Astrofisica, Cosmologia e Astronomia

L’astrofisica è quella branca dell’astronomia che studia le proprietà fisiche, ovvero tutti i vari fenomeni, della materia celeste. L’ambito tradizionale di interesse dell’astrofisica comprende le proprietà fisiche (densità, temperatura, composizione chimica e nucleare della materia, luminosità e forma dello spettro emesso, proprietà di eventuali particelle emesse) di stelle, galassie, mezzo interstellare e mezzo intergalattico, e di eventuali altre forme di materia presenti nell’universo. Ma accanto a questa definizione più tradizionale, negli ultimi anni ha assunto sempre più importanza un’altra definizione dell’astrofisica: quella che utilizza il cosmo come un laboratorio non per investigare le proprietà degli oggetti celesti sulla base di teorie fisiche ben note da esperimenti di laboratorio bensì per determinare nuove leggi della fisica che non possono altrimenti essere investigate nei laboratori terrestri. Si parla allora di fisica fondamentale nello spazio, un campo il cui primo problema (le proprietà del neutrino) ha ricevuto recentemente il suggello del premio Nobel. La ricerca astrofisica, più di qualunque altro settore della fisica, richiede la padronanza di tutte le discipline fisiche: la meccanica dei corpi solidi e dei fluidi, la magnetoidrodinamica, l’elettromagnetismo e il trasporto della radiazione, la meccanica statistica, la relatività speciale e generale, la fisica nucleare e delle particelle elementari, e perfino alcuni campi avanzati della fisica della materia quali superconduttività e superfluidità. È possibile caratterizzare l’attività di ricerca in astrofisica sulla base della distinzione in astrofisica osservativa (spesso chiamata anche astronomia), astrofisica di laboratorio e astrofisica teorica.

