Stelle, pianeti e galassie

prefazione

F

in dai tempi più remoti la volta celeste ispira la creazione di miti e leggende di molti popoli,

che la identificano come l’inaccessibile dimora delle divinità. Scrutando il cielo, gli antichi sperano di capire quale sia il volere divino e, al tempo stesso, imparano a individuare le posizioni dei corpi celesti e a scoprire la regolarità dei loro movimenti. Manufatti che risalgono addirittura a 30 000 anni fa indicano l’esistenza di una precisa cognizione del tempo e l’uso di un calendario basato su fenomeni celesti.

In questo libro si raccontano alcune tappe fondamentali dell’avvincente storia dell’esplorazione dell’Universo: dagli astronomi-sacerdoti babilonesi alla nutrita schiera di studiosi che con le loro teorie e scoperte hanno contribuito a rivoluzionare la nostra visione del mondo.

d

apprima lentamente, poi con maggior impeto, gli astronomi superano la fase in cui la loro attività

più importante è catalogare stelle e pianeti per iniziare a domandarsi come siano fatti i corpi celesti, come funzionino, cosa li faccia muovere e brillare. Il cielo smette di essere legato alla sfera soprannaturale e viene indagato con metodo scientifico, anche grazie allo sviluppo della tecnologia: dall’invenzione del cannocchiale e della fotografia ai moderni telescopi spaziali.

Oggi la vastità e il numero di oggetti meravigliosi che l’Universo ospita continuano ad aumentare, ma l’aspetto più misterioso e affascinante è che ogni nuova osservazione potrebbe mettere in discussione tutto ciò che sappiamo…

indice

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L’ARMONIA DELLE SFERE CELESTI Fin dall’antichità l’uomo ha capito l’importanza di scrutare il cielo…

L’0SSERVATORIO VIRTUALE .........................19

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LA RIVOLUZIONE COPERNICANA L’opera di Copernico scuote alle fondamenta i pilastri dell’astronomia del Cinquecento…

ASTRONOMIA E FISICA Con le loro opere, Galileo e Newton contribuiscono a fondare la scienza moderna...

IL CIELO PROFONDO Con la creazione di cataloghi e l’invenzione della fotografia si riesce a classificare un enorme numero di oggetti celesti…

L’0SSERVATORIO VIRTUALE .........................49

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IL SOLE: LA NOSTRA STELLA Un tempo era venerato come una divinità, oggigiorno sappiamo che il Sole è una delle tante stelle che illuminano l’Universo…

Che siano nane bianche, giganti rosse o stelle di neutroni, tutte le stelle nascono nella stessa culla: le nebulose…

L’0SSERVATORIO VIRTUALE .........................69

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LE GALASSIE Il nostro Universo ospita circa 125 miliardi di galassie...

L’0SSERVATORIO VIRTUALE .........................79

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NASCE LA COSMOLOGIA All’inizio del XX secolo, nuove teorie rivoluzionano il pensiero scientifico e influenzano lo studio dell’astronomia…

IL SISTEMA SOLARE Le più recenti teorie ritengono che il Sistema Solare si sia formato 4 miliardi e mezzo di anni fa…

L’0SSERVATORIO VIRTUALE .........................99

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I GRANDI TELESCOPI Negli ultimi vent’anni la tecnologia ha permesso la costruzione di telescopi sempre più potenti…

indice

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VITA DA STELLE

l’armonia delle sfere

celesti

I

nostri antenati non avevano orologi da polso, navigatori GPS o calendari sempre disponibili. Anche loro però, benché con ritmi più lenti, non potevano fare a meno di

muoversi, orientarsi e misurare il tempo.

MISURARE IL TEMPO Dovevano conoscere il ciclo delle stagioni per pianificare i lavori agricoli, sapere quanto tempo mancava all’alba e al tramonto per spostarsi senza perdere la via o, ancora, contare i mesi o i giorni che li separavano dalla nascita di un figlio.

Soprattutto, però, erano re e personaggi potenti a consultare stelle e pianeti per sapere se le decisioni che stavano per prendere fossero giuste, quale sarebbe stato il loro esito e, più in generale, cosa il futuro avesse in serbo per loro.

