Di cosa è fatta la materia?

Un atomo è un’entità formata da un nucleo di dimensioni piccolissime, attorno a un milionesimo di miliardesimo di metro (10^-15 metri), composto da protoni e neutroni e uno o più elettroni (in numero pari ai protoni nel nucleo) che in qualche modo vi si trovano intorno, in posizioni simili a delle orbite ma mai definite (orbitali).

Gli elettroni esterni identificano i confini dell’atomo, sebbene non siano mai netti.

L’atomo più semplice è quello di idrogeno, formato da un nucleo composto da un protone e un solo elettrone che in qualche modo gli “orbita” intorno. 

Rappresentazione schematica di un atomo di idrogeno.

Un atomo di idrogeno ha un raggio tipico (raggio di Bohr) di 5,3∙10^-11 metri, mentre le particelle che lo formano hanno dimensioni dell’ordine di 10^-15 metri. Un momento, ragioniamo su questi due dati: il raggio di un atomo è circa 10.000 volte maggiore del raggio delle particelle che lo compongono; questo è qualcosa di incredibile! Per avere un paragone con numeri più familiari, possiamo immaginare le particelle dell’atomo grandi come una pallina da tennis; bene, la distanza alla quale l’elettrone orbita attorno al nucleo è pari a circa 250 metri! 
 

Un atomo è sostanzialmente vuoto, poiché oltre il 99,99% del volume non è occupato da alcuna particella. Tra il nucleo e gli elettroni c’è semplicemente un volume infinitamente grande e vuoto. Se quindi vi capita di chiedere a qualche fisico come è fatta la materia e in cambio ricevete la risposta “la materia è vuota”, non vi sta prendendo in giro, ma sta semplicemente analizzando la realtà: un bicchiere contenente una goccia d’acqua per voi è pieno o vuoto? Bene, per gli atomi vale lo stesso!

Il fatto che gli atomi siano per il 99,99% vuoti è davvero un bene per tutti gli abitanti dell’Universo. Le particelle subatomiche di cui sono composti sono infatti estremamente concentrate, ovvero possiedono densità elevatissime. 

La densità di un neutrone è di circa 10¹⁴ grammi su centimetro cubo (centomila miliardi di grammi ogni centimetro cubo!). 

In altre parole, se l’atomo fosse pieno per tutto il suo volume, un centimetro cubo di materia peserebbe, sulla Terra, circa 100 miliardi di kg!

L’Universo stesso non sarebbe esistito. Se gli atomi sono praticamente vuoti, vuol dire che questa era la condizione migliore per sviluppare un Universo stabile per miliardi di anni.

Sebbene il modello classico planetario sia facilmente visualizzabile, l’atomo non è un sistema solare in miniatura e gli elettroni non sono particelle ben definite che ruotano intorno al nucleo. 

La struttura di un atomo non si può visualizzare correttamente, perché totalmente diversa da qualsiasi situazione ed esperienza che noi uomini possiamo vivere e osservare (e il cervello non può immaginare qualcosa che non ha mai visto!).

Sebbene l’idea degli antichi greci fosse concettualmente corretta, gli scienziati del diciannovesimo secolo hanno avuto forse un po’ troppa fretta nel definire atomo questa entità, che è solo l’inizio dell’infinitamente piccolo, la parte più grande che racchiude un mondo di particelle davvero complesso e che negli ultimi anni, grazie a imponenti acceleratori, si sta riuscendo finalmente a scoprire.

I meteoriti quando cadono sono incandescenti?

La dinamica degli impatti di asteroidi e meteoriti con una superficie rocciosa come quella terrestre, e dotata di una spessa atmosfera, è molto più complicata e sorprendente di quanto si possa pensare.

Prima di tutto, solamente gli oggetti superiori a 50-100 metri producono impatti devastanti che generano enormi crateri e polverizzano l’oggetto quasi per intero. L’acqua, sottoforma di vapore, è comunque capace di resistere e arricchire l’atmosfera anche negli scontri più violenti.

Per i corpi celesti più piccoli, che sono di gran lunga più abbondanti (anche ai giorni nostri), l’energia in gioco non è elevata. Quelli che polverizzano in atmosfera come stelle cadenti rilasciano nell’aria il contenuto di acqua e molecole organiche, un miscuglio che poi precipita lentamente al suolo.