Astrofisica osservativa

Dallo spazio riceviamo principalmente radiazione elettromagnetica (fotoni), ma anche alcune particelle (raggi cosmici e neutrini). La radiazione elettromagnetica si distingue sulla base della sua lunghezza d’onda; le tecniche osservative e gli oggetti osservati variano fortemente a seconda della lunghezza d’onda di osservazione. La radioastronomia studia la radiazione con lunghezza d’onda superiore a qualche millimetro. Il fondatore della disciplina fu Karl Jansky, che nel 1933 annunciò che un’antenna da lui costruita riceveva emissione dalla nostra galassia, la Via Lattea. Emettono in questa banda due tipi di sorgenti: quelle molto fredde come il mezzo interstellare, le nubi molecolari e la polvere interstellare, che hanno temperature ben inferiori a 1000 K, e gli elettroni relativistici che si muovono nel debole campo magnetico delle galassie. Altre importanti sorgenti nella banda radio sono le cosiddette sorgenti non termiche, e cioè quelle il cui spettro non è uno spettro termico; fra queste le più importanti sono le pulsar e i nuclei galattici attivi (AGN). L’astronomia millimetrica studia la radiazione con lunghezza d’onda attorno al millimetro. La fonte principale di emissione in questa banda è la radiazione cosmica di fondo (CMBR, da cosmic microwave backgroung radiation), ma anche la polvere emette in maniera significativa in questo intervallo di lunghezze d’onda. L’astronomia dell’infrarosso (IR) studia la radiazione con lunghezza compresa fra una frazione di millimetro e circa 780 nm, ove inizia la radiazione visibile. In questo intervallo sono visibili sia sorgenti termiche, come le stelle più fredde, sia sorgenti non termiche come gli AGN. Sono inoltri fortemente visibili le polveri presenti in tutte le galassie a spirali. L’astronomia ottica è ovviamente la più antica, e la nostra fondamentale fonte di conoscenza astronomica. Deve il suo primato alla congiunzione di tre fatti: il primo è che la radiazione visibile penetra facilmente l’atmosfera terrestre; il secondo è che gli oggetti più comuni nell’universo, e dunque la maggior parte dell’emissione nell’universo, sono concentrati in questa banda; infine, la maggior parte degli elementi comuni nell’universo hanno righe di emissione soprattutto in questa banda, il che rende lo studio delle proprietà fisiche (temperatura e densità) e chimiche (composizione e livello di ionizzazione) precipuamente conducibile sulla base di queste osservazioni. Si noti che la maggior parte delle righe di emissione, come viene determinato in laboratorio, è prodotta nella regione ultravioletta (UV), ma queste righe di emissione vengono facilmente assorbite nello spazio interstellare, e dunque sono fondamentalmente inosservabili. Le righe prodotte nell’ottico sono invece righe proibite o semi-proibite, il che rende il loro assorbimento lungo il loro cammino verso di noi molto più improbabile. Una quarta circostanza favorevole, infine, è che, almeno fino a non molti anni fa, era in questa banda di osservazione che i nostri strumenti raggiungevano la massima risoluzione angolare possibile; questo però non è più vero. Le sorgenti precipue in questa banda sono innanzitutto la maggior parte delle stelle (restano escluse quelle molto fredde) e tutte le galassie. L’astronomia ultravioletta (UV) studia l’emissione compresa fra la radiazione visibile (che ha al massimo lunghezza d’onda di circa 300 nm) e quella X, che ha lunghezza d’onda 100 volte minore. La maggior parte delle righe di emissione si trova in questa regione, ma, come detto sopra, viene assorbita prima di arrivare a noi. Questa banda consente lo studio del mezzo interstellare, e delle stelle più calde. L’astronomia X e gamma ha avuto il suo inizio nel 1962, quando il razzo disegnato da un’équipe guidata da Riccardo Giacconi scoprì la prima sorgente X, Sco X-1. La scoperta delle prime sorgenti nella regione gamma seguì a poco. A queste lunghezze d’onda sono rivelabili prima di tutto sorgenti non termiche, come pulsar X, AGN, gamma ray burst (GRB), buchi neri con disco di accrescimento; è possibile osservare anche la componente più calda del mezzo intergalattico, che emette nella regione dei raggi X più soffici (e cioè più vicina alla regione UV). L’astronomia TeV rivela i fotoni con le massime energie che possono giungere a noi (a causa di un fenomeno di assorbimento, fotoni con energie molto superiori vengono facilmente assorbiti nell’universo, e sono dunque invisibili per noi). Si tratta di una nuova disciplina, che si è sviluppata solo negli ultimi anni grazie a telescopi terrestri di nuova concezione come Magic. Le sorgenti osservabili sono le sorgenti più estreme note, come BL Lac (una sottoclasse degli AGN) e forse GRB. Una ulteriore distinzione fra queste tecniche osservative riguarda la localizzazione dei telescopi. Infatti, l’atmosfera terrestre assorbe tutta la radiazione UV, X, gamma e buona parte di quella millimetrica e IR. Ne consegue che i telescopi radio, ottici, alcuni IR e quelli nella regione TeV sono sulla Terra, mentre quelli IR, UV, X e gamma sono portati fuori dall’atmosfera da satelliti. Nel millimetro e in certe regioni IR si sfrutta il fatto che basta alzarsi in volo su un aereo (IR) o su un pallone sonda (millimetro) per riuscire a vedere le sorgenti cosmiche.
Oltre ai fotoni, la Terra è bombardata da sciami di particelle di varia origine, chiamate raggi cosmici. Si tratta di particelle di vario tipo (principalmente protoni, elettroni, e alcuni nuclei, ma anche antiprotoni), che eseguono complicati moti nella nostra galassia, a causa della presenza del campo magnetico (che invece non influenza i fotoni). Per questo motivo è impossibile stabilire quale sia l’oggetto che dà origine ai raggi cosmici, il che ha finora impedito la nascita di una vera astronomia dei raggi cosmici, e cioè una disciplina che metta in relazione la radiazione (materiale) che riceviamo a Terra con le proprietà fisiche delle loro sorgenti. Tuttavia, queste particelle svolgono un ruolo fondamentale nella generazione della radiazione elettromagnetica osservata a Terra (per esempio, nel radio, X, e gamma); è necessario perciò studiare le proprietà dei raggi cosmici (il loro numero e la loro distribuzione in energia) per conoscere la materia che emette la radiazione non termica che osserviamo.
L’altra categoria di particelle che riveliamo a Terra sono i neutrini, che non vengono deflessi dal campo magnetico, e che dunque possono essere facilmente messi in connessione con le loro sorgenti. A tutt’oggi, solo due sorgenti di neutrini sono state stabilite con certezza (il Sole, grazie alla sua prossimità, e la supernova 1987A), ma è in corso la realizzazione di ulteriori ‘telescopi a neutrini’, con la capacità di rivelare molte altre sorgenti nell’universo, quali supernove e GRB.
È inoltre possibile che esistano altri sciami di particelle che inondano la Terra e che per il momento non sono state rivelate. Da una parte, si tratta di onde gravitazionali (gravitoni), la cui esistenza viene considerata ampiamente probabile sulla base della Relatività generale, ma che sono troppo deboli per essere state rivelate con la tecnologia esistente. E dall’altra, esiste la possibilità che la cosiddetta materia oscura sia costituita da tipi di particelle non ancora identificate, e forse neanche postulate; sono operativi, o in costruzione, numerosi ‘telescopi’ per queste nuove particelle.

