Fisica astronomica: cos’é?

La fisica non si occupa solo dello studio dei fenomeni che avvengono sulla Terra, ma studia anche tutto ciò che c’è nell’Universo.

Hai bisogno di aiuto per studiare fisica? Clicca qui per cercare il Tutor che fa per te su Skuola.net | Ripetizioni!

Quindi ora andiamo ad osservare nel dettaglio un branca della fisica che non tutti conoscono.

La fisica astronomica

L’astrofisica è la branca dell’astronomia o della fisica che studia le proprietà fisiche, ovvero tutti i vari fenomeni, della materia celeste.

L’ambito tradizionale di interesse dell’astrofisica comprende le proprietà fisiche di stelle, galassie, mezzo interstellare e mezzo intergalattico, e di eventuali altre forme di materia presenti nell’universo. Quando per proprietà fisiche si intendono densità, temperatura, composizione chimica e nucleare della materia, luminosità e forma dello spettro emesso, proprietà di eventuali particelle emesse. L’astrofisica

studia inoltre la formazione e l’evoluzione dell’universo nel suo insieme, detta cosmologia.

La ricerca astrofisica, più di qualunque altro settore della fisica, richiede la padronanza di tutte le discipline fisiche. Infatti sarebbe impossibile studiare l’astrofisica senza la conoscenza della meccanica dei corpi solidi e dei fluidi, della magnetoidrodinamica,dell’elettromagnetismo e del trasporto della radiazione. Toccando anche campi come la meccanica statistica, la relatività speciale e generale, la fisica nucleare e delle particelle elementari, e perfino alcuni campi avanzati della fisica della materia quali superconduttività e superfluidità.

È possibile caratterizzare l’attività di ricerca in astrofisica sulla base della distinzione in astrofisica osservativa (spesso chiamata anche astronomia), astrofisica di laboratorio e astrofisica teorica.

Astrofisica osservativa

Dallo spazio riceviamo principalmente radiazione elettromagnetica (fotoni), ma anche alcune particelle (raggi cosmici e neutrini).

La radiazione elettromagnetica si distingue sulla base della sua lunghezza d’onda; le tecniche osservative e gli oggetti osservati variano fortemente a seconda della lunghezza d’onda di osservazione.

Astrofisica di laboratorio

Sebbene si possa dire, in un certo senso, che tutta la fisica appartenga all’astrofisica di laboratorio, ci sono alcuni argomenti della fisica di fondamentale, e forse ora esclusivo, interesse dell’astrofisica. Si tratta primariamente di ogni misura:

• Spettroscopica: delle probabilità di eccitazione o diseccitazione collisionale di tutte le transizioni elettromagnetiche, dagli ioni alle molecole anche complesse.
• Nucleare, incluse le sezioni d’urto per tutte le specie nucleari, anche le più pesanti.
• E di ogni misura relativa alla polvere intergalattica, e in particolare la sua resistenza al bombardamento particellare e fotonica che permea il mezzo interstellare, e le sue proprietà elettromagnetiche.

Astrofisica teorica

La maggior parte dei fenomeni astrofisici non è direttamente osservabile. Basta pensare, per esempio, ai processi che forniscono l’energia che il Sole irradia nello spazi, che avvengono nelle zone più profonde del Sole. Oppure un altro esempio è il Big Bang, che è avvenuto circa 13,7 miliardi di anni fa.

Per questo motivo l’astrofisica ricorre frequentemente al supporto di modelli teorici. Ovvero, talvolta è necessario ricorrere a rappresentazioni idealizzate dei processi allo studio, le cui conseguenze sono però calcolabili con precisione grazie alle teorie fisiche esistenti.

Sono precisamente queste conseguenze (chiamate predizioni), che confrontate con le osservazioni, a permettere di stabilire la correttezza (o l’erroneità) dei modelli stessi. Questi modelli consentono talvolta dei calcoli analitici (e cioè, con carta e penna), ma nella maggior parte delle situazioni si fa ricorso al computer. Soprattutto perché esso è in grado di consentire calcoli numerici assai più complessi di quelli analitici. Si parla allora di simulazioni, che vengono usate specialmente in cosmologia.

La storia dell’astrofisica

Sebbene l’astronomia sia tanto antica quanto la storia stessa, per lungo tempo fu tenuta separata dallo studio della fisica. Nella visione aristotelica del mondo, il mondo celeste tendeva verso la perfezione. Infatti aveva la concezione dei corpi nel cielo come sfere perfette che si muovevano su orbite perfettamente circolari. Mentre, al contrario, il mondo terreno sembrava destinato all’imperfezione; questi due regni non venivano visti come correlati.

Aristarco di Samo (c. 310–250 a.C.) per primo supportò la teoria che diceva che i moti dei corpi celesti potrebbero essere spiegati supponendo che la Terra e tutti gli altri pianeti nel Sistema Solare orbitassero attorno al Sole. Sfortunatamente, nel mondo geocentrico del tempo, la teoria eliocentrica di Aristarco venne giudicata assurda ed eretica. Per secoli, l’apparente visione dovuta al senso comune che il Sole e gli altri pianeti girassero attorno alla Terra venne quasi ritenuta indiscussa fino allo sviluppo dell’eliocentrismo copernicano nel XVI secolo.

Ciò fu dovuto al predominio del modello geocentrico sviluppato da Tolomeo (83-161 ca. d.C.). Questo astronomo ellenizzato dell’Egitto romano, scrisse un trattato, Almagesto, dove parlava della sua teoria geocentrica.

Le prime contraddizioni scientifiche alla teoria geocentrica

Successivamente l’eliocentrismo fu rivisitato da Niccolò Copernico nel XVI secolo. Poi fu la volta di Galileo Galilei che scoprì le quattro più luminose lune di Giove nel 1609. E documentò le loro orbite rispetto a quel pianeta, contraddicendo il dogma geocentrico della Chiesa cattolica del tempo. Scampo alle gravi pene previste solo per il fatto di sostenere che la sua astronomia fu un lavoro di matematica, non di filosofia naturale (fisica), e perciò puramente astratta.

Dopo aver scardinato il modello geocentrico, l’innovazione e il progresso scientifico fece il resto. Facendo arrivare così le prime leggi e teorie dimostrate.

L’avvento dell’innovazione e le teorie astrofisiche

Per prima, solo le regole empiriche furono scoperte, come le leggi di Keplero sul moto planetario, all’inizio del XVII secolo. Dopo questo secolo, Isaac Newton colmò le lacune fra le leggi di Keplero e la dinamica di Galileo. Infatti scoprì che le stesse leggi regolanti la dinamica degli oggetti sulla Terra regolano il moto dei pianeti e della luna. Ipotizzò poi la meccanica celeste, l’applicazione della gravità newtoniana e le leggi di Newton per spiegare le leggi di Keplero sul moto planetario, furono la prima unificazione fra fisica ed astronomia.

Alla fine del XIX secolo fu scoperto che scomponendo la luce del Sole si potevano osservare una moltitudine di linee spettrali (regioni dove c’era poca o nessuna luce). Gli esperimenti con gas caldi mostrò che le stesse linee possono essere osservate negli spettri dei gas. In questo modo fu provato che gli elementi chimici trovati nel Sole (principalmente idrogeno) furono anche trovati sulla Terra.

In verità, l’elemento elio fu il primo scoperto nello spettro del Sole e solo più tardi sulla Terra, da qui il suo nome. Durante il XX secolo, la spettroscopia (lo studio di queste linee spettrali) progredì. Particolarmente in conseguenza della l’avvento della fisica quantistica che fu necessaria per capire osservazioni ed esperimenti astronomici.

Condividi