Astrofisica

E’ il settore dell'astronomia che studia la nascita, l'evoluzione e lo stato attuale
degli oggetti celesti, sulla base delle leggi della fisica.

La maggior parte delle informazioni disponibili in questo ambito sono fornite dallo studio delle radiazioni emesse dai corpi celesti in tutte le regioni dello spettro elettromagnetico e dall'analisi delle variazioni nel tempo di tali emissioni.

I dati raccolti per mezzo di spettrometri e spettroscopi vengono interpretati mediante complessi modelli teorici che hanno lo scopo di fornire una spiegazione dei processi fisici che regolano la produzione e l'emissione di radiazione elettromagnetica.
L'analisi sperimentale di tale radiazione permette di rilevare la presenza di particolari elementi atomici o molecolari nei corpi celesti, e l'eventuale stato di moto dei corpi stessi.

Applicando le leggi della termodinamica è inoltre possibile stimare le condizioni di temperatura e di pressione che caratterizzano le regioni interne, superficiali o esterne degli astri.

Lo studio delle stelle
Le stelle sono tra gli oggetti celesti meglio conosciuti. Analizzando per mezzo di uno spettroscopio la luce proveniente da una stella, è possibile determinare esattamente l'intensità delle componenti a diversa lunghezza d'onda della radiazione elettromagnetica emessa e quindi ottenere importanti informazioni ad esempio sulle condizioni di temperatura nelle regioni superficiali della stella e sul suo stato di moto nello spazio.

La maggior parte delle stelle appartiene alla cosiddetta "sequenza principale", una regione pressoché lineare e obliqua del diagramma di Hertzsprung-Russel, nella quale si osserva un rapporto di proporzionalità tra luminosità e temperatura.
Le stelle molto più brillanti, e quindi molto più grandi, delle stelle di sequenza principale aventi la stessa temperatura sono dette giganti rosse; le stelle più deboli, e quindi più piccole, delle corrispondenti stelle di sequenza principale possono invece essere classificate, a seconda delle dimensioni, come nane bianche o stelle di neutroni.

Le alte temperature, dovute alle reazioni nucleari che hanno luogo all'interno delle stelle, producono un flusso di calore diretto verso l'esterno; se la stella è in equilibrio, il calore dissipato viene compensato dall'energia rilasciata dalle reazioni che avvengono nel nucleo.

Quando i vari combustibili nucleari si esauriscono, la stella evolve lentamente, e il nucleo si contrae assumendo densità sempre più alte. Per le stelle di massa relativamente ridotta questo processo giunge a conclusione quando gli strati gassosi esterni vengono emessi formando una nebulosa planetaria; contemporaneamente il nucleo si raffredda generando una nana bianca.

Le stelle di massa elevata, invece, diventano instabili; nel corso dell'evoluzione, il nucleo collassa improvvisamente formando una stella di neutroni oppure un buco nero, e l'energia emessa in questa fase determina una violenta esplosione del corpo celeste, con formazione di una supernova.

Lo studio delle galassie
Le galassie sono enormi sistemi composti da stelle e da materia interstellare, permeati da deboli campi magnetici nei quali sono intrappolate le particelle cariche che costituiscono i raggi cosmici.

Nel nucleo di alcune galassie, sia ellittiche sia a spirale, vi sono intense sorgenti di particelle relativistiche, ossia di particelle che si muovono a velocità prossime a quella della luce, che emettono onde radio e raggi X, oltre a radiazione nello spettro del visibile.

I quasar, che sembrano costituire ulteriori esempi di nuclei galattici attivi estremamente luminosi, sono attualmente oggetto di una profonda ricerca scientifica.

Lo studio dell'universo
La moderna cosmologia ha come oggetto la ricerca della leggi fisiche che regolano la struttura e l'evoluzione dell'universo.

