Osservare l'Infinito Viaggio negli spazi cosmici tra Dei e componenti oscure dell'Universo - Epicuro.org
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Osservare l’Infinito
Viaggio negli spazi cosmici
tra Dei e componenti oscure dell’Universo
Adriano Calvi, PhD
ESA / ESTEC, Noordwijk, The Netherlands
A causa delle misure per contrastare la pandemia da COVID-19, l’intervento avrà luogo all’aperto
e senza la possibilità di proiettare questa presentazione, che viene fornita ai partecipanti al 3º
Festival Epicureo, Senigallia, 23 luglio 2021.
Questa presentazione non è destinata ad ulteriore distribuzione.
Scopo dell’intervento
Partendo dalla Fisica di Epicuro, e attraverso un breve viaggio nel
tempo e nello Spazio, lo scopo di questo intervento è quello di
suscitare interesse sia nella cosmologia moderna sia negli aspetti
tecnologici legati allo studio dell’Universo, rafforzando così una visione
unitaria del sapere, malgrado esso sia a volte considerato e indicato
come “filosofico”, “scientifico” o “tecnologico”.
2
Osservare l’Infinito
1. Epicuro e la sua Fisica
2. Breve storia della cosmologia
3. Cosa sappiamo dell’Universo
4. La missione Euclid
5. Il veicolo spaziale Euclid
6. Conclusioni
3
La Fisica di Epicuro – 1 (Lettera a Erodoto)
• Il materialismo atomistico di Epicuro destituisce di ogni fondamento la fede
tradizionale nell'aldilà, nell'immortalità dell'anima e nell'esistenza del
Destino
• Ciò che è corporeo e si estende nello spazio è divisibile, ma non
all'infinito. Le particelle indivisibili sono gli atomi
• Epicuro è largamente debitore di Democrito, tuttavia vi sono importanti
«differenze»:
– L’atomo ha una consistenza fisica (gli atomi hanno forma, grandezza e peso
diversi + qualitativamente differenziati)
– parènklisis (il lucreziano clinamen): gli atomi avrebbero la possibilità di deviare
spontaneamente dalla loro traiettoria per incontrare altri atomi e formare così i
corpi. (Nota: di questa teoria non vi è traccia in Epicuro, essa è riportata da
Lucrezio ecc.)
4
La Fisica di Epicuro – 2
• Gli atomi restano sempre quelli che sono: al contrario, gli aggregati
corporei mutano in continuazione (aggregazione e disgregazione, ciò che
chiamiamo "nascita" e "morte")
• Gli atomi sono immortali: "nulla nasce dal nulla; nulla ritorna nel nulla; tutto
si trasforma"
• Il numero degli atomi è infinito
• Infinito è lo spazio vuoto
• Infiniti sono i mondi possibili
• L’uomo non è che uno degli infiniti aggregati di atomi possibili, così come
lo è la Terra
• Non esiste alcun progetto divino che lo voglia l’uomo re del creato e lo
autorizzi a ritenersi superiore alle altre forme viventi
• Rifiuto convinto e polemico di ogni teleologismo (o finalismo)
5
La Fisica di Epicuro – 3
• Gli Dei sono dotati di un'esistenza materiale, ma sono fatti di atomi
leggeri e speciali e dispongono di un continuo "ricambio" di atomi, per
cui sono immortali
• La sede degli Dei è negli spazi cosmici posti fra i vari mondi
(metakósmia, gli intermundia lucreziani)
• Gli Dei si disinteressano completamente delle vicende cosmiche, e
quindi anche di quelle umane
6
COSMOLOGY: A short historical overview
• The first cosmology
– Empedocles (450 BC), Aristotle, Ptolomeus…
• The first cosmological revolution
– Copernicus (1543), Brahe, Kepler, Galileo, Newton…
• The second cosmological revolution
– Hubble (1929)…
• The third cosmological revolution begins
– Perlmutter, Schmidt, Riess (1998)…
7
Ptolemaic System
8
Copernican System
Brahe
Copernicus
Kepler
Galileo
Newton
9
1929 : Edwin Hubble: the Universe is expanding
The more distant galaxies are moving away
faster than the closer ones, with a simple
expansion law…
• • Expansion velocity= H x Distance
H is the Hubble constant
But: galaxies are not moving… the
Universe is expanding!
