Transcript Cosmologia (Parodi-Ostili-Mochi)

COSMOLOGIE ANTICHE
Il Sistema geocentrico delle sfere celesti
1
Il sistema eliocentrico copernicano
I nove mondi vichinghi
L'universo secondo il pensiero
cosmologico scandinavo
In questo rozzo tentativo di
rappresentazione grafica dell'universo
scandinavo, l'universo è racchiusa in una
sorta di bolla sferica, sostenuta dal
frassino Yggdrasill. Ásgarðr è qui posta in
cima a una montagna al centro del disco di
Miðgarðr, che è a sua volta circondato
dall'anello formato dal serpente
Jörmungandr. Si riconoscono il ponte
Bifröst e, in profondità, i fiumi Élivágar.
Cosmologia sumera
Cosmologia biblica
Cosmologia maya
La nascita della cosmologia moderna
8
La scoperta dell’universo
• Fino al 1921: universo = nostra galassia
• 1921 Hubble scopre (attraverso le Cefeidi)
che alcune “Nebulose” hanno una distanza
di oltre 900000 anni luce e quindi sono
esterne alla nostra galassia il cui diametro è
“solamente” di 100000 anni luce.
EFFETTO DOPPLER
L’AMBULANZA E’ FERMA
FREQUENZA BASE, SUONO
NORMALE
AMBULANZA SI AVVICINA
FREQUENZA MAGGIORE
SUONO PIU’ ACUTO
AMBULANZA SI ALLONTANA
FREQUENZA MINORE SUONO
PIU’ GRAVE
La frequenza della luce emessa aumenta (colore blu)
rispetto ad un osservatore al quale la sorgente si avvicina e
diminuisce (colore rosso) rispetto ad un osservatore
rispetto al quale la sorgente si allontana
Dispersione della luce con un prisma
SPETTROSCOPIA
Schema di uno spettrografo. La luce proveniente dalla lampada
viene suddivisa dal prisma nelle sue componenti di diverso
colore e va a formare nel piano focale della seconda lente
altrettante immagini della fenditura d'ingresso.
Spettri di emissione e spettri di assorbimento
SPETTROSCOPIA
Spettro della luce: colori e frequenze
Spettro a righe
Il “reshift”
Ovvero lo
spostamento delle
righe spettrali
verso la banda
“rossa” dello
spettro luminoso
La distanza delle galassie
Idrogeno
Azoto
Zolfo
“Red shift”
Il redshift
z = v/c = (osservata-laboratorio)/ laboratorio
e quindi v = z x c
(c=299792km/s)
Esempio:
osservata= 6602 A ; laboratorio=6562 A
allora z = 0.00609
v= z x c = 0.00609 x 299792 = 1826 km/s
Legge di Hubble
V=DxH0
H0=75 km/s/Mpc
Ad esempio V=1826km/s  D=1826/75=24.3Mpc
I dati ottenuti da Hubble nel 1929
I dati ottenuti successivamente
Velocità e distanza delle galassie più lontane
Velocità (km/s)
180000
264000
282000
15
12
Z=1.0
Z=0.5
9
6
3
Riga di emissione dell’idrogeno
Questa riga viene emessa a 1216Å. Dato che da terra
vediamo l’emissione spostata a 8300Å possiamo
dedurre che il quasar si allontana a circa il 95% della
velocità della luce.
Età dell’universo
A seconda del valore della costante di Hubble si ottiene una
differente età dell’universo. Infatti, se indichiamo con R la
distanza raggiunta da una galassia al tempo T (relativamente
all’origine dell’universo), con V la sua velocità attuale
(ipotizzando una velocità costante nel tempo) e con H la
costante di Hubble si ha:
R=VxT
V=HxR
(1)
(2)
Sostituendo la (1) nella (12) si ottiene:
V = HVT
da cui:1 = HxT
e quindi
T = 1/H
La determinazione dell'età dell’universo dipende quindi
dal valore di H, ma risulta piuttosto imprecisa in quanto è
difficile la misura della distanza d delle galassie lontane in
modo indipendente dal red-shift.
Il valore di riferimento (anno 2005) è intorno ai 72
km/(sec· Mpc) (72 ± 8) km/(sec· Mpc).
