astronomia

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Vita e morte delle stelle

L'astronomia è una scienza antica, sorta dallo stupore dell'uomo per le luci che animano il cielo. Oggi si propone di capire come nascono, vivono e muoiono le stelle, le galassie, l'intero Universo. Le grandi scoperte dell'ultimo secolo hanno risolto alcuni di questi misteri, ma hanno anche generato nuove domande che continuano a rendere affascinante lo studio del cosmo

Uno spettacolo emozionante

La visione del cielo stellato è uno fra gli spettacoli naturali che ha sempre affascinato gli abitanti della Terra. Si può immaginare la meraviglia e anche lo spavento con cui uomini e donne primitivi accoglievano il buio delle notti e le piccole luci che si accendevano in cielo dopo il tramonto del Sole. Queste luci erano qualcosa di misterioso e restavano quasi immutabili da una sera all'altra, salvo spostarsi tutte insieme sopra la loro testa al passare delle ore e delle stagioni. Ogni tanto il cielo era solcato da una scia luminosa che si accendeva e spariva immediatamente, una di quelle che noi oggi chiamiamo stelle cadenti. C'era poi una palla molto luminosa che cambiava regolarmente la sua forma, la Luna. Alcuni astri, spesso più brillanti degli altri, sembravano mutare nel corso dei mesi la loro luminosità e la loro posizione rispetto alle altre stelle: per questo furono chiamati pianeti, parola che in greco vuol dire "vaganti".

Nell'antichità si pensò che il cielo degli astri fosse il luogo dove vivevano gli dei, gli eroi, i personaggi della mitologia. Questo avveniva in tutti i paesi del mondo e così nacquero racconti bellissimi che riflettevano le varie credenze, soprattutto religiose.

Professione astronomo

Si dice che il mestiere di astronomo sia il più antico del mondo. L'interesse verso il cielo e i suoi fenomeni, infatti, è sempre esistito ed è cresciuto man mano che si sviluppavano l'intelligenza e la curiosità umane. I grandi filosofi del passato spesso erano anche astronomi. Tuttavia, nonostante molti di loro lo avessero già sospettato, solo con Galileo Galilei, circa quattro secoli fa, si capì che la Terra non costituiva tutto l'Universo e che le pallide luci che si accendono in cielo al calar della notte sono altri mondi, più o meno lontani dalla Terra.

Con il progresso degli studi astronomici si è scoperto poi che le stelle sono grandi sfere di gas incandescente e che il Sole è una fra queste: esso brilla molto di più perché è vicino, mentre le altre stelle sono lontane. Si capì anche che i pianeti sono corpi molto più piccoli delle stelle e che la Terra è uno fra essi. I pianeti girano intorno al Sole a distanze diverse, sono relativamente freddi e quindi emettono luce e brillano solo perché riflettono la luce solare.

Strumenti di osservazione sempre più potenti

In circa quattrocento anni ‒ il tempo trascorso dalle scoperte astronomiche di Galileo ‒ lo studio del cielo ha fatto passi da gigante grazie a strumenti sempre più grandi e potenti. Il cannocchiale di Galileo aveva una lente del diametro di pochi centimetri, mentre oggi gli astronomi utilizzano telescopi provvisti non di lenti, ma di specchi che hanno la stessa capacità di concentrare la luce degli astri. Questi grandi strumenti sono collocati in luoghi lontani dalle città, spesso su montagne desertiche dove non ci sono luci che disturbano le osservazioni. Per esempio, gli astronomi italiani si servono di telescopi che si trovano in Cile sulle Ande, in Arizona e sulle montagne delle Isole Canarie. Così, per poterli utilizzare, gli astronomi devono fare spesso lunghi viaggi di uno o più giorni in aereo. Con questi strumenti enormi osservano fenomeni che avvengono lontano nell'Universo e realizzano nuove scoperte su stelle e pianeti.

