“La Meccanica Celeste e le sue funzioni”

Vi è una branca, tra le Scienze Astronomiche, quella della Meccanica Celeste o della Meccanica Classica che studia il “Movimento dei Corpi Celesti“, in particolare: Pianeti, Satelliti Naturali e Artificiali, Asteroidi, Comete, etc. Essa cerca di studiare la stabilità del Sistema Solare, sovente attraverso tecniche matematiche, note col nome di “Teoria delle Perturbazioni“, oppure attraverso l’integrazione di determinati calcoli matematici. Altri problemi che la interessano sono le “Risonanze Orbitali“, le interazioni tra la rivoluzione e la rotazione (risonanza spin-orbita), la dinamica degli Asteroidi e degli Oggetti di Kuiper, la determinazione delle orbite di Sistemi Planetari Extra-Solari, oltre alle applicazioni relative all’Astronautica. Tale studio è rinvenibile in tutte le Civiltà Antiche, nei complessi sistemi astronomici babilonesi ed egizi, dove i comportamenti degli Astri, calcolabili tramite modelli matematici consentivano di effettuare previsione a lungo termine, specie in ambito Astrologico. La regolarità del “Meccanismo dei Corpi Celesti“, governato dagli Dèi, permetteva così di scandire il Tempo con l’ausilio di meridiane, etc. Anche i Pitagorici concepivano l’Universo come un Cosmo, un insieme razionalmente ordinato rispondente ad esigenze esoteriche e religiose, ove i Pianeti compivano movimenti armonici secondo precisi rapporti matematici, generando la cosiddetta “Musica delle Sfere“.

Nell’Astronomia della Grecia Antica era presente il “Concetto di Sfere Celesti“, ovvero di strati di Cielo (o porzioni circolari) i quali si muovevano come un “Centro di Rotazione della Terra“. Su ognuna vi era incastonato un Pianeta che esse trascinavano con sé nel loro movimento: sopra il Mondo Sub-Lunare vi era così il Cielo della Luna, poi di Mercurio, Venere, del Sole, di Marte, Giove e Saturno. Nella Cosmologia aristotelica e neoplatonica, queste Sfere corrispondevano non solo a un “Cerchio nello Spazio“, ma persino ad uno “Stato di Coscienza” via via sempre più elevato, presieduto ognuno da una “Intelligenza Motrice“, responsabile del movimento come espressione di uno specifico “Anelito Divino“. Siccome i Pianeti sembravano seguire una traiettoria irregolare (in greco πλάνητες, plànētes, che significa appunto «errante»), a differenza del Sole e delle Stelle più lontane, dette perciò fisse, gli Astronomi greci teorizzarono quanto ognuno di essi fosse mosso non da una, ma da un “Insieme di più Sfere“, le cui combinazioni spiegavano gli spostamenti planetari altrimenti inspiegabili, come ad esempio quelli retrogradi e i vari stazionamenti periodici. Per colmare tali lacune nella spiegazioni di queste “Meccaniche“, Apollonio di Perga introdusse il concetto che i Pianeti avrebbero ruotato con velocità costante su di un’orbita circolare più piccola, chiamata “epiciclo“, mentre il centro di questa avrebbe ruotato attorno alla Terra, percorrendo un “centro più grande” detto “deferente“.

In questo modo, la “Rotazione dei Pianeti” poteva essere descritta con dei modelli matematici molto vicini alla realtà, capaci di riprodurre moti retrogradi, variazioni di distanza, luminosità, etc. Fu Claudio Tolomeo a tentare di creare un modello il più preciso possibile e che non differisse dalle osservazioni astronomiche, introducendo il “Concetto di Equante“, perfezionando l’ipotesi del “Sistema Eccentrico“, secondo cui la Terra non era perfettamente al “Centro dell’Orbita dei Corpi Celesti“. Per ovviare al fatto che persino le Stelle fisse possedevano un lento moto irregolare, dovuto alla “Precessione degli Equinozi“, scoperta da Ipparco di Nicea, ove sembravano tornare indietro per alcuni tratti rispetto alla normale direzione diurna, introdusse un “Nono Cielo” al di sopra di esse, identificandolo col “Primo Mobile” aristotelico. “I lenti, ma continuati progressi, che d’ipotesi in ipotesi e d’osservazione in osservazione, dal disco terrestre piano e circolare d’Omero condussero all’artifiziosa e multiforme compagine degli eccentri e degli epicicli, offrono al filosofo uno spettacolo grandioso ed istruttivo, e a chi ben considera, non meno interessante di quello che presenti lo sviluppo dell’Astronomia moderna da Copernico ai nostri giorni.” (Giovanni Virginio Schiaparelli, Le Sfere Omocentriche)

