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La Via Lattea: i movimenti del Sistema Solare

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Il Sistema Solare possiede tre movimenti principali, ognuno con la sua direzione e velocità:

  • Rotazione intorno al centro galattico. In accordo con i movimenti delle stelle vicino a noi deduciamo che il Sistema Solare ha una velocità di moto medio circolare uniforme intorno al centro galattico di circa 220-250 Km/s, ed impiega circa 230 milioni di anni per coprire un anno galattico, ovvero un’intera rotazione. Questo vuol dire che dal momento del collasso della nube interstellare che ha dato origine al Sistema Solare, quest’ultimo ha compiuto circa 22-23 rotazioni intorno alla Via Lattea, non molti quindi. Il tempo impiegato per una rotazione è modesto, proviamo infatti a fare un confronto su scale geologiche cosa significa un periodo di un anno galattico. Modelliamo il percorso del Sistema Solare come un’ellisse e supponiamo che ora che il Sistema Solare si trovi nel punto A, come in figura.

Immagine ottenuta consoftware “Dove sta M13?” modificata in seguito dall’autore

A partire da questo punto, dividiamo il piano della Galassia (nella figura vista dall’alto) in  quattro sezioni {A, B, C, D}: ad ogni quarto di rotazione il Sistema Solare si troverà rispettivamente nei punti B, C, e D, fino a ritrovarsi, dopo un’intera rotazione di 230 milioni di anni, ancora nello stesso punto A di partenza (ma non all’interno del medesimo braccio, né sulla stessa posizione rispetto al piano galattico). Ogni quarto di rotazione corrisponde quindi a circa 230/4 = 57.500.000 anni, quindi possiamo associare ad ogni quarto la scala del tempo geologico in cui si trovava la Terra:

  • Sistema Solare nel punto A della Via Lattea: 230.000.000 anni fa: la Terra si trovava nel Triassico. Le alghe costituiscono la maggior parte della vegetazione sulla Terra. Per quanto riguarda la flora ci sono spugne, pesci ed anfibi giganti come il Mastodontosauro. È in corso l’orogenesi delle Dolomiti.
  • Sistema Solare nel punto B della Via Lattea: 172.500.000 anni fa: la Terra si trovava nel mezzo del Giurassico. Sulla Terra c’erano i dinosauri. Era il periodo d’oro dei sauropodi come il Brachiosauro e l’Apatosauro.
  • Sistema Solare nel punto C della Via Lattea: 115.000.000 anni fa: la Terra si trovava nel Cretaceo. Sulla Terra c’erano ancora i dinosauri: era il periodo d’oro del Triceratopo, Velociraptor, Tirannosauro e Gigantosauro.
  • Sistema Solare nel punto D della Via Lattea: 57.500.000 anni fa: la Terra si trovava nel Paleogene: il Cretaceo è appena terminato e sulla Terra i dinosauri si sono estinti a causa di un evento catastrofico che ha cambiato il clima. Oltre ai dinosauri, nel giro di un breve intervallo di tempo su scala geologica (si ipotizza in circa 33.000 anni) la maggior parte delle specie viventi sulla Terra si estinta: pesci, spugne, ammoniti, … I geologi chiamano questo evento “Estinzione KT” e rappresenta la quinta ed ultima grande estinzione di massa che ha subito il nostro pianeta.

Nelle zone di maggiore densità stellare è molto più alta la probabilità di formazione stellare: inoltre i processi di formazione planetaria includono anche la formazione di asteroidi e altro materiale “di scarto” con cui il nostro Sistema Solare durante i suoi moti galattici potrebbe periodicamente fare conoscenza. Secondo alcuni geologi l’estinzione KT potrebbe essere messa in relazione con una situazione di attraversamento di una zona particolarmente densa del disco galattico. Non abbiamo altre informazioni al riguardo, quindi rimane un’ipotesi molto affascinante che non possiamo validare: il Sistema Solare da quando è nato ha compiuto solo poche rotazioni intorno al centro galattico. Ogni specie vivente inoltre, dura mediamente pochi milioni di anni: un periodo di tempo troppo breve per poter fare osservazioni e trarre conclusioni.