Un meteorite entra nell'atmosfera terrestre a grande velocità

I corpi celesti di dimensioni medie (5-100 metri) riescono addirittura ad arrivare al suolo quasi intatti e hanno una proprietà estremamente interessante.

Se noi potessimo raccogliere una pietra cosmica appena caduta sulla Terra, ci accorgeremmo che è estremamente fredda. Com’è possibile dopo una discesa in atmosfera, nella quale il calore in superficie ha superato i 2000°C a causa dell’enorme attrito?

Meteoriti e comete passano gran parte del loro tempo nel freddo dello spazio; anche la luce solare diretta riesce a scaldare moderatamente solo un esiguo strato superficiale. L'interno, invece, si trova a circa -230°C. 
Nelle fasi antecedenti l’impatto al suolo, sperimentano solo una manciata di secondi alle temperature roventi dell’atmosfera del nostro pianeta. Il calore, quindi, non riesce a espandersi su tutto il volume: non c’è tempo. È un po’ come prendere un cubo di ghiaccio e metterlo per circa 10 secondi su una fiamma; gran parte resta solido e freddo. Quindi, un meteorite che arriva al suolo è molto probabile che sia estremamente freddo invece che rovente come magari siamo abituati a pensare da programmi tv e film.

La bellezza delle aurore polari

Lo spettacolo delle aurore polari

Dal 27 Febbraio al 2 Marzo 2014 ho fatto un viaggio al quale pensavo da tanto tempo: spingermi nel profondo nord ad ammirare le aurore boreali.
Nel parco nazionale di Abisko, nella Lapponia svedese, oltre il circolo polare artico, ho assistito a uno degli spettacoli più belli della natura. Fiumi di luce in rapidissimo movimento accendevano improvvisamente il cielo tingendolo di verde e, a volte, persino di rosso.
Ho cercato di immortalare i fenomeni sulla mia macchina fotografica, ma quello che una foto non mostrerà mai è il movimento rapidissimo e le emozioni che solo il nostro occhio può regalarci.
Consiglio a tutti di programmare, almeno una volta nella vita, un viaggio alla caccia delle aurore, e per chi non conoscesse bene il fenomeno, qui c'è un'esauriente spiegazione.
La galleria delle mie immagini, invece, è raggiungibile cliccando su questo link

Si può osservare la superficie di una stella al telescopio?

La risposta è in linea teorica affermativa: il Sole è una stella e anche con un piccolo telescopio, sempre munito di apposito filtro solare, è possibile osservare molto in dettaglio la sua turbolenza “superficie” (le virgolette indicano un significato di superficie un po’ particolare, visto che non si può parlare di uno strato solido come quello dei pianeti). 

Se la domanda, come probabile, era riferita alle altre stelle, la risposta è quasi del tutto negativa: le stelle sono troppo distanti per poter essere osservate, in gergo risolte, come il nostro Sole. Sembra quindi quasi un paradosso, eppure è così: il cielo è pieno di stelle ma queste restano quasi sempre dei puntini indistinti con quasi tutti i telescopi, persino i più grandi del mondo.

Betelgeuse è una delle pochissime stelle "risolte"

Fino a qualche anno fa il Sole era l’unica stella della quale potevamo osservare direttamente la superficie, o meglio, lo strato gassoso che emette la radiazione elettromagnetica che raggiunge la Terra (infatti, a rigore, una stella non ha superficie essendo totalmente gassosa).

Tutte le altre stelle del cielo sono troppo lontane per essere osservate, se non come punti indistinti.s

Una delle prime lezioni di astronomia osservativa che apprendono gli appassionati del cielo sottolinea proprio il fatto che le stelle non possono essere ingrandite e che quindi restano dei punti con qualsiasi strumento.

In termini più tecnici e rigorosi, possiamo dire che il diametro apparente delle stelle è minore del potere risolutivo di ogni telescopio, per quanto grande quest’ultimo possa essere.

Il potere risolutivo di uno strumento ottico (compreso il nostro occhio) è la capacità di mostrare separati due oggetti vicini, o, in alternativa, di mostrare la forma reale, risolvere, un oggetto.

