di piccole dimensioni, che bruciano nel passaggio nella nostra atmosfera, disintegrandosi completamente (appaiono ai nostri occhi come stelle cadenti).

Frammenti delle meteore più grosse possono precipitare al suolo, costituendo le cosiddette meteoriti, corpi rocciosi che ci forniscono informazioni sulla struttura interna dei corpi celesti e quindi anche del nostro pianeta.

LE LEGGI CHE REGOLANO IL MOTO DEI PIANETI

TEORIA GEOCENTRICA

Fino a meno di 500 anni fa, gli scienziati ritenevano che la Terra fosse immobile, al centro dell'Universo e tutti gli astri, Sole compreso, ruotassero intorno a essa.

Questa teoria (detta teoria geocentrica) elaborata da Tolomeo nel II secolo d.C., venne messa in discussione da Copernico, che propose la teoria eliocentrica, secondo la quale è il Sole al centro dell'Universo, mentre la Terra (con gli altri pianeti del Sistema solare) ruota intorno a esso.

LA RIVOLUZIONE COPERNICANA: L'UNIVERSO ELIOCENTRICO.

Con questa teoria, la Terra (e quindi l'uomo) non è più al centro dell'Universo, ma è solo uno dei tanti pianeti che ruota intorno al Sole: per questo il pensiero filosofico dominante e la Chiesa cattolica non potevano accettare la 'rivoluzione copernicana', che rovesciava completamente il modo di interpretare l'Universo.

L'invenzione del telescopio, utilizzato da Galileo Galilei, tuttavia, fornì le prove della validità della teoria eliocentrica, che venne perfezionata da due grandi scienziati: Keplero e Newton.

Le leggi di Keplero - astronomo tedesco (1571-1630).

Giovanni Keplero, per primo, riuscì a descrivere le leggi che regolano il moto dei pianeti intorno al Sole, enunciando tre importanti leggi, che da lui prendono il nome:

Prima legge di Keplero:

I pianeti ruotano intorno al Sole seguendo orbite ellittiche, di cui il Sole occupa uno dei due fuochi.

Se l'orbita è ellittica (e non circolare, come, invece, credeva Copernico) la distanza di un pianeta dal Sole varia; il punto in cui il pianeta è più vicino al Sole è detto perielio, mentre quello più lontano è

detto afelio.

Seconda legge di Keplero

Il raggio che unisce il Sole a un pianeta copre aree uguali in tempi uguali

Per questa legge i pianeti non hanno sempre la stessa velocità: sono più veloci quando sono più vicini al Sole (Perielio) e più lenti quando sono più lontani (Afelio)

Terza legge di Keplero

Il quadrato dei tempi (anni) necessari ai pianeti per percorre l'intera orbita intorno al Sole (periodo di rivoluzione) è proporzionale al cubo del semiasse maggiore dell'orbita.

Quanto più un pianeta è lontano dal Sole tanto maggiore sarà il tempo che impiega a percorrere la sua orbita;

NEWTON E LA LEGGE DI GRAVITAZIONE UNIVERSALE

Isaac Newton (1643-1727).

Le leggi di Keplero descrivono in termini matematici il moto dei pianeti intorno al Sole ma non spiegano perché essi si mantengono in orbita intorno al Sole. Galileo aveva dimostrato che, in assenza di forze esterne, un corpo tende a muoversi di moto rettilineo uniforme: se un pianeta ruota intorno al Sole, deve dunque esistere una forza di attrazione che lo costringe a deviare dal moto rettilineo e a orbitare intorno al Sole. Newton intuì l'esistenza di questa forza di attrazione e formulò la legge di gravitazione universale:

Due corpi si attirano con una forza di intensità direttamente proporzionale al prodotto delle loro masse e inversamente proporzionale al quadrato della loro distanza (d):

F = G mM / d²

dove F è la forza di attrazione gravitazionale

m e M sono le masse dei due corpi

d è la loro distanza

G è la costante di gravitazione universale

La legge di gravitazione Universale di Newton: la Terra ha una massa maggiore della Luna, che viene così attratta ed entra in orbita intorno al nostro pianeta.

Due corpi si attraggono reciprocamente, ma prevale l'attrazione di quello con una massa maggiore: così il Sole prevale sulla Terra, che gli orbita intorno, mentre la Luna, più piccola della Terra, è costretta a ruotare intorno al nostro pianeta.

