L ’ ET Á DELL’ UNIVERSO

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

2. 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.

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

4. Universo = Via Lattea L’Universo del XVIII-XIX secolo 1 parsec (pc)= 3.26 anni luce = 3.1 . 1018 cm

5. L’Universo del XXI secolo T0 = età dell’Universo

6. 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 geologiche (ed evoluzionistiche).

7. L’età dell’Universo: oggi Ci sono molti modi per stimare l'età dell’ Universo: - l'età dei più antichi ammassi stellari ÞT0 = (13 2) Gyr - la misura della costante di Hubble ÞT0 = (14 2) Gyr - l'età degli elementi chimici; ÞT0 = (12.5 3) Gyr - l'età delle più antiche nane bianche: ÞT0 = (13.5 2) Gyr I vari metodi danno risultati consistenti: T0 = (13 2) Gyr (1 Gyr= 10 9 anni = 1 miliardo di anni )

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

9. Gli ammassi globulari • 105 - 106 stelle aventi la stessa eta’ e la stessa composizione chimica • Assenza di gas e polveri • Prevalenza stelle Giallo/Arancio/Rosse • Simmetria sferica • Scarsa abbondanza di elementi più pesanti dell’elio. A. Globulare M55 • Gli ammassi globulari sono quelli piu’ antichi • Si sono formati subito dopo il BIG-BANG: TAG  T0

10. 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T0 Turn-Off TAG  12  1 Gyr

11. C’è una relazione di proporzionalità fra la distanza d di ciascuna galassia e la velocità v con cui si allontana L’espansione dell’Universo H0 = Costante di Hubble v = velocita’ d = distanza V = H0· d Legge di Hubble Ho ha le dimensioni di un inverso di un tempo. Se trascuro ogni interazione l’età dell’universo è: To = 1/ Ho

12. H0 = Costante di Hubble V = velocita’ d = distanza V = H0· d Le misure di velocità e distanza richiede la misura di due quantità: • Velocità  misure di redshift La legge di Hubble SN1A • Distanza  • misure di luminosità Candele Campione

13. L’eta’ dell’Universo H0 = 65 ± 8 km/s/Mpc T0~1/H0 15 miliardi di anni N.B. Il risultato esatto dipende dalla composizione dell’ Universo; adesso si ritiene che: tot = crit;m ~ ½ v  <crit  >crit T0 = (14 2) Gyr

14. 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.

15. 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

16. 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.

17. Le nane di M4 • Il telescopio spaziale Hubble ha osservato le più fredde nane bianche a 7000 anni luce da noi, nell’ammasso M4 Dalla misura della loro luminosità si ricava l’età: TWD= (13.5  2) Gyr

18. Conclusioni e problemi aperti • Quattro metodi diversi danno risultati in accordo, riassumibili in: T0 = 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? …