Astrofisica di laboratorio

Sebbene si possa dire, in un certo senso, che tutta la fisica appartenga all’astrofisica di laboratorio, ci sono alcuni argomenti della fisica di fondamentale, e forse ora esclusivo, interesse dell’astrofisica. Si tratta primariamente di:

  1. ogni misura spettroscopica: delle probabilità di eccitazione o diseccitazione collisionale di tutte le transizioni elettromagnetiche, dagli ioni alle molecole anche complesse;
  2. ogni misura nucleare, incluse le sezioni d’urto per tutte le specie nucleari, anche le più pesanti;
  3. ogni misura relativa alla polvere intergalattica, e in particolare la sua resistenza al bombardamento particellare e fotonica che permea il mezzo interstellare, e le sue proprietà elettromagnetiche.

Astrofisica teorica

La maggior parte dei fenomeni astrofisici non è direttamente osservabile: si pensi per esempio ai processi che forniscono l’energia che il Sole irradia nello spazio, che avvengono nelle zone più profonde del Sole, oppure al Big Bang, che è avvenuto circa 13,7 miliardi di anni fa. Per questo motivo l’astrofisica ricorre frequentemente al supporto di modelli teorici, e cioè rappresentazioni idealizzate dei processi allo studio, le cui conseguenze sono però calcolabili con precisione grazie alle teorie fisiche esistenti. Sono precisamente queste conseguenze (chiamate predizioni), che confrontate con le osservazioni, a permettere di stabilire la correttezza (o l’erroneità) dei modelli stessi. Questi modelli consentono talvolta dei calcoli analitici (e cioè, con carta e penna), ma nella maggior parte delle situazioni si fa ricorso al computer, che consente calcoli numerici assai più complessi di quelli analitici: si parla allora di simulazioni, che vengono usate specialmente in cosmologia.

La cosmologia

La cosmologia è la scienza che ha come oggetto di studio l’universo nel suo insieme, del quale tenta di spiegare in particolare origine ed evoluzione. In questo senso, è strettamente collegata con la cosmologia intesa come branca della filosofia. In senso ontologico questa ha il compito di correggere o espungere la miriade di teorie metafisiche o religiose sulle origini del mondo. La cosmologia ha le sue radici storiche nelle narrazioni religiose sull’origine di tutte le cose (cosmogonie) e nei grandi sistemi filosofico-scientifici pre-moderni (come il sistema tolemaico). Attualmente la cosmologia è una scienza fisica che interessa diverse discipline, quali l’astronomia, l’astrofisica, la fisica delle particelle, la relatività generale.