Il potere risolutivo si misura in sottomultipli del grado, i secondi d’arco. Un secondo d’arco equivale ad 1/3600°, ovvero alle dimensioni di una moneta da 2 euro vista alla distanza di circa 5 km.

Il nostro occhio ha un potere risolutivo, di giorno, di circa 60” (“ sta per secondi d’arco), ovvero 1’ (’ sta per minuto d’arco, uguale a 60”, o 1/60°). Secondo questa assunzione, quando due oggetti, a  prescindere dalla loro reale distanza, sottendono un angolo minore di questo valore, appariranno uniti e più non separati.

Il potere risolutivo aumenta con l’aumentare del diametro della lente o dello specchio attraverso il quale si osserva, ed ecco perché un telescopio mostra separati corpi celesti che ad occhio nudo non lo sono. Non c’entra nulla l’ingrandimento, che è solo la quantità che mostra fisicamente all’occhio il potere risolutivo di ogni strumento, il quale è intrinseco al diametro delle lenti o dello specchio primario.

Una formuletta empirica per calcolare il potere risolutivo di ogni strumento è la seguente: Pr= 115/D, dove D è il diametro del telescopio espresso in millimetri.

La formula, detta criterio di Dawes, ci dice in prima approssimazione qual è la distanza angolare minima che un telescopio è in grado di separare o risolvere.

Due oggetti più vicini di questa separazione angolare appariranno uniti. In alternativa, un oggetto le cui dimensioni sono inferiori a questo valore non mostrerà la sua forma reale, non sarà risolto.

Adesso siamo in grado di capire perché non possiamo osservare la superficie delle stelle: perché il loro diametro angolare è nettamente minore del potere risolutivo di molti strumenti astronomici.

Un telescopio amatoriale da 250 mm di diametro ha un potere risolutivo pari a 0,46”, una stella molto vicina ha un diametro angolare almeno 50 volte inferiore.

Se il Sole si trovasse alla distanza di Proxima Centauri, la stella più vicina, sottenderebbe un diametro apparente pari a 0,007”, 7 millesimi di secondo d’arco.

Questo angolo è equivalente a quello sotteso da una moneta di 2 euro osservata alla distanza di 7500 km!

Possiamo capire come sia estremamente difficile osservare la superficie di una stella, anche quelle a noi più vicine. Inoltre non abbiamo considerato la turbolenza atmosferica, che impedisce di raggiungere certi valori con ogni strumento posto sulla superficie della Terra.

Fortunatamente la tecnologia e la ricerca fanno continuamente passi in avanti.

Ora, con la tecnica chiamata interferometria si è riusciti ad avere l’immagine più nitida e dettagliata della superficie di una stella, Betelgeuse, una supergigante rossa nella costellazione di Orione, tra le stelle più grandi che si conoscano.

Il principio alla base dell’interferometria è il seguente: se costruiamo due telescopi che lavorano in perfetta sincronia, separati da una certa distanza, la risoluzione di questo apparato, combinando opportunamente la luce ricevuta da entrambi gli strumenti, non è quella data dal diametro dei telescopi (formula di Dawes), ma quella di un ipotetico telescopio di diametro pari alla distanza che separa gli strumenti.

Con questa tecnica è possibile raggiungere risoluzioni elevatissime ed evitare la costruzione di telescopi giganteschi, dato che quello che conta è la separazione tra i due strumenti, non il loro diametro.

Il problema dell'interferometria è che richiede precisioni proporzionali alla lunghezza d’onda alla quale si lavora; minore è la lunghezza d’onda, maggiore è la precisione richiesta.

I telescopi devono lavorare in perfetta sincronia e puntare esattamente nello stesso punto di cielo.

Non a caso l’interferometria si applica da decenni nel campo della radioastronomia, nella quale sono richieste precisioni del centimetro, e solo negli ultimi anni si è diretta verso l’infrarosso e il visibile, lunghezze d’onda per le quali sono richieste precisioni dell’ordine del milionesimo di metro.

