Astronomia
Lezione 14/10/2016
Docente: Alessandro Melchiorri
e.mail: alessandro.melchiorri@roma1.infn.it Sito web per le slides delle lezioni:
oberon.roma1.infn.it/alessandro/astro2016
Libri di testo consigliati:
●
Universe, R. Freedman, w. Kaufmann, W.H.Freeman and Co., New York
●
An introduction to modern astrophysics, B. W. Carroll, D. A. Ostlie, Addison Wesley
Astronomia
Lezione 14/10/2016
Pianeti del Sistema Solare
I Pianeti Gioviani
Saturno
Saturno
Anche Saturno, come Giove, mostra delle bande piu’ scure e bande più chiare ma
in modo meno marcato. Questo è dovuto alla differente composizione dell’atmosfera.
Saturno ha una densità minore di quella dell’acqua.
Al contrario di Giove non mostra grandi quantità di Elio nell’atmosfera.
Si pensa che l’Elio ci sia comunque ma negli strati piu’ bassi e non visibili.
Si dovrebbero formarsi come delle gocce di Elio che vanno a depositarsi più
in basso. La frizione delle gocce con l’atmosfera sarebbe responsabile dell’emissione di saturno (Saturno emette il doppio della radiazione che riceve).
Sonda Cassini-Huygens
Cassini–Huygens è una missione robotica interplanetaria congiunta NASA/ESA/ASI, lanciata il 15 ottobre 1997 con il compito di studiare il sistema di Saturno, comprese le sue lune e i suoi anelli. La sonda si compone di due elementi: l'orbiter Cassini della NASA e il lander Huygens dell’ESA. Huygens e’ atterrato su Titano nel 2005, Cassini si prevede terminerà nel 2027 i suoi flyby su Saturno.
Alta 7 metri e larga 4, questa sonda da 6 tonnellate (orbiter, sonda Huygens e propellente compreso) è dotata di un'antenna parabolica larga poco meno di 4 metri, un'asta-magnetometro lunga 13 metri, 22.000 connessioni elettriche, 12 chilometri di cavi elettrici, 82 unità di riscaldamento a radioisotopi, 16 motori di assetto ("thrusters") a idrazina, Cassini è stata l'ultima delle "grandi" missioni spaziali della NASA. Ne ha tutte le caratteristiche tipiche: grandi dimensioni, grande abbondanza di
apparecchiature, lungo tempo di sviluppo e costo elevatissimo: circa 5 miliardi di dollari, comprensivi delle operazioni durante la vita della sonda. Dopo lo sviluppo della sonda Cassini, la NASA passò alla filosofia faster, better, cheaper (più veloce,
migliore, più economico), con alterni risultati.
Al momento del lancio, i generatori atomici della sonda Cassini provocarono numerose polemiche da parte di ambientalisti che sottolineavano il rischio di contaminazione ambientale in caso di incidente. I generatori atomici della sonda Cassini sono unità RTG passive: non hanno reattori
atomici, ma sfruttano semplicemente il calore
prodotto dal decadimento radioattivo di una piccola quantità di plutonio per produrre corrente elettrica.
Esagono al polo nord di Saturno
L'esagono di Saturno è uno schema nuvoloso persistente di forma esagonale al polo nord di Saturno, sito a circa 78°N.
I lati dell'esagono sono lunghi circa 13.800 km (8600 mi), il che è più del diametro della Terra.
L'esagono ruota con un periodo di 10h 39m 24s, lo stesso
periodo dell'emissione radio interna del pianeta. Tuttavia, l'esagono non si sposta
longitudinalmente come le altre nuvole nell'atmosfera visibile.
Il polo sud di Saturno non mostra un esagono, secondo le
osservazioni del Telescopio spaziale Hubble. Però ha un vortice, così come c'è un vortice nell'esagono del polo nord
L'atmosfera di Saturno mostra bande simili a quelle di Giove, ma molto più deboli e più larghe vicino all'equatore. Le formazioni
atmosferiche (macchie, nubi) sono così deboli da non essere mai state osservate prima
dell'arrivo delle sonde Voyager. Da allora i telescopi a terra e in orbita sono migliorati al punto da poter condurre regolari osservazioni delle caratteristiche atmosferiche di Saturno.
