Astrofisica
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L'astrofisica è la branca della fisica che studia i fenomeni che coinvolgono i corpi celesti, dove con questo termine si intende in senso lato tutto ciò che è oggetto di osservazioni astronomiche.
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[modifica] Caratterizzazione dell'astrofisica
Molti fenomeni avvengono su scale e/o a distanze tali che la loro osservazione è possibile solo per mezzo delle tecniche dell'astronomia. In particolare si studiano corpi interni ed esterni al sistema solare quali asteroidi, comete, pianeti e loro satelliti ed eventuali anelli, il sole e le altre stelle ed i loro aggregati, quali sistemi multipli, ammassi aperti e globulari, galassie e ammassi di galassie, superammassi e strutture di interesse cosmologico. Tra gli oggetti più interessanti si annoverano nubi molecolari e nebulose planetarie. Recente interesse ha destato lo studio del mezzo interstellare, dei fenomeni esotici quali i gamma ray burster.
[modifica] Esperimento, osservazione, esplorazione
L'astrofisica è una branca della fisica peculiare in quanto, a differenza delle altre, si basa sulle osservazioni più che sugli esperimenti. Mentre l'esperimento mira a falsificare una legge fisica e viene realizzato in modo controllato e riproducibile, l'astrofisico spesso è costretto ad attendere i risultati dell'osservazione astronomica di un evento che può presentarsi in modo inaspettato ed imprevedibile. Un esempio di questo rapporto problematico con l'esperimento è dato dalla storia delle misure della deflessione della luce causata dal campo gravitazionale del Sole, che avrebbero potuto confermare o falsificare la previsione della relatività generale nei primi decenni del secolo scorso. Tale misura, che per prima fu tentata dal fisico, astronomo e filosofo Eddington, richiedeva di attendere un'eclissi di sole, evento di per sé raro e visibile di volta in volta da luoghi diversi e spesso difficilmente accessibili. Una semplice nuvola avrebbe potuto vanificare (e di fatto più volte vanificò) l'intero sforzo osservativo. È allora evidente che i progressi nel campo dell'astrofisica sono legati a doppio filo con i progressi dell'astronomia, in particolare delle tecniche di osservazione. L'ampliamento delle finestre osservative in astronomia corrisponde quasi immediatamente alla nascita di nuove problematiche interpretative; basti pensare alle recenti misure del flusso di neutrini solari, che hanno rivelato una profonda lacuna nella nostra comprensione della fisica fondamentale dei neutrini. Una entusiasmante estensione delle potenzialità osservative si è avuta negli ultimi decenni grazie alla esplorazione spaziale diretta del sistema solare, principalmente per mezzo di sonde, che ha permesso di raccogliere dati inaccessibili alla semplice osservazione astronomica a distanza.
[modifica] Motivazioni e finalità
Il fatto che l'astrofisica faccia branca a sé potrebbe a prima vista sembrare un retaggio storico, dovuto al mantenimento della distinzione scolastica tra mondo sublunare e superlunare, più che a reali differenze di carattere fisico. Di fatto i corpi celesti dovrebbero essere costituiti della stessa materia di cui è costituito il mondo direttamente accessibile all'uomo (ma si veda in proposito la questione della cosiddetta materia oscura), e il riconoscimento del fatto che i pianeti obbediscono alle stesse leggi cui obbediscono i gravi sulla superficie terrestre (riconoscimento che in genere si attribuisce a Newton) è stato salutato come una delle più grandi conquiste del pensiero umano. È tuttavia innegabile che l'astrofisica mantiene una sua identità che la distingue dalle altre branche della fisica, soprattutto perché indaga fenomeni che avvengono (principalmente) sotto l'azione della sola forza di gravità, a grandi distanze e che coinvolgono oggetti di dimensioni notevoli. Lo studio dell'astrofisica è quindi prima di tutto un controllo dell'invarianza di scala delle leggi fisiche; la stessa relatività generale ha scarsa applicabilità sulla scala del laboratorio (per quanto sia stata in parte testata proprio su tale scala con l'esperimento di Pound e Rebka) e le prove originali proposte da Einstein (tra le quali la già citata deflessione della luce) erano tutte di carattere astrofisico. Lo studio dei fenomeni astrofisici è inoltre necessario per la comprensione della cosmologia, branca della fisica tanto fondamentale quanto lo studio delle interazioni tra particelle elementari.