Nonostante le enormi difficoltà tecniche, gli astronomi sono riusciti a fare dei passi da gigante, al punto che attualmente è possibile, in infrarosso e nel visibile, risolvere la forma di alcune grandi stelle, tra le quali proprio Betelgeuse.

L’osservazione diretta della superficie di altre stelle è fondamentale per affinare le nostre conoscenze su questi corpi celesti e capire anche il comportamento del nostro stesso Sole, l’unica stella della quale conosciamo bene i fenomeni superficiali.

Betelgeuse è una stella enorme, 1000 volte più estesa del Sole, una supergigante rossa giunta nelle fasi finali della propria vita. Attraverso le immagini interferometriche siamo in grado, per la prima volta, di indagare la superficie di questo tipo di stelle.

Le prime scoperte mostrano la presenza di grandi macchie stellari brillanti e scure, probabilmente delle enormi celle convettive di gas caldo che risale dalle profondità della stella e lentamente si raffredda, sprofondando di nuovo.

Le macchie stellari e il loro movimento ci danno informazioni dirette sulla dinamica della stella, sul suo campo magnetico, sui moti all’interno, insomma, una mole di dati che dovremmo analizzare ed interpretare per provare i modelli sul funzionamento e l’evoluzione delle stelle.

Astronomia per tutti: volume 12, finale!

Se non volete leggere tutto il post, ecco i link da cui scaricare il volume finale di Astronomia per tutti:
-  Per i dispositivi Kindle e tutti gli smartphone con l'applicazione Kindle (che si scarica gratuitamente), cliccare qui;
- Formato PDF con immagini in alta risoluzione, adatto per PC e stampe.

Astronomia per tutti: volume finale

Ebbene sì, siamo arrivati alla fine di questo progetto e ho voluto farvi un regalo facendo uscire prima del previsto l'ultimo numero, perché siete stati pazienti per oltre un anno aspettando tutti i volumi precedenti.
Più corposo di tutti gli altri, in questo finale si tirano le somme e si conclude il viaggio attraverso l'astronomia pratica e teorica iniziato a Gennaio 2013.
Ecco allora di cosa parleremo:

Nella categoria neofiti andremo a osservare gli oggetti del cielo profondo. Ammassi, nebulose e lontane galassie sono oggetti alla nostra portata. Ora che abbiamo acquisito la giusta pratica, li potremo osservare al meglio.
Nello spazio dedicato alla fotografia astronomica concluderemo il discorso affrontando, in modo introduttivo, il vasto mondo dell’elaborazione delle immagini del profondo cielo. Tra calibrazioni, stretch e filtri DDP trasformeremo, o almeno ci proveremo, le nostre riprese in qualcosa che ci darà sicuramente soddisfazione.
Per quanto riguarda la ricerca, andremo a capire come si possono scoprire nuovi oggetti: asteroidi, comete, ma anche fenomeni improvvisi nelle atmosfere planetarie. La parola d’ordine è costanza; perché mai come in questi casi la fortuna aiuta gli audaci.

Ci proietteremo nella sezione teorica parlando di quasar e buchi neri. Cercheremo di capire cosa sono (ma lo sappiamo veramente?) e quali bizzarre proprietà ci mostrano. Facendo ben attenzione a non caderci dentro, voleremo con la nostra astronave virtuale nelle regioni remote del Sistema Solare, attorno ad asteroidi e comete. Scopriremo anche alcune missioni sorprendenti, come quella che ha prodotto il primo bombardamento interplanetario della nostra storia, alla ricerca di acqua nel nucleo di una cometa.
Poi, termineremo con la domanda delle domande: siamo soli nell’Universo? La risposta con certezza non potremo darla, ma è certo che la nostra visione della vita nel Cosmo sia radicalmente cambiata negli ultimi anni, da quando abbiamo compreso che pianeti simili alla Terra potrebbero essere abbondanti quasi quanto le stelle dell’Universo. E allora, anche se manca ancora la pistola fumante, appare quantomeno presuntuoso considerarci gli unici abitanti dell’Universo. Se fosse davvero così, sarebbe un incredibile spreco di spazio.

Sono disponibili sempre i due formati elettronici e tra qualche settimana anche il cartaceo:
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E' stato un piacere condividere con voi per più di un anno questo meraviglioso viaggio nell'Universo.