Una sostanziale differenza fra le atmosfere di Giove e Saturno è la presenza di bande chiare e scure, specialmente presso l'equatore, molto evidenti nel primo ma estremamente soffuse e poco contrastate nell'altro. Il motivo è un più spesso strato di foschia che sovrasta la parte dell'alta atmosfera di Saturno, probabilmente causata dalla minore temperatura (130 K nell'alta atmosfera), che favorisce la
formazione di nubi ad una profondità maggiore rispetto a Giove. Ciò nonostante l'atmosfera saturniana è percorsa da venti fortissimi, che soffiano fino a 1800 km/h presso l'equatore.
Sono state trovate tempeste di forma ovale dalla lunga vita e molto simili a quelle di Giove.
La foto mostra una tempesta (Grande Macchia Bianca) su Saturno presa dalla sonda Cassini nel 2010.
Anelli di Saturno
Notati da Galileo come una protuberanza che appariva e spariva.
Huygens propone che Saturno sia circondato da un sottile anello.
Anelli di Saturno
Anelli di Saturno
Vengono suddivisi in anelli A, B e C. L’anello C e’ difficile da vedere. Tra A e B c’e’ una fessura detta divisione di Cassini di circa 4500 km.
Fino al 2025 vedremo gli anelli da Terra così (dall’alto).
Limite di Roche e Formazione degli
Anelli
Anelli di Saturno
La missione Cassini ha Rivelato che ogni zona e’
In realtà formata da molti Piccoli anelli.
Nella zona A vi e’ una fenditura detta di Encke.
E’ stato scoperto anche un anello più esterno
di soli 100 km di diametro detto anello F.
Maggiore concentrazione di particelle, più
l’anello riflette.
Anelli di Saturno
In questa foto e’ possibile
vedere gli effetti gravitazionali del satellite prometeo sugli anelli più esterni.
Altri anelli
Si sono osservati anelli più interni (D) e anche più esterni (G ed E).
Il satellite Encelado e’ nell’orbita dell’anello E e si suppone che l’anello stesso sia prodotto dall’attività vulcanica di questo satellite.
Satelliti Pastori
Titano
Titano è il più grande satellite
naturale del pianeta Saturno ed uno dei corpi rocciosi più massicci
dell'intero sistema solare; supera in dimensioni il pianeta Mercurio, per
dimensioni e massa è il secondo satellite del sistema solare dopo Ganimede. Si tratta inoltre dell'unico satellite in
possesso di una densa atmosfera, che in passato ha impedito uno studio dettagliato della sua superficie dalla Terra. Con
la missione spaziale Cassini-Huygens è stato possibile studiare l'oggetto da
distanza ravvicinata ed il lander Huygens è atterrato con successo sul suolo titaniano.
L'atmosfera titaniana appare ricca
di metano e la temperatura superficiale media è molto vicina al punto triplo del metano dove possono coesistere le
forme liquida, solida e gassosa di questo idrocarburo.
Titano
Atmosfera di azoto e con piogge di metano.
Lago di metano (Kraken) al polo grande quanto il mar caspio.