Astronomia

L’astronomia, che etimologicamente significa legge delle stelle (dal greco: ἀστρονομία = ἀστῆρ/ἄστρον (stella) + νόμος (legge), è la scienza il cui oggetto è l’osservazione e la spiegazione degli eventi celesti. Studia le origini e l’evoluzione, le proprietà fisiche, chimiche e temporali degli oggetti che formano l’universo e che possono essere osservati sulla sfera celeste.

Uso dei termini “astronomia” e “astrofisica”

Generalmente, i termini “astronomia” o “astrofisica” possono essere usati per riferirsi allo stesso soggetto. Basati su precise definizioni del dizionario, il termine “astronomia” viene riferito allo “studio della materia e di oggetti fuori dall’atmosfera terrestre e delle loro proprietà fisiche e chimiche” mentre l’astrofisica si riferisce alla branca dell’astronomia che tratta “il comportamento, le proprietà fisiche e i processi dinamici degli oggetti celesti e altri fenomeni”. In alcuni casi, come nell’introduzione al trattato L’Universo Fisico (The Physical Universe) di Frank Shu, viene detto che l'”astronomia” può essere utilizzata per descrivere lo studio qualitativo del soggetto, laddove l'”astrofisica” è usata per descriverne la versione orientata verso la fisica. Comunque, poiché la più moderna ricerca astronomica tratta soggetti relativi alla fisica, la moderna astronomia potrebbe attualmente essere chiamata astrofisica. Vari dipartimenti che fanno ricerche su questo soggetto possono usare “astronomia” e “astrofisica” a seconda se il dipartimento sia storicamente associato ad un dipartimento di fisica,[3] e molti astronomi professionisti attualmente sono laureati in fisica.[4] Uno dei principali giornali scientifici nel campo è denominato Astronomy and Astrophysics.

Storia

All’inizio della sua storia, l’astronomia si occupò unicamente dell’osservazione e della previsione dei movimenti degli oggetti celesti che potevano essere osservati ad occhio nudo dall’uomo. I primi astronomi erano rappresentati dai sacerdoti di uno specifico culto religioso, in grado di svolgere una funzione utile alla società, creando i primi calendari, indispensabili per l’organizzazione della vita sociale ed agricolo-pastorale.
Molti astronomi cercarono una risposta su il perché del ciclo dei fenomeni del cielo, il perché la giornata si alternava tra il dì e la notte, e la divisione delle fasi lunari nell’arco di 29 giorni.
I Greci diedero importanti contributi all’astronomia, soprattutto attraverso Ipparco ed Eudosso; culminati con l’opera di Claudio Tolomeo.
Durante il Medioevo, nel mondo occidentale l’astronomia faceva parte del corso ordinario di studi (nel cosiddetto quadrivio): si vedano, ad esempio, le notevoli conoscenze astronomiche che esprime un poeta come Dante, nella Divina Commedia. Nel XIII secolo, Guido Bonatti si vanta di aver scoperto ulteriori 700 stelle, sconosciute ai predecessori. Anche presso gli Arabi se ne proseguì lo studio.
Durante il Rinascimento, Niccolò Copernico realizzò l’importante lavoro di un sistema eliocentrico (non fu il primo a proporre l’ipotesi di un sistema con al centro il Sole, ma di certo il primo ad argomentare in maniera scientifica la sua teoria). Il suo lavoro fu difeso, sviluppato e corretto da Galileo Galilei e Keplero. Quest’ultimo fu il primo astronomo a fornire leggi che descrivessero correttamente i dettagli del movimento dei pianeti intorno al Sole, anche se non comprese le cause fisiche delle sue scoperte, la cui comprensione fu in seguito merito di Newton che elaborò i principi della meccanica celeste e la legge di gravitazione universale, che eliminava del tutto la distinzione tra i fenomeni terrestri e celesti.
Solo molto dopo si scoprì che le stelle sono oggetti molto lontani, e, con l’avvento della spettroscopia fu provato che esse erano sì, simili al Sole, ma differenti quanto a massa, temperatura e dimensioni. Con l’avvento della spettroscopia fu infatti possibile studiare la natura fisica degli astri, che portò all’astrofisica, ovvero alla fisica applicata allo studio dei corpi celesti.
L’esistenza della nostra galassia, la Via Lattea, e la comprensione che essa fosse un ammasso isolato di stelle rispetto al resto dell’Universo, fu provata solamente nel XX secolo, assieme alla scoperta dell’esistenza di altre galassie. Molto presto, grazie all’utilizzo della spettroscopia, ci si accorse che molti oggetti presentavano redshift, ossia uno spostamento dello spettro verso il rosso rispetto a quanto ci si attendeva. Questo era spiegabile solo con l’effetto Doppler, che fu interpretato come una differenza di moto negativa, ovvero di allontanamento rispetto al nostro pianeta. Venne formulata allora la teoria dell’espansione dell’Universo (vedi cosmologia).
La cosmologia, una disciplina che ha larghi settori in comune con l’astronomia, ha fatto enormi passi in avanti nel nostro secolo, con il modello del Big Bang, supportato da prove sperimentali fornite dall’astronomia e dalla fisica, come l’esistenza e le proprietà della radiazione cosmica di fondo, la Legge di Hubble e lo studio dell’abbondanza cosmologica degli elementi chimici.

