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Academic year: 2021

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(1)

bernieri@lnf.infn.it

http://webusers.fis.uniroma3.it/bernieri/

(2)

Laboratorio di Astrofisica: Introduzione al Corso

Overview della nostra attuale visione dell’Universo basata sulla fisica

(3)

Topics:

1.  Solar System

2.  Stars

3.  Other “deep sky” objects 4.  Interstellar Medium

5.  Our Galaxy

6.  Other galaxies

7.  Black Holes and AGN

8.  Dark Matter

9.  Cosmology

In  questa  lezione,  una  semplice  visione  d’insieme:  

Il  campo  è  “sterminato”  !   Su  ArXiv  (  h@p://ArXiv.org  ):  

Cosmology and Extragalactic Astrophysics; Earth and Planetary Astrophysics; Galaxy Astrophysics; High Energy Astrophysical Phenomena; Instrumentation and Methods for Astrophysics; Solar and Stellar Astrophysics

10.000  arGcoli/yr

(4)

INCIPIT  METODOLOGICO:  

le  domande  che  ci  dovremmo  sempre  fare  

Come  facciamo  a  saperlo  ?   Come  lo  abbiamo  misurato  ?   E’  un  dato  o  una  ipotesi  ?  

Quanto  l’ipotesi  (teoria)  è  accreditata  ?  

(5)

1.  Sistema  Solare  

(6)

Formazione:  

Collasso  di  una  nube  molecolare  (H2,  CO,  NH3,  etc.)  avvenuto  circa  4.6109  yr  ago.  

Composizione:  

Sole  (stella  di  Gpo  G2)  +  8  pianeG:  

Mercurio,  Venere,  Marte,  Terra,  Giove,  Saturno,  Urano,  Ne@uno   Alcuni  numeri  importanG:  

Massa  del  Sole:  M  ≈  21030  kg  (330.000  massa  Terra)   Luminosità:  L  ≈  3.81026  W  

Raggio:  R  ≈  750.000  km  

Distanza  Sole-­‐Terra:  1AU  (Unità  Astronomica)  ≈  1.5108  km  ≈  8  m  19  s  (≈  1.610-­‐5  ly)   Raggio  orbita  Ne@uno  ≈  30  AU  

Distanza  raggiunta  dal  Voyager  1  ≈  100  AU     Confini  estremi  del  Sistema  Solare:  

Nube  di  Oort  (ipotesi)  ≈  50.000  AU  

h@p://en.wikipedia.org/wiki/Solar_System  

(7)

Cerchiata, la Terra fotografata dal Voyager 1 da circa 40 AU (Pale Blue Dot)

(8)

Leggi  di  Keplero  (I)  (Astronomia  Nova,  1609)  

I  piane;  si  muovono  su  orbite  elli=che  di  cui  il  sole  occupa  uno  dei  fuochi   r  =  p/(1  +  ε  cos  θ)  

Deriva  dalla  seconda  legge  della  dinamica:  

Tu@e  le  soluzioni  di  equazioni  differenziali  del  Gpo  ma  ~  1/r2  sono  sezioni   coniche  

(9)

Leggi  di  Keplero  (II)  (Astronomia  Nova,  1609)  

Il  raggio  veDore  che  congiunge  il  pianeta  al  Sole  spazza  aree  uguali  in  tempi  uguali  

La  velocità  areolare  è  costante:  dA/dt  =  cost.  =(rxv)/2  

Deriva  dalla  conservazione  del  Momento  Angolare,  che  vale  per  tuo  i  moG  a  forza   centrale  in  cui  il  momento  delle  forza  è  nullo.  

(10)

Legge  di  Keplero  (III)  (Harmonice  Mundi,  1618)  

I  cubi  dei  semiassi  maggiori  delle  orbite  sono  proporzionali  ai  quadra;  dei  periodi  di   rivoluzione  

a3  ~    p2  

Deriva  dalla  seconda  legge  della  dinamica  e  dalla  legge  di  gravitazione  universale.  

Si  può  facilmente  dimostrare  nell’ipotesi  semplificata  che  il  moto  sia  circolare,  ponendo:  

(GMm)/r2  =  macentrifuga  

(En  passant:  G  ≈  6.710-­‐11  m3kg-­‐1s-­‐2)      

o  anche,  applicando  la  conservazione  dell’energia  a  un  potenziale  U(r)  che  va  come  1/r:  

U(r)  +  Ek  =  cost.                  (Ek  =  energia  cineGca)  

Esercizio:  Provate  a  ricavarlo!  