Altri satelliti di saturno
Encelado
Fino al passaggio delle due sonde Voyager, all'inizio degli anni 1980, le caratteristiche di questo corpo celeste erano poco conosciute, a parte l'identificazione di ghiaccio d'acqua sulla superficie. Le sonde hanno mostrato che questo satellite ha un diametro di soli 500 km e riflette quasi il 100% della luce solare
La sonda Cassini a metà degli anni 2000 ha effettuato diversi sorvoli ravvicinati nel 2005, rivelando dettagli della superficie e dell'ambiente. In particolare la sonda ha scoperto un pennacchio ricco d'acqua che si erge nella regione polare sud. Questa scoperta, indica che Encelado è attualmente geologicamente attivo. Encelado è uno dei tre corpi celesti del sistema solare esterno (assieme alla luna Io di Giove e la luna Tritone di Nettuno) dove sono state osservate delle eruzioni attive. Le analisi dei gas emessi suggeriscono che siano stati generati da acqua liquida situata sotto la superficie. Assieme alle analisi chimiche del pennacchio, queste scoperte hanno alimentato le ipotesi che Encelado sia un importante soggetto di studio nel campo dell'astrobiologia.
Inoltre è stato suggerito che Encelado sia la fonte dei materiali dell'anello E.
Il 14 luglio 2005 il Composite Infrared
Spectrometer (CIRS) ha rilevato una regione calda vicino al polo sud, con temperature attorno agli 85-90 K e delle piccole aree che
raggiungevano i 157 K (!). Queste temperature sono troppo elevate per essere causate dal riscaldamento solare, quindi alcune zone della regione polare sono riscaldate dall'interno del satellite.
Il meccanismo che riscalda queste zone non e’ ancora chiaro.
Mimas
Mimas è uno dei principali satelliti naturali di Saturno. Con un diametro di 396 chilometri è il settimo satellite di Saturno e il ventunesimo del sistema solare per dimensione. Mimas è il corpo celeste più piccolo che si conosca ad avere forma sferica a causa del proprio campo di gravità.
Mimas è la più interna delle lune principali di Saturno: ha un semiasse maggiore di 185 539 km. Il suo periodo orbitale è pari a 0,942 giorni.
Come la maggior parte delle lune di Saturno è in rotazione sincrona e volge quindi lo stesso emisfero verso Saturno.
Mimas è responsabile della mancanza di materiale nella divisione di Cassini, poiché eventuali particelle che si trovassero ad orbitare in tale regione presenterebbero una risonanza orbitale 2:1 con esso (ovvero due rivoluzioni delle particelle corrisponderebbero esattamente a una
rivoluzione di Mimas attorno a Saturno). La ripetizione periodica
dell'influenza gravitazionale di Mimas porterebbe entro breve tempo ad una modifica dei parametri orbitali di tali particelle. Mimas è anche in risonanza 2:1 con Teti,e in risonanza 2:3 con la piccola luna pastore dell'anello F, Pandora.
La bassa densità di Mimas (1,17 volte quella dell'acqua) indica che è
composto soprattutto da ghiaccio d'acqua, con solo una piccola quantità di roccia. A causa dell'attrazione mareale esercitata da Saturno, la forma di Mimas è quella di un ellissoide avente un asse maggiore circa il 10% più lungo di quello minore.
La caratteristica più distintiva della sua superficie è un colossale cratere di impatto di 140 km di diametro, battezzato Herschel in omaggio allo
scopritore di Mimas.
Cratere Herschel
Teti
Teti è un corpo ghiacciato di densità pari 0.97 g/cm³, il che indica che è composto quasi interamente di ghiaccio d'acqua. La
superficie di Teti è fortemente caratterizzata e contiene numerose crepe causate dalle fratture nel ghiaccio.
Su Teti sono presenti due tipi di terreni, uno composto da regioni con molti crateri e l'altro di colore scuro e contenente una cintura leggermente craterizzata che si estende attorno alla luna. Questa seconda regione indica che Teti fu internamente attiva nel
passato.
L'emisfero occidentale di Teti è dominato da un enorme cratere da impatto chiamato Odysseus, il cui diametro di 400 km è circa 2/5 di Teti stesso. Questo cratere è quasi piatto (o, più
precisamente, conforme alla forma sferica del satellite).
La seconda struttura principale del satellite è un'enorme valle chiamata Ithaca Chasma.
Questa puo’ essersi formata o per rottura della crosta quando l’acqua del mantello si e’ solidificata o all’epoca dell’impatto che ha formato Odysseus.
