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Istituto Nazionale di Astrofisica
Osservatorio astronomico di Brera
Universo in fiore
Struttura a Larga Scala
Angela Iovino
INAF - Osservatorio Astronomico di Brera
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Osservatorio astronomico di Brera
Struttura a Larga Scala
La via Lattea vista dalla cima dell’osservatorio di Mauna Kea
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Osservatorio astronomico di Brera
Struttura a Larga Scala
La Dea Nut Origine della Via Lattea (Tintoretto, c. 1570)
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Struttura a Larga Scala
Quando abbiamo cominciato ad avere un’idea delle dimensioni del Cosmo?
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Struttura a Larga Scala
Peculiarità delle distanze astronomiche …
Osserviamo dalla Terra …
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Osservatorio astronomico di Brera
Struttura a Larga Scala
Peculiarità delle distanze astronomiche …
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Osservatorio astronomico di Brera
Struttura a Larga Scala
Peculiarità delle distanze astronomiche … Osserviamo dalla Terra …
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Osservatorio astronomico di Brera
Struttura a Larga Scala
Peculiarità delle distanze astronomiche …
Noi
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Osservatorio astronomico di Brera
Struttura a Larga Scala
Il concetto di lampione standard
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Osservatorio astronomico di Brera
Struttura a Larga Scala
L=100 W Brillante! Debole!
vicino
lontano
La luminosità osservata cala con il quadrato della distanza !
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Osservatorio astronomico di Brera
Struttura a Larga Scala
La luminosità osservata cala con il quadrato della distanza !
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Osservatorio astronomico di Brera
Struttura a Larga Scala
La luminosità osservata cala con il quadrato della distanza !
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Struttura a Larga Scala
Venere 10’000 fotoni
Andromeda 1 fotone
Osservatorio astronomico di Brera Gli oggetti che osserviamo sono molto deboli …
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Struttura a Larga Scala
Galassie piu’ distanti 1 fotone
Andromeda 1’000’000 fotoni
Venere 10’000’000’000
fotoni
Osservatorio astronomico di Brera Gli oggetti che osserviamo sono molto deboli …
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Struttura a Larga Scala
… abbiamo bisogno di strumenti potenti, con detectors sensibili, meccanica precisa, e
possibilmente fuori dall’atmosfera !
Osservatorio astronomico di Brera Gli oggetti che osserviamo sono molto deboli …
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Osservatorio astronomico di Brera
Struttura a Larga Scala
Gli oggetti che osserviamo sono molto lontani …
Luna Terra 1.25 secondi
Sole Terra 8 minuti
Andromeda Terra 2.5 milioni di anni
Velocità finita di propagazione
della luce
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Osservatorio astronomico di Brera
Struttura a Larga Scala
Gli oggetti che osserviamo sono molto lontani …
Luna Terra 1.25 secondi
Sole Terra 8 minuti
Andromeda Terra 2.5 milioni di anni
guardare lontano nello spazio
guardare lontano nel tempo
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Osservatorio astronomico di Brera
Struttura a Larga Scala
guardare lontano nello spazio
guardare lontano nel tempo
Telescopio macchina del tempo!
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Osservatorio astronomico di Brera
Struttura a Larga Scala
Telescopio macchina del tempo!
guardare lontano nello spazio
guardare lontano nel tempo
Dobbiamo esser sicuri che
i lampioni vicini a noi siano uguali a quelli distanti
da noi!
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Osservatorio astronomico di Brera
Struttura a Larga Scala
Il telescopio Leviatano di lord Rosse
1845
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Osservatorio astronomico di Brera
Struttura a Larga Scala
Il telescopio Leviatano di lord Rosse 1845
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Osservatorio astronomico di Brera
Struttura a Larga Scala
Il telescopio Leviatano di lord Rosse 1845
M51 M99
~2000
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Osservatorio astronomico di Brera
Struttura a Larga Scala
Quando abbiamo cominciato ad avere un’idea delle dimensioni del Cosmo?
Un avanzamento tecnologico permise il salto di qualita’ nelle osservazioni …
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Struttura a Larga Scala
Prima immagine della luna di John Draper: daguerrotipo del 1839
Quando abbiamo cominciato ad avere un’idea delle dimensioni del Cosmo?
