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Il moto dei pianeti nel cielo

Tuesday, March 16th, 2010

[Sotto il post in Italiano]

What is a planet? We hear this word very often, but the definition of a planet hasn’t been refined until three years ago. If you look at the night sky for a very long time you will notice all stars rotating around a fixed star (Polaris) in a circular clean orbit. This is shown in the video below (actually is the Earth’s rotation that causes this effect):

But not the planets. They move across the sky in a completely different way. Mercury and Venus are always seen close to the Sun and therefore visible only at sunset and sunrise (see figure 1), while Mars, Jupiter and Saturn move in a Z-like path (figure 2).

That’s the main reason why in the antiquity, planets (together with the Sun and the Moon) were thought to be divine wanderers moving across the sky and influencing the human matters. They were named by the Greeks after the Gods of their pantheon and later assigned their respective Latin names by the Romans: Mercurius (for Hermes) messenger of the gods, Venus (Aphrodite) goddess of love and beauty, Mars (Ares) god of war, Iuppiter (Zues) kind of the gods and Saturnus (Kronos) god of agriculture, justice and strength. In the last century we found out that Venus, even tough is similar to the Earth in size, gravity and composition, has a surface temperature of 500 degrees Celsius, a poisonous carbon dioxide atmosphere, a pressure at the surface 92 times the pressure of Earth’s atmosphere and rains of sulphuric acid that evaporate around 25 km above the surface. If the ancient Greeks knew what was going on on Venus, perhaps they would have thought of it more as an evil presence than as a goddess of love.

Figure 1 Mercury and Venus at sunset

There are 8 known planets in our solar system and over 500 extrasolar planets were found in other systems and we have reason to believe that there are billions out there!

The latest definition of a planet is a celestial body that orbits a star whose mass is enough to be shaped into a sphere by gravity, is not massive enough to cause thermonuclear fusion and has cleared its neighboring region. The last condition is why poor little Pluto was removed from the category.

But why planets move in such a way? (I should note that those are the apparent motions of the planets across the sky).

We now know that all planets move around the sun in a nearly circular orbit; Mercury and Venus are only visible in twilight hours because their orbits are interior to the Earth’s orbit, while Mars Jupiter and Saturn move in a Z-shaped path because they move slower in exterior orbits with respect to the Earth.

Let’s consider the apparent motion of Mars seen from the Earth, for instance. As the Earth and Mars orbit around the sun, Mars appears to advance forwards, then stop and start moving backwards, and then stop and change direction once again to start moving forwards. This is explained very well in the video below. The clip is taken by the new BBC series Wonders of the Solar System, presented by Brian Cox:

We now know that this is just an effect due to the motion of the Earth around the Sun, but imagine being a Greek, a Babylonian or a Roman thousand of years ago trying to understand why Mars is moving this way believing that the Earth is a the centre of the universe! Good luck.

We have come a long way in uncovering the mysteries of nature since then, but there is still so much to understand, so much to discover, so much to learn.

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Che cosa è un pianeta? Abbiamo sentito questa parola molto spesso, ma la definizione di un pianeta non è stata perfezionata fino a tre anni fa. Se guardate il cielo notturno per molto tempo noterete che tutte le stelle ruotano attorno ad una stella fissa (la stella polare) in un’orbita circolare, come viene mostrato nel primo video del post sopra (in realtà è la rotazione della Terra che produce questo effetto).

Ma non i pianeti. I pianeti sembrano muoversi attraverso il cielo in un modo completamente diverso. Mercurio e Venere sono sempre vicini al Sole, e visibli soltanto al tramonto e all’alba (vedi la figura 1), mentre Marte, Giove e Saturno si muovono in un percorso a zig-zag (figura 2).