10The Universe is expanding
1112
Universo - 1
• L’Universo è grande e la storia del cosmo è molto lunga
• L’Universo è attualmente studiato mediante la teoria della relatività
• Relatività ristretta:
– sistemi di riferimento inerziali (non accelerati)
– la velocità della luce nel vuoto è la stessa per tutti gli osservatori (ed è un
limite)
– non esistono eventi simultanei in maniera assoluta per osservatori diversi
– dilatazione dei tempi e contrazione delle lunghezze
– equivalenza tra l’energia e la massa di un sistema fisico (E=mc2)
13Universo – 2
• Osservare l’Universo significa guardare indietro nel tempo -> il
telescopio è una macchina del tempo -> ma in fondo c'è un
"muro", la radiazione di fondo a micro-onde (Cosmic
Microwave Background)
14space
No Boundary!
time
15Relatività Generale
• un sistema di riferimento accelerato è equivalente a un sistema
non accelerato in campo gravitazionale;
• Principio di Equivalenza: F= ma = mg
• la massa curva lo spazio
• la gravità è una conseguenza della curvatura dello spazio
• esiste uno spazio-tempo (dove la gravità è più forte il tempo
scorre più lentamente)
16Riassumendo: Espansione dell’Universo
• Legge di Edwin Hubble (sperimentale)
• Una delle soluzioni possibili della relatività generale
• E’ lo spazio che si espande (le galassie sono "ferme e gli oggetti non
si espandono). E’ come un «panettone» che lievita
• E’ possibile che punti lontani dell’Universo si allontanino a velocità
maggiore di quella della luce (non si contraddice la Teoria della
Relatività)
17Big Bang e Teoria del Big Bang
• Il Big Bang è un momento ipotetico (deriva dal «film dell’espansione» visto
a ritroso
• Non è una esplosione che scaglia frammenti
• In quel «momento» l’Universo era molto denso e caldo
• Non facile da descrivere con le attuali conoscenze della Fisica
• Prove della teoria del Big Bang
– Espansione dell’Universo (praticamente non ci sono dubbi)
– C'è «troppo» He (elio) nell’Universo rispetto a quello che possono produrre le
stelle
– Radiazione cosmica di fondo a micro-onde (Cosmic Microwave Background)
18Forma dell’Universo
• Forma dell’Universo (su grande scala). Dalla Teoria della Relatività’
Generale
• Si sono usate tecniche geometriche (triangoli i cui lati sono raggi di luce).
Misurando le direzioni dei raggi di luce si può concludere che su grande
scala l’Universo è piatto
19Dimensioni dell’Universo
• Universo Finito o Infinito?
• Non lo possiamo sapere e non possiamo deciderlo stando all’interno
dell’Universo osservabile (sappiamo che è piatto su grande scala; non
possiamo spostarci di miliardi di anni luce per esplorarlo)
• L’Universo osservabile è finito (diametro dell’orizzonte di 93 miliardi di
anni luce)
20La materia nell’Universo
• Quanta materia nell’Universo (osservabile)?
• Stime basate sulla misurazione della massa «visibile»
• Ma c'è altra massa che non si vede (pianeti, polveri interstellari, buchi neri…)
• Stime basate sulla quantità di He (elio) presente nell’Universo
• Stime basate sul fatto che materia ed energia curvano lo spazio (e
sperimentalmente sappiamo che l’Universo è piatto).
• La massa che possiamo misurare è solo il 5% del valore critico che è
necessario per un Universo piatto.
21La Materia Oscura – Le prime ipotesi
Fritz Zwicky, 1933
22
Vera Rubin, 1960-70La Materia Oscura in breve
• Fatta di particelle ipotetiche (abbiamo dei «candidati» per esempio il
neutrino) che non emettono/assorbono radiazione elettromagnetica
• Non possiamo «vederla» ma se esiste deve interagire attraverso la gravità
• Sembra mostrare il suo effetto sulla rotazione delle galassie a spirale
(anomalie spiegabili con la presenza di materia oscura che avvolge le
galassie)
• Anche la velocità delle galassie sembra troppo alta rispetto alla massa
«visibile». Le galassie dovrebbero scappar via dagli ammassi.
• Deviazione dei raggi luminosi (lente gravitazionale attorno agli ammassi di
galassie)
• Formazione delle galassie e degli ammassi meglio spiegata dalla presenza
di materia oscura
23L’Energia Oscura
• L’espansione dell’Universo sta accelerando (1998)
• Questo è sorprendente (la massa/gravità dovrebbe frenare l’espansione!)
• L’espansione accelerata è compatibile con la Teoria della Relatività
• Attualmente ci sono problemi nella descrizione dello spazio vuoto
• Perché l’Universo sta accelerando?
– Ipotesi di una Energia Oscura (che agisce opponendosi alla gravitazione)
associata allo spazio vuoto che ha l’effetto di accelerare l’espansione (nascita e
morte di particelle elementari)
– Relatività Generale non valida su grandissima scala?
– Principio Cosmologico discutibile?
