25 settembre 2015

Dipartimento di Fisica e Scienze

della Terra

Roberto De Pietri

La visione dell’universo della relatività generale e le immagini dalla sua fine (inizio): Planck ed i primi 25 anni del telescopio spaziale Hubble.

Galileo ed il moto naturale

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❖ Traduzione moderna: “le leggi della meccanica sono le stesse in tutti i sistemi di riferimento inerziali, qualunque sia la velocità (costante) con cui essi si muovono gli uni rispetto agli altri”

❖ Dal: “Dialogo sopra i due massi sistemi del mondo”

Riserratevi con qualche amico nella maggiore stanza che sia sotto coverta di alcun gran navilio, e quivi fate d’aver mosche, farfalle e simili animaletti volanti; siavi anco un gran vaso d’acqua, e dentrovi de’ pescetti; sospendasi anco in alto qualche secchiello, che a goccia a goccia vadia versando dell’acqua in un altro vaso di angusta bocca, che sia posto a basso: e stando ferma la nave, osservate diligentemente come quelli animaletti volanti con pari velocità vanno verso tutte le parti della stanza; i pesci si vedranno andar notando indifferentemente per tutti i versi; le stille cadenti entreranno tutte nel vaso sottoposto; e voi, gettando all’amico alcuna cosa, non più gagliardamente la dovrete gettare verso quella parte che verso questa, quando le lontananze sieno eguali; e saltando voi, come si dice, a piè giunti, equali spazii passerete verso tutte le parti.

……….

Newton e la dinamica ….

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❖ PRINCIPIO DI INERZIA: Ogni corpo persevera nel suo stato di quiete o di moto uniforme e rettilineo, se qualche forza ad esso applicata non lo costringe a mutarlo.

❖ Il mutamento del moto è proporzionale alla forza motrice impressa, e segue la retta secondo cui tale forza è stata impressa.

❖ L’azione è sempre uguale e contraria alla reazione: cioè le mutue azioni di due corpi sono sempre uguali e dirette in senso opposto

❖ NON FORMULABILI SENZA SUPPORRE CHE ESISTE UNO SPAZIO ASSOLUTO ESISTENTE A PRIORI (in cui sia ben noto cosa è una retta)

❖ NECESSITA UN TEMPO A CUI RIFERIRE IL MUTAMENTO E RIFERIRE LA PROPORZIONALITA'

L’ascensore di Einstein:In cosa è diversa la teoria di Einstein della Gravità !

❖ Assunto 1: localmente lo spazio-tempo è descritto dalla geometria di Minkowski. Gli orologi misurano il tempo proprio relativamente ad una geometria localmente analoga a quella della relatività ristretta.

❖ Assunto 2: non è possibile (localmente) distinguere la gravità dalle componenti non inerziali dell’accelerazione. (conseguenza dell’equivalenza tra massa inerziale e massa gravitazionale)

❖ Sistemi inerziali sono i sistemi in caduta libera!

❖ Le rette (ovvero le traiettorie in caduta libera) sono le geodetiche di uno spazio tempo curvo.

❖ Domanda: come realizzare in pratica queste idee ?

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m

I d2x

i

dt

2= �m�

ij@j'(x) + F

i'(x) = �

X

i

Gm(i)

|xk � x

k(i)|

d

2x

i

dt

2+ �

ij@j'(x)

dt

dt

dt

dt

=1

m

F

i Sistemi in caduta libera sono quelli per cui il membro di sinistra è zero

Relatività Generale➡ La gravità si mostra come conseguenza del fatto che lo spazio

tempo è curvo !

๏ Ogni massa-energia curva lo spazio tempo

๏ Gli oggetti in caduta libera seguono le geodetiche (rette) dello spazio curvo

๏ Le equazioni di campo sono:

➡ C’é uno spazio-tempo assoluto, ma siamo liberi di scegliere il sistema di riferimento (sistema-di-carte) che usiamo per descrivere le leggi della fisica.

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Rµ⌫ � 1

2gµ⌫R =

8⇡G

c4Tµ⌫

E’ corretta questa visione della spazio-tempo?

❖ Ora la teoria della relatività generale chiede di trattare lo spazio e tempo come un unica entità (e ciò è estremamente significativo dal punto di vista concettuale) ma come ogni teoria scientifica richiede che sia verificata da dati osservativi. Al tempo della sua formulazione vi erano solo due possibili verifiche che potevano essere effettuate: (1) la deflessione della luce ad opera della gravità (2) la spiegazione della precessione anomala anomale del perielio di mercurio 43’ al secolo sui 5600’’ al secolo osservati.

❖ IMPLICAZIONE COSMOLOGICA: tutto le spazio-tempo e quindi anche l’universo devo essere descritto dalla teoria.

❖ IPOTESI CHE NON OCCUPIAMO UN POSTO PRIVILEGIATO NELL’UNIVERSO implica che lo spazio tempo non è immutabile => Modifica della teoria con l’introduzione di un ulteriore parametro (costante cosmologica) per avere una soluzione con un universo immutabile.