Figure 2 Il moto apparente di Marte nel cielo

Questa è la ragione principale per cui nell’antichità, i pianeti (insieme al Sole e alla Luna) erano pensati essere oggetti divini che si spostavano attraverso il cielo e che influenzano le vicende umane. I pianeti vennero chiamati con i nomi degli Dei del pantheon dai Greci. In seguito, I romani assegnarono loro i rispettivi nomi latini: Mercurius (per Hermes) messaggero degli dei, Venere (Afrodite) dea dell’amore e della bellezza, Marte (Ares) dio della guerra, Giove (Zues) re degli dei e Saturno (Kronos), dio dell’agricoltura, giustizia e forza. Nel secolo scorso abbiamo scoperto che Venere, anche se è simile alla Terra per dimensioni, gravità e composizione, ha una temperatura superficiale di 500 gradi centigradi, un’atmosfera velenosa di anidride carbonica, una pressione superficiale 92 volte quella sulla Terra e piogge di acido solforico che evaporano a circa 25 km dalla superficie. Se gli antichi Greci avessero saputo che cosa stava succedendo su Venere, forse lo avrebbero immaginato più come una presenza malefica che come un dio dell’amore.

Ci sono 8 pianeti nel nostro sistema solare ed oltre 500 pianeti extrasolari ne sono stati scoperti in altri, ed abbiamo ragione di credere che ce ne siano miliardi! La definizione più recente di un pianeta è un corpo celeste, che orbita attorno ad una stella, la cui massa è sufficiente da essere ridotta in forma sferica dalla gravità, non è abbastanza massiccio da causare fusione termonucleare al suo interno ed ha pulito la sua regione circostante. L’ultima condizione è la ragione per la quale il povero Plutone è stato rimosso dalla categoria.

Ma perché i pianeti si muovono in questo modo? (Vorrei sottolineare che questi sono i moti apparenti dei pianeti nel cielo, visti dalla Terra).

Oggi sappiamo che tutti i pianeti si muovono intorno al Sole in un’orbita quasi circolare, Mercurio e Venere sono visibili solo nelle ore del crepuscolo perché le loro orbite sono interne a quella della Terra, mentre Marte, Giove e Saturno si muovono in un percorso a forma di Z perché si trovano in orbite più lente ed esterne rispetto a quella terrestre.

Consideriamo il moto apparente di Marte visto dalla Terra, per esempio. Mentre la Terra e Marte orbitano il Sole, Marte sembra avanzare, poi fermarsi ed iniziare a muoversi all’indietro, e poi fermarsi e cambiare direzione ancora una volta per iniziare a muoversi in avanti. Questo effetto è illustrato dalla figura qui sotto. Il secondo video sopra da anche una spiegazione del fenomeno ma il video è disponibile soltanto in Inglese (vale la pena guardarlo comunque):

Ora sappiamo che questo è solo un effetto dovuto al moto della Terra intorno al Sole, ma immaginate di essere un Greco, un Babilonese o un Romano migliaia di anni fa cercando di capire perché Marte si sta muovendo in questo modo credendo che la Terra si trovi al centro dell’universo! Buona fortuna.

Abbiamo percorso una lunga strada nello scoprire i misteri della natura da allora, ma c’è ancora così tanto da capire, così tanto da scoprire, così tanto da imparare.

Tags: Astronomy, Cool stuff, Jupiter, Mars, Mercury, Moon, Saturn, Space, Venus
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Where does the Moon come from?

Thursday, January 28th, 2010

[Sotto il post in Italiano]

Have you ever wondered where does the Moon come from? I asked myself that question. The Moon has been up there every night for as long as humanity has been around. It definitely affected our lives, but for a long time I didn’t know anything else about it. So, I decided to look it up.