24Distance versus redshift schematic
25Signatures of the Dark Universe
The dark matter and energy can be studied by looking at:
1. The geometry of the universe
a. Measure of position of galaxies as a function of redshift
2. Growth of density perturbations
a. Evolution of structure as a function of cosmic time, growth
rate
3. Galaxy image distortion caused by dark matter bending light
26
Dark MatterGravitational lensing
27Gravitational Lensing…
28Gravitational lensing
29EUCLID MISSION:
The considerable benefit of going to space with Euclid
• Measuring shapes/distortion of faint/small galaxies in space:
– No image degradation produced by atmospheric turbulence
– Ultra-stable telescope maintained during the 6-7 years of the mission
in space
• Measuring photometric redshifts:
– Thermal emission: x1000 fainter than from the ground
– Field of View: covering 15000 deg2 at the depth of Euclid from the
ground by using ESO-VISTA telescope (4-meters diameter, Field of
View 2 times larger than Euclid)… It would take 640 years!
30Field of view
• Moon = 0.2 deg2
• HST = 0.003 deg2
• Euclid = 0.54 deg2
31The Euclid Mission
• Launch a telescope in space
• Do visible and near infrared imaging, and near infrared
spectroscopy
• Observe the whole extragalactic sky (outside the Galactic and
ecliptic planes)
• Measure shapes and distances of 2 billion galaxies -> see directly
the distribution of dark matter: gravitational distortion induced by
large scale structures of the Universe, as function of look back time
(tomography),
• Measure precisely the 3D distribution of galaxies as function of look
back time by using spectroscopy and measuring the redshifts of 50
million galaxies.
32Mission Design
Nominal lifetime: 6 years (after 3 months
commissioning), 7 years sizing for consumables
Orbit at Sun-Earth L2
Launched with Soyuz ST 2-1B from French Guiana,
direct transfer
4 hours of ground communication per day
K-band science telemetry link, 850 Gb compressed
data per day
Step-and-stare scan of the sky with Telescope line
of sight nearly perpendicular to the Sun direction
Each 0.5 deg² field observed for 4500s
Four dithered exposures of VIS
Four dithered exposures of NISP-S in 2 different
bands each with 2 different dispersion orientations
Four dithered exposures of NISP-P in 3 different bands
33Launcher
Launch from the Guiana Space Centre, Kourou, on board a Soyuz ST 2.1-B;
4th quarter 2022
Direct ascent launch: no L2 orbit insertion manoeuvre;
First correction manoeuvre ≤ first 48 hours;
Two more correction manoeuvres to enter the libration orbit
around L2;
Orbit around L2 is maintained by regular station-keeping
manoeuvres every 30 days
2160 kg launch
mass, adapter
included
34How Orbits Work
35Lagrangian Points
Giuseppe Luigi Lagrange
1736-1813
36Orbit of Euclid
Operational orbit around L2 with direct
injection by the launcher
Ideal to make observation of the sky
Stable thermal environment
No eclipse
Require orbit correction maneuvers
Constraints on the launchable mass
37Il veicolo spaziale Euclid
38Euclid – Overall Configuration
39Euclid mechanical architecture
40PLM Overview
41Optical Design
42A Silicon Carbide Telescope
A single homogeneous and
isotropic material for mirrors
and stable structures
Heritage (e.g. GAIA, etc.)
Advantages
Outstanding thermo-elastic
behaviour
Excellent stiffness
Process qualified for cold
environment
Immune to radiations
No moisture release
43A Cold Telescope
A cold and passive thermal control
Advantages
Invisible for NISP wavelengths
NISP detectors at ~89 K
Simplified instrument thermal
control
100% margin of radiative areas
possible
Outstanding thermal regulation
~10 mK
Better reliability
Low dissipation
44Conclusioni
L'ESA ha selezionato l'unica missione spaziale al mondo
progettata per comprendere l'origine dell'accelerazione
dell'espansione dell'Universo.
E’ la prima missione completamente dedicata a studiare la
materia oscura e l’energia oscura su così vasta scala.
Mette l'Europa all'avanguardia di una delle questioni più
affascinanti e stimolanti della fisica e della cosmologia
moderne.
La missione è impegnativa per la progettazione, le operazioni,
l'elaborazione dei dati ...
… lancio previsto nel dicembre 2022!
45It doesn’t matter how beautiful your theory is, it doesn’t matter
how smart you are – if it doesn’t agree with experiment, it’s
wrong.
R.P. Feynman
Grazie per la vostra cortese attenzione!
Acknowledgements:
ESA Euclid Project Team
Thales-Alenia Space - Italy
Airbus Space & Defence - France
Euclid Consortium
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