Cosmologia

Cosmologia

La cosmologia studia le proprietà fisiche (origine, evoluzione, composizione) del nostro universo, concentrandosi sulle scale spaziali più grandi a cui abbiamo accesso. Essa si prefigge dunque di fornire risposte di carattere scientifico a domande antiche: fin dagli albori della civiltà i nostri antenati hanno sollevato gli occhi verso il cielo e si sono posti domande sulla natura del cosmo che ci circonda. Poiché guardare lontano nello spazio significa anche guardare indietro nel tempo, studiare cosmologia significa compiere un viaggio alle origini dell’universo in cui viviamo. Per farlo, si utilizza un laboratorio, il più grande a disposizione, che è proprio l’universo stesso.

 

  Il Cosmologo osserva l’Universo e cerca di descriverlo e spiegarlo tramite modelli matematici; è un lavoro interdisciplinare che richiede una comprensione della fisica a 360 gradi e prevede la collaborazione con tutte le altre attività di ricerca del settore.

 

Chi studia e lavora in questo settore impara a padroneggiare strumenti informatici per creare simulazioni basate su modelli matematici, in grado di replicare i dati osservati.  Per osservare Universo i cosmologi si servono di  satelliti appositamente costruiti che forniscono dati sempre più dettagliati ed interessanti.

Parte del lavoro del Cosmologo consiste nel collaborare con altri scienziati di altre nazionalità. Questi contatti sono molto importanti perché rendono possibile lo scambio di idee con realtà diverse e danno la possibilità di viaggiare e di conoscere personalità di spicco nel settore.

A Ferrara è attivo un gruppo di cosmologia che studia la CMB o radiazione cosmica di fondo, cioè la luce emessa dall’Universo circa 13 Miliardi di anni fa quando era praticamente appena nato. Da questa luce i cosmologi hanno ricostruito gran parte della storia dell’Universo, ma ancora tanti aspetti rimangono di difficile comprensione, come l’esistenza della materia oscura e dell’energia oscura. In particolare, a Ferrara, si lavora sui dati provenienti dal satellite ESA Planck, e fa parte del Dipartimento di Fisica e Scienze della Terra come professore a contratto dell’Università degli Studi di Ferrara Nazzareno Mandolesi, il responsabile dello strumento LFI presente sul satellite Planck.

2 Commenti

  • Antonio Di Muro

    5 maggio 2017 at 15:20

    Buongiorno
    Domanda:
    quando si osserva una galassia, osservo la luce che arriva da un lontano passato, questa luce ha percorso una distanza.
    Questa distanza che tipo di distanza è? distanza propria, comovente, angolare o altro?
    nella metrica di Robertson-Walker che qui provo a scrivere
    ds^2=c^2dt^2-a(t)(dr^2/(1-kr^2)+r^2 d omega^2) dove a(t) è il fattore di scala e k=0 +-1, r è una delle distanze scritte prima?

    Grazie
    Antonio

    Rispondi
    • Prof. Paolo Natoli

      18 maggio 2017 at 11:34

      Il fatto che in cosmologia non vi sia una definizione univoca di distanza è spesso fonte di confusione. In realtà le varie definizioni di distanza corrispondono a situazioni “operative”, per cui adottare l’una o l’altra è funzione di ciò che si riesce a misurare, ad esempio il flusso di un oggetto lontano per la distanzia di luminosità oppure l’angolo da esso sotteso per la distanza angolare.

      In effetti, non ha molto senso aspettarsi che esista una distanza univoca associata alla propagazione di un fotone: tanto per cominciare, ls distanza percorsa dalla luce nello spazio-tempo è sempre nulla, perche’ la condizione di propagazione della luce è ds = 0. Se si inserisce questa condizione nella metrica di Robertson-Walker (prendiamo per semplicità k=0 e c=1) otteniamo che dt/a = dr, da cui, se il fotone viene emesso al tempo cosmico t_e ed osservato al tempo t_0, ottengo \int_{t_e}^{t_0} dt/a(t) = r. Posso interpretare questa coordinata (comobile) r come la “distanza” sulla geodetica sulla quale ha viaggiato il fotone. Tuttavia, quando decido di trasformarla da distanza comobile a distanza propria, scopro che questa dipende dal tempo a cui compio l’osservazione. Se tale tempo è t_0, allora D_p(t_0) = a_0 \int_{t_e}^{t_o} dt/a(t) = a _0 r. Essa però sarebbe pari ad a_e r se misurata al tempo di emissione. Questo non deve sorprendere: in un universo in espansione le distanze proprie aumentano col tempo. Il punto fondamentale è che tale distanza “geometrica” è formalmente corretta ma scarsamente operativa, perche’ presuppone di compiere una misura a tempo cosmico bloccato, cosa evidentemente impossibile, perche’ il fotone impiega un tempo (cosmico) per propagarsi. Una misura di distanza operativa, invece, è la distanza di luminosità d_L, definita come la distanza propria che un oggetto di luminosità L (una “candela standard”, ad esempio) a cui è associato un flusso f misurato a terra, avrebbe SE l’universo fosse statico e spazialmente piatto: d_L = (L/4 \pi f)^{1/2}. Questa definizione assume cioè che il flusso scali sempre con l’inverso del quadrato della distanza. Poiche’ però il nostro universo è sì piatto (o almeno lo è con buona approssimazione) ma sicuramente non statico, dobbiamo tenere conto dell’espansione, che comporta, a conti fatti, un fattore a_0^2/a_e a moltiplicare, e dunque essa risulta maggiore della distanza propria in un universo espansivo. Per un oggetto invece di cui sia nota la dimensione (un “righello” standard), la distanza operativa conveniente è quella angolare, che risulta invece più piccola della distanza propria corrispondente. Naturalmente, una volta calcolata la distanza di luminosità, oppure quella angolare, si può risalire alla distanza propria e a quella comobile: sono tute legate tra loro.

      Per approfondire: Barbara Ryden, “Introduction to Cosmology”, Addison Wesley (in particolare, par. 7.2). In italiano si può consultare il testo di Francesco Lucchin, Introduzione alla Cosmologia, Zanichelli (par. 1.3)

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