Hubble e la scoperta dell’espansione❖ Le cose cambiano nel 1930 quando Hubble

(dall’osservatorio di Mont Wilson) riesce a misurare la distanza di alcune stella in quella che allora era chiamata la nebulosa di Andromeda. Queste stelle erano molto più lontane di quello che si sapeva essere la dimensione della nostra galassia (La via Lattea).

❖ L’universo era più grande e si espandeva. (quello che era un fallimento della relatività diventava un successo).

❖ L’universo non era però uniforme in quanto se osserviamo il cielo vi sono zone con più stelle e zone con meno stelle.

❖ QUESTIONE SCIENTIFICA: è vero che non occupiamo un posto privilegiato nell’universo ? Questa domanda ammette solo una risposta dall’osservazione.

La radiazione cosmica di fondo❖ Comincia a farsi forza l’idea di un universo infinito

in continua espansione. Se tutte le galassie si allontanano con una velocità pari proporzionale alla loro distanza, ad un certo punto nel tempo era tutto concentrato in un punto o in un area molto piccola.

❖ Come in un gas che si espande la sua temperatura diminuisce e se c’è stato un istante di altissima temperatura altissima con radiazione ad altissima temperatura che pervadeva l’intero universo. L’universo si è espanso e la temperatura della radiazione che pervade l’universo sarebbe diminuite con l’espandersi dello stesso. Questa è la predizione Ralph Alpher, and Robert Herman nel 198 e predicono una temperatura di 28 gradi Kelvin!

❖ Nel 1964 i radio-astronomi Penzias and Wilson scoprono accidentalmente la radiazione cosmica di fondo. Osservano un fondo uniforme (privo di direzioni privilegiate) di Radiazione (termica) !

Emissione dicorpo nero

L’universo è omogeneo ?ACO/Abell (1958): N ~ 3000

Zwicky et al. (1968): N ~ 30000

Texas Radio Sources (1987): N ~ 65000

Sempre più evidenze per il Big-Bang❖ L’universo (più lo si osserva a grandi scale) appare uniforme ed in

espansione costante.

❖ Ha avuto un origine in cui aveva dimensione piccolissimi e da li si è espanso fino a diventare l’universo che noi osserviamo ora.

CMB formazione strutturenucleosintesi

Perché osservare dallo spazio❖ Le stelle scintillano! Questo non è una loro

proprietà ma un effetto dell’atmosfera.

❖ La cosa è analogo a quello che succede se osserviamo il panorama immersi in una piscina.

❖ Se siamo sotto il pelo dell’acqua le piccole increspature della superficie rendono il panorama leggermente distorto.

❖ Per vedere bene il panorama dobbiamo uscire sopra il pelo dell’acqua.

❖ Per vedere bene dobbiamo andare sempre più in alta quota (le stelle si vedo meglio in montagna) o ancora meglio ….. andare nello spazio dove non c’é l’atmosfera.

Isotropia dell’universo (non occupiamo un posto privilegiato)

❖ L’universo si sta espandendo (e noi ci stiamo muovendo al suo interno)

Sistema Solare

10 kpc 3 Mpc 1000 Mpc

~ 7°

1 Mpc100 Mpc

3000 Mpc

KOBE

WMAP PLANCK

Un telescopio nello spazio.❖ Come mostrato prima, ci si rende conto se si vuole osservare il cielo ad un livello senza

precedenti di risoluzione bisogna andare nello spazio.

❖ Nel 1965 viene presa la decisione ed il lancio avviene nel 1990. Sono quindi 25 anni che abbiamo immagini senza precedenti dal cielo.

❖ Queste immagine hanno la proprietà di mostrare in modo spettacolare la ricchezza del cielo e mostrare che ci sono cose (nel cielo) che vanno oltre la nostra immaginazione

❖ Lyman Spitzer, Jr. (1914—1997) e Nancy Roman (1925–) .

Una storia affascinante ……❖ Appena dopo il lancio viene accesso e tutto il mondo

scientifico ….. rimane molto deluso.

❖ Le immagini che arrivano sulla terra sono fuori fuoco !

❖ Le lenti hanno una piccolissima aberrazione sferica !

❖ Il telescopio ha bisogno degli occhiali !

SimulazioneImmagine

Il cielo notturno….

Il cielo a 360° gradi

La via Latea

circa 100.000 anni luce

Circa 20.000 anni luce

Il campo profondo di Hubble

Nebulose stellariNebulose gassose, in cui ha inizio il processo diformazione stellare.

“Piloni” di gas nellaNebulosa dell’Aquila,7000 A.L. da noi.

Nebulosa di Orione,1500 A.L. da noi.

Nube “Rho Ophiuci”460 A.L. da noi

Zone di formazione stellareOrione e e la sua nebulosa

Il giovane ammasso delle Pleiadi

La supernove 1987a

Galassie in collisione

Un getto di materia che esce dal centro di una galassiaOsservato per la prima volta nel 1918 da Curtis del “Lick Observatory”, il getto che esce da M87

(Virgo A) si estende per più 5000 anni luce(1 anno luce è circa 9.5 milioni di milioni di km)