I discovered that there are many interesting things to know about the Moon.
First of all, it’s Earth’s only natural satellite. It’s a big lifeless ball of rock that orbits us roughly once a month (in fact the word “month” and “moon” are cognates, meaning that they have common etymological origins). Another interesting fact, and maybe you’ve already noticed it, is that the Moon always shows us the same face. Go out at night and check it out. You will see that the craters, as well as the dark plains (called maria) will always be at the same spots. That doesn’t mean that the Moon never rotates. The Moon is in what’s called a synchronous rotation, which means that it rotates around its axis in about the same time it takes to orbit the Earth. This results in it keeping the same face toward us all the time.
However, the Moon used to rotate at a faster rate in the past, but its rotation has been slowed down until finally became locked, as a result of frictional effects associated with tidal deformation caused by the Earth.
That works both ways, though. The Moon, even if smaller than the Earth, has an effect on our planet too. Ocean tides are the most known one. The Moon also stabilizes Earth’s axial tilt, preventing the seasons from swinging to extreme temperatures, and it’s gradually slowing Earth’s rotation as well. Yes, you read correctly. Earth’s rotation is slowing down, very gently. I know what you are thinking. If the rotation is slowing down, that means that it used to be faster in the past! That’s right. Fossils of corals have the ability to tell us how long the day was when they were alive. In fact, as they grow they record in their bodies how many days they experience each year. Living corals produce both daily and annual growth rings. Biologist can see how many daily rings separate each annual one, or in other words, how many days were included in each year when that coral was alive. In corals 380 million years old, there were counted 400 days per year and each day of 21.9 hours.

Also, on a side note, don’t think that the far side of the Moon (the side that is always pointing away from us) is also the dark side of the Moon. The far side is illuminated exactly as often as the near side (the side that we see every night).

There is one more thing. To describe this, I have to introduce a concept that in physics is called conservation of the angular momentum. Angular momentum is a quantity that is useful in describing the rotational state of a physical system. This principle says that the angular momentum in a system has to be always constant. Now, physicists use Earth’s rate of spin to calculate the angular momentum. Since we just said that Earth’s rotation is slowing down due to the Moon’s presence, that must mean that the angular momentum is getting smaller. Wait a minute! Didn’t we just say that the angular momentum has to be conserved? Here comes the beauty of nature. The angular momentum lost by the reduced rotation of the Earth is transferred to the Moon that speeds up in it’s orbit around the Earth to ensure that the total angular momentum in the Earth-Moon system is conserved. This acceleration is in fact making the Moon getting farther away from the Earth at a rate of about 4 cm per year. That’s the same rate at which your fingernails grow. That’s a creepy but cool coincidence.

Now, that’s nice. To sum up: The Moon always shows us the same face, it creates tides on Earth, it stabilizes Earth’s axis and it slows down its rotation. Plus, is receding away from us.

But back to the original question. Where did the Moon come from?

Various theories have been proposed for the formation of the Moon. By the way, a theory, in science, has not the same meaning as in the colloquial context. In science, a theory is an explanation or a model based on observation, experimentation and reasoning, that has been tested and confirmed over and over as a general principle explaining and predicting a natural phenomena. Remember that also gravity is a theory.

Any theory that explains the existence of the Moon must naturally explain the Moon’s low density (3.3 g/cc), which shows that it does not have a substantial iron core like Earth does. Also, Moon rocks contain very little water, which implies an extra baking of the lunar surface, that has evaporated its lighter elements. Finally, such a theory must explain why the relative abundance of oxygen isotopes on Earth and on the Moon are identical, which suggests that the Earth and Moon formed at the same distance from the Sun.

Here are some of the proposed theories to explain the formation of the Moon:

The Fission Theory: This theory proposes that early in the history of the solar system the Earth was spinning extremely fast and a chunk of it separated creating the Moon, by the effect of centrifugal forces, creating an ocean basin (presumably the Pacific Ocean). However, the theory doesn’t have any explanation for the baking of the lunar surface. Moreover, the present-day Earth-Moon system should contain evidence of this rapid spin, but it doesn’t.

The Capture Theory: This theory states that the Moon was created somewhere else in the solar system and eventually captured by Earth’s gravitational field. However, scientists are reluctant in believing in it because such a capture is very improbable. Something would have to slow the Moon down by just the right amount at the right time. Also, this theory doesn’t explain the baking of the lunar surface.

The Condensation Theory: This theory suggests that the Moon and the Earth created individually from the nebula that formed the solar system at the same time. However, the Moon doesn’t possess an iron core and the Earth does and, again, there is no explanation of why the lunar surface is baked.

