L'origine dell'universo
Quando in una notte serena, magari dalle Dolomiti o da una spiaggia della Sardegna, alzi gli occhi al cielo, la luce di ogni stella che vedi è partita anni, secoli o milioni di anni fa: guardare lontano significa guardare nel passato. Ma se andiamo indietro abbastanza, che cosa troviamo? Come è cominciato tutto?
Il modello del Big Bang
Gli astronomi hanno osservato che la luce delle galassie lontane è spostata verso il rosso, cioè verso lunghezze d'onda maggiori (la luce di una sorgente che si allontana si «allunga» verso il rosso, come la sirena di un'ambulanza che si allontana diventa più grave; lo vedremo meglio nella sezione successiva), e che l'effetto è tanto maggiore quanto più la galassia è distante: quasi tutte le galassie si stanno allontanando le une dalle altre. Come si spiega?
Spiega in che cosa consiste la teoria del Big Bang e indica quanto tempo fa, approssimativamente, si colloca l'origine dell'universo.
Spiega in che cosa consiste la teoria del Big Bang e indica quanto tempo fa, approssimativamente, si colloca l'origine dell'universo.
Cita due prove a sostegno della teoria del Big Bang e spiega brevemente ciascuna.
Cita due prove a sostegno della teoria del Big Bang e spiega brevemente ciascuna.
L'espansione dell'universo: legge di Hubble e redshift
Per capirlo, immagina un palloncino con dei puntini disegnati sulla superficie (le galassie). Gonfiandolo, ogni puntino si allontana da tutti gli altri, e più sono distanti, più l'allontanamento è rapido. Nessun puntino è «il centro»: la superficie si dilata uniformemente.
Hubble osservò che la luce delle galassie lontane si sposta verso il rosso. Spiega che cos'è il redshift (spostamento verso il rosso) e quale conclusione sull'universo…
Hubble osservò che la luce delle galassie lontane si sposta verso il rosso. Spiega che cos'è il redshift (spostamento verso il rosso) e quale conclusione sull'universo si ricava da questa osservazione.
Un compagno di classe afferma: «Poiché dalla Terra osserviamo che quasi tutte le galassie si allontanano da noi in qualsiasi direzione, la Via Lattea deve occupare…
Un compagno di classe afferma: «Poiché dalla Terra osserviamo che quasi tutte le galassie si allontanano da noi in qualsiasi direzione, la Via Lattea deve occupare l'esatto centro fisico dell'universo dove è avvenuto il Big Bang».
- a) Servendoti dell'analogia della superficie di un palloncino con dei puntini disegnati che viene gonfiato, confuta la sua affermazione: deduci che cosa osserverebbe un astronomo situato in una qualsiasi delle altre galassie.
- b) Individua un'importante limitazione di questa analogia: spiega perché collocare il Big Bang nel «centro interno vuoto» del palloncino è un errore concettuale sull'espansione dello spazio.
Galassie, stelle ed elementi chimici
Come nasce il sistema solare
Il Sole e i suoi pianeti si formarono circa 4,6 miliardi di anni fa da una grande nube di gas e polveri (una nebulosa), arricchita dagli elementi pesanti prodotti da stelle precedenti. Le fasi sono queste:
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La nebulosa collassa per effetto della gravità, magari scossa dall'esplosione di una stella vicina, e comincia a ruotare.
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Rotando si schiaccia in un disco (disco protoplanetario), mentre la maggior parte della materia si concentra al centro.
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Al centro la temperatura e la pressione diventano così alte da innescare la fusione dell'idrogeno: nasce il Sole.
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Nel disco i granelli di polvere si urtano e si uniscono in corpi sempre più grandi (planetesimi), che si aggregano fino a formare i pianeti; i resti sono asteroidi e comete.
Descrivi le principali fasi della formazione del sistema solare a partire da una nebulosa: collasso della nube di gas e polveri, formazione del Sole al centro e disco…
Descrivi le principali fasi della formazione del sistema solare a partire da una nebulosa: collasso della nube di gas e polveri, formazione del Sole al centro e disco protoplanetario.