(11)

Proxima  Centauri:  4.24  ly  ≈  262.500  AU  (1ly  ≈  63.000  AU)     2.  STELLE

(12)

Osservazione  e  studio  delle  stelle   Posizioni  (oss.  visuali)  

MoG  propri  (telescopio)  

Distanze  (telescopio,  spe@roscopio)  

Stru@ura  fisica  (composizione,  temperatura,  raggio,  etc.),  Evoluzione  (strumenG  di  misura   di  flussi  e  di  spe@ri)  

Diagramma  di  Hertzsprung-­‐Russell  

(13)

Evoluzione stellare

(14)

The R136 star cluster hosts several stars whose individual masses greatly exceed the accepted 150 Msun stellar mass limit

Paul A Crowther (Sheffield), Olivier Schnurr (Sheffield, AIP), Raphael Hirschi (Keele, Tokyo), Norhasliza Yusof (Malaya), Richard J Parker (Sheffield), Simon P Goodwin (Sheffield), Hasan Abu Kassim (Malaya)

arXiv:1007.3284v1

… Stelle supergiganti

R136a1 in the R136 star cluster: 265 M?

(15)

Stelle  in  ammassi  

M45  

M44  

M13  

Omega  Centauri  

(16)

Doppio ammasso in Perseo

(17)

3.  Altri  oggeo  di  “cielo  profondo”  

M42  

(18)

Nebulose  a  emissione  (M16)  

(19)

Horse  Head  Nebula   Nebulose (polveri) in assorbimento

(20)

Residui  di  supernova  (M1)  

(21)

Eskimo  Nebula  

M57  

IC418  

NGC6543  

Ne bu ol e s pl an et ar e i

(22)

…  e  altri  ogge<  “nebulari”  (M51)  

(23)

4. Mezzo Interstellare

Soprattutto H (HI: neutro, HII: ionizzato, H2: molecolare) Altri elementi (O, N, He, etc.)

Ma anche molecole spesso raggruppate in nubi molecolari (H2 e altre molecole più complesse, es.:

PAH Idrocarburi policiclici aromatici)

Polveri (Silicati, Grafite, etc., con dimensioni da alcuni µm in giù)

Effetto sulla luce  Attenuazione (Estinzione) e Arrossamento

(24)

5. La nostra Galassia (Milky Way)

(25)

about  100.000  ly  

≈  30  kpc  

about  27.000  ly  

MM  =  about  5÷1010   11  M   Bulge

Disco

(26)

About  1.000  ly  

(27)

Esercizio:

Supponendo che nella Galassia ci siano circa 100 miliardi di stelle e che la loro dimensione media sia pari a quella del Sole, calcolare (in anni luce) il raggio della sfera che occuperebbero se fossero messe tutte l’una accanto all’altra.

(28)
(29)

M31 Andromeda Galaxy 6. Le altre galassie (la dimensione cosmologica)

(30)

Edwin  Hubble  seated  at  the  100-­‐inch  Hooker  telescope  at  Mt.  Wilson  Observatory  

(31)

Classificazione di Hubble

(32)

Stima: circa 100 miliardi di galassie

(33)

Campo di galassie fotografate dal telescopio spaziale Herschel

(34)

Il centro della Via Lattea X (Chandra) Radio (1 m)

IR (very high resolution)

7. Buchi Neri e Nuclei Galattici Attivi (AGN)

(35)

Orbite di stelle attorno al centro della Galassia

Dai parametri orbitali: Mcentrale≈  3.7106  M    

A.M.Ghez et al., Astrophys.J.620:744-757,2005

(36)

Gli spettri delle galassie

In alcuni casi: righe di emissione molto intense, eccesso ultravioletto (+ X rays + γ rays), lobi radio, etc.

