Astronomia

L'Astronomia, che etimologicamente significa leggi delle stelle (dal greco: αστρονομία = άστρον + νόμος), è la scienza il cui oggetto è l'osservazione e la spiegazione degli eventi celesti. Studia le origini e l'evoluzione, le proprietà fisiche, chimiche e temporali degli oggetti che formano l'Universo e che possono essere osservati sulla sfera celeste.

L'astronomia non va confusa con l'astrologia, una pseudoscienza che sostiene che i fenomeni celesti hanno un'influenza sugli eventi che accadono sulla Terra ed in particolare sull'uomo. Anche se le due discipline hanno un'origine comune, esse sono totalmente differenti: gli astronomi hanno abbracciato il metodo scientifico a differenza degli astrologi.

Cenni storici

All'inizio della sua storia, l'Astronomia si occupò unicamente dell'osservazione e della previsione dei movimenti degli oggetti celesti che potevano essere osservati ad occhio nudo. I primi astronomi erano rappresentati dai sacerdoti di uno specifico culto religioso, in grado di svolgere una funzione utile alla società, creando i primi calendari, indispensabili per l'organizzazione della vita sociale ed agricolo-pastorale.

I Greci diedero importanti contributi all'Astronomia, soprattutto attraverso Ipparco ed Eudosso, culminati con l'opera di Claudio Tolomeo.
Durante il Medioevo nel mondo occidentale l'Astronomia ristagnò, mentre alcuni astronomi Arabi ne proseguirono lo studio.
Durante il Rinascimento, Nicolò Copernico realizzò l'importante lavoro di un sistema eliocentrico (non fu il primo a proporre l'ipotesi di un sistema con al centro il Sole, ma di certo il primo ad argomentare in maniera scientifica la sua teoria). Il suo lavoro fu difeso, sviluppato e corretto da Galileo Galilei e Keplero. Quest'ultimo fu il primo astronomo a fornire leggi che descrivessero correttamente i dettagli del movimento dei pianeti intorno al Sole, anche se non comprese le cause fisiche delle sue scoperte, la cui comprensione fu in seguito merito di Newton che elaborò i principi della meccanica celeste e la legge di gravitazione universale, che eliminava del tutto la distinzione tra i fenomeni terrestri e celesti.
Solo molto dopo si scoprì che le stelle sono oggetti molto lontani, e, con l'avvento della spettroscopia fu provato che esse erano sì, simili al Sole, ma differenti quanto a massa, temperatura e dimensioni. Con l'avvento della spettroscopia fu infatti possibile studiare la natura fisica degli astri, che portò all'astrofisica, ovvero alla fisica applicata allo studio dei corpi celesti.

L'esistenza della nostra galassia, la Via Lattea, e la comprensione che essa fosse un ammasso isolato di stelle rispetto al resto dell'Universo, fu provata solamente nel XX secolo, assieme alla scoperta dell'esistenza di altre galassie. Molto presto, grazie all'utilizzo della spettroscopia, ci si accorse che molti oggetti presentavano spettri spostati verso il rosso rispetto a quanto ci si attendeva. Questo era spiegabile solo con l'effetto Doppler, che fu interpretato come una differenza di moto negativa, ovvero di allontanamento rispetto al nostro pianeta. Venne formulata allora la teoria dell'espansione dell'Universo (vedi cosmologia), teoria tutt'oggi molto controversa.

La cosmologia, una disciplina che ha larghi settori in comune con l'Astronomia, ha fatto enormi passi in avanti nel nostro secolo, con il modello del Big Bang, supportato da prove sperimentali fornite dall'astronomia e dalla fisica, come l'esistenza e le proprietà della radiazione cosmica di fondo, la Legge di Hubble e lo studio dell'abbondanza cosmologica degli elementi chimici.