Fin dai tempi più antichi la divinazione fornì una spinta fondamentale allo studio del cielo. Vogliamo però pensare che i nostri lontani antenati fossero affascinati dallo spettacolo che il cielo offriva loro, così come lo siamo noi oggi, e che con l’ammirazione nascesse anche il desiderio di descrivere e capire. Una sete di conoscenza che ha portato l’uomo a interrogarsi sulla natura degli astri fino a concepire i più recenti modelli cosmologici, che oggi si basano sui dati di una tecnologia avanzatissima.

In questo capitolo partiamo dalla Mesopotamia del 1800 a.C. e arriviamo al 150 d.C., con un ideale passaggio di testimone dai Babilonesi ai Greci. L’astronomia moderna affonda le sue radici proprio nelle conoscenze sviluppate da questi popoli nel corso di 2000 anni.

ZIGGURAT DI TALLIL Costruito 4000 anni fa in Mesopotamia, attuale Iraq, si pensa fosse un osservatorio astronomico.

LE SFERE CELESTI 9

Una delle tavole di MUL.APIN (500 a.C.)

I BABILONESI In base ai ritrovamenti archeologici e alle ricerche astro-

nomiche che cercano di interpretarli, i Babilonesi furono i primi, quasi 4000 anni fa, a intraprendere osservazioni sistematiche di Sole, Luna, pianeti e stelle, e a registrarle su tavolette di argilla.

Le registrazioni più antiche risalgono al 1800 a.C. e riguardano l’ora del sorgere della Luna e le date della Luna nuova.

Successive osservazioni registrano le ore di visibilità del pia-

SACERDOTI-ASTRONOMI

neta Venere e risalgono al 1700 a.C., durante il regno del re

Nell’antichità, gli studiosi del cielo erano spesso anche sacerdoti perché si credeva che la volontà degli dei e il destino degli uomini fossero scritti sulla volta celeste.

La necessità di stabilire date per i riti magico-religiosi, spesso associati ai tempi della natura (semina, raccolto), stimolò la nascita di una casta, quella dei sacerdoti, che grazie alle sue conoscenze astronomiche acquistò sempre più potere. Siccome era convinzione diffusa che eventi della vita degli uomini corrispondessero a particolari posizione degli astri in cielo, astronomia e astrologia erano profondamente legate.

Ammisaduqa.

Un altro tesoro dell’astronomia babilonese è costituito dalle tavole dette MUL.APIN, dal nome della costellazione con cui inizia il testo. Si tratta di un vero e proprio compendio di astronomia e astrologia, dove sono riportate osservazioni risalenti al 1000 a.C. L’insieme delle tavole di argilla che archeologi e astronomi hanno ritrovato e interpretato, ci permettono di ricostruire quali fossero gli interessi degli astronomi babilonesi: la misura del tempo, il movimento apparente della Luna e del Sole, le stagioni, le indicazioni per orientarsi tra le stelle, le previsioni riguardanti la posizione dei pianeti e le date delle eclissi. L’importanza di questi fenomeni era principalmente astrologica, cioè li usavano per predire, o meglio, divinare il futuro (gli oroscopi odierni hanno invece radici più recenti e si possono far risalire ai secoli intorno alla nascita di Cristo).

10 LE SFERE CELESTI

gibbosa crescente

primo quarto

luna crescente

luna piena gibbosa calante

Luce del Sole

luna nuova

ultimo quarto

luna calante

Qualunque fossero le loro motivazioni, i Babilonesi registrarono moltissime osservazioni astronomiche che vennero riutilizzate in seguito da altri astronomi, in particolare da quelli greci. Un contributo fondamentale dei Babilonesi all’astronomia fu lo sviluppo della matematica, che utilizzarono per i loro calcoli: già a partire dal 500 a.C., gli astronomi babilonesi iniziarono a utilizzare funzioni semplici da combinare tra loro per descrivere i complicati fenomeni celesti.

CALENDARIO

LUNARE Per avere una misura del tempo bisogna individuare un

fenomeno naturale che si ripeta spesso e con regolarità.

I fenomeni più regolari e facilmente osservabili dagli antichi erano di giorno i “movimenti” del Sole, e di notte quelli delle stelle e soprattutto della Luna. Quest’ultima è un buon orologio, facilmente utilizzabile per misurare un intervallo di tempo di quasi un mese: il nostro satellite infatti cambia aspetto notte dopo notte perché varia la parte che vediamo illuminata dal Sole. La porzione di Luna illuminata e il suo orientamento si chiamano fasi della Luna.

