martedì 10 novembre 2015

L'origine del Sistema Solare


 Ciao a tutti amanti della fisica!
Il sorgere del Sole, l'alternarsi delle stagioni, il moto caotico dei pianeti,... I fenomeni legati al Sistema Solare sono davvero molti. Ma vi siete mai chiesti come ha avuto origine tutto ciò? Molti tra i più grandi cervelli degli ultimi secoli hanno cercato di dare una risposta, e ciascuno di essi ha migliorato di volta in volta la nostra comprensione della minuscola porzione di Universo che ci ospita. Il risultato è che la spiegazione della formazione del Sistema Solare è un meraviglioso esempio del lavoro di grandi menti, che tuttavia non si sono mai incontrate. 




Le strane regolarità del Sistema Solare

 I primi tentativi di fornire una spiegazione alla nascita del nostro Sistema risalgono al XVIII secolo. Newton aveva da poco estrapolato la Legge di Gravitazione Universale, e aveva messo in luce i legami tra le masse dei pianeti e il loro moto. Prima di allora, in effetti, questioni come la nascita della Terra e la formazione del Sistema Solare non erano trattate come problemi distinti. Anzi, parlare della loro origine significava riferirsi alla genesi dell'intero Universo!

 Inspiegabilmente, però, le osservazioni riportavano un comportamento estremamente regolare:
  • Tutti i pianeti orbitano approssimativamente sullo stesso piano (il piano equatoriale del Sole)
  • Tutti i pianeti orbitano nello stesso senso (antiorario se guardiamo il Sistema Solare nello stesso verso che congiunge il Polo Nord terrestre al Polo Sud)
  • Quasi tutti i pianeti e il Sole ruotano attorno al proprio asse in senso antiorario (adottando lo stesso riferimento di prima)
  • Le orbite dei pianeti sono essenzialmente circolari
  • Quasi tutti i satelliti (come la Luna) orbitano attorno al loro pianeta nel piano equatoriale e in senso antiorario
 Insomma, è evidente che ci sono diverse caratteristiche che accomunano tutti i corpi celesti del Sistema Solare.


Le prime spiegazioni

 Descrivere l'origine un sistema tanto regolare con una serie di eventi casuali non è certo un'impresa facile. Ecco perché i pensatori dell'epoca erano portati a supporre che il Sistema Solare avesse avuto origine con un unico fenomeno "insolito", e che avesse quindi seguito la sua naturale evoluzione.

 Una teoria largamente condivisa fu elaborata dall'illuminista francese Georges-Louis Leclerc de Buffon nel 1745.


 
"Il Sole era presente ben prima della formazione dei pianeti, e questi ultimi hanno avuto origine a seguito dell'impatto tra la nostra stella e una cometa."






 Ovviamente Buffon non si riferiva a una vera e propria cometa dato che, come abbiamo visto, si tratta di oggetti molto piccoli rispetto ai pianeti. L'idea era che i pianeti, gli asteroidi e tutti gli altri corpi del Sistema Solare si fossero formati in seguito all'impatto tra il Sole e un corpo estremamente massiccio. I frammenti prodotti da quest'interazione avrebbero quindi formato i vari oggetti che orbitano attorno al Sole. 


La Teoria della Nebulosa

 Non tutti però erano d'accordo con la spiegazione proposta da Buffon. Un'altra teoria, avanzata dallo stesso Newton, prevedeva un'evoluzione totalmente diversa:

 
"Il Sistema Solare si è formato a partire da una nube di polvere e gas, che si è condensata lentamente per effetto dell'attrazione gravitazionale."







 Il collasso gravitazionale avrebbe causato moltissimi urti tra le particelle, con un conseguente innalzamento della temperatura. In questo modo si riesce a spiegare com'è possibile che all'interno del Sole sia innescata la fusione nucleare, possibile solo a temperature elevatissime.

 Quello che la teoria di Newton non spiega è la formazione dei pianeti. Anzi, bisognerà aspettare fino al 1755 per avere una prima soluzione compatibile con la teoria di Newton. Questa si deve al filosofo Immanuel Kant, ma fu formalizzata circa quarant'anni dopo dal matematico Pierre-Simon Laplace.
Pierre-Simon Laplace
 "Prima di collassare, la nube di polvere e gas seguiva un debole moto rotatorio. Col procedere del collasso gravitazionale, questa fu costretta a ruotare sempre più rapidamente *(ciò è dovuto alla conservazione del momento angolare , una grandezza su cui torneremo con un altro articolo) . A un certo punto, la velocità di rotazione fu così elevata da causare l'espulsione di un anello di materia da parte della nube lungo il piano equatoriale **(ovvero la zona della nube che ruota a velocità maggiore) . La materia espulsa pertanto avrebbe conservato il moto di rotazione impresso dalla nube centrale. La polvere avrebbe quindi proseguito il collasso, fino a raggiungere nuovamente la velocità di rotazione necessaria a espellere un secondo anello. Successivamente, a seguito del collasso, sarebbe stato espulso un secondo anello, e così via..."