Nel sistema Terra-Sole il baricentro è situato all'interno del Sole. Entrambi i corpi ruotano intorno a questo baricentro, per cui il Sole ruota intorno a se stesso ed è la Terra a ruotare intorno al Sole.

POSSIBILE PROVA DI VERIFICA

CLASSE PRIMA IPSIA

1. L' Universo  è costituito da un numero incredibile di corpi celesti. Elenca i corpi celesti che conosci:

2. le stelle sono dotate di luce propria, i pianeti e i loro satelliti, sono privi di luce propria ma appaiono luminosi ai nostri occhi perché riflettono la luce del:

3. Il nostro pianeta, la Terra, ruota, insieme ad altri 8 pianeti ed ai loro satelliti, insieme a migliaia di asteroidi, meteore e comete - intorno al Sole, formando il

4. il Sistema solare è solo una piccola parte periferica della Via Lattea, la Galassia di cui fanno parte, oltre al Sole, circa 100 miliardi di stelle. E l'Universo, infinitamente esteso, è costituito da milioni e milioni di

5. II Sole dista 'solo' 150 milioni di km dalla Terra, mentre le altre stelle sono a migliaia di miliardi di km! Una unità di misura più 'comoda' per misurare la distanza tra i diversi corpi celesti è l'anno luce, che corrisponde

6. Le stelle nascono da enormi _____ _______ ______ ________ (soprattutto idrogeno ed elio) e ____________________, dette nebulose. I finissimi granelli di polvere cosmica e le molecole dei gas, sottoposti alla forza di attrazione gravitazionale, tendono ad avvicinarsi e raggrupparsi in blocchi di materia sempre più grandi. Crescendo la massa di questi blocchi di materia, aumenta anche la loro ________________ gravitazionale e altre particelle vengono perciò a essere attratte, aumentando sempre più la massa di materia. Le particelle più interne vengono sottoposte a una pressione sempre più intensa e la temperatura aumenta enormemente fino a determinare la fusione dei nuclei degli atomi di idrogeno: è la fusione nucleare. La fusione nucleare libera una quantità enorme di energia, che rende tutto il blocco di materia caldissimo e luminosissimo: nasce così una stella.

7. Le stelle sono corpi celesti che brillano di luce propria, costituite in gran parte da idrogeno, elio e altri elementi allo stato gassoso; la loro luminosità è dovuta all'energia liberata nelle reazioni di fusione nucleare che avvengono all'interno della stella, dove le temperature sono elevatissime. Come possiamo classificare le stelle in base alle temperature?

Azzurre..................

8. Le stelle si possono classificare in base alle loro dimensioni:

Nane.............

9. Le galassie intorno a noi si allontanano progressivamente e tanto più velocemente quanto più sono distanti. Questa osservazione ci fa capire che l'Universo è in espansione, si sta ingrandendo sempre più. L'Universo si formò circa 18 miliardi di anni fa quando un atomo primordiale esplose, liberando nello spazio un'enorme quantità di energia. Questa gigantesca esplosione, a cui è stato dato il nome di Big Bang in una piccolissima frazione di secondo determinò un aumento del volume dell'Universo di miliardi di volte. L'Universo continuò a espandersi e a raffreddarsi, mentre la materia iniziò a condensarsi in una finissima 'polvere cosmica'. La forza di attrazione gravitazionale determinò la successiva evoluzione dell'Universo: i finissimi granelli di polvere cosmica cominciarono ad attrarsi e raggrupparsi in blocchi di materia sempre più grandi e l'aumento della pressione e della temperatura determinò la fusione nucleare, con la liberazione di un'enorme quantità di energia, che diede vita alle prime stelle. Se accettiamo l'idea di un Universo in espansione (che, al contrario di un Universo stazionario non può essere immutabile ed eterno), possiamo immaginare almeno due diversi scenari per la fine dell'Universo, spiegali:

Teoria dell'Universo aperto

Teoria dell'Universo chiuso od oscillante

10. II Sole è una stella gialla di dimensioni medie. Dista solo 150 milioni di km dalla Terra ed è per questo che ci sembra così luminosa. Nel Sole possiamo distinguere diversi strati, fai un elenco:

11. La fotosfera è la superficie visibile del Sole, il disco luminoso che noi vediamo. Ha una temperatura di circa 6000 °C. Non essendo trasparenti, i gas rendono invisibili gli strati più interni del Sole. La fotosfera non è uniforme ma appare punteggiata da granuli più chiari e granuli più scuri. Tra i granuli si notano ampie zone più scure, in cui la temperatura è molto più bassa (4500 °C): sono le macchie solari che cambiano continuamente di forma, numero e dimensioni, rispettando un ciclo di circa 11 anni. Da che cosa è costituita la fotosfera?