Edited by Sè#9 - 12/4/2005, 16:51

Suddivisioni

Per metodo impiegato per ottenere le informazioni

In astronomia, il metodo principale per ottenere informazioni richiede la rilevazione e l'analisi di radiazioni elettromagnetiche. Una tradizionale divisione dell'astronomia è data seguendo le differenti regioni dello spettro elettromagnetico che vengono osservate:

Astronomia ottica - si riferisce alle tecniche usate per rilevare ed analizzare la luce che può essere percepita dall'occhio umano (tra i 400 - 800 nm circa). Il più comune strumento usato è il telescopio.
Astronomia dell'infrarosso - si basa sul rilevamento della radiazione infrarossa (che ha, cioè, una lunghezza d'onda maggiore della luce rossa). Lo strumento più usato è il telescopio, ottimizzato per tali usi. I telescopi posti in orbita sono utilizzati per "pulire" il "rumore" delle interferenze elettromagnetiche causate dall'atmosfera.
Radioastronomia - usa degli strumenti completamente differenti per rilevare radiazioni con una lunghezza d'onda che va dal millimetro al centimetro circa. I ricevitori impiegati sono simili agli strumenti utilizzati per trasmettere segnali televisivi o radiofonici. Vedere anche Radiotelescopi.
L'Astronomia ottica e la Radioastronomia impiegano osservatori istallati a terra, poiché l'atmosfera è trasparente alle lunghezze d'onda visibili. Gli osservatori astronomici per l'infrarosso vengono costruiti in alta montagna, in luoghi con un un clima secco, in quanto la luce infrarossa è lievemente assorbita dal vapore acqueo. Comunque il luogo migliore per intercettare la radiazione infrarossa è nello spazio, per cui sono stati costruiti telescopi spaziali.

L'atmosfera blocca le lunghezze d'onda dei raggi X, dei raggi gamma, dell' ultravioletto e, eccetto per alcune "finestre", del lontano infrarosso. A causa di questo le osservazioni astronomiche possono essere effettuate solo da palloni atmosferici o dallo spazio.

Tutte le precedenti discipline sono basate sulla rilevazione di fotoni, ma è possibile ottenere informazioni anche rilevando (solamente dallo spazio) i raggi cosmici, i neutrini e, nel prossimo futuro, le onde gravitazionali (vedere LIGO e LISA).

Per oggetto di studio

Gli astronomi studiano oggetti come pianeti, stelle, novae, ammassi stellari, galassie, nebulose, ecc. ma nessun astronomo osserva ogni tipo di oggetto. Una differente suddivisione può essere fatta per regioni dello spazio e tematiche correlate:

Astronomia galattica
Astronomia extragalattica
Formazione ed evoluzione delle galassie
Formazione stellare
Evoluzione stellare
Astronomia stellare
Astrometria: lo studio della posizione degli oggetti sulla sfera celeste e dei loro movimenti. L'astrometria si occupa inoltre della definizione dei sistemi di riferimento e della cinematica degli oggetti appartenenti alla nostra galassia
Cosmologia: lo studio dell'Universo nel suo insieme, della sua nascita ed evoluzione
Esobiologia o Astrobiologia: lo studio della formazione di vita biologica al di fuori del nostro pianeta
Planetologia: lo studio dei pianeti del Sistema Solare.
Inoltre, vi sono altre discipline che possono essere considerate parte dell'astronomia, o scienze interdisciplinari che si occupano anche di astronomia:

Archeoastronomia: lo studio delle conoscenze astronomiche dei popoli antichi
Astrochimica: lo studio della chimica del mezzo interstellare
Astronomica nautica:parte dell'astronomia che studia la risoluzione dei problemi di posizione e direzione, in mare o in volo, utilizzando i principi dell'Astronomia sferica
Astronomia sferica: lo studio del moto apparente degli astri sulla sfera celeste
più tutta una serie di branche della fisica.

L'astronomia è una delle poche scienze in cui il lavoro di ricerca del dilettante o dell'amatore (l'astrofilo) può giocare un ruolo rilevante, fornendo dati sulle stelle variabili o scoprendo comete, novae, supernovae, asteroidi o altri oggetti.

Concetti base

Sfera celeste: la sfera celeste è la sfera sulla quale sembrano essere collocati gli astri visti dalla Terra.
L'origine di tale illusione sta nel fatto che oltre una certa distanza non siamo più in grado di valutare visivamente la distanza dei corpi, per cui gli astri ci sembrano tutti alla stessa distanza.

Durante l'apparente moto diurno degli astri due soli punti del cielo, tra loro antipodici, sembrano immobili: sono i poli celesti nord e sud. La sfera celeste sembra quindi ruotare su se stessa attorno ad un asse passante per i poli, l'asse celeste.