La temperatura superficiale è di circa -187 °C. Nei punti di
Lagrange L4 e L5 di Teti sono presenti le lune co-orbitali Telesto e Calipso
Cratere Odysseus
Ithaca Chasma
Dione
Dione è composto principalmente di ghiaccio
d'acqua.Infatti nasconde un'oceano di acqua a una
profondita' di circa 100km . Ma trattandosi del più denso fra i satelliti naturali di Saturno (a parte Titano) si ritiene
comunemente che al suo interno sia presente una quantità considerevole di materiale più denso, come ad esempio silicati, che costituiscono circa un terzo della massa del satellite.
Dione e’ caratterizzato da una chiara divisione fra l'emisfero anteriore e quello posteriore. L'emisfero anteriore di Dione è pesantemente craterizzato ed
uniformemente brillante; l'emisfero posteriore, al contrario, presenta un aspetto peculiare, essendo caratterizzato da una rete di brillanti e sottili striature su sfondo scuro che si sovrappone ai crateri, indicando che si tratta di una
formazione geologica più recente. Si tratta in verità di dirupi di ghiaccio.
In passato l'emisfero posteriore di Dione è stato oggetto di un pesante bombardamento meteorico, che ha generato numerosi crateri più grandi di 100 km di diametro; al contrario, l'emisfero anteriore presenta crateri nell'ordine dei 30 km di diametro. Il dato contrasta con le previsioni dei planetologi; Eugene Shoemaker e Wolfe avevano avanzato un modello di craterizzazione per un satellite in rotazione sincrona che indicava un maggior tasso di craterizzazione per l'emisfero anteriore. La peculiarità della distribuzione dei crateri su Dione potrebbe suggerire che, durante il periodo di maggior bombardamento, l'oggetto presentasse un diverso emisfero anteriore;
trattandosi di un corpo di dimensioni ridotte, qualsiasi impatto in grado di provocare un cratere di 35 chilometri avrebbe potuto causarne una rotazione, e dato l'alto numero di crateri di dimensioni simili Dione potrebbe essere stato soggetto più volte a rotazioni cataclismatiche nel corso delle prime fasi di vita del sistema solare.
Prima del fly-by effettuato dalla sonda spaziale Cassini il 13 dicembre 2004 l'origine del sottile materiale brillante che caratterizza la superficie di Dione era ignota, anche perché le uniche fotografie disponibili erano state scattate da grande distanza.
Tutto ciò che si sapeva era che il materiale
presentava un'elevata albedo, e consisteva di uno strato abbastanza sottile da non oscurare la
superficie sottostante. Una teoria comunemente accettata prevedeva che poco dopo la sua
formazione Dione fosse geologicamente attivo, e che tramite qualche processo, forse di natura
criovulcanica, del materiale proveniente dall'interno potesse essere riemerso in superficie; le strisce si sarebbero dunque formate in seguito ad eruzioni lungo le fessure che precipitarono sulla superficie sotto forma di neve o cenere. Più tardi, quando l'attività interna cessò, la formazione dei crateri si concentrò principalmente sull'emisfero anteriore, cancellandone le striature.
Le immagini inviate dalla Cassini, tuttavia, mostrano che le strisce non sono depositi di ghiaccio, ma piuttosto rupi scoscese ricoperte di materiale
ghiacciato, create da fratture tettoniche; Dione si è rivelato un corpo lacerato da enormi fratture
sull'emisfero posteriore.
Urano
Orbita di Urano
Satelliti di Urano
Miranda
Tra i satelliti di Urano, Miranda ha una superficie molto strana, parte con crateri, parte con incavi. Al «sud» c’e’ una specie di morso con una variazione in altezza di 20 km.
Nettuno
Nuvole e tempeste su Nettuno
A differenza di Urano, Nettuno mostra più attività atmosferica con tempeste.
E’ più lontano dal Sole di Urano quindi ci si aspetterebbe meno attività.