Dalla legge di Hubble si deduce quindi che l’età
dell'Universo é compresa tra
13 e 14 miliardi di anni
Densità critica d* e destino dell’universo
L’evoluzione dell’universo dipende dal valore della sua
densità d , confrontata con un d* valore detto “densità
critica”, circa uguale a 10-27 kg/dm3, ovvero 3 atomi di
idrogeno per metro cubo.
Se d  d* allora l’universo di espanderà per
sempre
Universo Aperto
Se d > d* allora l’universo collasserà infine in un
big crunch
Universo Chiuso
Fisica e geometria (2)
Non c’è più bisogno di postulare una forza
agente a distanza: il corpo di piccola massa si
muove sempre nello stesso modo, ma è lo
spazio stesso ad essere deformato.
La deformazione dello
spazio appare quindi
come l'azione di una
forza che acceleri il
nostro oggetto e ne curvi
la traiettoria. In realtà
non vi è nessuna forza, nel
senso classico del
termine, ma solo un
campo di deformazione
spaziale originato dalla
massa ed estendentesi
all'infinito.
Evoluzione dell’universo e geometria dello spazio-tempo.
Densità minore di d*
universo aperto
curvature negativa
Densità uguale a d*
universo aperto
curvature nulla:
universo euclideo
Densità maggiore di
d* universo chiuso
curvature positiva
“Big crunch”
Il Big Bang
Le varie fasi dell’evoluzione dell’universo dopo il big bang
L’universo si espande e si raffredda, (T0 = 1032 K) attraversando diverse
fasi durante le quali si sono separate le varie interazioni
e si è sviluppata la materia (quark, protoni, neutroni )
Dopo i primi 3 minuti (T < 109 K) l’universo è composto da protoni,
neutroni, nuclei leggeri, elettroni, fotoni, neutrini e materia oscura.
Dopo circa 300.000 anni la radiazione si separa dalla materia e l’universo
diventa “trasparente” ovvero la materia e la radiazione cessano di
trasformarsi l’una nell’altra
Dopo qualche centinaio di milioni di anni la temperatura è scesa sotto i
4000 gradi e si formano i primi atomi, nei miliardi di anni successivi si
formano le prime stelle di prima generazione (200 – 400 milioni di anni) e
le prime galassie.
Le prove sperimentali del “modello standard”
La radiazione cosmica di fondo
CMB (Cosmic Microwave Background)
La radiazione cosmica di fondo è ciò che rimane dei fotoni
primordiali.
Corrisponde ad una temperatura di 2.73 K (spettro di corpo
nero)
Ha molta meno energia di quando è stata emessa a causa
dell’enorme red shift dovuto all’espansione dell’universo (z
dell’ordine di 1000)
Lo spostamento spettrale ha portato la radiazione nello spettro
delle microonde ( = 0.2 cm).
La radiazione è isotropa, (ovvero ci giunge da tutte le direzione
perché il Big Bang è accaduto ovunque !) ed è stata scoperta
casualmente da due astronomi Penzias e Wilson nel 1964.
Mappatura delle fluttuazioni della CMB rilevata dal WMAP della NASA
nel 2001. La radiazione catturata in questa immagine risale a 379000 anni
dopo il Big Bang.
Le disomogeneità che si possono osservare corrispondono alle piccole
disomogeneità nella distribuzione della materia che hanno prodotto le
aggregazioni per attrazione gravitazionale da cui sono nate stelle e
galassie.
Abbondanza degli elementi leggeri
Attraverso il modello standard del Big Bang è possibile
calcolare la concentrazione di Elio 3 e 4, Deuterio e
Litio nell’universo. Le previsioni sono confermate dalle
misure.
Nessuna altra ragione, attualmente riesce a spiegare tali
concentrazioni, se non il Big Bang.
La materia oscura
Prove e natura
Esistono prove indirette dell’esistenza di un tipo
di materia invisibile (la cui massa dovrebbe
addirittura superare quella della materia visibile)
che lega galassie e ammassi di galassie attraverso
l’attrazione gravitazionale.
La natura di questa materia è tuttavia ancora
sconosciuta (neutrini?, particelle sconosciute?)