L'equatore celeste è la circonferenza massima equidistante dai poli celesti (proiezione dell'eq. terrestre), che divide la s. c. nei due emisferi Nord e Sud. I cerchi orari sono le semicirconferenze massime congiungenti i poli celesti.

La grande maggioranza degli astri mantengono la loro posizione relativa (o meglio, vi sono variazioni ma lentissime) e sono detti stelle fisse, costituendo un riferimento sulla sfera celeste. Esse sono tradizionalmente raggruppate in costellazioni, che forniscono un riferimento approssimativo per i corpi celesti.
Posizioni più precise degli astri si invidivuano mediante le Coordinate celesti.

Coordinate celesti: Le coordinate celesti servono per identificare la posizione degli astri sulla sfera celeste. Alternativamente, visto che nella realtà essi hanno distanze diverse da noi, le coordinate celesti individuano una direzione orientata, ossia una semiretta originata nell'osservatore e passante per l'astro.

Coordinate orizzontali
Chiamate anche "coordinate altazimutali", sono riferite all'osservatore, presupposto immobile, e quindi per ogni astro variano continuamente, e dipendono dalla posizione dell'osservatore. Si prendono come riferimenti:

l' orizzonte, circonferenza massima che separa l'emisfero celeste visibile da quello invisibile;
il meridiano, circonferenza massima passante per lo Zenit dell'osservatore e per i poli, che incontra l'orizzonte nei punti Nord e Sud;
il piede dell'astro, punto dell'orizzonte più vicino all'astro.
L'altezza (h) è la distanza angolare dell'astro dall'orizzonte, e varia tra -90° (Nadir) e +90° (Zenit).
L'Azimut (A) è la distanza angolare tra il punto Sud e il piede dell'astro, misurata in senso orario, e varia tra 0° e 360°.

Le circonferenze minori formate dai punti di uguale altezza sono i cerchi d'altezza o almucantarat. Le semicirconferenze massime comprendenti i punti di un dato Azimut si chiamano verticali.

A volte, al posto dell'altezza si usa la distanza zenitale (z), che è la distanza angolare dell'astro dallo Zenit dell'osservatore e che varia da 0° a 180°. In ogni caso, z + h = 90°.

Coordinate equatoriali
Sono riferite a riferimenti fissi sulla sfera celeste, quindi non variano con la posizione dell'osservatore e col moto diurno della s. c.

Si prendono come riferimenti:

l' equatore celeste;
i cerchi orari;
il punto d'ariete (γ), punto dell'equatore celeste in cui si trova il Sole quando passa dall'emisfero celeste sud a quello nord (equinozio di primavera).
La declinazione (δ) di un astro è la sua distanza angolare dall'equatore celeste (da -90°, al polo sud, a +90° al polo nord).
L'ascensione retta (α) di un astro è la distanza angolare tra l'intersezione con l'equatore celeste del suo cerchio orario e il punto d'ariete, misurata verso est. L'ascensione retta si può anche esprimere in ore, minuti e secondi, ponendo 1 ora = 15°.

A volte, al posto della declinazione si usa la distanza polare (p), che è la distanza angolare dell'astro dal polo nord celeste e che varia da 0° a 180°. In ogni caso, p + δ = 90°.

Cambiamenti delle coordinate celesti
A causa dei movimenti a lungo termine della Terra, gli astri non hanno coordinate celesti del tutto fisse, ma si spostano col tempo. Questo movimento è indipendente dal moto proprio di molte stelle, perché si tratta di un movimento dell'osservatore piuttosto che dell'astro. Ad occhio nudo e su scale di pochi anni è impercettibile, ma per i telescopi si pone il problema di specificare a quale istante una coordinata si riferisce. È stato perciò inventato il concetto di epoca: tutte le coordinate si specificano rispetto ad un'epoca, ed esistono algoritmi per passare da un'epoca all'altra o in un istante qualunque tra due epoche. Il movimento è rilevabile anche ad occhio nudo, ma occorrono migliaia di anni.

Precessione: La precessione è il graduale cambiamento della direzione dell'asse di rotazione terrestre. Tale asse traccia un cono completando un cerchio in 26.000 anni. Un esempio può essere portato da una trottola che gira: la rotazione “oscillante” della punta è la precessione.