  • Movimento N/S oscillatorio sul piano galattico. Oltre al movimento di rivoluzione il Sistema Solare possiede anche un movimento oscillatorio sul piano galattico che lo porta alternativamente ad attraversarlo sopra e sotto una velocità di circa 7 Km/s. Questo movimento è dovuto alle forze di attrazione gravitazionali che gli altri corpi celesti esercitano sul Sole con un effetto “tira e molla”. Il periodo di oscillazione è mediamente di 64 milioni di anni con un’ampiezza di circa 100 parsec e, al momento, ci troviamo a circa 40 anni luce sopra il piano galattico. Questo significa che in un anno galattico il Sistema Solare compie 230/64 ⋍ 3,5 oscillazioni, come nella figura seguente:
  • Movimento I/O oscillatorio sul piano galattico. Un terzo movimento riguarda l’oscillazione periodica verso l’interno e l’esterno rispetto al centro galattico: anche questo movimento, come il precedente, è dovuto alle forze di attrazione esercitate dagli altri corpi celesti sul Sole. Questo movimento possiede una velocità di circa 11 Km/s e, attualmente è diretto lungo la Costellazione di Ercole. Il periodo di oscillazione è di circa 200 milioni di anni. Questo significa che in un anno galattico il Sistema Solare compie poco più di una oscillazione in direzione del centro galattico.

A questo punto possiamo combinare tutti e tre i moti per cercare di avere una visione d’insieme, facendo molta attenzione alle velocità relative fra ognuno di essi. Considerando anche l’inclinazione dell’eclittica sul piano galattico, il Sistema Solare è in rotazione lungo la Galassia (il Sole “trascina” tutti i suoi pianeti), con due moti oscillatori che modulano l’anno galattico. Mentre rivoluziona esso compie circa quattro oscillazioni sopra/sotto il piano galattico e, al temo stesso, un’altra verso l’interno/esterno del centro galattico. Se si adotta un sistema di riferimento solidale con il movimento di rivoluzione del Sistema Solare

I pianeti compiono un movimento elicoidale come in figura:

Anche se a prima vista il moto risultante potrebbe sembrare simile al movimento di una vite senza fine lungo la rivoluzione galattica, si tratta di un movimento ad elica, dove i pianeti durante il loro movimento a volte anticipano il Sole (si posizionano davanti al Sole), e a volte ritardano trovandosi nella parte opposta dell’orbita (si posizionano dietro il Sole). A causa della differente velocità del Sistema Solare rispetto alla nube cosmica, il Sistema Solare non rimane sempre nello stesso braccio, ma slitta da un braccio al successivo in un tempo di percorrenza di circa 15 milioni di anni.

(continua)

Bibligrafia e riferimenti

La Via Lattea: spirali e orientazione

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La geometria dei bracci si determina confrontando le velocità radiali delle stelle a noi prossime a distanze differenti. A causa dell’interazione gravitazionale le stelle/gas oscillano a cavallo dell’orbita secondo movimenti periodici sul piano galattico con una frequenza detta frequenza epiciclica in parte all’interno ed in parte all’esterno a seconda di quale forza prevale maggiormente: la forza centrifuga o la forza gravitazionale e lo stesso fa il Sistema Solare.

Le strutture e la formazione delle spirali hanno costituito un pensiero per gli astronomi: le parti esterne del disco hanno una rotazione angolare più lenta di quelle interne; che col tempo porterebbero la spirale a riavvolgersi su sé stessa fino a scomparire, ma in realtà non è così. I bracci disegnano visivamente delle strutture a spirale che cambiano nel tempo a causa della rotazione differenziale che permane dinamicamente nel tempo. Le spirali non hanno nulla a che vedere con il percorso di rotazione delle stelle: ogni sistema stellare percorre la propria rivoluzione su un’orbita ellittica, ognuna diversa dall’altra. Possiamo vedere le braccia di una galassia a spirale come una zona di maggiore densità stellare ove il gas interstellare risulta più denso, e quindi più compatto: l’onda d’urto che si genera favorisce, all’interno di queste zone di maggiore densità, la nascita di nuove stelle. I bracci ruotano anche essi intorno alla Galassia ma si muovono a velocità leggermente diversa fra di loro, quindi un po’ alla volta le stelle oltre a rivoluzionare intorno al centro della galassia, slittano da un braccio all’altro. L’insieme di queste orbite stellari mediate su tutte le stelle sfasate casualmente fra loro, induce una torsione delle orbite man mano che l’onda procede. Nel 1964 il matematico Chia-Chiao (1916 – 2013) e Frank Shu (1943 -) riformularono questo concetto specificando che la spirale che caratterizza il disegno della Via Lattea visto “dall’alto” è il risultato che emerge dall’inviluppo di onde di densità che si muovono: l’onda di densità si muove a circa 30 Km/s, mentre le stelle si muovono con una velocità di circa 250 Km/s. Questo significa il nostro Sistema Solare, si muove rispetto alle onde, attraversandole. Il percorso delle stelle è comunque circolare intorno al centro, non segue quindi i percorsi delle spirali che rappresentano un fenomeno ottico.

