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NASCITA DELLE STELLE E DELLE GALASSIE.
Come nascono le stelle e le galassie (e i pianeti, e le meteoriti, e le comete e tutto il resto)? Occorrono solo due cose: materia e movimento. Ed entrambe le cose nascono al momento del big-bang. E ciò ancora una volta assicura che tutto il futuro, compresa la nostra esistenza individuale, è presente già nel big-bang. Le masse, qualunque esse siano, dovunque si trovino, qualunque struttura fisica o chimica possiedano, esercitano fra loro una forza di mutua attrazione espressa con la relazione
F = k * m1*m2 / r2
La mela di Newton (1642 - 1727) cade perché è una massa attratta dalla Terra, che è un'altra massa. Ma se c'è in vista la Luna, la mela cade più lentamente.... Oppure: la mela è ferma e la Terra "sale" per raggiungerla..... Naturalmente quest'ultima ipotesi è "vera" solo tendenzialmente. La legge fondamentale della dinamica F = (m * a) si applica sia alla Terra intera che alla mela, ma le accelerazioni che nascono nei due oggetti sono infinitamente diverse. Ricaviamole: rispettivamente sono aT = F / mT e am = F / mm. Poiché mT >> mm, risulta aT << am e quindi accade che ben prima che la Terra si muova per raggiungere la mela, questa è già arrivata da un pezzo!
E se la mela fosse molto grande? Basta vedere l'azione della Luna: essa non riesce a "muovere" la Terra intera, ma almeno le acque tende a strapparle (le maree). Noi chiamiamo "peso" l'attrazione gravitazionale del nostro pianeta sugli oggetti che stanno su di esso. Possiamo però estendere arditamente il significato di peso a tutte le attrazioni gravitazionali e quindi parlare di peso rispetto al Sole, alla Luna, alla galassia di Andromeda, ecc. Esiste una situazione di assenza di peso? In modo assoluto no, ma è possibile in modo relativo a qualcosa: immaginiamo di muoverci su una traiettoria rettilinea verso la Luna: durante il viaggio diminuisce la attrazione verso la Terra (poiché cresce la distanza da essa) e aumenta quella verso la Luna (poiché diminuisce la distanza da essa): c'è un punto nel quale le due attrazioni sono uguali e quindi il peso relativo ai due oggetti è zero. Attenzione però: resta il peso rispetto al Sole, a Giove, a Sirio, ecc. La forza di gravitazione probabilmente condiziona il futuro (lontano!) del nostro Universo. Questo è ora in espansione, "creando"(*) continuamente nuovo spazio, ma, secondo una certa ipotesi, a lungo andare i corpi celesti perderanno l'energia cinetica iniziale dovuta al Big-Bang a causa della mutua attrazione gravitazionale fra le galassie. A quel punto rimarrebbe solo quella forza, la quale costringerebbe tutte le masse a riunirsi in un unico punto producendo una implosione (Big-Crash) da cui potrebbe nascere un nuovo Universo, cominciando un nuovo ciclo.
La Via Lattea, come i pianeti, le stelle e le altre galassie, è dotata di moto rotatorio intorno ad un asse. Perché moto rotatorio? Perché è quello che consente di avere la più stabile condizione di equilibrio dinamico, come mostra l'effetto giroscopico, a causa della presenza del momento di inerzia nelle leggi che regolano tale moto. Si chiama momento di inerzia la quantità J = m * d2 dove m è la massa in rotazione e d la distanza dall'asse di rotazione. Il momento di inerzia è un "numero" che misura la facilità (o la difficoltà) di mettere in moto rotatorio una massa (o di arrestarla).
Supponiamo che una forza F agisca sulla periferia di una massa m ad una distanza r dal baricentro: nasce un momento M = F * r il quale rappresenta l'azione rotante, così come la forza F rappresenta l'azione che produce il moto rettilineo, quando passa per il baricentro. Come conseguenza nasce una velocità periferica pari a v = w * r. Essendo però anche F = m * a sostituendo si ha:
M = m * a * r = m * (v2-v1) * r / t = m * (w1 * r - w2 * r) * r / t = m * r2 * (w2 - w1) / t = J * e
essendo e l'accelerazione angolare (w2 - w1) / t.