Un avanzamento tecnologico permise il salto di qualita’ nelle osservazioni …
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Osservatorio astronomico di Brera
Struttura a Larga Scala
Edward Pickering (1846-1919)
Harvard Observatory ca. 1890
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Osservatorio astronomico di Brera
Struttura a Larga Scala
Edward Pickering (1846-1919)
Arequipo Observatory fine ‘800
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Osservatorio astronomico di Brera
Struttura a Larga Scala
Raccolta sistematica di lastre del cielo
La costellazione della Croce del Sud
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Le donne calcolatrici di Harvard (inizi ‘900) Struttura a Larga Scala
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L’harem di Pickering (Harvard 1913) Struttura a Larga Scala
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“Capable of doing as much good routine work as astronomers who would receive larger salaries. Three or four times as many assistants can thus be employed and the work done correspondingly increased … “ Pickering – 1898
Struttura a Larga Scala
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Henrietta Leavitt (1868-1921) Struttura a Larga Scala
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Le Nubi di Magellano
Struttura a Larga Scala
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Henrietta Leavitt
(1868-1921) Struttura a Larga Scala
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Henrietta Leavitt (1868-1921)
Tempo
Lum
inos
ita’
Struttura a Larga Scala
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Relazione Periodo-Luminosita’
Periodo Luminosita’ Distanza Struttura a Larga Scala
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Nel frattempo nuove scoperte … Un fenomeno che tutti conosciamo
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Lo spettro del Sole
Le righe corrispondono agli assorbimenti prodotti da diversi elementi (idrogeno, elio etc. )
Struttura a Larga Scala
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Un semplice modello …
Lo Spettro continuo che esce dall’interno incontra l’atmosfera alla superficie della stella
Lo Spettro che osserviamo e’ passato attraverso l’atmosfera stellare …
… acquisendo le righe di assorbimento scure !
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Misure di V. Slipher (AAS - 1914) delle nebulose
Struttura a Larga Scala
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Lo spettro di una nebulosa a spirale
Le stesse righe ma spostate rispetto a quelle misurate in laboratorio !
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Effetto Doppler per le onde sonore
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Lo spostamento delle righe spettrali è subito interpretato come effetto Doppler Struttura a Larga Scala
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Osservatorio astronomico di Brera
Struttura a Larga Scala
Ma quale è il significato di questa straordinaria scoperta ??
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1917 Telescopio Hooker a Mt. Wilson
2.5 mt di diametro e tecnologia nuova Struttura a Larga Scala
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1917 Telescopio Hooker a Mt. Wilson
1919 Edwin Hubble arriva a lavorare a Mt. Wilson Struttura a Larga Scala
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Edwin Hubble (1889-1953)
ca. 1920
Andromeda e’ un sistema stellare esterno alla nostra galassia !
Struttura a Larga Scala
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Edwin Hubble (1889-1953) Andromeda e’ un sistema stellare esterno alla nostra Galassia !
La nostra Galassia non e’ tutto l’Universo! (ca. 1920)
Copernico Struttura a Larga Scala
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Hubble nel 1929 usando le Cefeidi e la legge di Leavitt per calibrare le distanze fa una scoperta incredibile!
Distanza delle galassie Velo
cita
’ di a
llont
anam
ento
del
le g
alas
sie
Struttura a Larga Scala
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La recessione delle galassie (1929-1931)
Distanza delle galassie Velo
cita
’ di a
llont
anam
ento
del
le g
alas
sie
H0: Costante di Hubble
v = H0 x d
Struttura a Larga Scala
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Inizia la cosmologia moderna:
Viviamo in un Universo in espansione
Struttura a Larga Scala
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Inizia la cosmologia moderna:
Viviamo in un Universo in espansione
Viviamo in un Universo che ha avuto un inizio
che e’ esistito per un tempo finito! Struttura a Larga Scala
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La costante di Hubble e’ necessaria per misurare la scala delle distanze = quanto son distanti le galassie che osserviamo ?
Struttura a Larga Scala
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Lo spettro delle galassie
Il codice a barre che per ciascuna galassia ci permette di misurarne la
distanza ! Struttura a Larga Scala
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La distribuzione delle galassie
~ 1980 : si misurano le velocita’ di recessione di grandi numeri di galassie ...
~1950 : si osserva la struttura filamentare della distribuzione in cielo delle galassie
Invertendo v = H0d se ne ottiene la distanza !
Struttura a Larga Scala
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Margaret Geller
John Huchra
CfA Survey - 1985-1995
Struttura a Larga Scala
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Negli ultimi 10 anni abbiamo allargato di molto la porzione di Universo di cui abbiamo una cartografia precisa, anche grazie a strumenti che ci
permettono di misurare lo spettro di centinaia di galassie simultaneamente!
Struttura a Larga Scala
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TELESCOPIO 2.5 m: Con una sola posa • spettrografo: ~600 oggetti • camera: 8x area luna piena ALCUNI NUMERI: 1/4 del cielo 1.000.000 galassie 10.000 gradi quadrati
Struttura a Larga Scala
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Dove vivono le galassie?
CAMPO SPOPOLATO CAMPO DENSO
Struttura a Larga Scala
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La costante di Hubble
e’ necessaria per misurare la scala delle distanze = quanto son distanti le galassie che osserviamo ?
e’ necessaria per misurare la scala dei tempi = quale e’ l’eta’ dell’Universo?
t ≈ d = 1 v H 0 Struttura a Larga Scala
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Torniamo ai primi decenni del 1900 Teoria della Relatività Generale (1915)
Modello di Universo statico con constante repulsiva (1917)
"Gravely detrimental to the formal beauty of the theory” Einstein 1919
Struttura a Larga Scala
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Torniamo ai primi decenni del 1900
La legge di Hubble (1929-1931)
Teoria della Relatività Generale (1915) Modello di Universo statico
con constante repulsiva (1917)
Struttura a Larga Scala
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Ma qualcuno aveva già previsto l’espansione …
Alexander Friedmann
(1888-1925)
Nel 1922 deriva soluzioni di Universo in espansione dalla teoria della Relatività Generale
Struttura a Larga Scala
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Georges Lemaitre
(1894-1966)
Nel 1927 (e indipendentemente da Friedmann) propone un modello di Universo in espansione e prevede l’esistenza della legge di Hubble.