Suddivisioni

Dato il grande numero di fenomeni di cui si occupa, l’astronomia è divisa in molti campi. Le divisioni non sono uniche e le intersezioni sono piuttosto la regola che non l’eccezione.

Per metodo impiegato per ottenere le informazioni

In astronomia, il metodo principale per ottenere informazioni richiede la rilevazione e l’analisi di radiazioni elettromagnetiche. Una tradizionale divisione dell’astronomia è data seguendo le differenti regioni dello spettro elettromagnetico che vengono osservate:

  • Astronomia ottica – si riferisce alle tecniche usate per rilevare ed analizzare la luce che può essere percepita dall’occhio umano (tra i 400 – 800 nm circa). Il più comune strumento usato è il telescopio.
  • Astronomia dell’infrarosso – si basa sul rilevamento della radiazione infrarossa (che ha una lunghezza d’onda maggiore della luce rossa). Lo strumento più usato è il telescopio, ottimizzato per tali usi. I telescopi posti in orbita sono utilizzati per evitare il “rumore” delle interferenze elettromagnetiche causate dall’atmosfera.
  • Astronomia dell’ultravioletto – si basa sulla rilevazione della radiazione ultravioletta (che ha una lunghezza d’onda inferiore a quella della luce violetta) esclusivamente tramite telescopi spaziali, dato che la radiazione viene schermata dallo strato di ozono dell’atmosfera terrestre.
  • Radioastronomia – usa degli strumenti completamente differenti per rilevare radiazioni con una lunghezza d’onda che va dal millimetro al centimetro circa. I ricevitori impiegati sono simili agli strumenti utilizzati per trasmettere segnali televisivi o radiofonici. Vedere anche: radiotelescopi.
  • Astronomia a raggi X – è un settore giovanissimo dell’astronomia, essa studia l’emissione di raggi X di molti oggetti del cielo tra cui il Sole.
  • Astronomia a raggi gamma – usa strumenti per rilevare le emissioni gamma dei corpi celesti come ad esempio i Gamma ray burst.
  • L’astronomia ottica e la radioastronomia impiegano osservatori installati a terra, poiché l’atmosfera è trasparente a queste lunghezze d’onda. Gli osservatori astronomici per l’infrarosso vengono costruiti in alta montagna e in luoghi con un clima secco in quanto la luce infrarossa è lievemente assorbita dal vapore acqueo. Comunque il luogo migliore per intercettare la radiazione infrarossa è nello spazio, per cui sono stati costruiti telescopi spaziali.