Per capire meglio come la struttura spirale possa perdurare nel tempo, gli astronomi hanno separato la struttura dei bracci dalla cinematica del disco con la rotazione differenziale della Galassia.  La teoria delle onde di densità proposta inizialmente da Lindblad nel 1941 venne studiata in seguito da Lin, Shu e Yaun dal punto di vista matematico facendo analogie con processi di fluidodinamica di un disco gassoso molto sottile. Il risultato portò all’introduzione di due effetti di risonanza: risonanza interna (RIL) e risonanza esterna di Lindblad (REL). Le onde di densità (onde di compressione e rarefazione del gas) si propagano all’interno di questo anello circolare compreso fra RIL e REL e si muovono a velocità angolare ωW costante (ωREL ≤ ωW ≤ ωRIL) nello stesso verso della materia del disco.

Sul disco galattico si identificano così tre zone:

  1. Una zona cin cui la velocità angolare dell’onda ωW è uguale alla velocità di rotazione del disco stellare ωC: in questa zona l’onda e le stelle (e gas) sono co-rotazionali: si muovono assieme.
  2. Una zona (corona circolare) in cui le stelle e il gas interstellare hanno una velocità angolare ωRIL > ωW. Le stelle quindi raggiungeranno l’onda di densità comprimendola ed attraversandola. All’uscita le stelle e i gas usciranno di nuovo con la stessa velocità e densità iniziale.
  3. Una zona (corona circolare) in cui la velocità dell’onda di densità ωW > ωREL. In questo caso è l‘onda di densità a raggiungere il gas interstellare e le stelle, le quali vengono compresse. L’onda quindi le supererà riprendendo la velocità iniziale.

Il risultato “visivo” sulla Galassia è la nascita di una struttura a spirale: le spirali e la barra sono un continuo risultato di effetti dinamici nel tempo.

Formazione delle spirali all’interno delle risonanze di Lindblad. Disegno dell’autore

 

Alcuni esempi di formazione di spirali e barra


Orientazione Abbiamo detto che siamo a 27.000 anni luce dal centro, in una zona periferica della Via Lattea che G. Gonzales negli anni ’90 ha definito come Zona Galattica Abitabile (GHZ). Il piano dell’eclittica non è complanare col piano galattico, infatti il primo è inclinato di 60° rispetto a quest’ultimo, come mostrato in figura:

Il Sistema Solare possiede tre movimenti principali, ognuno con la sua direzione e velocità:

  1. Rotazione intorno al centro galattico
  2. Movimento N/S oscillatorio sul piano galattico
  3. Movimento I/O oscillatorio sul piano galattico

Vediamo in dettaglio la descrizione di ogni moto.

(continua)

Bibligrafia e riferimenti

La Via Lattea – struttura e barra

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Come distinta da minori e maggi
lumi biancheggia tra’ poli del mondo
Galassia sì, che fa dubbiar ben saggi;
sì costellati facean nel profondo
Marte quei raggi il venerabil segno
che fan giunture di quadranti in tondo.
(Par. XIV, 99-104)

La protagonista dei versi a cui si riferisce Dante nelle righe qui sopra è la Via Lattea (o Galassia – nome proprio); l’unica galassia allora conosciuta che si distende fra i due poli celesti, che appare all’osservazione come una striscia biancheggiante e mantiene nel dubbio i più saggi circa la sua vera natura. Oggi sappiamo che la Galassia (come tutte) è un sistema auto gravitante costituito da un agglomerato di stelle e polveri interstellari molto dense e così lontane da noi che alla nostra vista appare nei cieli notturni come una striscia lattiginosa indistinta (nei luoghi ancora non raggiunti dall’inquinamento luminoso). A quanto riportano gli ultimi modelli matematici creati grazie all’analisi delle foto “Ultra Deep Field” del telescopio spaziale Hubble, ci sono centinaia di miliardi di galassie all’interno nel nostro Universo osservabile: alcune di queste sono identificabili come batuffoli indistinti al telescopio (o nel binocolo) tramite visione distolta.