Ma qualcuno aveva già previsto l’espansione …
Struttura a Larga Scala
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Einstein in visita a Mt Wilson (1931)
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Einstein riconosce il suo errore!
Ma i nuovi modelli implicano un importante cambiamento di paradigma:
L’ universo non è eterno, ma è esistito per un tempo finito!
Struttura a Larga Scala
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Tre son le possibili classi di modelli :
Universo aperto Universo piatto Universo chiuso
Densità di materia Struttura a Larga Scala
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Universo piatto
Universo aperto
Universo chiuso
Tre son le possibili classi di modelli :
Struttura a Larga Scala
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Tre son le possibili classi di modelli :
Den
sità
di m
ater
ia
Universo chiuso
Universo aperto
Struttura a Larga Scala
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Con diverse predizioni sul destino dell’Universo:
In assenza di materia/gravità:
t = 1/H0
Dim
ensi
oni
dell’
Uni
vers
o
Tempo
Oggi !
Se c’è materia a contrastare l’espansione:
t < 1/H0
Struttura a Larga Scala
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t ≈ d = 1 v H 0
Abbiamo quindi una scala dei tempi …
…e di conseguenza ciò che Lemaître definì ipotesi dell’atomo primigenio
Struttura a Larga Scala
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Tuttavia passeranno ancora 30 anni prima che l’idea venga accettata
Problemi osservativi Diffidenza concettuale
Struttura a Larga Scala
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Problemi osservativi …
Il valore di H0 stimato da Hubble implicava come età dell’Universo
solo 2 miliardi di anni!
Età dell’Universo
Struttura a Larga Scala
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Datazione di meteoriti/rocce: età del sistema solare: 4.5 miliardi di anni!
Maggiore di quella stimata dall’espansione!
C. Patterson 1956
Limite inferiore età dell’Universo
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Diffidenza concettuale …
Struttura a Larga Scala
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Principio Cosmologico Il nostro punto di osservazione
NON è privilegiato
Isotropia osservata Omogeneità
Aggiungendo anche invarianza nel tempo: Principio Cosmologico Forte
Struttura a Larga Scala
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Big Bang
vs
Stato Stazionario
Struttura a Larga Scala
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Stato Stazionario Un Universo senza inizio né fine, in espansione ma con
creazione continua di materia
Un atomo di idrogeno per m3 in un miliardo di anni !
Struttura a Larga Scala
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La densità delle galassie cala mentre l’universo si espande
Big Bang
Stato Stazionario
La densità delle galassie resta constante mentre l’universo si espande
Struttura a Larga Scala
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Big Bang
??
Stato Stazionario
Struttura a Larga Scala
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Nucleosintesi primordiale
La teoria del Big Bang spiega perfettamente le abbondanze osservate di idrogeno elio e deuterio
Struttura a Larga Scala
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Per gli elementi fino al Ferro la produzione si sposta all’interno
delle stelle più massicce!
E il resto ?
Si usa quanto scoperto da Burbidge M.&G., Fowler e Hoyle (1957).
Struttura a Larga Scala
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Teoria dello stato stazionario
Problema della formazione degli elementi pesanti …
Soluzione proposta da Burbidge M.&G., Fowler e Hoyle (1957).
Struttura a Larga Scala
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Struttura a Larga Scala
Teoria dello stato stazionario
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Struttura a Larga Scala
Teoria dello stato stazionario
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Supernova 1994 D nella galassia NGC 4526
Il B 2FH risolve il problema!
Nobel per la Fisica nel 1982 a Fowler Struttura a Larga Scala
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Nuove misure della costante di Hubble (19802001)
Struttura a Larga Scala
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Il valore oggi misurato per la costante di Hubble implica un’età dell’universo che è intorno ai 13.7 miliardi di anni, in ottimo accordo con stime indipendenti ottenute
per l’età della nostra galassia.
Struttura a Larga Scala
Nuove misure della costante di Hubble (2001)
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Struttura a Larga Scala
Tabella Periodica degli Elementi
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Struttura a Larga Scala
‘We are all star stuff! ‘ C. Sagan
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Capisaldi osservativi della teoria del
Big Bang: Spiega l’espansione dell’Universo
Spiega l’origine del CMB
Spiega le abbondanze cosmiche
Struttura a Larga Scala
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Arno Penzias e Robert Wilson
Radiazione Cosmica di Fondo (1964)
Struttura a Larga Scala
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Osservatorio astronomico di Brera
Struttura a Larga Scala
Immagine della Radiazione di Fondo Cosmica
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Osservatorio astronomico di Brera
Struttura a Larga Scala
L’impronta digitale
della storia dell’universo
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Struttura a Larga Scala