Il Sole è la nostra stella

Come già detto, il Sole è una enorme palla formata da gas molto caldi che tendono a espandersi nello spazio circostante. È facile rendersene conto: basta bucare la gomma di una bicicletta e osservare l'aria che se ne va via rapidamente. Ma i gas sono anche fatti di atomi che si attraggono fra loro per via della forza di gravità. Nel Sole queste due tendenze ‒ da un lato quella di espandersi, dall'altro di contrarsi per via dell'attrazione fra atomi ‒ si equilibrano. Il Sole è molto grande e potrebbe contenere al suo interno la Terra un milione di volte. La sua superficie ha una temperatura di circa 6.000 °C ma, qua e là, ci sono alcune regioni meno calde che di conseguenza appaiono, per contrasto, come oscure: sono le cosiddette macchie solari. È proprio dal Sole che la Terra riceve la luce e il calore necessari per far vivere animali e piante. Il Sole, infatti, non si limita a riscaldare direttamente noi e il nostro pianeta: se siamo su di una spiaggia, di notte, quando il Sole non c'è, e lo sostituiamo con un bel fuoco di legna con cui ci scaldiamo, cuociamo il cibo e facciamo luce nel buio, dobbiamo comunque ricordarci che gli alberi da cui proviene quella legna non avrebbero potuto crescere senza la nostra stella!

Il motore del Sole

Da dove viene il calore solare? Gli astronomi hanno calcolato che il Sole si raffredderebbe in circa dieci milioni di anni se all'interno non ci fosse qualcosa che lo mantenesse caldo, una specie di caldaia. Sembra un tempo abbastanza lungo ma noi, grazie ai fossili, sappiamo che la Terra era riscaldata dal Sole già oltre un miliardo di anni fa. Si è scoperto che a mantenere caldo il Sole sono processi simili a quelli che si verificano nelle bombe nucleari, dove i nuclei atomici semplici si trasformano in nuclei più complessi. Al centro del Sole l'idrogeno si trasforma in elio e così si produce energia. Le bombe nucleari lo fanno in modo rapidissimo ed esplosivo, mentre nella nostra stella la reazione nucleare avviene lentamente, in modo controllato e non provoca disastri. Il processo alimenta in questo modo il Sole da circa quattro miliardi di anni.

La luce viaggia rapidissima, alla velocità di 300.000 km/s, e impiega otto minuti circa per arrivare dal Sole alla Terra. Per questa ragione gli astronomi dicono che il Sole è lontano da noi otto minuti-luce. Nello stesso modo diamo abitualmente indicazioni tutti noi, quando qualcuno ci chiede quanto è lontana una certa città: per esempio rispondiamo che Milano è lontana da Roma cinque ore, intendendo dire che il treno o un'automobile impiegano circa cinque ore per andare da una città all'altra.

Il Sole vivrà ancora così per altri quattro o cinque miliardi di anni. Poi si trasformerà completamente e diventerà molto più grande arrivando probabilmente a inghiottire la Terra. Gli astronomi hanno comunque scoperto che anche ora dal Sole sfugge continuamente un po' di gas, formando una specie di vento chiamato vento solare.

Il sistema solare

La Terra e altri otto pianeti‒ Mercurio, Venere, Marte, Giove, Saturno, Urano, Nettuno e Plutone ‒ girano intorno al Sole e ne riflettono la luce.

I pianeti del Sistema Solare possiedono caratteristiche diverse. Alcuni, come Mercurio, Venere, la Terra e Marte, hanno una crosta solida. Altri, per esempio Giove e Saturno, sono invece liquidi e avvolti da una spessa atmosfera gassosa alta migliaia di chilometri: un'astronave che volesse scendere sulla loro superficie finirebbe con l'affondare. I pianeti liquidi sono anche i più grandi: Giove e Saturno potrebbero contenere al loro interno circa mille volte la Terra. Spesso i pianeti hanno intorno a sé un corteo più o meno numeroso di satelliti, detti anche lune. Mercurio e Venere non hanno satelliti naturali, la Terra ne ha uno solo, ma Giove e Saturno ne hanno tanti, circa una ventina.

Recentemente gli astronomi si sono accorti che, al di là di Plutone, esistono piccoli pianeti, anch'essi orbitanti intorno al Sole. A uno di questi è stato dato il nome di Sedna. Ancora più lontano sembra ci sia una nube di gas e polveri, un residuo di quella enorme da cui si sono formati il Sole e i pianeti. Da essa ogni tanto si staccano alcuni pezzi che si mettono a girare intorno al Sole, le comete.

La luce delle stelle ...