La Via Lattea sopra il Cile (Fonte: https://apod.nasa.gov/apod/ap170821.html)

Tutte le stelle che vediamo in cielo appartengono alla Galassia (nascono e muoiono continuamente stelle), con le quali poi l’Uomo, unendo tra loro alcune stelle come in un gioco della Settimana Enigmistica, ha creato le costellazioni ed asterismi. Noi non siamo in grado di vederla nella sua interezza, sia perché siamo all’interno di essa (dentro il sistema) sia perché data la nostra posizione alcune zone (quelle opposte) sono a noi escluse, data la presenza di nubi e polveri interstellari. A questo punto pare naturale farci alcune domande di per sé semplici, ma che necessitano di ragionamenti niente affatto superficiali.

  • Che struttura ha la Galassia?
  • Se il Sistema Solare è la nostra casa, dove e come ci muoviamo all’interno del nostro quartiere?
  • Che regioni della Galassia stiamo guardando quando la osserviamo in cielo?
  • È possibile farsi una visione tridimensionale (stereoscopica) di ciò che vediamo in cielo?

Macrostruttura. Anche se non riusciamo a vederla in tutta la sua interezza, grazie a recenti studi all’infrarosso, dei moti delle stelle e dal conteggio stellare, se potessimo guardarla dall’alto vedremmo (molto probabilmente) una galassia a spirale barrata (classe SBbc), composta da un rigonfiamento centrale (bulge), e delle spirali.

Al centro del rigonfiamento si ritiene sia localizzato un buco nero super massiccio di circa quattro milioni di masse solari: le stelle orbitano come pianeti intorno al Sole con una velocità orbitale che dipende dal centro galattico: le stelle più vicine lo fanno con una velocità maggiore di quelle più esterne. Il nucleo è attraversato da una struttura a barra (costituita da stelle rosse molto vecchie) dalla quale si dipartono i bracci, ovvero strutture a spirale che partono dalle estremità della barra e si dispiegano fino a raggiungere il margine del disco. L’estensione complessiva della Via Lattea è, per difetto, di circa 100.000 anni luce (30.600 pc) (altri ipotizzano possa raggiungere 130.000 anni luce) ed uno spessore di 1.000 anni luce (306 pc) e contiene qualche centinaio di miliardi di stelle. Il Sole si trova a 27.000 anni luce (circa 8300 pc) dal centro. La Via Lattea è circondata da un alone di ammassi globulari visibili e immersa in un alone più esteso di materia oscura rivelata solo dalla sua azione gravitazionale.

Si distinguono quattro bracci principali a spirale disposte a schema logaritmico:

  • braccio del Perseo
  • braccio del Sagittario – Carena
    • Sperone di Orione
  • braccio del Cigno – Regolo
  • braccio dello Scudo – Croce
    • Sperone del Centauro
La Via Lattea vista a volo di uccello con i bracci principali

A partire dal braccio del Sagittario, all’altezza di W51 (una regione HII in direzione dell’Aquila) si diparte un ramo secondario chiamato Sperone di Orione. All’interno di esso, si trova un’altra struttura chiamata Bolla Locale, una zona interstellare che si estende per circa 300 anni luce. Sul bordo di questa struttura si trova il Sistema Solare.

Dettaglio dello Sperone di Orione e del punto di separazione a W51 (Fonte: https://www.wikiwand.com/it/Braccio_di_Orione)

La barra ed il centro. Verso il centro della Galassia esiste una barra di stelle, o meglio si suppone molto probabile la sua esistenza (così come si vede anche in altre galassie al telescopio). William Kaufmann (1942 – 1994) ed altri hanno condotto simulazioni riguardo il comportamento della Galassia modellato come un sistema a N-corpi (N > 150.000) mostrano come la formazione di una barra al centro emerga in modo naturale come conseguenza di comportamenti caotici delle stelle nei pressi della regione centrale, rispetto al moto delle stelle più esterne che seguono orbite più regolari. Lindblad (1895 – 1965) un astronomo svedese, indagò più a fondo la formazione delle barre nelle galassie postulando come dipenda e venga mantenuta dagli effetti di risonanza di oggetti sottoposti a forza gravitazionali rotanti.

(continua)

Riferimenti

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