Riproponiamo, diviso in sei puntate, un articolo che deve rappresentare l'ABC per chi volge lo sguardo al cielo: una semplice spiegazione di come funziona quella stupefacente macchina del tempo che l'Universo mette a disposizione di chiunque abbia occhi e testa (e un pizzico di buona volontà!) per comprenderla ed ammirarla. Questa prima puntata è dedicata ai più piccoli o, meglio, a nonni, genitori, zii, insegnanti che vogliano introdurre i più piccoli alla comprensione della volta stellata.

QUI le altre puntate  -  QUI l'articolo intero (pubblicato il 10/1/2018)

 

Siamo "fortunati" o "sfortunati" nel vedere il Cosmo?

(Per i più piccoli)

Poniamoci la stessa domanda: “Siamo particolarmente fortunati ad essere stati raggiunti dalla RCF (radiazione cosmica di fondo) in un momento della nostra evoluzione in cui abbiamo le capacità tecniche di rilevarla? Rispondiamo ai più “piccoli” senza tener conto dell’espansione dell’Universo e pensando a un vero e proprio temporale di luce. Un minimo di preparazione e poi, proprio utilizzando il diagramma di Minkowski, parliamo di cosa vediamo, quando lo vediamo e perché. Se la nuvola è molto grande, la pioggia è caduta ieri, cade oggi e cadrà domani. Un modo estremamente semplice per spiegare molte cose ai più piccoli (ma non solo)…

Ripetiamo quanto detto, utilizzando il diagramma di Minkowski. In questo modo riusciamo ad arrivare più facilmente anche ai più piccoli (?!). Una rappresentazione che è rivolta anche agli insegnanti in modo che possano usarla come traccia per le loro spiegazioni. Ci accorgeremo che non solo si dà un’idea dell’evoluzione dei corpi celesti, di quali riusciamo a vedere e quando, ma anche la differenza tra la FORTUNA di vedere una supernova e la NORMALITA’ di continuare a vedere la Radiazione Cosmica di Fondo (RCF).

Ovviamente, non teniamo conto dell’espansione dell’Universo. “Gravissimo” errore che ci costringe a disegnare un Big Bang “lunghissimo” nello spazio, al pari della RCF? No, è solo un errore “apparente”. In fondo, al tempo del Big Bang e della RCF, lo spazio era decisamente più piccolo, ma era comunque TUTTO quello a disposizione. E’ come se usassimo una scala variabile nel disegno che mantenga lo spazio sempre uguale…

Non andiamo troppo nel particolare, dato che cadremmo nelle coordinate comoventi e cose del genere. A noi basta immaginare che l’Universo sia statico e che le linee di Universo delle stelle e delle galassie siano tutte parallele tra loro. Per spiegare cosa si è fatto, può servire la Fig. 1 che mostra come “stirare” il cerchio del famoso palloncino spazio-tempo in una serie di linee parallele e perpendicolari tra loro. Tutto si semplifica enormemente. Le stelle e le galassie (immaginate ferme di per sé) si muovono solo lungo l’asse del tempo.

Avete visto che abbiamo ribaltato la solita figura che ha il tempo verso l’alto. L’abbiamo messo verso il basso per fare il paragone con la pioggia che cade. Ovviamente, la faccenda rimane la stessa: basta pensare che il futuro è nella parte bassa del disegno.

La retta orizzontale nera più alta è il Big Bang. Quella di poco più bassa (rossa) è la Radiazione Cosmica di Fondo, che coinvolge tutto lo spazio e, quindi, è anch’essa una retta. A partire da lei nascono le galassie e le stelle che continuano a viaggiare nel tempo lungo rette perpendicolari alla RCF, ossia lungo rette parallele all’asse del tempo.

Osserviamo ora la fig. 2, una figura sicuramente banale, che però ci mostra come dal Big Bang e poi dalla RCF siano “usciti” i corpi celesti come le galassie, le stelle e anche le particelle qualsiasi. Dopo la parte grigia tra Big Bang e RCF, in cui non si può vedere niente (ma non nasce nemmeno niente di veramente grande: solo le particelle e gli atomi), cominciano a cadere gocce di pioggia più o meno grandi, che si uniscono e formano i corpi celesti. Alcune si formano subito e altre più tardi. La linea azzurra è quella della Terra che si è formata a un certo punto, circa 4.5 miliardi di anni fa. La parte tratteggiata delle linee è quella relativa a quando non erano ancora nate, ma erano un gruppo di atomi in cerca di una casa comune.

E’ come se la RCF fosse il bordo di una nuvola spessa che copre tutto il cielo e le linee di Universo degli oggetti celesti i percorsi delle gocce di pioggia. Gli insegnanti possono ampliare a piacere il discorso e spiegare molto bene la nascita e l’evoluzione degli oggetti celesti di tipo diverso a partire dalla nuvola della RCF. Ad esempio, come in Fig. 2, possono rappresentare una galassia che rimane più o meno la stessa, ma cambia di colore a causa dell’invecchiamento delle stelle che si raffreddano. Ma anche una stella S come il Sole che a un certo punto diventa gigante rossa e poi nana bianca. O ancora una nana rossa come NR che rimane sempre uguale. E, infine, una gigante A che dopo poco esplode come supernova SN e poi diventa un buco nero. Basta una nuvola e la pioggia che cade e l’Universo diventa alla portata immediata dei bambini…

Fin qui tutto bene. Ma a noi interessa ricevere la luce di queste “gocce”. Se ogni goccia cade verticalmente, la nostra Terra non si… bagnerà mai! Nel nostro cielo tempestoso vi è, però, un certo tipo di vento che soffia sempre lateralmente. Esso fa schizzare una parte delle gocce verso destra e verso sinistra, ma sempre e soltanto con una direzione a 45° rispetto all’asse del tempo (il perché di questa rappresentazione grafica del percorso della luce lo spiegheremo nella puntata n°3; chi non vuole aspettare, può leggere la spiegazione nell'articolo completo, sotto la fig. 9).