(37)

In molti casi l’emissione proviene da una regione centrale molto piccola della galassia (Nuclei Galattici Attivi – AGN) – sotto: Il caso di un Quasar (Quasi-stellar)

(38)

AGN – modello unificato

(39)

Curva  di  rotazione  della  Galassia  

In  rosso  la  curva  teorica  (tenendo  conto  di  stelle  e  gas)   In  blu  la  curva  sperimentale…  Materia  Oscura?  

v(R) = G⋅ M

R 1 R

v(R) = R 4π⋅ G⋅ ρ(R) 3

v(R) = R 4π⋅ G⋅

ρ0

3 = K⋅ R

8. Materia Oscura

(40)

Esercizio:

Ricavate le relazioni precedenti per la rotazione galattica, supponendo che la quasi totalità della massa sia concentrata in una sfera di raggio R0 con densità costante (ricavare la velocità per ogni punto dentro la sfera e fuori della sfera).

Come dovrebbe variare con R la densità di materia fuori della sfera per avere una curva di rotazione piatta?

(41)

Nel 1936, Fritz Zwicky applica il Teorema del Viriale all’ammasso di

galassie delle Chioma (Coma Cluster) e scopre che ci dovrebbe essere molta più massa di quella che si osserva….

(42)

Misura di distanze (uno dei problemi centrali dell’astrofisica) Misura di velocità (radiali)Spettroscopia

λo λe

λe = z ≈ v

c Ee − Eo

Eo = ΔE Eo

9. Cosmologia

(43)

v = Hd  

H≈  75  km  s-­‐1  Mpc-­‐1  

(44)

Distribuzione della materia nell’Universo (cubo di circa 500 Mpc di lato)

(45)
(46)

Mappa delle anisotropie della radiazione cosmica di fondo (dati WMAP)

“Benchmark” Standard Model:

Ω0 = Ωr,0 + Ωm,0 + ΩΛ,0 = 8.410-5 + 0.3 +0.7

(47)

Come abbiamo compreso tutto questo (e molto altro?...)

Sviluppo di telescopi sempre più grandi e sofisticati (Lezioni su: Telescopi, Ottica, Montature)

Sviluppo di rivelatori (Lezioni su: CCD)

Sviluppo di strumenti (computer) e tecniche di analisi dei dati (Lezioni su: Software vari e risorse di rete)

Estensione della capacità di osservare (acquisire dati) in bande spettrali sempre più ampie, soprattutto con telescopi nello spazio

(Lezioni su: tecniche osservative in diversi intervalli spettrali) Buone idee…

(ragionare da fisici: tutto il corso)

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Alcune letture consigliate

Mike Inglis, L’astrofisica è facile!, Springer-Verlag italia, 2009 (Inglis Mike, Astrophysics is Easy!, Springer-Verlag) Un testo divulgativo d’introduzione generale all’astrofisica

Alessandro Boselli, Alla scoperta delle galassie, Springer-Verlag italia, 2010 Divulgativo specifico sull’astronomia extragalattica

Fulvio Melia, Il buco nero al centro della nostra galassia, Bollati Boringhieri, 2005 Divulgativo avanzato sugli studi astrofisici dedicati al centro della Via Lattea

Amedeo Balbi, La musica del Big Bang, Springer-Verlag Italia, 2007 Divulgativo sugli studi più recenti dedicati al fondo di radiazione cosmica Martin Rees, Il nostro ambiente cosmico, Adelphi, 2004

Divulgativo su Cosmologia e considerazioni generale sull’Universo e gli Universi N.Degrasse Tyson, D.Goldsmith, Origini, Codice Edizioni, 2005

Un percorso di quattordici miliardi di anni dall’origine dell’Universo fino all’origine della vita Giuseppe Gavazzi, La colorata lentezza delle galassie, Marsilio, 2008

L’autobiografia personale e scientifica di un astrofisico

George Johnson, Le stelle di Miss Leavitt, Codice Edizioni, 2006

La storia poco nota di una donna che ha dato un contributo importante alla moderna astrofisica Michael Hoskin (a cura di), Storia dell’astronomia, Rizzoli, 2009 (una copia in Biblioteca BAST) Una buona storia dell’astronomia, necessariamente succinta, ma ben scritta e rigorosa

(49)

Testi tecnici per eventuale consultazione e approfondimento

Carrol B.W.,Ostlie D.A. , An Introduction to Modern Astrophysics, Addison- Wesley, ISBN 0805304029, seconda edizione 2006

(varie copie della precedente edizione disponibili in Biblioteca BAST)

S.B.Howell, Handbook of CCD Astronomy, Cambridge Observing Handbook for research Astronomers, 2006

(una copia in Biblioteca BAST)

Riferimenti

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