These theories have been now discarded. The theory that is still being discussed and that is widely accepted today by the scientific community is called the Giant Impactor Theory. This theory proposes that a big object, probably about the size of Mars, hit the Earth right after the formation of the solar system, about 4.45 billion years ago, ejecting large volumes of heated material from the outer layers of both objects. A disk of orbiting material was formed and eventually gravity collected it together to form the Moon. This theory explains why the Moon is made mostly of rock and how the lunar surface was baked. Furthermore, there is evidence everywhere in the solar system that such collisions were common at the beginning.
Now that’s cool. Next time you will look at the Moon you will have many more things to wonder about.

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Ti sei mai chiesto da dove viene la Luna? Io mi sono posto spesso questa domanda. La Luna è sempre stata li. Per tutto il periodo un cui l’umanità è esistita è sempre apparsa nel cielo notturno. Senza dubbio ha avuto un effetto nelle nostre vite, ma per molto tempo io non ho mai saputo niente di più. Così, un giorno, ho deciso di ricercare la risposta.

Ho scoperto che ci sono molte cose interessanti da sapere sulla Luna.
Prima di tutto, è l’unico satellite naturale della Terra. La Luna è una grande sfera rocciosa che ci orbita circa una volta al mese. Un altro fatto interessante, e forse l’hai gia notato, è che la Luna ci rivolge sempre la stessa faccia. Vai fuori a dare un’occhiata. Anche a distanza di mesi, guardando la Luna vedrai che i crateri, così come le regioni scure della superficie (anche detti mari), saranno sempre allo stesso posto. Fai attenzione però, questo non significa che la Luna non ruota. La Luna è in rotazione sincrona. Il suo periodo di rotazione è uguale al suo periodo di rivoluzione. Come effetto della rotazione sincrona, la Luna mantiene sempre la stessa faccia verso di noi. Tuttavia, la Luna ruotava più velocemente in passato, ma la sua rotazione è stata rallentata fino a quando non è rimasta “bloccata”, una conseguenza delle deformatrici forze di marea esercitate dalla Terra. L’effetto è mutuo, ovviamente. La Luna, anche se più piccola della Terra, ha un effetto sul nostro pianeta. Le maree sono gli effetti più conosciuti. La Luna ha anche l’effetto di stabilizzare l’inclinazione dell’asse terrestre, impedendo alle stagioni di oscillare verso temperature estreme. E sta rallentando la rotazione della Terra. Si, hai letto giusto. La rotazione della Terra sta rallentando, molto lentamente. So cosa stai pensando. Se la rotazione sta rallentando, allora vuol dire che in passato era più rapida! Esatto.
I fossili di coralli hanno ci possono fornire la lunghezza dei giorni nel periodo in cui erano vivi. Infatti, crescendo, ricordano nei loro corpi quanti giorni passano ogni anno. Coralli viventi producono sia anelli di crescita giornalieri che anelli di crescita annuali. I biologi possono vedere quanti anelli giornalieri separano ogni anello annuale, vale a dire che possono leggere nei coralli quanti giorni erano inclusi ogni anno nel periodo in cui quei coralli erano vivi. In fossili di coralli vecchi 380 milioni di anni, biologi hanno contato 400 giorni per anno, che vale a dire giorni di 21,9 ore.

Un’altra breve nota. Non pensare che la faccia lontana della Luna sia anche la faccia oscura. La faccia lontana è illuminata esattamente quanto la faccia vicina (quella che vediamo ogni notte).

C’è ancora un’altro fatto interessante. Per descriverlo, ho bisogno di introdurre un concetto che in fisica si chiama conservazione del momento angolare. Il momento angolare è una quantità utile nel descrivere lo stato rotazionale di un sistema fisico. Questo principio dice che il momento angolare in un sistema deve sempre essere costante. Il momento angolare della Terra viene misurato attraverso il suo periodo di rotazione. Ma un momento! Se abbiamo appena detto che la rotazione della Terra sta rallentando, allora questo deve significare che anche il momento angolare si sta riducendo. Ma il momento angolare non si deve conservare in un sistema fisico?! Ecco la bellezza della natura. Il momento angolare perso nel rallentamento della rotazione terrestre viene trasferito alla Luna, che aumenta la sua velocità nell’orbita attorno alla Terra per assicurare che la totalità del momento angolare del sistema Terra-Luna sia conservato. In effetti, questa accelerazione sta facendo allontanare la Luna da noi di circa 4 cm all’anno. Lo stesso ritmo con cui le tue unghie crescono. Un bizzarra ma curiosa coincidenza.