[modifica] Branche dell'astrofisica
Come per gli altri capitoli della fisica esistono astrofisici che si dedicano agli aspetti osservativi della materia ed altri che si dedicano a quelli teorici. La distinzione tra teorici ed osservativi tuttavia non è così netta come negli altri campi, dal momento che molti sono gli aspetti descrittivi che permangono in ogni teoria astrofisica; alcuni sostengono che la locuzione "astrofisico teorico" non abbia senso.
Ha carattere nettamente diverso dalle altre branche la meccanica celeste che si può considerare come l'unica sezione dell'astrofisica che disponga di una teoria matura e collaudata da secoli. D'altro canto se si considera che essa descrive solo i moti dei corpi celesti (in particolare dei pianeti del sistema solare) senza trattare le loro caratteristiche fisiche si potrebbe esitare a classificarla come branca dell'astrofisica.
La planetologia studia dal punto di vista fisico le caratteristiche dei corpi planetari, in particolare del sistema solare, la loro morfologia ed evoluzione, e presenta molti punti in comune con la geologia e la geofisica. Essa è stata recentemente rivoluzionata dall'avvento dell'esplorazione spaziale diretta e dalla scoperta dei pianeti extrasolari. Recentissima è anche l'esobiologia, campo di studi estremamente multidisciplinare che studia la possibilità dell'esistenza di forme di vita esterne alla biosfera terrestre. La Fisica spaziale studia lo spazio interplanetario ed i complessi fenomeni legati all'interazione Sole-pianeti, e verte principalmente sulla fisica del plasma (vento solare e campo magnetico interplanetario). L'astrofisica stellare studia la struttura, la formazione e l'evoluzione delle stelle. L'astrofisica galattica studia invece la formazione di strutture quali le galassie e gli ammassi. La cosmologia mira infine a studiare l'universo nel suo insieme.
[modifica] Problemi aperti
L'astrofisica è con buona probabilità la branca della fisica che ha la maggior quantità di problemi aperti. Molti di essi sono tali per la mancanza di dati osservativi capaci di restringere il campo di variabilità dei modelli, che spesso abbondano. La cosmologia è di per sé stessa un problema aperto: in particolare due temi molto controversi sono l'esistenza e la natura della materia oscura, l'opportunità di introdurre un'eventuale correzione alle equazioni di Einstein che va sotto il nome di costante cosmologica o di energia oscura, l'origine della apparente asimmetria tra materia e antimateria, il destino finale dell'universo e, analogamente, gli eventi che si sono svolti nei suoi istanti iniziali (in particolare prima che fosse trasparente alla radiazione). Alcuni fisici hanno ragione di credere che una eventuale teoria del tutto che unifichi meccanica quantistica e relatività generale debba necessariamente essere una teoria cosmologica; tra i problemi aperti della cosmologia potrebbe annidarsi la soluzione dei rompicapo della fisica fondamentale. Nell'astrofisica galattica e planetaria sono aperti i problemi della formazione di strutture, in particolare vanno chiariti nel dettaglio i meccanismi che portano alla formazione di galassie ellittiche piuttosto che spirali o irregolari, e ancora il problema della materia oscura galattica e dell'origine delle leggi di scala delle galassie, degli ammassi di galassie e degli ammassi globulari, il problema della formazione planetaria (in particolare ora che le osservazioni dei pianeti extrasolari hanno messo in dubbio il paradigma accettato per la formazione del sistema solare) e dell'evoluzione a lungo termine dei sistemi planetari. Un altro problema che potrebbe avere applicazioni pratiche è quello della struttura interna degli asteroidi, che possono essere oggetti monolitici o aggregati di ciottoli (le cosiddette "rubble piles"). Una conoscenza dettagliata della loro struttura sarebbe preziosa nel caso si intenda deviare o distruggere uno di questi oggetti qualora esso si trovi in rotta di collisione con la Terra.
[modifica] Cenni storici
L'astrofisica nacque nella seconda metà del 1800 con l'applicazione della spettroscopia e delle leggi della radiazione elettromagnetica all'astronomia. Fu così che con lo studio dello spettro elettromagnetico degli oggetti celesti si poté capire la natura fisica (densità, temperatura, composizione chimica) di stelle, pianeti e nebulose. Fino ad allora, infatti, l'astronomia poteva limitarsi solo allo studio dei movimenti e della luminosità degli oggetti celesti (fotometria).