Detto in altre parole: questi “schizzi” sono la luce che viaggia con una velocità limitata, formando un angolo di 45° rispetto all’asse del tempo lungo cui si muovono gli oggetti celesti. E’ come se un vento impetuoso piegasse la pioggia-luce di 45°, permettendo all’acqua-informazione di ogni goccia di raggiungerci e mostrarci la sua presenza.

Dedichiamoci alla Fig. 3, in cui vengono rappresentati questi schizzi di luce per i nostri vari oggetti.

Consideriamo, una per una, le varie gocce, che possiamo anche chiamare di “materia”, se ci rivolgiamo ai più grandicelli. Analogamente,  gli schizzi possono essere chiamati “luce” che si forma quando gli elettroni delle gocce si “eccitano” un po’ troppo e creano i fotoni.

La nana rossa NR manda la sua luce al tempo t₂ ed essa ci raggiunge al tempo OGGI. Essa tuttavia rimane quasi sempre identica a se stessa e anche OGGI non è cambiata di molto (questo lo sappiamo perché la limitatezza della velocità della luce ci consente di osservare oggi molte nane rosse a diversi stadi evolutivi).

Più interessante risulta la stella A, la gigante, che, quando arriva in t₂, esplode come supernova. La sua luce ci raggiunge abbastanza in fretta, ma troppo presto per l’uomo che non era ancora nato. Accidenti siamo stati SFORTUNATI e non riusciremo mai a vedere il momento dello scoppio. Ci dobbiamo accontentare della luce (della materia espulsa) di un buco nero che ci raggiunge oggi.

La stella S manda la sua luce di stella normale in tempi antichi, ma quando è diventata gigante rossa, e la sua luce ci ha raggiunto, avevamo già qualche strumento e siamo riusciti a vederla. Oggi e nel futuro la vedremo, però, come nana bianca con il suo bell’anello detto nebulosa planetaria (ma solo per poco tempo). Anche qui bisogna essere FORTUNATI.

Vediamo oggi anche la luce della galassia Ga, ma relativa a quando era molto giovane.

In questo modo è facile far notare varie cose importanti, tra cui quella di osservare contemporaneamente cose antiche accadute in tempi diversi, a seconda della distanza da noi e, come conseguenza, del percorso che ha dovuto fare la luce per raggiungerci. A questo punto risulta perfettamente chiaro cosa significa avere FORTUNA o SFORTUNA nel vedere o non vedere oggi un determinato fenomeno.

Adesso, cancelliamo tutte le stelle e le galassie e consideriamo, in Fig. 4, solo la nube temporalesca della RCF. L’unico oggetto che esiste siamo noi (T) che ci muoviamo lungo la linea del tempo.

La nube RCF vuole farsi notare e ogni suo punto invia i suoi schizzi di luce (sono i fotoni che sono riusciti a trovare spazio per uscire allo scoperto…). E’ un vero e proprio temporale che ha inviato i suoi schizzi tutti nello stesso istante, quello brevissimo del RCF. Se guardiamo la figura, però, ci rendiamo subito conto che alcuni schizzi ci hanno raggiunto, che altri ci raggiungono e altri ancora ci raggiungeranno nel futuro. Ovviamente, più gli schizzi di luce sono partiti da lontano più tempo ci mettono a giungere a noi. Purtroppo (o per fortuna) "pioverà" sempre.

Si possono aggiungere due considerazioni un po’ più difficili:

(1) maggiore è il percorso che fa lo schizzo di luce e più arriva a noi stanco, arrossato, fino a che, in futuro, pur arrivando, non riusciremo a vederlo.

(2) Nella figura si vede che al massimo possono arrivare DUE schizzi nello stesso istante, provenienti da punti molto diversi della RCF. Questa è solo un’impressione dovuta al fatto che abbiamo disegnato lo spazio in una sola dimensione. Se, già, lo disegnassimo a due dimensioni, verrebbe fuori un cono con il centro nel punto in cui siamo noi (e non più solo due linee): avremmo descritto il CONO DI LUCE. Ma la “vera” rappresentazione sarebbe uno spazio a tre dimensioni, di cui non riusciremmo a fare nessuna figura dato che saremmo in uno spazio a tre dimensioni con una dimensione supplementare data dal tempo (verticale). Disegnare a quattro dimensioni non è ancora possibile o, almeno, molto, molto più complicato.

Fatemi finire con un disegno (Fig. 5 ) che andrebbe bene per le scuole elementari. Al posto della RCF mettiamo proprio una nuvola. Al posto degli oggetti celesti delle grosse gocce di “materia” e al posto della luce dei veri schizzi. Dal RCF continua però a cadere una pioggia sottile sottile.

Una figura ideale per spiegare tante belle cose ai bambini e avvicinarli allo spaziotempo e ai segreti meravigliosi dell’Universo.

Ma non ditegli che avete usato nientemeno che il diagramma di Minkowski!

 

Continua...

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