L’atmosfera blocca i raggi X, i raggi gamma, e i raggi ultravioletti; per questo le osservazioni astronomiche a queste lunghezze d’onda possono essere effettuate solo da palloni atmosferici, dallo spazio o attraverso l’effetto Cherenkov con osservatori posti ad alta quota. Tutte le precedenti discipline sono basate sulla rilevazione di fotoni, ma è possibile ottenere informazioni anche rilevando i raggi cosmici, i neutrini e, nel prossimo futuro, le onde gravitazionali.

Per oggetto di studio

Gli astronomi studiano oggetti come pianeti, stelle, novae, ammassi stellari, galassie, nebulose, ecc. ma nessun astronomo osserva ogni tipo di oggetto. Una differente suddivisione può essere fatta per regioni dello spazio e tematiche correlate:

  • Astronomia galattica
  • Astronomia extragalattica
  • Formazione ed evoluzione delle galassie
  • Formazione stellare
  • Evoluzione stellare
  • Astronomia stellare
  • Astrometria – lo studio della posizione degli oggetti sulla sfera celeste e dei loro movimenti. L’astrometria si occupa inoltre della definizione dei sistemi di riferimento e della cinematica degli oggetti appartenenti alla Via Lattea.
  • Cosmologia – lo studio dell’Universo nel suo insieme, della sua nascita ed evoluzione
  • Esobiologia o Astrobiologia – lo studio della formazione di vita biologica al di fuori del nostro pianeta
  • Planetologia – lo studio dei pianeti del Sistema Solare e le ipotesi sui pianeti extrasolari.

L’astronomia è una delle poche scienze in cui il lavoro di ricerca del dilettante o dell’amatore (l’astrofilo) può giocare un ruolo rilevante, fornendo dati sulle stelle variabili o scoprendo comete, novae, supernovae, asteroidi o altri oggetti.

Studi interdisciplinari

Vi sono altre discipline, inoltre, che, sebbene non possano essere considerate branche dell’astronomia, si interessano di argomenti fortemente correlati con essa. Queste sono:

  • Archeoastronomia – lo studio delle conoscenze astronomiche dei popoli antichi e degli orientamenti architettonici;
  • Astrochimica – lo studio della chimica del mezzo interstellare;
  • Astronomia geodetica – studia la determinazione delle coordinate geografiche dei punti della superficie terrestre indipendentemente da qualunque altro riferimento terrestre;
  • Astronomica nautica – parte dell’astronomia che studia la risoluzione dei problemi di posizione e direzione, in mare o in volo, utilizzando i principi dell’astronomia sferica;
  • Astronomia sferica – lo studio del moto apparente degli astri sulla sfera celeste
  • Astronomia digitale – branca dell’astronomia che studia i metodi, i software e gli strumenti per l’ottenimento di immagini digitali.
  • Astrofotografia – per lo studio e lo sviluppo di metodi per l’ottenimento di immagini astronomiche.
  • Autocostruzione: per lo studio e la progettazione di metodi per l’autocostruzione di telescopi e strumenti per l’astronomia da parte degli astrofili.
  • Astronautica – Coniata dal termine “Aeronautica” si occupa nella costruzione di strumenti utili nell’osservazione, come ad esempio i satelliti, e nell’esplorazione del Cosmo.
  • Fisica astroparticellare – Utilizza conoscenze e metodi di fisica delle particelle (detta anche fisica delle alte energie) per studiare fenomeni celesti estremamente energetici o, viceversa, utilizza la volta celeste ed i fenomeni estremamente energetici che vi si verificano come luogo privilegiato di osservazione per ottenere risultati sul Modello Standard e sulle sue eventuali estensioni.
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