A partire dal XVI secolo, con la “Rivoluzione Copernicana” che vedeva la Terra orbitare intorno al Sole con moto circolare, il movimento dei Pianeti e le elongazioni di Mercurio e Venere vennero spiegati con più semplicità, senza dover più ricorrere alla complicazione degli epicicli e dei deferenti. Tycho Brahe (1546-1601), tuttavia, ideò un nuovo “Sistema Geocentrico” che da lui prese il nome, “Ticonico“, perfettamente equivalente al “Modello Eliocentrico” in base al principio della “Relatività Generale del Moto“. Egli sostituì il “Concetto di Sfere Cristalline“, rigidamente concentriche con una visione di orbite planetarie intersecate tra di loro, ove: la Terra era collocata immobile al “Centro dell’Universo“, con attorno ad orbitargli la Luna, il Sole, intorno al quale orbitavano a loro volta gli altri cinque pianeti allora conosciuti, Mercurio, Venere, Marte, Giove e Saturno. Si deve a Giovanni Keplero il ritorno a una “Concezione Eliocentrica“, oltre all’enunciazione delle “Tre Leggi” che da lui prendono il nome, secondo cui il “Moto dei Pianeti“, anziché Circolare descriveva un’Ellisse, ove il Sole occupa uno dei cosiddetti “fuochi“. Queste “Leggi” gettarono le basi della moderna “Meccanica Celeste“, seppur nate all’interno di una visione neoplatonica, composto di un “Universo Meccanico governato da Gerarchie Spirituali“. Ulteriori e importanti passi avanti furono raggiunti poi da Isaac Newton, il quale introdusse la “Legge di Gravitazione Universale” nell’opera “Principia” del 1687. Egli propose il termine di “Meccanica Razionale” per lo studio applicato del “Moto dei Corpi Celesti“; cento anni più tardi fu Pierre-Simone Laplace a introdurre la denominazione di “Meccanica Celeste“. Da allora le tappe principali dell’Astronomia moderna furono le seguenti:

  • Nel XVI secolo la “Rivoluzione Copernicana“. La “Teoria Eliocentrica” poneva il Sole, e non la Terra, al centro del Sistema Solare.
  • Nel XVII secolo gli studi di Galileo Galilei e Keplero contribuirono all’affermazione della visione “Eliocentrica“.
  • Nel 1687 la “Legge di Gravitazione Universale” di Isaac Newton introdusse l’idea che gli “Oggetti del Cielo” e gli “Oggetti della Terra” obbedivano alle stesse leggi fisiche.
  • Nel 1838 Friedrich Wilhelm Bessel misurò per primo la parallasse e la distanza di un’altra stella.
  • Nel XX secolo l’avvento del Computer ha aumentato enormemente la velocità e affidabilità dei complicati calcoli matematici, che in precedenza venivano fatti interamente a mano.

Lo Studio del Sole

Ovviamente la stella più di frequente studiata è il nostro Sole, “Stella Madre del Sistema Solare“, posto ad una distanza di appena 8 minuti luce da noi. Il Sole è una tipica stella di sequenza principale di classe G2 V (chiamate anche Nane Gialle), di circa 4,6 miliardi di anni di età. Seppure non viene considerata una stella variabile, anch’essa subisce variazioni periodiche della propria attività, ad esempio il “Ciclo undecennale dell’Attività Solare” durante il quale Macchie Solari, regioni con temperature inferiori alla media, associate all’attività magnetica, variano in numero. La luminosità del Sole è in costante aumento, si stima che da quando divenne una stella di sequenza principale, sia aumentata del 40%, oltre ad aver subito variazioni periodiche di luminosità tanto da scatenare notevoli impatti climatici sul pianeta. La superficie esterna visibile del Sole è chiamata fotosfera, sopra alla quale è presente una sottile regione nota come cromosfera, circondata da un’ulteriore regione di transizione caratterizzata da un rapido aumento della temperatura, fino ad arrivare alla caldissima corona.