Le fasi principali sono: la Luna piena, quando tutto il disco lunare è illuminato perché la Terra si trova tra il Sole e

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eclissi di luna

terra

sole

luna

penombra

cono d’ombra

ECLISSI DI LUNA

la Luna, il quarto di Luna, quando è illuminato metà disco e

La Terra gira attorno al Sole e la Luna intorno alla Terra. Quando la Terra passa tra il Sole e la Luna e i tre corpi celesti sono ben allineati, il Sole illumina la Terra e l’ombra della Terra oscura la Luna. È l’eclissi totale di Luna. Durante l’eclissi, la Luna è necessariamente nella fase di Luna piena. Ma se il nostro satellite è nella fase di Luna piena una volta al mese, perché non si verifica un’eclissi di Luna con la stessa frequenza?

Il motivo è che l’orbita della Luna è inclinata di cinque gradi rispetto all’orbita della Terra attorno al Sole.

Quindi, la maggior parte delle volte in cui la Luna è piena, essa non si trova in linea con la Terra, ma sopra o sotto. L’eclissi totale si verifica solo quando Sole, Terra e Luna sono perfettamente allineati, e la Luna attraversa il piano dell’orbita della Terra. Se l’allineamento tra i tre corpi è buono, ma non perfetto, l’ombra della Terra oscura solo parte della Luna e l’eclissi si dice parziale.

Le eclissi totali di Luna non sono rare: dal 2013 al 2022, dall’Italia se ne potranno ammirare quattro.

la Luna, la Terra e il Sole formano tra loro un angolo retto e, infine, la Luna nuova, quando la Luna è in ombra perché si trova tra la Terra e il Sole.

Queste fasi si ripetono periodicamente perché la Luna orbita intorno alla Terra e quindi alla fine del suo percorso si ritrova nella posizione di partenza rispetto ad essa e al Sole.

Oggi sappiamo che tra una fase e l’altra di Luna nuova passano 29 giorni, 12 ore e 44 minuti: questo intervallo di tempo si chiama mese sinodico.

Tuttavia, per coloro che studiavano il cielo, l’orologio delle fasi lunari non era sufficientemente preciso perché la durata delle fasi, in particolare quelle di Luna nuova e Luna piena, sono troppo lunghe. Il motivo è solo fisiologico, non astronomico: l’occhio non riesce a distinguere la presenza di una piccola falce illuminata di Luna nuova o una leggera variazione della forma del disco di Luna piena, se non dopo almeno una notte.

Gli astronomi scoprirono di poter ottenere una misura più precisa del mese se prendevano come momenti di riferimento le eclissi di Luna invece che le sue fasi: le eclissi di Luna infatti durano al massimo due ore, molto meno di una fase lunare, e il loro sviluppo può essere seguito più facilmente dall’inizio alla fine. Poiché le eclissi di Luna sono abbastanza frequenti, in media 24 in un secolo, un astronomo nella sua vita poteva registrarne parecchie, migliorando così la precisione della misura del mese.

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eclissi di sole luna

sole

cono d’ombra

terra

penombra

E SOLARE Gli astronomi dell’antichità notarono che anche il Sole sorge e tramonta con regolarità, ma questa regolarità la si poteva riscontrare solo osservando per diversi anni questo fenomeno naturale: infatti, la durata del giorno cambia nel corso di un anno perché variano sia la massima altezza del Sole sull’orizzonte che la direzione del suo sorgere e tramontare. Inoltre, il movimento apparente del Sole dipende dalla località da cui lo si osserva.

Rispetto al calendario lunare, quello solare ha il vantaggio che durante il giorno le osservazioni sono più comode da farsi, inoltre il tempo solare è più direttamente collegato alla vita quotidiana. Il punto debole del calendario solare è la sua complessità: mentre le fasi della Luna sono evidenti, il calendario solare richiede le misure degli angoli (direzioni) da cui il Sole sorge e verso cui tramonta, e dell’angolo che ne misura l’altezza sull’orizzonte. Queste misure vanno poi ripetute a lungo.

Il fatto che dodici mesi lunari non corrispondano a un anno solare diede molto filo da torcere a coloro che, come i Babilonesi, tentarono di far coincidere il calendario lunare con quello solare.