Come si vede lo stato di quiete o di moto di una massa in rotazione dipende da J, il quale assume valori enormi quando r è grande poiché cresce con il quadrato della distanza (o del raggio). Questo vuol dire che, se è vero che è "difficile" porre in rotazione le masse, è altrettanto "difficile" arrestarle.
Rispetto ai corpi celesti quindi, non è tanto necessario indagare perché sono dotati di moto rotatorio (una volta assunto tale moto, "nessuno" può toglierglielo), quanto sapere "quando e come" si sono dotati di tale moto. Supponiamo che la materia nata al momento del Big-Bang fosse dotata di moto rettilineo in allontanamento dal punto di esplosione (se la materia fosse stata dotata dall'inizio di moto rotatorio, la domanda posta prima sarebbe inutile; non solo, ma l'universo tutto intero sarebbe ancora in rotazione, e così sembra che non sia: l'espansione appare per ora rettilinea in tutte le direzioni osservate). Per cause fortuite (forse!) due "pezzi di materia" si uniscono e formano un centro di attrazione gravitazionale rispetto ad altri pezzi. Perché inizia la rotazione? Perché il moto di avvicinamento al centro di attrazione "non è e non può essere" rettilineo provenendo da tutte le direzioni. Alcune aggregazioni "devono" avvenire in direzione tangenziale e ciò provoca il sorgere di momenti. Una volta innescato, il moto rotatorio si mantiene stabilmente perché il momento di inerzia diventa sempre più grande e l'effetto giroscopico diventa eterno.
TUTTE LE PARTICELLE HANNO INIZIALMENTE TRAIETTORIE RETTILINEE E PARALLELE MUOVENDOSI VERSO DESTRA. LE PARTICELLE 4 E 6 VENGONO ATTRATTE DA 5 CHE QUINDI AUMENTA DI MASSA E ATTRAE ANCHE 3 E 7, SEMPRE CONTINUANDO A MUOVERSI; A QUESTO PUNTO ANCHE 2 E 8 INIZIANO A DEVIARE DALLA RETTA E SI PIEGANO VERSO 5, CHE RAGGIUNGERANNO IN UN PUNTO PIÙ A DESTRA; ORA PERÒ LA MASSA DI 5 È COSÌ GRANDE DA ATTRARRE ANCHE 1 E 9. LE PARTICELLE IN MOTO, AVENDO MASSA E ACCELERAZIONE (LE LORO TRAIETTORIE SONO CURVE QUINDI HANNO ACCELERAZIONE CENTRIPETA), POSSIEDONO UNA FORZA E PERCIÒ COSTRINGONO 5 A METTERSI IN ROTAZIONE. LA MASSA 5 PUÒ ESSERE UN "PEZZO" DI SUPERNOVA ESPLOSA FINITA DENTRO UNA NUBE DI GAS.
(*) La creazione di sempre nuovo spazio discende anche dalla necessità di sempre nuovi scambi di energia, dal luogo di produzione (le stelle, le supernovae, ecc.) ad un altro luogo. E' regola generale della termodinamica che il calore (rappresentato dai fotoni) si "muove" da temperature superiori a temperature inferiori. Se l'universo fosse limitato, i fotoni, nei 15 miliardi di anni della loro vita, si sarebbero accumulati al confine producendo un aumento di temperatura all'interno del contenitore-universo, oppure sarebbero rimbalzati indietro mostrando che il calore proviene da due direzioni opposte. Poiché queste due possibilità non si sono ancora verificate possiamo concludere che o l'universo è per natura illimitato, oppure esso si espande proprio per effetto dell'azione della massa-energia che conosciamo. Immaginare un confine significa anche domandarsi come e di cosa è fatto e cosa c'è aldilà. Io preferisco pensare che tale confine non esiste e che lo spazio oltre i punti raggiunti da qualcosa non è vuoto ma "non esiste".