Essa si basa sulla scoperta, effettuata intorno al 1929 dall'astronomo statunitense Edwin Hubble, che tutte le galassie si allontanano le une dalle altre con velocità proporzionale alla loro distanza.
Nel 1922 l'astronomo russo Alexander Friedmann suggerì che l'universo avesse ovunque, in media, la stessa densità di materia; utilizzando la teoria della relatività generale di Einstein, egli mostrò inoltre che l'universo ebbe origine da uno stato singolare di densità infinita (chiamato oggi Big Bang) per poi espandersi esattamente come osservato da Hubble.

La maggior parte degli astronomi ritiene valido il modello del Big Bang caldo, perfezionato all'inizio degli anni Ottanta con l'introduzione della teoria dell'inflazione. Si ritiene che il Big Bang sia avvenuto circa 14 miliardi di anni fa.

La scoperta, avvenuta nel 1965, della radiazione cosmica di fondo, una radiazione a microonde che permea lo spazio in tutte le direzioni, fu un'ulteriore conferma sperimentale alla validità della teoria del Big Bang: tale radiazione infatti costituirebbe l'eco, giunto fino a noi, dell'enorme emanazione di energia che ha dato origine all'universo.

Stella
Corpo celeste di grandi dimensioni, composto di gas caldo, che emette radiazione elettromagnetica per effetto delle reazioni nucleari che avvengono al suo interno.

Le stelle sono composte principalmente da idrogeno ed elio, e contengono tracce variabili di altri elementi chimici. Le stelle più grandi che si conoscono, le cosiddette supergiganti, hanno diametri che superano di 400 volte quello solare, mentre le dimensioni delle più piccole, note come nane bianche, sono circa cento volte minori di quelle del Sole.

Più della metà delle stelle del cielo sono membri di sistemi binari o multipli composti da due o più corpi orbitanti intorno a un centro di massa comune; le cosiddette variabili a eclisse sono sistemi composti da una stella più brillante e da una più debole.

Osservate da Terra, le variabili a eclisse mostrano una luminosità regolarmente variabile: quando la stella più debole eclissa quella più brillante, l'intensità totale della luce emessa dalla coppia si riduce moltissimo.
Le stelle variabili sono invece caratterizzate da variazioni della propria luminosità specifica. Le variabili più spettacolari sono le novae e le supernovae: le prime possono essere 200.000 volte più luminose del Sole ed emettere una piccola parte della loro massa a velocità dell'ordine dei 950 km/s.

In alcuni casi questa emissione è periodica, finché la perdita eccessiva di massa arresta il processo. Le supernovae sono invece fenomeni catastrofici e assolutamente non periodici: rappresentano infatti l'esplosione di una stella, e per alcuni giorni possono raggiungere una luminosità elevatissima, circa 5 miliardi di volte maggiore di quella solare, prima di spegnersi definitivamente.

Molte stelle variabili presentano regolari variazioni di luminosità perché pulsano, cioè si espandono e si contraggono; un esempio importante è costituito dalle variabili Cefeidi, che riproducono il proprio ciclo di variabilità con considerevole precisione.

Le pulsar sono intense sorgenti di impulsi radio: l'energia che esse irradiano nello spazio appare in rapida pulsazione con periodi estremamente regolari che variano da alcuni secondi a piccolissime frazioni di secondo. I risultati delle analisi degli spettri di emissione suggeriscono che questi oggetti siano stelle di neutroni in rapida rotazione, del diametro di una quindicina di km e con densità elevatissima.

Cosmologia
Scienza che studia l'evoluzione e la struttura dell'universo. In particolare, i primi studi dell'origine dell'universo e dei sistemi astronomici, come il sistema solare, è detto spesso cosmogonia.

Oggi, i problemi fondamentali della cosmologia riguardano la determinazione delle distanze dei corpi celesti e quindi la misurazione delle dimensioni dell'universo; la formulazione e la riprova scientifica di modelli dell'universo (statici o in espansione); la determinazione dell'età dell'universo e lo studio della sua evoluzione.

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