Astronomia: significato e storia della scienza che studia le stelle

Astronomia: significato e storia della scienza che studia le stelle A cura di Redazione Studenti.

L'astronomia è la "legge delle stelle". Ma cosa studia l'astronomia? Come si è sviluppata nei secoli? E cos'è l'astrologia? Tutte le risposte nel dettaglio

1Astronomia: legge delle stelle

L'Universo, composto da oltre 500 pianeti
L'Universo, composto da oltre 500 pianeti — Fonte: shutterstock

 Il termine astronomia deriva dal greco e significa legge delle stelle e indica una scienza di origini antichissime che si occupa delle leggi fisiche e chimiche che governano l’universo e ne studia le origini e l’evoluzione.    

Per gli antichi il cielo rappresentava una grande volta (la sfera celeste) nella quale pensavano fossero inserite le stelle, poste tutte alla stessa distanza dalla Terra, pensata a sua volta al centro dell’Universo.    

Le costellazioni sono dei raggruppamenti fittizi di stelle a cui gli antichi diedero nomi di fantasia derivanti da legende mitologiche.
Le stelle appartenenti ad una stessa costellazione non costituiscono un sistema “legato” e ci appaiono vicine solo per motivi prospettici.  

Per convenzione, ad ogni stella di una medesima costellazione viene assegnata una lettera dell’alfabeto greco a partire da α per la più luminosa e così via fino all’esaurimento dell’alfabeto greco per poi passare alla numerazione araba progressiva.   

Nel corso della notte le stelle “si spostano” nella volta celeste (si tratta di un moto apparente dovuto alla rotazione terrestre) ed è per questo che, osservando il cielo per più notti consecutive e alla stessa ora, le stelle non avranno la stessa posizione.
Anche col variare delle stagioni il cielo assume un aspetto diverso: alcune costellazioni cambiano posizione restando visibili tutto l’anno, altre invece sono visibili solo in determinati periodi.  

Le stelle non sono distribuite uniformemente ma raggruppate lungo una fascia che gli antichi Greci chiamarono galaksìas, termine che oggi traduciamo come galassia o Via Lattea (ovvero la parte a noi visibile di una struttura che comprende circa 100 miliardi di stelle e che ha una forma a spirale).  

2Differenza tra astronomia e astrologia

Tra tutte le costellazioni, quelle più note sono quelle zodiacali che devono il nome al fatto che si tratta in genere di figure di animali.
In un anno, il Sole sembra passare di fronte a ciascuna costellazione determinandone la visibilità nei diversi mesi: quando circa duemila anni fa gli astronomi individuarono lo zodiaco nel cielo, la costellazione visibile era quella dell’Ariete (21 marzo, giorno dell’equinozio di primavera) ed è per questo che è considerata come apertura dell’anno astronomico e astrologico:  

  • Ariete marzo/aprile
  • Toro aprile/maggio
  • Gemelli Giugno
  • Cancro Luglio
  • Leone agosto
  • Vergine settembre
  • Bilancia ottobre
  • Scorpione novembre
  • Sagittario dicembre
  • Capricorno gennaio
  • Acquario febbraio
  • Pesci marzo

L’astrologia e l'astronomia, pur avendo un’origine comune, sono due discipline ben diverse e non vanno quindi confuse.

  • L’astrologia è fondata su credenze popolari non comprovate scientificamente e finalizzate alla previsione del futuro attraverso lo studio del cielo. È basata sull’assunto che i moti apparenti del Sole e delle costellazioni dello zodiaco siano in grado di influenzare in qualche modo gli eventi umani. 
  • Al contrario, l’astronomia è basata sul metodo scientifico sin dai tempi di Galileo (come vedremo nel paragrafo successivo). 

3Dal geocentrismo all’eliocentrismo

Come abbiamo detto prima, l’astronomia nasce in tempi antichissimi con l’osservazione ad occhio nudo degli oggetti celesti e delle variazioni cicliche nell’aspetto del cielo. Gli antichi greci pensavano che la Terra fosse un corpo celeste solido fisso nello spazio, mentre il cielo era formato da piccoli corpi in continuo moto. 

Niccolò Copernico portò per primo all'affermazione della teoria eliocentrica, già avanzata da Aristarco di Samo
Niccolò Copernico portò per primo all'affermazione della teoria eliocentrica, già avanzata da Aristarco di Samo — Fonte: ansa

Platone (427-347 a.C.) immaginava le stelle come oggetti celesti eterni ed immutabili che descrivevano orbite circolari attorno alla Terra: tutto questo era il fondamento dell’ipotesi geocentrica, che poneva la Terra al centro dell’Universo e che fu accettata per duemila anni.    

La prima ipotesi eliocentrica fu avanzata da Aristarco (310-230 a. C.) nel III secolo a.C. ma fu fortemente criticata perché in contraddizione con le dottrine filosofiche dell’epoca. Con Tolomeo (100-170) l’ipotesi geocentrica trovò un nuovo impulso e restò in auge per circa 15 secoli, fino alla rivoluzione copernicana.    