Al centro del Sole si trova il Nucleo, ove temperatura e pressione sono sufficientemente alte per consentire la fusione nucleare. Al di sopra di esso vi è la zona radiativa, dove il plasma convoglia il flusso di Energia tramite l’irraggiamento, e sopra di esso vi è la zona convettiva, dove l’Energia viene rilasciata all’esterno. (Si ritiene sia il movimento della Materia all’interno della zona di convezione a creare l’attività magnetica che genera le Macchie). Il Vento Solare, costituito da flussi di particelle di plasma, viene poi irradiato continuamente verso l’esterno del Sole e in tutto il Sistema Solare, fino a quando, al limite più esterno, raggiunge l’Eliopausa. Quando il Vento Solare arriva sulla Terra, esso agisce con il Campo Magnetico Terrestre e ne viene deviato, alcune particelle vengono comunque intrappolate creando le Fasce di Van Allen che avvolgono il pianeta. Le Aurore Polari si generano, pertanto, quando le particelle del Vento Solare vengono spinte dal Flusso Magnetico verso i Poli Magnetici Terrestri, ove interagiscono con la ionosfera.

Lo Studio dei Pianeti

La Scienza Planetaria, o Planetologia, è lo studio delle proprietà fisiche di Pianeti, Satelliti, Planetoidi, Comete, Asteroidi e altri Corpi in orbita attorno al Sole, compresi i Pianeti Extrasolari. Il Sistema Solare è stato relativamente studiato a fondo, inizialmente tramite l’osservazione ad occhio nudo, poi con strumenti come i Telescopi, infine con i Veicoli Spaziali. Tutto questo ha fornito una buona comprensione della sua formazione ed evoluzione, nonostante si susseguono continuamente nuove scoperte. Il Sistema Solare viene così suddiviso in “Pianeti Interni“, la “Fascia degli Asteroidi” e i “Pianeti Esterni“. I “Pianeti Interni“, definiti “Pianeti Terrestri“, sono Mercurio, Venere, la Terra e Marte, mentre i “Pianeti Esterni o Gassosi“, sono i giganti Giove, Saturno, Urano e Nettuno. Oltre si trova la “Fascia di Kuiper” e la “Nube di Oort“, la quale può estendersi fino a un anno luce. I Pianeti si sono formati 4,6 miliardi di anni fa nel “Disco Protoplanetario” che circondava il neonato Sole, attraverso un processo di formazione, durato nel tempo, conclusosi con la nascita dei Protopianeti. Solo i Pianeti di massa sufficienti hanno mantenuto la loro atmosfera gassosa.

Una volta che un pianeta raggiunge una massa sufficiente, i materiali di diversa densità vengono segregati al suo interno, in un processo il quale conduce alla differenziazione planetaria e può formare un Nucleo roccioso o metallico, circondato da un mantello e una crosta esterna. Il Nucleo può includere anche diverse regioni di Materia o allo Stato Liquido, inoltre alcuni nuclei possono essere in grado di generare un proprio “Campo Magnetico“, capace di proteggere le loro atmosfere dal vento solare come avvenuto alla Terra. Il calore interno di un Corpo Planetario viene prodotto dalle collisioni ripetute nel tempo, oppure dal decadimento di materiali radioattivi (vedasi l’Uranio), o dal riscaldamento mareale causato dall’interazione con altri Corpi. Alcuni Pianeti e Satelliti accumulano così tanta Energia da generare processi geologici come il vulcanismo e gli eventi sismici. Coloro che mantengono un’atmosfera possono persino subirne l’erosione della superficie, causata dal vento e dall’acqua, mentre i Corpi più piccoli, senza tale riscaldamento mareale si raffreddano con più velocità, oltre al fatto che la loro attività geologica si ferma completamente.