 Alla fine del collasso della nube centrale, che avrebbe formato il Sole, avremmo potuto osservare un sistema formato da una stella centrale circondata da una serie di anelli concentrici in rotazione, tutti sullo stesso piano equatoriale. Questi anelli sarebbero quindi collassati a loro volta formando i pianeti, e alcuni di essi avrebbero espulso altri anelli durante il collasso, che avrebbero dato origine ai loro satelliti.

 Questa spiegazione va sotto il nome di Teoria della Nebulosa proprio perché prevede che il Sistema Solare abbia avuto origine da una nube di gas.

 Tra le altre cose, la Teoria della Nebulosa spiega anche la formazione di strutture complesse come le fasce di asteroidi o gli anelli che circondano alcuni pianeti. Questi potrebbero essere particolari anelli di materia che sono collassati solo parzialmente su se stessi. 

I problemi della Teoria della Nebulosa

Schema della Teoria della Nebulosa
 La Teoria della Nebulosa incontrò le prime difficoltà a metà del 1800, quando Maxwell dimostrò che degli anelli di materia in rotazione non avrebbero mai potuto collassare gravitazionalmente, ma avrebbero dovuto rimanere nella loro forma iniziale. Insomma, stando alle leggi matematiche sembrava che il Sistema Solare dovesse avere ancora la forma di un Sole circondato da anelli di polvere.

 Un secondo problema riguarda invece il momento angolare. Osservando le velocità orbitali dei pianeti emerge che praticamente tutto il momento angolare (che aveva costretto il Sole in formazione ad espellere gli anelli di materia) è concentrato nei corpi che oritano attorno al Sole. Ci saremmo aspettati invece che una consistente frazione del momento angolare originario fosse rimasta nella stella centrale.

 Insomma, nei primi anni del 1900 sembrava necessario elaborare una nuova teoria per spiegare la formazione del Sistema Solare. Vale la pena di menzionare il tentativo dell'ipotesi planetesimale, che prevedeva che il Sistema Solare si fosse formato in seguito a una collisione tra il Sole e un'altra stella. L'urto sarebbe dovuto avvenire "di striscio", in modo che la seconda stella avesse fatto schizzare fuori dal Sole la materia necessaria a formare i pianeti. Anche quest'ipotesi comunque fu destinata a fallire: la materia espulsa dopo la collisione sarebbe dovuta infatti finire ben più lontana dal Sole dei pianeti che osserviamo oggi.

 Teorie simili all'ipotesi planetesimale furono proposte in seguito, fino a quando non fu dimostrato che qualunque materia espulsa dal Sole già formato non avrebbe mai potuto collassare gravitazionalmente. Fu a quel punto che si riprese in considerazione la Teoria della Nebulosa. 

La soluzione di Weizsäcker

 Forte di una conoscenza del mondo fisico molto più profonda di quella che si aveva al tempo di Kant e Laplace, l'astronomo tedesco Carl Friedrich von Weizsäcker elaborò una nuova teoria basandosi sull'ipotesi della nebulosa. Secondo Weizsäcker, l'origine del Sistema Solare doveva essere fatta risalire alla formazione della Galassia stessa! Anche questa avviene infatti a seguito del collasso di un'immensa nube di polvere e gas.
Piccoli vortici si formano sui bracci della spirale

 Quello che gli astronomi precedenti non avevano considerato era che, a patto che il processo non avvenisse troppo lentamente, durante il collasso si sarebbero potuti formare dei vortici. L'ipotesi di Weizsäcker si incentra proprio su queste zone in cui la materia è più concentrata. I vortici a quel punto collasserebbero a loro volta sotto l'influsso dell'attrazione gravitazionale ma - posto sempre che il processo non sia troppo lento - anche durante il loro collasso si formerebbero dei vortici, che ne formerebbero altri a loro volta, e così via...
Al termine di tutti i collassi, i vortici principali avranno formato il Sole, quelli secondari i pianeti e quelli terziari i satelliti

 L'unico problema che rimaneva da risolvere era quello del momento angolare, che rimane disequamente distribuito: il momento angolare del Sole è molto minore di quello dei pianeti. La soluzione a questo problema fu elaborata dall'astrofisico Hannes Alfven, secondo il quale il moto rotatorio del Sole sarebbe stato frenato dal suo campo magnetico. Per la conservazione del momento angolare quindi la rotazione sarebbe stata trasferita ai pianeti.


Conclusioni

 L'origine del Sistema Solare ha rappresentato una sfida per i pensatori di tre secoli. Era naturale quindi che ne uscisse un articolo un po' più lungo della norma, ma solo così possiamo apprezzare totalmente la teoria attuale. Spero che l'articolo ti sia piaciuto,
Grazie per aver letto fin qui

Giulio




Immagini tratte da:
http://www.3bmeteo.com/giornale-meteo/primati-e-curiosit--del-nostro-sistema-solare-69654
www.daviddarling.info
it-it.abctribe.com
www.famous-mathematicians.com
http://cosmologia2.blogspot.it/2011/01/lorigine-del-sistema-solare.html
http://miaplacidusedaltriracconti.blogspot.it/2009/01/i-sei-piu-grandi-misteri-del-sistema.html
https://it.wikipedia.org/wiki/Via_Lattea

 

Nessun commento:

Posta un commento