Ok. Ricapitoliamo. La Luna ci rivolge sempre la stessa faccia, provoca maree sulla Terra, stabilizza l’asse terrestre a rallenta la sua rotazione. Inoltre, si sta allontando da noi.

Ma ritornando alla domanda iniziale. Da dove viene?

Sono state proposte diverse teorie sulla formazione della Luna. A proposito, una teoria, in scienza, ha un significato differente da quello colloquiale. In scienza, una teoria è una spiegazione o modello basato sull’osservazione, sperimentazione e ragionamento, che è stato testato e confermato innumerevoli volte come un principio generale per spiegare e predirre un fenomeno naturale. Ricordati che anche la gravità è una teoria.

Ogni teoria che può spiegare l’esistenza della Luna deve anche spiegare perché la densità della Luna è bassa (3.3 g/cc), il che dimostra che non ha un sostanziale nucleo di ferro, al contrario della Terra. Inoltre, le roccie lunari contengono pochissima acqua, che implica che la superficie lunare è stata evaporata degli elementi più leggeri. Infine, la teoria di formazione della Luna deve spiegare perché l’abbondanza relativa di isotopi di ossigeno sulla Terra e sulla Luna sono identici, il che suggerisce che la Terra e la Luna si sono formati alla stessa distanza dal Sole.

Ecco alcune delle teorie proposte per spiegare la formazione della Luna:

* La teoria della fissione: questa propone che nei primi tempi del sistema solare la Terra ruotasse in modo così rapido che la Luna si è staccata per effetto di forze centrifughe, creando il bacino di un Oceano (si presume l’Oceano Pacifico). Questa teoria non spiega però l’evaporazione degli elementi leggeri dalle roccie lunari e richiede una rotazione terrestre iniziale troppo elevata e non è compatibile con l’età relativamente giovane della crosta oceanica.
* La teoria della cattura: questa teoria ipotizza che la Luna si sia formata in un’altra zona del sistema solare e che sia stata catturata dal campo gravitazionale della Terra. Ma le condizioni necessarie per questo meccanismo di cattura non sono molto plausibili, ed ancora una volta, non spiega il perché della carenza di elementi leggeri nelle roccie lunari.
* La teoria della coformazione: Questa teoria presuppone che la Terra e la Luna si siano formate assieme nello stesso periodo dallo stesso disco di accrescimento da cui si è creato il sistema solare. Questa teoria però non spiega perché la Terra abbia un nucleo di ferro mentre la Luna ne sia carente, ed ancora una volta non c’è una spiegazione per la mancanza di elementi leggeri dalla superficie lunare.

Queste teorie sono state finalmente scartate.
La teoria che viene correntemente discussa e che è la più accettata dalla comunità scientifica, è la teoria dell’impatto gigante. Questa teoria propone che un grande oggetto, presumibilmente delle dimensioni di Marte, abbia impattato con la Terra subito dopo la formazione del sistema solare, circa 4,45 miliardi di anni fa, espellendo grandi volumi di materiale riscaldato dagli strati esterni dei due corpi. Questo impatto ha avuto come conseguenza la creazione di un disco di materiale in orbita attorno alla Terra. Eventualmente la gravità ha raccolto il materiale insieme per così formare la Luna. Questa teoria spiega perché la Luna sia costituita maggiormente da roccia e come la superficie sia carente di elementi leggeri. Inoltre, i dati dimostrano che in molte zone del sistema solare, collisioni del genere erano molto comuni nei primi tempi.
Ecco, la prossima volta che guarderai la Luna avrai un sacco di cose a cui pensare.