Poiché la direzione dell'asse terrestre cambia, così fa anche la posizione dei poli celesti.

La ragione della precessione terrestre è complicata. La terra non è una sfera perfetta, ma è leggermente schiacciata, vale a dire che il cerchio massimo dell'equatore è più lungo di un cerchio massimo “meridonale” che passa per i poli.

Inoltre, il sole e la luna stanno al di fuori del piano equatoriale terrestre. Il risultato è che l'attrazione gravitazionale della Luna e del sole sulla terra oblata induce un leggero momento torcente in aggiunta alla forza lineare. Tale momento torcente sul corpo rotante della terra dà origine al moto di precessione.



Eclittica: L'eclittica è la circonferenza massima della sfera celeste percorsa dal Sole nel suo apparente moto annuo. È inclinata di circa 23°27' rispetto all' equatore celeste.

La posizione dell'eclittica sulla sfera celeste varia lentamente a causa della precessione dell'asse terrestre e della sua nutazione. È invece fisso il piano dell'eclittica, ossia il piano dell'orbita terrestre attorno al Sole, di cui l'eclittica è la proiezione sulla sfera celeste.

Moto retrogrado: Il moto retrogrado di un corpo è il suo movimento in direzione opposta a quella normale dei corpi all'interno di un quel particolare sistema.
Retrogrado deriva dal Latino retro, indietro, e gradus, gradi.

Nel sistema solare, quasi tutto ruota nello stesso senso. Guardando il sistema solare dall'alto, tutti i pianeti orbitano attorno al Sole in senso antiorario. La maggior parte dei pianeti ruotano su se stessi nello stesso senso, inclusa la Terra. Lo stesso accade coi moti orbitali della Luna, delle lune di Marte, e delle più grandi lune di Giove e Saturno. Questo moto è chiamato diretto o progrado.

La rotazione nel senso opposto è chiamata retrograda. Venere e Urano ruotano su loro stessi in senso orario, così si dice che hanno una rotazione retrograda. Alcune piccole lune orbitano in senso orario attorno al loro pianeta, e sono chiamati satelliti retrogradi. Alcune comete e piccoli asteroidi orbitano attorno al Sole in orbite retrograde.


Quando si osserva il cielo, gli oggetti sembrano muoversi in una particolare direzione. Il moto apparente della maggior parte dei corpi celesti è da est a ovest. È comunque possibile osservare un corpo muoversi da ovest ad est, come un satellite artificiale o lo Space Shuttle. Questa orbita può essere considerata retrograda, ma in realtà lo Space Shuttle, e i satelliti che apparentemente si muovono verso est, osservandoli dall'alto, si vedrebbero orbitare intorno alla Terra in senso antiorario, e quindi sono considerati satelliti diretti. Esistono anche satelliti artificiali che orbitano la Terra in senso orario, sono definiti satelliti retrogradi e nel cielo si possono vedere muoversi verso ovest.

Il moto retrogrado non dovrebbe essere confuso con la retrogradazione . Il termine è usato in riferimento al moto dei pianeti esterni (Marte, Giove, Saturno, ecc). Questi pianeti sembrano muoversi da est ad ovest su base notturna come conseguenza della rotazione della Terra, ma per la maggior parte del tempo si spostano, invece, lentamente verso est, questo movimento può essere osservato annotando la posizione di questi pianeti per molte notti di fila. Questo moto è normale, ed è perciò chiamato diretto (non retrogrado). Comunque, poiché la Terra completa la sua orbita in un tempo più breve dei pianeti esterni, raggiunge il pianeta esterno come farebbe una macchina più veloce su una strada a più corsie. Quando ciò accade, il pianeta che stiamo per "sorpassare" sembrerà dapprima fermare il suo moto verso est, poi sembrerà andare alla deriva verso ovest (questa è la retrogradazione). Infine, quando la Terra nella sua orbita passerà oltre, sembrerà riprendere il suo normale moto da ovest a est.

Marte va in retrogradazione ogni 22.5 mesi, circa. Con i pianeti esterni più distanti succede più frequentemente. Il tempo tra le retrogradazioni è il periodo sinodico del pianeta.