Con Nicolò Copernico (1473-1543) il sistema di riferimento si sposta dalla terra al Sole ponendo quest’ultimo e non la Terra al centro dell’Universo. La Terra, al centro della sfera lunare, risultava compiere una rotazione giornaliera attorno ad un asse ed è per questo che i moti del Sole, dei pianeti e delle stelle iniziano ad essere definiti moti apparenti (derivati dal moto della Terra).   

Un’ipotesi intermedia tra l’ipotesi eliocentrica e quella geocentrica fu quella formulata da Tycho Brahe (1546-1601) in base alla quale tutti i pianeti orbitavano attorno al Sole che, a sua volta, ruotava attorno alla Terra (sistema tychonico).   

Il sistema di Tycho Brahe sulla rotazione dei pianeti. E' il 1560
Il sistema di Tycho Brahe sulla rotazione dei pianeti. E' il 1560 — Fonte: getty-images

Nel 1600 l’astronomo Giovanni Keplero (1571-1630) fu assunto come assistente da Brahe. La teoria di Keplero era basata sull’ipotesi di una stretta correlazione tra le orbite dei 6 pianeti all’epoca conosciuti e i 5 solidi geometrici (cubo, tetraedro, ottaedro, dodecaedro, icosaedro). 

Secondo il modello elaborato da Keplero tali solidi erano posti l’uno dentro l’altro e formavano una struttura in cui: 

  • quattro pianeti occupano lo spazio tra un solido e l’altro
  • un pianeta si trovava all’interno
  • l’altro si trovava all’esterno di questa struttura.

I pianeti, mossi da una forza non definita, ruotavano attorno al Sole, immobile al centro di tale sistema. Keplero determinò con precisione l’orbita con cui la Terra ruotava attorno al Sole (risultava quasi circolare con il Sole posto in posizione eccentrica) e ne rilevò una velocità maggiore quando si trovava più vicina ad esso.  

I risultati ottenuti da Keplero possono essere sintetizzati in tre leggi.   

Secondo la prima legge di Keplero (o legge delle orbite) i pianeti descrivono orbite ellittiche e il Sole ne occupa uno dei fuochi. Secondo la prima legge di Keplero, dal momento che le orbite descritte dai pianeti non sono circolari, ci sarà un punto di massima vicinanza al Sole (perielio) e uno di massima distanza (afelio).   

La seconda legge di Keplero (o legge delle aree) definisce la velocità dei pianeti nei vari punti della loro orbita: il raggio vettore che congiunge il centro del Sole con il centro di un pianeta descrive aree uguali in tempi uguali.  

Dagli studi realizzati da Keplero per individuare correlazioni matematiche tra i moti dei pianeti, scaturì la terza legge o legge dei tempi.   

Tale legge armonizza i moti dei pianeti ed è espressa dalla formula: T2 = K d3 dove  

  • T è il periodo di rivoluzione, ovvero il tempo necessario affinché un pianeta compia un’orbita completa attorno al Sole
  • K è una costante che dipende dal corpo celeste attorno a cui avviene l’orbita
  • Il valore d è invece approssimabile alla distanza media pianeta-Sole  

L’esattezza dell’ipotesi copernicana fu confermata dalle osservazioni effettuate da Galileo Galilei (1564-1642) a cui si deve la costruzione del primo cannocchiale. Questo strumento permetteva di ottenere un ingrandimento pari a tre volte l’originale e consentì a Galileo di individuare ad esempio cavità e sporgenze sulla superficie lunare, migliaia di stelle della Via Lattea non visibili ad occhio nudo e i 4 satelliti di Giove (Io, Europa, Ganimede e Callisto).  

Nel Dialogo sopra i due massimi sistemi del mondo (1632), Galileo confutava chiaramente il geocentrismo sulla base di osservazioni sperimentali e, prima della pubblicazione di quest’opera, il tribunale della Santa Inquisizione aveva “invitato” Galileo a non appoggiare l’ipotesi copernicana, contraria alle Sacre Scritture.
Alla pubblicazione del Dialogo, Galileo fu processato perché difendeva la netta separazione tra gli argomenti scientifici e la religione e assimilava l’intuizione di uno scienziato quasi ad una rivelazione divina. In cambio dell’abiura alla teoria copernicana, ottenne il confino domiciliare e la messa all’indice della sua opera.  

Un'immagine di Galileo Galilei, il primo a confermare la teoria copernicana e ad introdurre il metodo sperimentale nella ricerca scientifica
Un'immagine di Galileo Galilei, il primo a confermare la teoria copernicana e ad introdurre il metodo sperimentale nella ricerca scientifica — Fonte: ansa

Dalla morte di Galileo (1642), iniziò una fase di rinnovamento in ambito scientifico dovuta all’applicazione del metodo scientifico (o galileiano), basato sull’osservazione e sulla dimostrazione sperimentale delle ipotesi costruite per formulare teorie di validità universale.  