Il divulgatore Carl Sagan rese popolare la frase «siamo polvere di stelle». Analizza la provenienza degli atomi del tuo corpo a partire da questi dati: l'idrogeno…
Il divulgatore Carl Sagan rese popolare la frase «siamo polvere di stelle». Analizza la provenienza degli atomi del tuo corpo a partire da questi dati: l'idrogeno rappresenta circa il $62\,\%$ del totale degli atomi, l'ossigeno il $24\,\%$, il carbonio il $12\,\%$ e il ferro un $0,001\,\%$ (essenziale nell'emoglobina per trasportare l'ossigeno).
- a) Giustifica perché il carbonio, l'ossigeno e il ferro hanno dovuto formarsi all'interno o nella morte di stelle precedenti e non durante il Big Bang.
- b) Deduci perché attorno alle stelle di prima generazione (Popolazione III, formate poco dopo il Big Bang unicamente da idrogeno ed elio) era impossibile che esistessero pianeti rocciosi con vita come il nostro.
Le prove del Big Bang
Che cos'è la radiazione cosmica di fondo a microonde? Spiega perché la sua rilevazione è considerata una prova fondamentale del Big Bang.
Che cos'è la radiazione cosmica di fondo a microonde? Spiega perché la sua rilevazione è considerata una prova fondamentale del Big Bang.
La cronologia cosmica
Per ottenere la data nel calendario cosmico basta una proporzione: il tempo trascorso dal Big Bang va diviso per 13,8 miliardi e moltiplicato per 365 giorni. Attenzione: la Terra si formò 4,6 miliardi di anni fa, quindi dal Big Bang erano trascorsi 13,8 − 4,6 = 9,2 miliardi di anni. Calcolo: $\frac{9{,}2}{13{,}8}\cdot 365 \approx 243$ giorni. Contando i giorni mese per mese (31+28+31+30+31+30+31+31 = 243), il 243° giorno dell'anno è il 31 agosto: la Terra si forma quindi verso la fine di agosto, intorno al 31 agosto. La vita primitiva (3,8 miliardi di anni fa) si colloca a $\frac{10}{13{,}8}\cdot 365 \approx 264$ giorni dall'inizio, cioè verso il 21 settembre. Per l'esercizio sul genere umano usa la stessa proporzione, ricordando che 1 giorno = 24 ore.
Nella figura qui sopra gli eventi sono: Big Bang, formazione del Sole e della Terra (quasi contemporanei, circa 4,6 miliardi di anni fa) e comparsa della vita. Nell'esercizio con le lettere A-D, Sole e Terra sono due eventi distinti ma vicini nel tempo. Per riconoscere ogni evento, ordinali dal più antico (il Big Bang) al più recente (la comparsa della vita) usando le date in miliardi di anni fa: Big Bang 13,8; Sole e Terra circa 4,6; vita circa 3,8.
Osserva la linea del tempo dell'universo (non in scala): le lettere A, B, C e D indicano quattro eventi — Big Bang, formazione del Sole, formazione della Terra e…
Osserva la linea del tempo dell'universo (non in scala): le lettere A, B, C e D indicano quattro eventi — Big Bang, formazione del Sole, formazione della Terra e comparsa della vita — senza indicare quale sia quale. Identifica quale evento corrisponde a ciascuna lettera, ordinali dal più antico al più recente e indica quanto tempo fa è avvenuto ciascuno, approssimativamente.
Nel «calendario cosmico», i $13\,800$ milioni di anni dell'universo vengono condensati in un solo anno di 365 giorni (il 1° gennaio alle 00:00 è il Big Bang e il 31…
Nel «calendario cosmico», i $13\,800$ milioni di anni dell'universo vengono condensati in un solo anno di 365 giorni (il 1° gennaio alle 00:00 è il Big Bang e il 31 dicembre alle 24:00 è il momento presente).
- a) Calcola in quale data approssimativa (mese e giorno) si formò la Terra ($4\,600$ milioni di anni fa) e in quale data e ora approssimative comparve il genere umano (Homo, circa $2,8$ milioni di anni fa). Mostra i calcoli.
- b) Alla luce di questi risultati, confuta l'argomento antropocentrico secondo cui l'universo esiste con lo scopo principale di ospitare la specie umana, confrontando la frazione di tempo occupata dalla nostra esistenza con quella del cosmo.
Torniamo all'inizio: se guardare lontano è guardare nel passato, la luce più antica che possiamo osservare è la radiazione cosmica di fondo, che ci mostra l'universo com'era solo 380.000 anni dopo il Big Bang.