Questa movimento confuse gli astronomi greci, e fu una delle ragioni per cui chiamarono questi oggetti pianeti, che in greco significa vagabondi. Nel modello geocentrico, questo moto era spiegato facendo viaggiare i pianeti in epicicli e deferenti

Nella moderna astronomia, il termine moto retrogrado si riferisce agli oggetti che davvero si muovono in direzione opposta al normale, e non al semplice fenomeno apparente più sopra descritto.

Esempi di moto retrogrado nel sistema solare:

Venere ruota lentamente in direzione retrograda.
Le lune Ananke, Carme, Pasiphae e Sinope, tutte in orbita a Giove in direzione retrograda. Si pensa che siano frammenti di un solo corpo che Giove catturò molto tempo fa.
La luna Phoebe in orbita a Saturno in direzione retrograda: si pensa sia un oggetto della fascia di Kuiper catturato.
La luna Tritone in orbita a Nettuno in direzione retrograda: si pensa sia un oggetto della fascia di Kuiper catturato.
Il pianeta Urano ha un'inclinazione assiale di poco superiore a 90°, e la sua rotazione è tecnicamente retrograda. In realtà il fatto che sia adagiata sul piano orbitale la rende unica nel sistema solare.

Fase: Un astro presenta fasi quando la porzione visibile è illuminata dal Sole in modo osservabilamente variabile. Per un osservazione terrestre presentano fasi evidenti solo la Luna, Venere e Mercurio.

La Luna presenta queste fasi:

nuova quando è in congiunzione col Sole e quindi la faccia visibile dalla Terra non è illuminata da quest'ultimo;
piena quando è in opposizione col Sole e quindi la faccia visibile è completamente illuminata;
intermedia, crescente o calante, quando è in quadratura, con solo metà della faccia visibile illuminata.
I due pianeti interni, invece, essendo sempre visibili ad una distanza di meno di 90° dal Sole, presentano:

congiunzione inferiore o transito, quando si trovano tra la terra e il Sole, in situazione simile alla Luna nuova;
congiunzione superiore quando si trovano oltre il Sole;
elongazione (orientale od occidentale) quando si trovano alla massima distanza angolare dal Sole.

Punti di Lagrange: punti di Lagrange, tecnicamente chiamati punti di oscillazione, altro non sono che quelle posizioni, nello spazio, in cui le forze che agiscono su un oggetto si bilanciano, creando una situazione di equilibrio. Questi punti sono detti di Lagrange in onore del matematico Joseph-Louis de Lagrange che nel 1772 ne calcolò la posizione.


Nell'immagine a destra vi sono segnati cinque punti lagrangiani. L1, L2 ed L3 sono detti punti di equilibrio instabile, poiché basta una piccola perturbazione dallo stato di equilibrio, per far sì che l'oggetto si allontani sempre più dal punto lagrangiano stesso. Questi punti non sono dissimili dai punti di massimo di una funzione. Fisicamente è come mettere in equilibrio una sfera su una punta.

I punti L4 ed L5 sono invece punti di equilibrio stabile, poiché, pur se di poco perturbati, ritornano alla posizione originaria. L'angolo formato tra la congiungente il punto e il centro del cerchio e l'asse segnato è pari a 60°. Questi punti non sono dissimili dai punti di minimo di una funzione. Fisicamente è come mettere una particella all'interno di una buca di potenziale.

In astronomia, i punti lagrangiani sono molto usati: essi identificano un particolare punto di un'orbita in un sistema di corpi, di un pianeta o di un satellite; i punti lagrangiani sono gli unici punti in cui si possono situare corpi minori, o gruppi di corpi minori, per condividere stabilmente l'orbita di un corpo più grande, in quanto le attrazioni gravitazionali si annullano. Situazione tipica è quella degli asteroidi Troiani, tra cui i più famosi sono quelli di Giove (recentemente sono stati scoperti i "Troiani di Nettuno") organizzati in due gruppi che condividono l'orbita del gigante, uno che lo precede di 60° e l'altro che lo segue alla stessa distanza angolare.

Degli esempi si ritrovano anche nei sistemi di satelliti: Teti, satellite di Saturno, condivide l'orbita con due piccolissime lune (Telesto e Calypso) situate nei punti lagrangiani della sua orbita. Allo stesso modo Dione, il satellite immediatamente più esterno, condividue la sua orbita con la piccolissima luna Elena in uno dei suoi punti di Lagrange.