Considerando questo tentativo inutile, i Romani sistemarono il calendario solare e abbandonarono del tutto quello lunare.

ECLISSI DI SOLE Quando la Luna passa tra la Terra e il Sole, la sua ombra si proietta sulla Terra dando origine a un’eclissi di Sole. Quando il Sole è oscurato solo parzialmente, si parla di eclissi parziale; se resta visibile solo un sottile cerchio luminoso, si ha un eclissi anulare. Come nel caso dell’eclissi di Luna, anche per l’eclissi di Sole la totalità o la parzialità dipendono da quanto preciso è l’allineamento tra Sole, Luna e Terra. L’eclissi anulare è una particolare eclissi totale che si verifica quando, durante l’allineamento con il Sole, la Luna è più lontana del solito dalla Terra e quindi il suo disco appare un poco più piccolo. Il motivo per cui la distanza della Luna dalla Terra varia, è che l’orbita della Luna è un’ellisse, cioè un cerchio un po’ schiacciato. Le eclissi di Sole, soprattutto quelle totali, visibili da una certa località sulla Terra, sono rare: le prossime eclissi totali visibili dal centro-nord Italia si verificheranno nel 2075 e nel 2082.

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L’OROLOGIO A OMBRA Per misurare il tempo, i Babilonesi usavano l’orologio a ombra. Come il nome lascia indovinare, questo orologio funziona solo di giorno perché si basa sulla misura della lunghezza e della direzione dell’ombra proiettata da un’asta verticale, lo gnomone.

Le tavole MUL.APIN riportano le lunghezze dell’ombra misurate per i giorni speciali degli equinozi e dei solstizi.

Oggi sappiamo che la Terra gira intorno al Sole in 365 giorni e ¼. Nel nostro calendario attuale, introdotto nel 1582 da Papa Gregorio XIII, un anno è composto da 365 giorni divisi in 12 mesi di 30 o 31 giorni, con l’eccezione di febbraio che dura 28 giorni. La frazione di un quarto di giorno, che viene ignorata per tre anni consecutivi, viene recuperata ogni quarto anno, l’anno bisestile, facendo durare il mese di febbraio 29 giorni anziché 28.

L’OROLOGIO

AD ACQUA I calendari, lunari o solari che siano, vanno bene per misurare periodi di tempo relativamente lunghi. Ma come fare a misurare eventi o intervalli di tempo della durata di ore o frazioni di ore? Cosa fare se Sole e Luna si nascondono dietro le nuvole? Sappiamo che i Babilonesi utilizzavano l’orologio ad acqua, uno strumento che consiste in un recipiente con un foro alla base. Il tempo che intercorre tra il momento in cui il recipiente viene riempito e quello in cui si è svuotato è sempre lo stesso. Inoltre, segnando delle tacche a diverse altezze dal fondo del recipiente, si possono ottenere frazioni del tempo di svuotamento.

Illustrazione di un orologio ad acqua

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Le tavole MUL.APIN contengono istruzioni per l’uso dell’o-

ARISTARCO DI SAMO rologio ad acqua, che con il tempo venne migliorato: nel tardo periodo babilonese, gli astronomi avevano ormai a disposizione uno strumento piuttosto preciso dal quale l’acqua usciva con pressione costante, per evitare che il getto rallen-

I GRECI tasse man mano che il livello dell’acqua scendeva.

Molti sono gli astronomi e i filosofi che si occuparono del

cielo nel corso della storia greca. Ognuno di loro contribuì a creare un insieme di idee e osservazioni importantissime per lo sviluppo del pensiero filosofico e scientifico occidentale. Grandissimi pensatori quali Platone, Aristotele, Ipparco e Tolomeo poterono scrivere le loro opere grazie alle teorie di molti altri ingegni vissuti prima di loro, tra i quali i pazienti osservatori dei fenomeni celesti.

PLATONE Platone (427-347 a.C) non era particolarmente interessato

all’astronomia, ma la sua concezione filosofica del mondo ha avuto una tale importanza che non si può ignorarlo. Platone pensava che l’Universo fosse perfetto e non cambiasse mai, che le stelle fossero eterne e parte di sfere celesti. Grazie alla

Astronomo e filosofo, vissuto tra il 310 e il 230 a.C, , è noto soprattutto per essere stato il primo a esporre la teoria secondo cui la Terra e i pianeti ruotano attorno al Sole compiendo orbite circolari (teoria eliocentrica).

