L ET DELL UNIVERSO Van Gogh notte stellata

L’ ETÁ DELL’ UNIVERSO Van Gogh: notte stellata 1

Perche’ e’ importante determinare l’eta’ dell’Universo? § E’ una domanda che gli uomini si pongono da migliaia di anni; § E’ necessario per comprendere l’evoluzione e la struttura dell’universo; § E’ necessario per la determinazione di altri parametri cosmologici; § La coerenza dei risultati ottenuti con metodi diversi fornisce una verifica importante delle leggi fondamentali della fisica. 2

Un po’ di storia 1. Fino a qualche centinaio di anni fa, il sistema solare e l'Universo erano equivalenti nella mente degli uomini dotti. 2. Rivoluzione culturale 3. COPERNICO - La terra non e’ il centro del sistema solare 4. SHAPLEY - Il sistema solare non si trova al centro della Via Lattea 5. HUBBLE - L’Universo subisce una Espansione Uniforme (la Via Lattea non e’ il centro dell’Universo) 6. Se l’universo si espande (evolve) fa senso chiedersi quale è la sua origine e quale sarà il suo 3 destino.

L’Universo del XVIII-XIX secolo Universo = Via Lattea 1 parsec (pc)= 3. 26 anni luce = 3. 1. 1018 cm 4

L’Universo del XXI secolo T 0 = età dell’Universo 5

L’eta’ dell’Universo: nel passato § Nel XVII secolo il vescovo irlandese James Ussher calcolò che la creazione avvenne nel 1095 a. c. , secondo la cronologia della Bibbia. § Nel XIX secolo Helmoltz stimò l’età del sole e del sistema solare in circa 50 Milioni di anni, sulla base dell’energia gravitazionale disponibile. § La geologia suggeriva tempi dell’ordine del Miliardo di anni, un ordine di grandezza necessario anche per l’evoluzione biologica. § Nel XX secolo, dopo la scoperta della radioattività Eddington capì che il sole, come le altre stelle, è alimentato dall’energia nucleare, che può sostenerlo per miliardi di anni coerentemente con le evidenze 6 geologiche (ed evoluzionistiche).

L’età dell’Universo: oggi Ci sono molti modi per stimare l'età dell’ Universo: - l'età dei più antichi ammassi stellari ÞT 0 = (13 2) Gyr - la misura della costante di Hubble ÞT 0 = (14 2) Gyr - l'età degli elementi chimici; ÞT 0 = (12. 5 3) Gyr - l'età delle più antiche nane bianche: ÞT 0 = (13. 5 2) Gyr I vari metodi danno risultati consistenti: T 0 = (13 2) Gyr (1 Gyr= 10 9 anni = 1 miliardo di anni ) 7

STRUTTURA DELLA GALASSIA L’Universo è più vecchio delle stelle che contiene. Quali sono le stelle più vecchie della nostra galassia? 8

Gli ammassi globulari ü 105 - 106 stelle aventi la stessa eta’ e la stessa composizione chimica ü Assenza di gas e polveri ü Prevalenza stelle Giallo/Arancio/Rosse ü Simmetria sferica ü Scarsa abbondanza di elementi più pesanti dell’elio. ÞGli ammassi globulari sono quelli piu’ antichi ÞSi sono formati subito dopo il BIG-BANG: TAG T 0 A. Globulare M 55 9

L’eta’ degli ammassi globulari Turn-Off = Stelle dell’ammasso che hanno esaurito l’idrogeno centrale LTO MTO = Massa delle Stelle al Turn-Off MTO TTO = eta’ delle stelle al Turn-O TTO = TAG T 0 TAG 12 1 Gyr 10

L’espansione dell’Universo C’è una relazione di proporzionalità fra la distanza d di ciascuna galassia e la velocità v con cui si allontana Legge di Hubble V = H 0 · d H 0 = Costante di Hubble v = velocita’ d = distanza Ho ha le dimensioni di un inverso di un tempo. Se trascuro ogni interazione l’età dell’universo è: To = 1/ Ho 11

Le misure di velocità e distanza La legge di Hubble V = H 0 · d H 0 = Costante di Hubble V = velocita’ d = distanza richiede la misura di due quantità: • Velocità misure di redshift SN 1 A • Distanza misure di luminosità Candele Campione 12

L’eta’ dell’Universo H 0 = 65 ± 8 km/s/Mpc T 0 ~ 1/H 0 15 miliardi di anni N. B. Il risultato esatto dipende dalla composizione dell’ Universo; adesso si ritiene che: tot = crit; m ~ ½ v T 0 = (14 2) Gyr < crit > crit 13

L’età degli elementi § I metodi di datazione radioattiva sono ampiamente utilizzati nello studio dell’antichità. § Ad esempio l’età di una ceramica greca può essere determinata dall’abbondanza residua di Carbonio 14 nei pigmenti organici. § Lo stesso metodo si può usare per datare le stelle, misurando l’abbondanza residua di elementi radioattivi con tempi di decadimento di miliardi di anni. 14

Osservazione di Uranio e Torio nelle stelle di alone Dalla misura delle abbondanze di questi elementi nelle stelle più vecchie si può ricostruirne l’età: T= (12. 5± 3) Gyr 15

Il raffreddamento delle nane bianche § Una nana bianca è il cadavere di una stella. § Sherlock Holmes: dalla temperatura del cadavere posso dedurre quando è stato compiuto l’assassinio. § Questo stesso metodo è applicato misurando la temperatura superficiale delle nane bianche. § Isolando quelle più fredde si determina l’età delle più vecchie. 16

Le nane di M 4 § Il telescopio spaziale Hubble ha osservato le più fredde nane bianche a 7000 anni luce da noi, nell’ammasso M 4 Dalla misura della loro luminosità si ricava l’età: TWD= (13. 5 2) Gyr 17

Conclusioni e problemi aperti § Quattro metodi diversi danno risultati in accordo, riassumibili in: T 0 = 11 -15 Miliardi di anni § La consistenza dei risultati conferma il quadro teorico in cui sono inquadrati (evoluzione stellare, relatività generale, costanza delle leggi della natura…). § La cosmologia è adesso una scienza, che dispone di dati osservativi e ne fornisce un’interpretazione coerente. § Sono trascorsi circa 13 Miliardi di anni dal Big Bang, ma…. Che c’era prima del big bang? . . . Esiste un “prima”del big bang? … 18