Capitolo 2: Le Stelle e il Sistema Solare, una presentazione di Fisica

Le Stelle e il Sistema Solare

CAPITOLO 2 : LE STELLE E IL
SISTEMA SOLARE
IL SOLE, I PIANETI DEL SISTEMA SOLARE, I
MOTI DEI PIANETI E DELLA TERRA, LE
LEGGI DI KEPLEROIL DIAGRAMMA H-R
Studiando le stelle, gli astronomi hanno
scoperto che stelle calde e azzurre sono
anche molto luminose, stelle fredde e
rosse sono poco luminose.
E' possibile costruire un diagramma che
mette in relazione:

• T superficiale (x, decrescente)

●
Luminosità assoluta (y)
La maggior parte delle stelle occupa la
sequenza principale, una fascia che
attraversa il diagramma dall'alto a
sinistra verso il basso a destra.

Diagramma H-R: Sequenza delle Fasi di Vita di una Stella

Diagramma h-r > sequenza delle fasi di vita di una stella

10%
SUPERGIGANTI
Beta Centauri
Betelgeuse
Luminosità (unità solari)
105
104
Bellatrix
103
GIGANTI
Aldebaran
102
Vega
Arturo
Sirio A
Polluce
10 -
Alfa Centauri A
Alfa Centauri B
1 -
0,1
Sirio B
10-2-
NANE BIANCHE
10-3
10-4
Proxima Centauri
10-5
30000
10 000
6000
3000
Temperatura di superficie (kelvin)
Il nome deriva dagli ideatori di questo
grafico, Ejnar Hertzsprung e Henry Norris
Russell, che verso il 1910 lo idearono
indipendentemente
SEQUENZA PRINCIPALE
Sole
Wolf
359
Procione BIl diagramma
H_R ci aiuta
anche a
ripercorrere la
storia della
vita di una
stella!

10%
Beta Centauri
Betelgeuse
105
10º
Bellatrix
GIGANTI
103
Aldebaran
Arturo
102
Vega
Sirio A
Polluce
10
Alfa Centauri A
Alfa Centauri B
1
Sole
0,1
Sirio B
10-2
NANE BIANCHE
Wolf
359
10-3
10-4
Proxima Centauri
10-5
30000
10000
6000
3000
Temperatura di superficie (kelvin)
Procione B
SUPERGIGANTI
Luminosità (unità solari)
SEQUENZA PRINCIPALE

Origine della Luce Stellare

Il Plasma nel Nucleo Stellare

DA DOVE ARRIVA LA LUCE DELLE STELLE?
Nel nucleo stellare la materia (H) si trova in
uno stato fisico particolare, denominato
plasma.
Plasma = fluido densissimo e caldissimo
(nel nucleo +10milioni K), con atomi in
forma ionizzata ed elettroni che formano
un «mare» dove i nuclei fluttuano.
Per brevissimi istanti, i fulmini
trasformano i gas atmosferici in
plasma, ma è sufficiente
raffreddare la materia o
allontanarla dalla fonte di energia
per riportarla allo stato di gas.

Stati della Materia e Temperatura

Stati della Materia
Solido
Liquido
Gas
Plasma
Temperatura

Reazioni Termonucleari

Fusione Termonucleare nel Plasma

DALLE REAZIONI TERMONUCLEARI
Nel plasma del nucleo -> fusione
termonucleare: unione di due o più nuclei
atomici e formazione di un nucleo più
complesso con massa inferiore rispetto alla
somma di quelli iniziali.
La massa perduta viene trasformata
in energia (radiazioni): E = mc2.
Le reazioni termonucleari:

• Trasformano H-> He -> C
• Avvengono a T,P,d elevatissime
• Consumano materia e producono energia

●
Sono destinate ad esaurirsi

Stati della Materia e Reazioni

Stati della Materia
Solido
Liquido
Gas
Plasma
Temperatura
4 nuclei di idrogeno
1 nucleo di ello
+ radiazione
5

Forze che Regolano la Vita delle Stelle

LA VITA DELLE STELLE E' REGOLATA DA DUE FORZE
L'evoluzione di una stella è regolata da 2 forze contrastanti:

• La forza di gravità: attira al centro la materia -> aumenta la
  densità -> diminuisce la dimensione -> COLLASSO
• La forza "esplosiva" delle reazioni termonucleari : manda la
  materia verso l'esterno - diminuisce la densità - aumenta la
  dimensione -> ESPLOSIONE/DILATAZIONE

Evoluzione di una Stella: Nascita e Fasi

EVOLUZIONE DI UNA STELLA
NASCITA: tutte le stelle si originano per contrazione di una
nebulosa -> massa di polveri e gas. Poi si susseguono, in ordine,
le seguenti fasi:

• La contrazione della nebulosa crea una PROTOSTELLA
• l'aumento di temperatura e pressione innesca reazioni di
  fusione termonucleare-> LA STELLA SI ACCENDE
• Produzione di luce, energia e FASE DI STABILITĂ in cui la
  stella consuma l'H (idrogeno) del nucleo e lo trasforma in He
  (elio). Maggiore è la massa, più velocemente brucia la stella
  Se la massa della protostella è troppo piccola, non si accende

Evoluzione di una Stella: Fine dell'Idrogeno

EVOLUZIONE DI UNA STELLA
Quando la stella ha trasformato tutto l'H in He le reazioni
termonucleari si fermano -> - energia
La stella si contrae -> aumenta la T

• Se la stella non è abbastanza grande diventa una nana
  bianca, una stella piccola, densa e caldissima che si spegne
  lentamente
• Se la stella è abbastanza grande, si innescano nuove
  reazioni termonucleari che trasformano He in C (carbonio)

○
Nuova espansione e fase di GIGANTE ROSSA
○
Quando l'He è terminato l'evoluzione dipende dalle
dimensioni della stella.

Evoluzione di una Stella: Collasso ed Esplosioni

EVOLUZIONE DI UNA STELLA
Quando l'He termina, le reazioni si fermano e la stella
collassa per poi generare grandi esplosioni:

• se la massa è simile a quella del Sole: espulsione dello
  strato più esterno e formazione di una Nebulosa
  planetaria oppure una Nova; in entrambi i casi si
  estinguerà in una nana bianca
• se la massa è di circa 10 soli: esplosione Supernova ->
  collasso in stella di neutroni
• Se la massa è ancora maggiore: esplosione in Supernova
  -> collasso in Buco nero

Morte delle Stelle e Nuove Origini

Nana bianca
Massa
< Sole
Sfera caldissima
che si raffredda
lentamente
Nebulosa planetaria
Nebulosa
Nubedi gas
in espansione
Massa
= Sole
Nana
bianca
Nova
Proto stella
- Esplosione
Stella
Gigante
rossa
Brucia idro geno
e produce elio
Brucia elio
e produce
carbonio
IN OGNI CASO LE STELLE MUOIONO
COLLASSANDO E SPEGNENDOSI ..... A
MENO CHE QUESTO NON DIA IL VIA A
NUOVE IMMENSE ESPLOSIONI CHE
POTREBBERO DARE VITA A NUOVE
NEBULOSE O ADDIRITTURA A NUOVI
UNIVERSI.
LA TEORIA DI STEPHEN HAWKING
SOSTIENE CHE TUTTO L'UNIVERSO SI
SIA ORIGINATO DALL'ESPLOSIONE DI
UN BUCO NERO ... CHI LO SA ?!

Stella
di neutroni
Supernova
Densità
elevatissima
e diametro
piccolissimo
Buco nero
Enorme
es plo sione
Massa =
n x 10 x Sole

Il Sole, la Nostra Stella

Caratteristiche e Composizione del Sole

IL SOLE, LA NOSTRA STELLA
costituisce il 99,8% della massa del
sistema solare: è il centro di gravità
Il Sole è una stella gialla abbastanza piccola

• composta per lo più da H e He
• T esterna di circa 5000 K
• T interna di 15 milioni di gradi
• A metà della fase di stabilità ( non dobbiamo preoccuparci)
• E' la fonte di luce ed energia del sistema solare
• Ha una struttura fatta "a strati"

○
nucleo: sede delle reazioni termonucleari, fatto di plasma
○
zona radiativa: trasmette il calore prodotto nel nucleo
○
zona convettiva: trasmette il calore verso l'esterno grazie a
moti convettivi
o fotosfera: è la superficie del sole, su cui vi sono macchie
solari più scure
○
Corona: strato di gas che si disperdono dal Sole

La Struttura del Sole

Zona Convettiva e Fotosfera

LA STRUTTURA DEL SOLE
La zona convettiva è uno strato
di gas che trasferisce il calore
dalla zona radiativa verso la
superficie del Sole; i gas caldi si
spostano verso l'alto, cedono
calore allo strato esterno e
sprofondano nuovamente.
Nella fotosfera si formano
periodicamente le macchie solari,
aree fredde che appaiono più scure.

Zona Radiativa e Nucleo

Zona convett
Nella zona radiativa le particelle
assorbono l'energia prodotta nel
nucleo e la trasmettono agli
strati più esterni; il plasma non è
abbastanza caldo da consentire
le reazioni di fusione nucleare.
Zona radjativa
Nucleo
Nel nucleo la temperatura si aggira intorno
ai 15 milioni di kelvin; qui avvengono le
reazioni di fusione che producono energia.
La corona è formata da gas ionizzati
che si disperdono in tutte le
direzioni, formando il vento solare.