Purtroppo, la teoria geocentrica di Aristotele e poi quella di Tolomeo prevalsero e occorsero diciassette secoli prima che Copernico proponesse di nuovo la teoria eliocentrica. Si deve ad Aristarco la prima misura della distanza tra il Sole e la Terra e del diametro del Sole. L’astronomo greco ebbe la geniale intuizione di trasformare una misura impossibile a farsi a mano in un problema geometrico risolubile a tavolino. Il metodo era corretto, ma il risultato sbagliato perché non aveva a disposizione strumenti adeguati. Grazie alle sue eccezionali doti di osservatore, aveva indovinato il giusto ordine dei pianeti intorno al Sole, ma soprattutto aveva intuito che la Terra ruotava su se stessa e che le stelle fisse, che avrebbero dovuto mostrare un moto annuo apparente nel cielo a causa della rivoluzione della Terra intorno al Sole, dovevano essere lontanissime.

Sfortunatamente, le sue idee si rivelarono troppo rivoluzionarie per poter essere accettate dai suoi contemporanei.

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ARISTOTELE Nato nel 383 a.C., ancora giovanissimo entra nell’Accademia di Platone, dove studia, tra l’altro, le scienze matematiche e astronomiche. Scrive moltissime opere su argomenti diversi (metafisica, fisica, logica, politica ecc.).

sua fama, questa concezione dell’Universo si radicò profondamente nella cultura greca e costrinse Tolomeo a compiere veri salti mortali per produrre un modello dell’Universo che mettesse in accordo la perfezione delle sfere e dei cerchi con le osservazioni del cielo.

ARISTOTELE La concezione aristotelica del cielo influì direttamente sul

modello del mondo, che troverà in Tolomeo la sua massima espressione scientifica.

Aristotele (383-322 a.C) era convinto che la Terra fosse sferica e ferma al centro dell’Universo. La sua idea che la Terra fosse rotonda si basava, tra l’altro, su osservazioni del cielo stellato: viaggiando verso nord, alcune stelle che Aristotele poteva vedere dalla sua città sparivano sotto l’orizzonte.

Inoltre notò che alcune stelle che abitualmente vedeva sorgere e tramontare, viaggiando verso nord non tramontavano mai divenendo, con termine moderno, stelle circumpolari.

Con l’aiuto di un mappamondo e un po’ di immaginazione è facile convincersi che entrambe queste osservazioni indicano che la Terra è sferica. Che poi la Terra fosse ferma era scontato per Aristotele, visto che se si fosse mossa, uomini e cose non sarebbero rimasti fermi al loro posto, ma sarebbero stati proiettati nello spazio!

Bisognò attendere il Rinascimento perché le idee di Aristotele venissero messe in discussione e superate.

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IPPARCO Ipparco (190-120 a.C. circa) fu una figura importantissima

dell’astronomia greca, un vero genio la cui opera venne sfruttata ampiamente, ma anche criticata, dal grande Tolomeo vissuto più di 200 anni dopo. Ipparco fu un attento osservatore del cielo e creò modelli geometrici e matematici che permettevano di predire il movimento della Luna, del Sole e dei pianeti. Per i suoi calcoli, Ipparco introdusse nell’astronomia quella che oggi è nota come trigonometria, cioè quella branca della matematica che studia le relazioni tra gli angoli e i lati dei triangoli. Ipparco misurò la distanza del Sole e della Luna dalla Terra, ottenendo risultati che gli permisero di predire le eclissi solari con sufficiente approssimazione. La sua scoperta più notevole fu la precessione degli equinozi, un lento movimento dell’asse di rotazione terrestre, di cui

Xilografia che raffigura Ipparco intento a osservare il cielo.

anche gli astronomi d’oggi devono tener conto.