Molto probabilmente Nettuno ha un nucleo che si sta ancora contraendo e rilascia energia.
Tritone
La luna maggiore di Nettuno è Tritone.
Ha le dimensioni più o meno della luna.
Non ci sono crateri quindi ha attività sismica
dovuta ai moti mareali con Nettuno.
Superficie con vulcani, pianure e con una retina come una
superficie di un melone.
La temperatura superficiale è di appena 38 K, sufficiente ad avere Azoto in forma di ghiaccio !
L’orbita di Tritone sta con il tempo diminuendo e finirà su Nettuno.
Plutone e Caronte
Pianeti Trans-Nettuniani
Fascia di Kuiper
La Fascia di Kuiper (o Fascia di Edgeworth-Kuiper) è una regione del Sistema Solare che si estende dall'orbita di Nettuno (alla distanza di 30 UA) fino a 50 UA dal Sole. Si tratta di una fascia di asteroidi esterna rispetto all'orbita
dei pianeti maggiori.
Nella fascia sono stati scoperti più di 800 oggetti (Kuiper belt objects, o KBO). Il più grande è il pianeta nano Eris, scoperto nel 2005; prima di allora si riteneva che il primato spettasse a Plutone, assieme al suo satellite Caronte; intanto a partire dall'anno 2000 sono stati trovati altri oggetti di dimensioni ragguardevoli: 50000 Quaoar, scoperto nel 2002, è grande la metà di Plutone, e quindi è più grande del maggiore degli asteroidi tradizionali, Cerere. Gli altri KBO sono progressivamente più piccoli. L'esatta classificazione di questi oggetti non è chiara, perché sono
probabilmente molto differenti dagli asteroidi più interni.
Nube di Oort
La nube di Oort è un'ipotetica nube sferica di comete posta tra 20.000 e 100.000 UA,
o 0,3 e 1,5 anni luce dal Sole, cioè circa 2400 volte la distanza tra il Sole
e Plutone.
Questa nube non è mai stata osservata perché troppo lontana e buia perfino per i telescopi odierni, ma si ritiene che sia il
luogo da cui provengono le comete di lungo periodo (come la Hale-Bopp e la Hyakutake, recentemente avvistate) che attraversano la parte interna
del sistema solare. Le comete dette di corto periodo (tra le quali la Halley è la più famosa) potrebbero invece venire dalla fascia di Kuiper.
Coordinate Celesti
Cominciamo a trattare le coordinate celesti ...
Gli argomenti trattati li trovate
maggiormente su questo libro.
La Sfera Celeste
Platone (350 A.C.) fu forse il primo a proporre un modello geocentrico con le stelle fisse che ruotano su di una «sfera celeste» con un asse Che passa attraverso il polo nord e sud della terra identificando un Polo nord e sud celeste.
Coordinate terrestri
Ogni punto sulla terra puo’ essere identificato tramite due coordinate.
Il piano di riferimento e’ il piano equatoriale che è ortogonale all’asse della rotazione terrestre e che contiene il centro della terra.
La sua intersezione con la sfera terrestre disegna l’equatore.
I cerchi minori paralleli all’equatore sono detti paralleli.
I semi archi di cerchio massimo che collegano i due poli sono detti meridiani.
Dato un punto la sua longitudine e’ l’angolo
che forma il meridiano passante per il punto con Il meridiano fondamentale passante per Greenwich.
si misura generalmente in ore [0-24], incrementando andando verso ovest pero’
vi sono convenzioni diverse.
Con latitudine si definisce la latitudine geografica che e’ l’angolo che forma il filo a piombo
con il piano equatoriale. E’ positivo nell’emisfero nord, negativo in quello sud [es. 90° al polo nord, -90° al polo sud]. Si puo’ facilmente misurare misurando l’altezza del
polo celeste (misurare la longitudine e’ molto piu’ difficile).
Coordinate terrestri
La terra non è però sferica ma e’ uno sferoide oblato.