Le galassie sono estesissimi sistemi di stelle legate fra loro dalla gravitazione universale e dotate di moto rotatorio intorno al proprio centro e traslatorio verso un punto comune a due o più di esse, così costituendo gli ammassi. Le galassie sono gli organismi "normali" del nostro universo, cioè non esistono, se non relativamente rare, le stelle isolate. Ciò dipende probabilmente dal fatto che, al momento del Big-Bang si costituirono enormissime nubi di idrogeno separate fra loro. Da ogni nube si costituirono una o più galassie. Nubi piccole non sono in grado di generare nuove stelle e vagano ancora nello spazio intergalattico, aspettando di essere catturate da sistemi più grandi oppure di riunirsi in modo da avere massa sufficiente a trasformarsi a loro volta in galassie(*). Le galassie sono delle isole nell'universo che noi osserviamo, isole lontane fra loro. Ce ne sono piccole (10.000 anni-luce di diametro), grandi (100.000 anni-luce), grandissime (300.000 - 1.000.000 anni-luce), ma le distanze fra loro sono sempre superiori a milioni di anni-luce. Accanto a galassie antiche ed esaurite (globulari) ci sono galassie in piena fioritura e altre ancora in formazione con la generazione di nuove stelle. Alla periferia di molte galassie, come la via Lattea, ci sono ammassi globulari, cioè gruppi di milioni di stelle ormai vecchie(**), e nubi di idrogeno che sono speranze di nuove stelle. Le forme assunte dalle galassie sono varie, ma sempre come risultato di moti rotatori. Le più spettacolari sono forse quelle a spirale con due o più bracci, che hanno quasi l'aspetto di stelle marine. Non mancano però forme a disco, ellittiche, sferiche, sfrangiate. Talvolta si dividono in due parti, altre volte si scontrano(***) per formarne una sola oppure si attraversano poi separandosi. Naturalmente molte di queste cose sono a livello di ipotesi ben fondate, poiché tutto ciò che si è detto avviene in tempi di milioni di anni e le nostre osservazioni sono troppo "giovani" per aver visto realmente ciò che avviene. Basti pensare che sino a 100 anni or sono le galassie erano dette "nebulose" perché i telescopi non erano in grado di distinguere le stelle al loro interno e quindi sembravano nuvole luminose vaganti nello spazio infinito.
(*) Bisogna distinguere fra massa della nube e densità della nube: la massa può anche essere enorme, ma se la densità è piccola (cioè le molecole componenti sono molto distanti fra loro) la forza di attrazione gravitazionale non è sufficiente ad innescare il processo di aggregazione. Ricordiamo che la forza gravitazionale è direttamente proporzionale al prodotto delle masse e inversamente al quadrato della distanza. Ne segue che se la massa è piccola (e tale è quella delle molecole che costituiscono le nubi) e la distanza è grande (non in termini assoluti ma relativi, nel senso che due atomi distanti un millimetro sono in proporzione distanti come la Terra dal Sole) la forza di attrazione è praticamente zero. Se però, per esempio, nel loro vagare, le nubi incontrano un qualche "pezzo" di materia, magari proveniente dall'esplosione di una nova, allora tale pezzo funge da primo attrattore, aumenta la sua massa, attrae altra massa perché la sua forza è aumentata e così via, sino a generare un nuovo corpo celeste.
(**) La vecchiaia delle stelle è di diversi tipi a seconda della massa iniziale. Gli ammassi globulari sono costituiti da stelle che hanno esaurito tutte le possibilità di trasformazione perché erano troppo piccole. Quelle più grandi diventano stelle di neutroni o buchi neri.
(***) Scontrarsi e attraversarsi sono parole un poco improprie poiché le distanze fra le stelle componenti le galassie sono pur sempre grandi rispetto alle dimensioni fisiche [la stella più vicina al Sole (si chiama Proxima Centauri, che in latino significa Vicina del Centauro) si trova a 4,4 anni luce di distanza]. Ciò non toglie che siano possibili veri e propri abbracci di fuoco, a seguito di fusioni generate dalle forze di attrazione gravitazionale.
SVILUPPO 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10