Lo Studio delle Stelle

Di capitale importanza è lo studio delle Stelle e della loro evoluzione, fondamentale per la comprensione dell’Universo stesso. La cosiddetta “Astrofisica delle Stelle” si è andata formando attraverso osservazioni strumentali e simulazioni teorico-matematiche, portando i ricercatori a comprendere pure i processi di formazione stellari, i quali si verificano nelle regioni dense di polvere e gas, note come “Nubi Molecolari Giganti” (o Nebulose) e che quando vengono destabilizzate, collassano per gravità andando a formare delle Proto-Stelle, ove al loro interno i nuclei, se sufficientemente densi e caldi, si attiveranno mediante processi di fusioni nucleare, portando alla creazione di una Stella di sequenza principale. Gli Elementi più pesanti dell’idrogeno e dell’elio vengono creati all’interno dei nuclei delle Stelle, tant’è che le caratteristiche di un astro dipenderanno principalmente dalla propria massa iniziale: più massiccia è la Stella, maggiore lo sarà pure la sua luminosità, e più rapidamente terminerà la riserva disponibile di idrogeno da trasformare in elio. Quando poi l’idrogeno si è trasformato completamente in elio, la Stella inizia ad evolversi, poiché la fusione dell’elio richiede una temperatura interna superiore. Una Stella con una temperatura interna sufficientemente alta spingerà verso la superficie i suoi strati esterni, aumentandone il Nucleo, e la “Gigante Rossa” che ne risulterà così formata avrà vita breve, in quanto l’elio ne verrà completamente consumato.

Le Stelle massicce possono presentare pure diverse fasi evolutive, arrivando a fondere via via elementi sempre più pesanti. Il destino di una Stella dipende ovviamente dalla sua massa. Nelle Stelle di massa superiore, di circa otto volte il Sole, avviene il collasso del Nucleo e che conduce all’esplosione della stessa in Supernova, mentre le Stelle più piccole espellono i loro strati esterni lasciando come residuo ciò che diventerà una densa e inerte Nana Bianca, circondata dagli strati espulsi i quali andranno a formare una Nebulosa Planetaria. I resti delle Supernove si tramutano in Stelle di Neutroni, persino più dense delle Nane Bianche, oppure, in caso di Stelle più massicce, in veri e propri Buchi Neri. Stelle di sistemi binari, inoltre, possono seguire percorsi evolutivi più complessi, come il trasferimento di massa verso compagne Nane Bianche, danza che sovente conduce all’esplosione in Supernove. Le Nebulose Planetarie e le Supernove arricchiscono così il “Mezzo Interstellare” dei metalli o degli “Elementi” prodotti dalla Stella durante la sua esistenza, tutte componenti necessarie per la formazione della Materia di cui è composto l’Universo. Per tale motivo le vecchie Stelle formatesi agli albori sono solitamente povere di metalli, al contrario di quelle a noi più recenti.

Lo Studio delle Galassie

Il nostro Sistema Solare orbita all’interno della Via Lattea, una Galassia a Spirale Barrata, membro del “Gruppo Locale di Galassie“, una sorta di massa rotante di gas, polvere, Stelle e altri oggetti cosmici, tenuta assieme da un’attrazione gravitazionale sconosciuta. In una delle ampie porzioni della Via Lattea, oscurate alla vista, si trova la Terra, inserita all’interno di uno dei bracci densi di polvere che la costituiscono. Al centro della Via Lattea vi è il Nucleo, una sorta di rigonfiamento a forma di barra nel quale si trova il Buco Nero Supermassiccio Sagittarius A*. Tale Nucleo è circondato da quattro bracci a spirale principali, regioni ad altissima formazione stellare e ricchi di giovani Stelle di popolazione I. Il Disco Galattico è circondato, inoltre, da un alone popolato di Stelle più vecchie e da dense concentrazioni detti Ammassi Globulari. Tra le Stelle si trova il “Mezzo Interstellare“, mentre nelle regioni più dense le nubi molecolari di idrogeno e altri elementi, i quali contribuiscono alla creazione di intense regioni di formazione stellare. Venti stellari ed esplosioni possono causare la dispersione della Nube, formando uno o più giovani ammassi aperti di Stelle. Studi cinematici sulla nostra Galassia e su diverse altre, hanno dimostrato la presenza di una considerevole quantità di Materia Oscura che predomina sulla Materia Visibile, i cui effetti gravitazionali sono evidenti, nonostante la natura di questa Materia resti ancora un mistero.