L’angolo tra la retta perpendicolare alla tangente in un punto e l’equatore e’ detta
latitudine geodetica ed e’ molto simile alla latitudine geografica.
Tuttavia il filo a piombo non puntera’ verso il centro dello sferoide (lo fa solo sull’equatore e ai poli).
Si chiama latitudine geocentrica l’angolo
tra la retta passante tra il centro dello sferoide ed il punto e il piano dell’equatore.
Se φ è la latitudine geografica e φ’ la latitudine geocentrica si ha:
Coordinate orizzontali o altazimutali
Il piano di riferimento e’ l’orizzonte., il piano tangente alla terra che contiene l’osservatore.
La retta perpedincolare all’orizzonte passante per l’osservatore identifica due poli celesti:
lo Zenith (sopra l’osservatore) ed il Nadir (il polo opposto).
I cerchi massimi attraverso lo Zenith sono chiamate verticali ed intersecano l’orizzonte perpendicolarmente.
Le circonferenze minori formate dai punti di uguale altezza sono i cerchi d'altezza o almucantarat.
Quindi come coordinate si usano:
l‘altezza (a) è l’angolo dell'astro dall'orizzonte, e varia tra -90° e +90°.
Si usa anche la distanza di zenith z con z=(90° -a)
l‘azimut (A) è l’angolo tra il punto Sud e il piede dell'astro
(corrispondente alla distanza angolare tra meridiano locale e meridiano passante per l'astro),
misurata in senso orario, e varia tra 0° e 360°. Attenzione pero’ che la definizione cambia !!
Coordinate orizzontali o altazimutali
In questo sistema di riferimento le stelle si muovono da Est ad Ovest. Le coordinate di una stella dipendono quindi dal tempo.
Non solo, il sistema di riferimento dipende dalla posizione sulla terra dell’osservatore.
In figura vediamo il moto delle stelle visto da un osservatore a due latitudini diverse.
Chiaramente non possiamo costruire un catalogo astronomico di stelle usando queste coordinate !!!
Il sistema equatoriale usa come cerchi
di riferimento l'equatore e il meridiano passante per il punto gamma γ. Il punto γ corrisponde all’intersezione tra il piano
dell’equatore e quello dell’eclittica dove ha luogo La rivoluzione terrestre intorno al sole. Le coordinate sono la declinazione δ e l'ascensione retta α,
misurate a partire,
rispettivamente, dall'equatore verso il Polo Nord
celeste (vicino alla stella polare) e dal punto gamma γ in senso antiorario.
Il moto diurno delle stelle avviene parallelamente all'equatore celeste e il punto gamma si comporta come un qualsiasi oggetto celeste, per cui le
coordinate equatoriali non cambiano con il
trascorrere del tempo. Questo sistema di coordinate si muove, nelle 24 ore, insieme ai corpi celesti ed è indipendente dalla latitudine del luogo.
α si misura in ore, minuti, secondi (di tempo);
δ si misura in gradi, primi, secondi (d'arco)
Coordinate Equatoriali
Coordinate Equatoriali
Il punto gamma vernale è anche noto con il nome di punto dell'Ariete o primo punto d'Ariete perché in corrispondenza dell'equinozio di primavera di circa 2100 anni fa (più precisamente nel periodo 2000 a.C. ÷ 100 a.C.), il Sole si trovava
nella costellazione dell'Ariete. Oggi a causa della precessione degli equinozi non è più così e in corrispondenza dell'equinozio di primavera il Sole si trova nella costellazione dei Pesci; a partire dal 2700 d.C. si troverà in quella dell'Acquario e così via fino al completamento
dell'intero zodiaco.
Il moto del sole sulla sfera celeste cambia nei giorni dato che il piano dell’equatore Interseca quello dell’eclittica. Il moto del sole apparira’ quindi andare da sud a nord nell’equinozio vernale (in primavera) e da nord a sud nell’equinozio autunnale
(detto punto omega o della Bilancia).