In un luogo buio, lontano dalla luce della città, i nostri occhi possono distinguere in cielo circa 3.000 stelle. Purtroppo questo spettacolo è ormai privilegio molto raro, perché quasi ovunque si registrano le conseguenze negative di quello che viene chiamato 'inquinamento luminoso'. Con il suo primitivo cannocchiale Galileo vide che esistevano tantissime stelle, invisibili a occhio nudo. Le più vicine distano da noi alcuni anni-luce (un anno-luce equivale a circa diecimila miliardi di chilometri!). Quando si guarda il cielo, si vede che le stelle risplendono in modo diverso. Questo dipende da due cause: da un lato la distanza, per cui le più lontane ci appaiono necessariamente meno luminose; dall'altro l'effettiva quantità di luce che emanano. Alcune stelle emanano poca luce, mentre altre arrivano a emetterne fino a 100.000 volte più del Sole.

… e il loro colore

Anche i colori delle stelle sono diversi: ce ne sono di rosse, di gialle come il Sole, di azzurre e così via. Hanno colori diversi perché non sono tutte ugualmente calde. Lo stesso fenomeno accade con la serpentina di un fornello elettrico: agli inizi ci appare scura, poi diventa rossa, poi gialla e infine bianca quando è incandescente. Dal colore delle stelle gli astronomi possono dedurre la loro temperatura. Osservando poi la luce degli astri con uno strumento speciale chiamato spettroscopio, gli astronomi possono decomporla e creare una sorta di arcobaleno solcato da righe oscure che sono un po' come le impronte digitali dei vari atomi che compongono le stelle. In questo modo si è capito che tutte le stelle sono costituite dello stesso tipo di materia, ossia da elementi chimici presenti anche sulla Terra.

Come nascono le stelle

Le stelle nascono e muoiono nello spazio continuamente, ma la loro vita è così lunga rispetto a quella umana che esse appaiono immutabili. Quando le guardiamo dobbiamo ricordarci non solo che si trovano a distanze diverse, ma anche che hanno età diverse.

Per esempio, abbiamo già detto che il nostro Sole ha un'età di circa quattro miliardi di anni, mentre Vega, l'astro più brillante del cielo estivo, è nata invece 'soltanto' 400 milioni di anni fa.

Tutte le stelle nascono perché, nello spazio circostante, ci sono nubi di gas freddo sparse qua e là. Qui il gas può condensarsi e riscaldarsi formando una nuova stella. Per farla nascere serve circa un milione di anni, e osservazioni degli ultimi tempi hanno indicato che, spesso, accanto alle stelle nascono i pianeti.

Le nane bianche

Le stelle hanno un'esistenza di durata diversa, a seconda della quantità di materia che contengono. Quelle come il Sole vivono in tutto circa dieci miliardi di anni; quelle più massicce splendono invece soltanto per alcuni milioni di anni. In tutti i casi esse brillano perché al loro interno avvengono reazioni nucleari che forniscono l'energia per mantenerle calde. Quando queste reazioni si esauriscono, buona parte delle stelle muore espandendosi nello spazio circostante. Resta al centro un nocciolo piccolo e molto denso grande all'incirca come la Terra: sono le cosiddette nane bianche. La densità di questi corpi celesti è così elevata che un cucchiaio della loro materia stellare peserebbe sulla Terra circa una tonnellata. Fra quattro o cinque miliardi di anni, dunque, anche il Sole diventerà una nana bianca.

Supernove, stelle di neutroni e buchi neri

Le stelle molto più massicce del Sole finiscono invece con l'esplodere. Si tratta di un fenomeno violentissimo che, per qualche mese, rende l'astro miliardi di volte più luminoso del normale e addirittura può essere visto in pieno giorno. Gli astronomi hanno chiamato questo fenomeno supernova. Quando si verifica, la parte esterna delle stelle viene rigettata nello spazio, mentre il nocciolo centrale diventa grande solo pochi chilometri e con una densità difficilmente immaginabile: un cucchiaio di materia peserebbe sulla Terra un miliardo di tonnellate! Questi astri diventano stelle di neutroni oppure buchi neri. Nel primo caso ruotano su sé stessi e, osservandoli, si constata che si accendono e si spengono rapidamente, come se fossero un faro. I buchi neri, invece, non si possono vedere direttamente perché hanno un'enorme forza di gravità che impedisce alla luce di uscire; per questo sono detti neri, ma gli astronomi sono sicuri della loro esistenza perché hanno osservatoto la materia cadervi dentro. Niente può sfuggire all'attrazione esercitata da un buco nero.