Il Sistema Solare: Origine e Corpi Celesti

Composizione del Sistema Solare

IL SISTEMA SOLARE
ORIGINE: 5 miliardi di anni fa
Il Sistema solare comprende il Sole e tutti i corpi soggetti alla
sua attrazione gravitazionale e che si muovono intorno a esso:

• 8 pianeti, corpi relativamente freddi di forma quasi sferica
  intorno ai quali spesso ruotano uno o più satelliti;
• pianeti nani, simili a pianeti per forma ma dotati di massa
  più piccola;
• asteroidi, corpi rocciosi o metallici con forme irregolari e
  dimensioni più ridotte rispetto a pianeti e pianeti nani;
• meteoriti: piccoli asteroidi che "cadono" sui pianeti
• comete, corpi di dimensioni simili agli asteroidi, ma formati
  da rocce, ghiaccio e gas.

Il Sistema Solare: Rappresentazione Grafica

IL SISTEMA SOLARE
Nube
di Oort
fascia di asteroidi
Sole
Nettuno
Marte
Venere
Saturno
Urano
Terra
Giove
Mercurio

Confronto tra i Pianeti del Sistema Solare

Caratteristiche dei Pianeti

Il Sistema solare
Il confronto tra alcune
caratteristiche
degli otto pianeti
del Sistema solare.
Mercurio
Venere
Terra
Marte
Giove
Saturno
Urano
Nettuno
Dimensioni
diametro (km)
4879,4
12 103,6
12 742
6779
50 724
49 244
Quanto
pesa 1kg **
0,3
0,3
2,3
0,9
0,8
1,1
Periodo
di rotazione
(in giorni terrestri)
58,6
-243*
1
1,026
0,41
0,44
-0,71*
0,67
Periodo
di rivoluzione
(in anni terrestri)
0,24
0,61
1
1,88
11,8
29,4
84
164,8
Composizione
dell'atmosfera
Sodio
Idrogeno
Ossigeno
Azoto
Diossido di
carbonio
Ossigeno
Azoto
Diossido di
carbonio
Azoto, Argon
Idrogeno
Elio
Idrogeno
Elio
Elio
Idrogeno
Metano
Elio
Idrogeno
Metano
Temperatura
min / max (℃)
-173/+427
-45/+500
-88/+58
-153/+20
-163/-121
-191/-130
-214/-205
-223/-215
57,9
108,2
149,6
227,9< 778,3
1426,6
2870,6
4498,3
O ----
O
1000
2000
3000
4000
*Rotazione inversa rispetto a quella terrestre
Fonte: NASA.gov
** Questo valore dipende dalla diversa accelerazione di gravità
139 822
116 464
0,9
1
Distanza
dal Sole
(milioni km)

Pianeti di Tipo Terrestre

Caratteristiche dei Pianeti Terrestri

I PIANETI DI TIPO TERRESTRE
I pianeti, a seconda delle loro caratteristiche si distinguono in
due gruppi:
I pianeti di tipo terrestre sono:

• Mercurio
• Venere
• Terra
• Marte.
  Sono pianeti simili alla Terra:
• rocciosi
• di piccole dimensioni -> piccola 9 -> atmosfera sottile
• densità elevata -> formati prevalentemente da metalli ed
  elementi pesanti come il Si e Fe
• Pochi satelliti perchè hanno poca gravità per trattenerli

Pianeti di Tipo Gioviano

Caratteristiche dei Pianeti Gioviani

I PIANETI DI TIPO GIOVIANO
I pianeti di tipo gioviano sono:

• Giove;
• Saturno;
• Urano;
• Nettuno.
  Sono
• molto grandi -> grande 9 -> spessa e densa atmosfera
• non hanno una crosta solida formata da rocce e metalli
• hanno spesso molti satelliti
• sono lontani dal sole -> più freddi

I Corpi Minori del Sistema Solare

Pianeti Nani, Asteroidi e la loro Composizione

I CORPI MINORI
I pianeti nani, come Plutone, Caronte ed Eris, hanno piccola
massa e forma sferica.
Gli asteroidi sono corpi rocciosi di forma irregolare che si
trovano per lo più tra Marte e Giove (fascia di asteroidi e fascia
di Kuiper) o alla periferia del Sistema solare.
Plutone
Gli asteroidi
Gaspra e
Ida
Asteroidi: pianeta in
formazione?
Hanno composizione
originaria del sistema solare
primitivo?
Attratti dal sole e dai pianeti
, traiettorie complesse

I Moti dei Pianeti

Movimenti e Leggi Fisiche dei Pianeti

I MOTI DEI PIANETI
Tutti i pianeti compiono contemporaneamente diversi movimenti:

• Rotazione: ruotano attorno al proprio asse
• Rivoluzione: si muovono in un orbita attorno al sole
• Compiono moti millenari lentissimi
• Si muovono "accoppiati" con i loro satelliti
  NB: il movimento dei pianeti è regolato da leggi fisiche e
  strettamente legato al concetto di attrazione gravitazionale.
  I movimenti avvengono a velocità elevate!
  RICORDA:
  Tra tutti i corpi esiste la forza di gravità: due oggetti si attirano a
  vicenda; g cambia per ogni pianeta a seconda della sua massa