In quegli anni il quesito su cui si concentravano maggiormente gli studiosi del settore riguardava la forza che agiva sui pianeti determinandone l’orbita attorno al Sole. Si deve a Isaac Newton (1642-1727) la formulazione, nel 1687, della legge di gravitazione universale: la forza gravitazionale con cui si attraggono due corpi è direttamente proporzionale al prodotto delle loro masse (m1 e m2) e inversamente proporzionale al quadrato della loro distanza (r): F = G m1m2/r2 .
Il valore di G, la costante di gravitazione universale, fu calcolato nel 1798 da Henry Cavendish.    

Il Sole esercita dunque la sua forza gravitazionale su tutti i pianeti del sistema solare, e i pianeti sui loro satelliti.  

Dalla legge di gravitazione universale in poi sono stati individuati i pianeti Urano, Nettuno e Plutone che per la loro grande distanza si confondevano con le stelle. Ricordiamo che i pianeti si distinguono dalle stelle perché cambiano posizione, rispetto agli altri corpi, con regolare periodicità.  

I pianeti del sistema solare ordinati per distanza crescente dal Sole sono:    

  • Mercurio
  • Venere
  • Terra
  • Marte
  • Giove
  • Saturno
  • Urano
  • Nettuno
  • Plutone

Prendendo come punto di riferimento la Terra, Venere e Mercurio si definiscono pianeti interni in quanto situati tra il Sole e la Terra (hanno quindi un’orbita minore rispetto a quella terrestre). Analogamente Marte, Giove, Saturno, Urano, Nettuno e Plutone sono definiti pianeti esterni ed hanno un’orbita più grande rispetto a quella della Terra.   

4I corpi minori del sistema solare

I corpi minori del sistema solare sono classificabili come asteroidi, meteoroidi e comete.  

Gli asteroidi o pianetini sono frammenti di materiale roccioso in orbita intorno al Sole (tra Marte e Giove e sull’orbita di Giove).  

I meteoroidi si dividono in micrometeoriti (meteore) e meteoriti, oggetti celesti che viaggiano nello spazio. I primi, a contatto con l’atmosfera terrestre si scaldano e ionizzano i gas atmosferici determinando la formazione di scie luminose (stelle cadenti o meteore). I meteoriti sono meteoroidi di maggiori dimensioni.  

Le comete sono costituite da materiali rocciosi e ghiaccio e sono situate ai confini del sistema solare.
Le comete sono costituite da materiali rocciosi e ghiaccio e sono situate ai confini del sistema solare. — Fonte: getty-images

Le comete sono costituite da materiali rocciosi e ghiaccio e sono situate ai confini del sistema solare. Ruotano attorno al Sole e quando ne sono lontane appaiono come oggetti luminosi piuttosto piccoli; quando si avvicinano, il loro nucleo di ghiaccio sublima producendo una “chioma” luminosa e una “coda” che si allunga per milioni di chilometri.  

5Il moto di rotazione della Terra

Il moto di rotazione della Terra è il moto che compie attorno al proprio asse approssimativamente in 24 ore. Il verso di rotazione è antiorario (da ovest verso est), la velocità lineare varia con la latitudine mentre quella angolare è costante in qualsiasi punto della Terra.    

Un osservatore sulla superficie terrestre partecipa inconsapevolmente a questo moto e nell’arco delle 24 ore ha l’impressione di individuare nella sfera celeste un movimento di rotazione in senso opposto (moto apparente della sfera celeste).    

Giovanni Battista Guglielmini (1763-1817) e Léon Foucault (1819-1868) dimostrarono sperimentalmente la rotazione terrestre, il primo attraverso l’osservazione della traiettoria di un corpo in caduta libera. La prova fu condotta dalla Torre degli Asinelli di Bologna (altezza di circa 100m) nel 1791 e si osservava che il corpo non seguiva una traiettoria perfettamente verticale ma giungeva al suolo circa 17mm più ad est.  

Foucault provò sperimentalmente nel 1851 che la rotazione avviene in senso antiorario. Il fisico appese alla cupola del Pantheon di Parigi un pendolo costituito da un filo di 68m a cui era appesa una sfera di 30 kg alla cui base aveva posto una punta metallica. Quest’ultima tracciava sulla sabbia posta a terra una linea in grado di indicare il piano di oscillazione del pendolo.   

Nel tempo tali tracce indicavano uno spostamento graduale del piano in senso orario e la rotazione completa si otteneva in circa 32 ore.   

6Il moto di rivoluzione della Terra

Il moto di rivoluzione della Terra è il moto compiuto dalla Terra intorno al Sole, in analogia con gli altri pianeti.    

Una prova indiretta di tale moto è costituita dall’apparente spostamento del Sole lungo lo Zodiaco nei diversi mesi dell’anno. Tale spostamento è apparente in quanto l’osservatore proietta idealmente il Sole sulla volta celeste facendogli compiere un giro completo in 365 giorni.    

Un’altra prova indiretta del moto di rivoluzione è costituita dalla periodicità degli sciami di meteore che la Terra incontra in determinate date dell’anno, quando cioè passa loro vicino, determinando il fenomeno delle “stelle cadenti”. 

L'astronomia ci ha insegnato che non siamo il centro dell'universo, come si è pensato a lungo e come qualcuno ci vuol far pensare anche oggi. Siamo solo un minuscolo pianeta attorno a una stella molto comune. (Margherita Hack)