La Via Lattea

Intorno a noi ci sono circa cento miliardi di stelle disposte in un disco largo circa 100.000 anni-luce e piuttosto sottile (alcune centinaia di anni-luce). Il Sole e i pianeti non sono al centro del disco, ma verso la periferia. Questa disposizione fa sì che le stelle sembrano infittirsi in cielo lungo una striscia chiamata Via Lattea dove nasce una nuova stella ogni mese. Oltre a cento miliardi di comuni stelle, il disco contiene molte nubi di gas diffuso, dieci miliardi di nane bianche, centinaia di milioni di stelle di neutroni e molti milioni di buchi neri. Nei vasti spazi interstellari vi sono i luoghi dove le stelle nascono (le nubi di gas) e i 'cadaveri' di stelle vissute precedentemente. La Via Lattea viene indicata anche come Galassia. Essa è simile a una ruota che gira: per fare un solo giro impiega circa 250 milioni di anni. Da quando è nata, circa tredici miliardi di anni fa, ha percorso solo alcune decine di giri.

Uno sguardo al passato

Circa un secolo fa, quando i telescopi più potenti avevano un diametro massimo di circa un metro, si pensava che l'Universo consistesse solo della nostra Galassia. Intorno al 1925, la costruzione del telescopio di Monte Wilson (2,50 m di diametro) permise di scoprire che di galassie, invece, ce ne sono tantissime, molto lontane da noi.

Una delle più belle vicino a noi è quella di Andromeda, la prima a essere stata identificata. Basta individuarne la posizione su una carta del cielo per osservarla con un buon binocolo o, addirittura, a occhio nudo. Naturalmente in questo modo si vede soltanto una debole nuvoletta biancastra e non si capisce che si tratta di un'intera galassia come la nostra. Guardandola, bisogna pensare che la luce che riceviamo oggi è partita circa due milioni di anni fa e quindi è un po' come se ricevessimo una lettera che qualcuno ci ha scritto tempo prima, dicendoci, tanto per fare un esempio, di avere il raffreddore. Mentre leggiamo il messaggio, il raffreddore è probabilmente passato o è diventato influenza: non possiamo saperlo con quella lettera. La luce delle galassie lontane ci permette quindi di studiarne il passato.

Galassie nell'Universo

Il mondo delle galassie (gli astronomi ne contano in tutto circa cento miliardi) è ancora in parte ignoto. Si è scoperto che molte esplodono violentemente nelle regioni centrali, ma perché questo accada non è ancora chiaro. Le esplosioni più luminose prendono il nome di quasar. Inoltre si è scoperto che le immagini che otteniamo delle galassie non rivelano completamente la loro natura: alcune sembrano contenere molta materia invisibile che le circonda, ben oltre le loro dimensioni visibili. Gli scienziati cercano di capire la natura di questa materia, chiamata materia oscura, ma finora senza risultati. Infine, tutte le galassie sembrano fuggire le une dalle altre, come se fossero schegge di un'esplosione. Questo potrebbe indicare che l'Universo sia nato con un immenso scoppio e gli scienziati hanno individuato anche una debole luce che permea l'Universo e che potrebbe essere il 'lampo luminoso' provocato dallo scoppio.

Come è nato l'Universo

Secondo questa teoria, circa tredici miliardi di anni fa c'è stato un big bang, espressione che in inglese significa "grande scoppio". Inizialmente c'era qualche cosa di infinitamente caldo e denso che poi esplose e la materia cominciò a espandersi velocemente in tutte le direzioni, raffreddandosi man mano. Ci vollero circa 300.000 anni prima che si formassero gli atomi a partire dalla materia iniziale. Soltanto molto più tardi, dopo alcune centinaia di milioni di anni, cominciarono a nascere le prime stelle e a formarsi le prime galassie.

I telescopi costruiti negli ultimi anni sono estremamente potenti e grazie a essi si possono osservare galassie lontanissime, nate agli inizi dell'Universo. Gli studi degli astronomi, quindi, potranno presto illuminarci su come il cosmo di allora era diverso da quello attuale. Forse anche alcuni fra i lettori di questo breve resoconto sull'astronomia di oggi potranno scoprire qualcosa sul passato, il presente e il futuro dell'Universo.