12. L'atmosfera solare circonda la fotosfera e comprende due strati:

a) la ___________________, un involucro trasparente di gas che si rende visibile solo nelle eclissi solari come sottile alone roseo; dalla cromosfera partono immense fiammate di idrogeno, le protuberanze, che attraversano la corona, formando archi lunghi anche 500.000 km;

b) la ___________________, anche essa visibile nelle eclissi solari, costituita da particelle ionizzate, che si disperdono nello spazio formando il vento solare.

13. Per la sua grande massa, il Sole 'trattiene' intorno a sé 9 pianeti, che ruotano intorno a esso seguendo orbite ellittiche, situate tutte sullo stesso piano (tranne quella di Plutone). Elenca i pianeti che ricordi:

14. II movimento di rotazione dei pianeti intorno al Sole è detto moto di rivoluzione; ogni pianeta, inoltre, ruota intorno al proprio asse (moto di rotazione), in senso antiorario, come il moto di rivoluzione, tranne Venere e Urano che ruotano su se stessi in senso orario. Descrivi il movimento di rotazione

15. Altri corpi celesti, di dimensioni minori, ruotano intorno al Sole: asteroidi, comete e meteore. Quando passano vicino al Sole le comete emettono la caratteristica coda e sono visibili da Terra. La cometa di Halley tornerà nel 2062, esattamente 76 anni dopo il suo ultimo passaggio nel 1986. Frammenti delle meteore più grosse possono precipitare al suolo, costituendo le cosiddette _____ _______ ______ _____________, corpi rocciosi che ci forniscono informazioni sulla struttura interna dei corpi celesti e quindi anche del nostro pianeta.

16. Fino a meno di 500 anni fa, gli scienziati ritenevano che la Terra fosse immobile, al centro dell'Universo e tutti gli astri, Sole compreso, ruotassero intorno a essa. Questa teoria (detta teoria geocentrica) elaborata da Tolomeo nel II secolo d.C., venne messa in discussione da Copernico, che propose la teoria eliocentrica, secondo la quale è il Sole al centro dell'Universo, mentre la Terra (con gli altri pianeti del Sistema solare) ruota intorno a esso. Come viene anche chiamata questa importantissima scoperta di Copernico?

Rivoluzione ...........................

17. Con la Teoria di Copernico la Terra (e quindi l'uomo) non è più al centro dell'Universo, ma è solo uno dei tanti pianeti che ruota intorno al Sole: per questo il pensiero filosofico dominante e la Chiesa cattolica non potevano accettare la 'rivoluzione copernicana', che rovesciava completamente il modo di interpretare l'Universo. Questa teoria fu confermata dall''invenzione del telescopio, utilizzato da G_____ _______ ______ ______. La teoria eliocentrica venne poi perfezionata da due grandi scienziati: Keplero e Newton.

18. Keplero - astronomo tedesco (1571-1630), per primo, riuscì a descrivere le leggi che regolano il moto dei pianeti intorno al Sole, enunciando tre importanti leggi, che da lui prendono il nome. Le leggi di Keplero descrivono in termini matematici il moto dei pianeti intorno al Sole ma non spiegano perché essi si mantengono in orbita intorno al Sole. Galileo aveva dimostrato che, in assenza di forze esterne, un corpo tende a muoversi di moto rettilineo uniforme: se un pianeta ruota intorno al Sole, deve dunque esistere una forza di attrazione che lo costringe a deviare dal moto rettilineo e a orbitare intorno al Sole. Newton intuì l'esistenza di questa forza di attrazione e formulò la legge di gravitazione universale: Due corpi si attirano con una forza di intensità direttamente proporzionale al prodotto delle loro masse e inversamente proporzionale al quadrato della loro distanza. Scrivi la formula della legge di gravitazione universale:

19. Due corpi si attraggono reciprocamente, ma prevale l'attrazione di quello con una massa maggiore: così il Sole prevale sulla ______________, che gli orbita intorno, mentre la Luna, più piccola della Terra, è costretta a ruotare intorno alla ______________.

20. Nel sistema Terra-Sole il baricentro è situato all'interno del Sole. Entrambi i corpi ruotano intorno a questo baricentro, per cui:

1. il Sole ruota ___________________ed è la Terra a _____________ intorno al Sole.