Ovviamente, oltre alla nostra, vi è pure lo studio delle altre Galassie o degli oggetti presenti nel Cosmo, e che tenta di occuparsi della formazione, la morfologia e la classificazione, dell’osservazione delle Galassie Attive o dei gruppi e Ammassi di Galassie; importante, a tale scopo, è anche la comprensione della struttura su larga scala del Cosmo. Le Galassie sono classificate secondo la forma in tre classi ben distinte: Spirale, Ellittiche e Irregolari, a loro volta divise in sottoclassi. Come suggerito dal nome, una Galassia Ellittica ha la forma di un’Ellisse e le Stelle al suo interno si muovono lungo orbite casuali senza una direzione preferenziale. Tali Galassie contengono poca polvere interstellare e presentano scarse regioni di formazione, essendo composte da Stelle alquanto vecchie. Si trovano generalmente al “Centro di Ammassi di Galassie“, formatesi a séguito di fusioni con preesistenti grandi Galassie. Una Galassia a Spirale ha la forma di un disco rotante, solitamente rigonfio al centro, con bracci luminosi sempre a spirale e che si snodano verso l’esterno. Le braccia sono regioni di altissima formazione stellare, luoghi dove giovani e calde Stelle massicce contribuiscono a dare ai bracci un colore azzurrognolo, circondate da un alone di Stelle più vecchie. Sia la Via Lattea che la vicina Galassia di Andromeda, sono Galassie a Spirale.

Le Galassie Irregolari, all’apparenza caotiche, sono circa un quarto di tutte quelle presenti nell’Universo, tra di esse, quelle di forma peculiare sono il risultato di qualche interazione gravitazionale. Una Galassia Attiva, inoltre, è un agglomerato di Stelle che emette, specie dal Nucleo, una notevole quantità di Energia non generata da Stelle, polveri e gas, ma da materiale in caduta verso un “Buco Nero Supermassiccio” postovi al centro. Sono presenti anche le Radiogalassie, molto luminose nella banda dello spettro delle onde radio, le quali emettono grandi pennacchi e lobi di gas. Tra questi oggetti che emettono radiazioni ad alta Energia e frequenza più brevi, vi sono le Galassie di Seyfert, i Quasar e i Blazar; tra di essi i Quasar sono ritenuti essere gli oggetti più luminosi dell’Universo conosciuto. Su metri di grandezza sempre più ampi, vi sono gli Amassi di Galassie che costituiscono i Superammassi, legati tra di loro da dei veri e propri filamenti connessi a strutture separate da grandi spazi vuoti.

Lo Studio del Cosmo

Ad oggi esiste un’unica branca della Scienza deputata a studiare l’Universo nel suo complesso, la Cosmologia. Le osservazioni della struttura su larga scala, ramo noto col nome di Cosmologia Fisica, hanno fornito una profonda comprensione della formazione e dell’evoluzione del Cosmo. Fondamentale per la Cosmologia moderna è la teoria ormai accettata del Big Bang, la quale prevede come il nostro Universo si sia formato da un’unica singolarità gravitazionale nel Tempo e nello Spazio, e si sia espanso nel corso dei successivi 13,8 miliardi di anni, arrivando alle attuali condizioni; il “Concetto del Big Bang” nacque quando si scoprì la “Radiazione di Fondo” nel 1965. Nel corso di tale espansione, l’Universo subì diverse fasi evolutive, ovvero un processo di “inflazione cosmica” molto rapida, il quale omogeneizzò le condizioni di partenza e che successivamente permise alla nucleosintesi di produrre elementi primordiali in abbondanza. Quando poi i primi atomi stabili vennero a formarsi, lo Spazio si fece trasparente alla radiazione rilasciando un’Energia studiata oggi come “Radiazione di Fondo a Microonde“; l’Universo in espansione passò poi dentro un’Eta Oscura a causa della mancanza di fonti energetiche stellari.

Da piccole variazioni (o increspature) nella densità della Materia nello Spazio, iniziarono poi a formarsi le prime strutture: la Materia accumulata nelle regioni più dense formò nubi di gas dalle quali nacquero le prime Stelle, la popolazione III. Queste Stelle massicce innescarono un processo di reionizzazione, creando molti degli “Elementi Pesanti” dell’Universo primordiale e che, attraverso il decadimento nucleare, portarono alla formazione di “Elementi più leggeri“, permettendo alla nucleosintesi di continuare più a lungo. Poco a poco, le strutture di gas e polveri si fusero per formare le prime Galassie, e nel corso del Tempo, andarono mano mano a raggrupparsi in Ammassi di Galassie, infine in Superammassi. Fondamentale per la struttura dell’Universo è l’esistenza della Materia e dell’Energia Oscura, in quanto si pensa costituiscano le componenti dominanti, formando il 96% della massa totale; per tale motivo, numerosi sforzi sono stati fatti nel tentativo di comprendere la Fisica di queste “Forze” ancora sconosciute del Cosmo.