TOLOMEO Visse ad Alessandria d’Egitto nel II secolo d.C. Nel corso dei suoi studi Tolomeo utilizzò molte idee e risultati ottenuti da altri astronomi vissuti prima di lui, ma sviluppò anche complessi calcoli matematici per produrre la sua visione dell’Universo. Questa comprendeva il Sole, la Luna, le stelle

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Immagine del Sistema Solare secondo Tolomeo

NON SOLO ASTRONOMO

e i pianeti più luminosi che si possono vedere a occhio nudo:

Sebbene sia ricordato soprattutto per il suo famoso trattato di astronomia, l’Almagesto, Tolomeo approfondì lo studio di altre discipline. Si interessò di matematica, anticipando lo studio della trigonometria, e applicò le sue teorie alla costruzione di astrolabi e meridiane. Si occupò di geografia, scrivendo un’opera chiamata Geografia, dove utilizzò per la prima volta un sistema di longitudini e latitudini.

Come l’Almagesto, anche la Geografia è un’opera molto ampia, dove Tolomeo raccoglie quanto era noto al suo tempo. Basandosi sul lavoro dei suoi predecessori, la Geografia è in parte imprecisa, ma contiene una consapevolezza nuova dei dati e dei metodi da seguire per creare una mappa, costituendo una tappa importante della storia della scienza.

Tolomeo fece ricerche nel campo dell’ottica, studiando la rifrazione e la riflessione della luce; si occupò anche di musica e astrologia.

Mercurio, Marte, Venere, Giove, Saturno.

E LA TEORIA GEOCENTRICA

Nel suo famoso trattato, l’Almagesto, Tolomeo spiegò perché i corpi celesti avessero determinati movimenti e come predirli. In quest’opera, catalogò un migliaio di stelle riunendole in 48 costellazioni, inoltre ne annotò la posizione e la luminosità apparente in base a una scala di grandezza che comprendeva sei classi.

Nel sistema tolemaico o geocentrico (dal greco geos, che vuol dire Terra), la Terra è sferica e immobile al centro dell’Universo. Attorno a lei si muovono il Sole, la Luna, i pianeti e le stelle fisse, quest’ultime incastonate in sfere concentriche chiamate “cieli”. La Luna e i pianeti ruotano attorno alla Terra secondo uno schema complicatissimo, ideato da Tolomeo per conciliare la concezione aristotelica della circolarità dei moti dei pianeti con l’evidente irregolarità del loro movimento: ognuno di questi corpi celesti gira attorno a un centro che a sua volta ruota attorno a un altro centro di rotazione, molto vicino alla Terra. Per predire le posizioni dei pianeti, questo modello richiede calcoli matematici molto complessi.

Ciononostante, il modello tolemaico venne superato solo nel 1500 circa, quando Copernico propose una teoria rivoluzionaria che poneva il Sole al centro dell’Universo.

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l’osservatorio virtuale

COME FUNZIONA UN PATRIMONIO DI TUTTI

LE APPLICAZIONI

Osservatori astronomici di tutto il mondo puntano ogni notte i loro potenti telescopi in direzione di pianeti, stelle e galassie. Le immagini registrate sono tutte in formato digitale e vengono salvate come file che poi gli astronomi analizzano con la speranza di fare nuove scoperte.

All’indirizzo http://wwwas.oats.inaf. it/aidawp5 trovi una breve descrizione dell’Osservatorio Virtuale sviluppato appositamente per il pubblico e le scuole. Dal sito si possono scaricare gratuitamente le applicazioni Stellarium e Aladin, che funzionano con tutti i principali sistemi operativi. Con le due applicazioni potrai esplorare il cielo proprio come fecero i tanti astronomi del passato.

UN PROGETTO EUROPEO La Comunità Europea e tante altre nazioni si sono messe d’accordo per creare delle applicazioni che siano in grado di mettere a disposizione di tutti gli astronomi professionisti, ma anche degli appassionati di astronomia grandi e piccoli, i tantissimi dati che sono stati registrati negli ultimi decenni.

Questo progetto si chiama Virtual Observatory, o in italiano, Osservatorio Virtuale.

SI COMINCIA! A fondo pagina, sotto le icone di Stellarium e Aladin si possono scaricare delle guide che presentano alcuni problemi astronomici e le indicazioni su come utilizzare le due applicazioni per risolverli. Prova subito la prima guida intitolata “Il cielo” (n.1) e l’ultima, “Lo zodiaco” (n. 14), perché sono strettamente collegate ai temi che abbiamo trattato in questo capitolo.

Ma con Stellarium e Aladin puoi anche semplicemente goderti lo spettacolo del cielo stellato, virtuale naturalmente!

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