Quali tipi di stelle ci sono nell’universo?

Quando pensate a una stella cosa vi viene in mente? Facciamo un esperimento “mentale”. Spegnete la luce e chiudete gli occhi. Immaginate di essere in montagna, di notte, mentre osservate un cielo limpido e senza Luna. Fatto? Cosa vedete? Raccontatelo, ma non aprite gli occhi mentre lo fate!

Sarebbe magnifico fare questo tipo di osservazioni di notte insieme ai ragazzi, vero? Ma non sempre è possibile, anzi…quasi mai. Altre opzioni? Possiamo chiedere loro di fare un’osservazione del cielo qualche sera prima della lezione e poi discuterne in classe, oppure…

Adesso aprite gli occhi, cosa vedete?

… proiettate, mentre la classe è al buio,  un’immagine con un cielo stellato, la più bella che riuscite a trovare.

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Come sono le stelle? Sono tutte uguali? Alcune sembrano più brillanti di altre? Alcune sembrano più grandi e altre più piccole? Avete notato qualcosa riguardo ai loro colori?

Probabilmente noteranno la differente luminosità e le diverse dimensioni delle stelle nel cielo. Qualcuno forse noterà anche che le stelle hanno colori diversi.

Quando osserviamo il cielo, ciò che vediamo è la luminosità apparente di una stella, ossia lo splendore di una stella così come arriva ai nostri occhi senza tenere conto della sua distanza dalla Terra. Naturalmente, alcune stelle hanno una luminosità apparente maggiore di altre. Fondamentalmente, ci sono due possibili motivi per questo: sono effettivamente più luminose (maggiore luminosità intrinseca) e sono relativamente vicine alla Terra. Le stelle hanno anche colori diversi anche se questo effetto non è sempre così evidente.

Le stelle nel cielo scintillano (osservate dal vivo, naturalmente!), ossia la loro immagine sembra cambiare intensità tremolando leggermente mentre la osserviamo. Questo, in realtà, è un effetto ottico dovuto alle leggere distorsioni del percorso della luce mentre passa attraverso l’atmosfera terrestre. Movimenti irregolari dell’atmosfera, insieme a diverse temperature da luogo a luogo, che forniscono all’aria un indice di rifrazione lievemente diverso, fanno variare leggermente e in modo irregolare il percorso della luce delle stelle nel tempo. Questo risulta in ciò che noi “romanticamente” percepiamo come tremolio ma che gli astronomi considerano un problema da affrontare che chiamano seeing (letteralmente visibilità) riferendosi all’effetto di sfocamento degli oggetti astronomici dovuti all’agitazione dell’atmosfera terrestre.

Sarebbe interessante far investigare ai ragazzi la relazione tra luminosità e distanza dalla sorgente facendo osservare, al buio, lampadine con potenza diversa (ad esempio 40-60-100W) delle stesse dimensioni, possibilmente bianche, poste a diverse distanze. Per esempio, si potrebbe far osservare inizialmente le lampadine poste tutte a una distanza di almeno 10 metri dai ragazzi, poi si potrebbe spostare quella da 40W di 5 metri in avanti verso i ragazzi chiedendo qual è la lampadina più luminosa e, infine, mettere le lampadine da 40W e da 100W sul fondo della stanza e quella da 60W a metà strada chiedendo di confrontare le varie luminosità.

Se si dispone di un misuratore di intensità luminosa si potrebbe anche far testare una lampadina alla volta facendo annotare la luminosità di ciascuna alle diverse distanze. Sicuramente noterebbero che c’è una relazione tra l’intensità luminosa e la distanza e che la brillantezza diminuisce all’aumentare della distanza.

Sarebbe bello farlo, ma io questa volta non ho tempo e devo sacrificare questa esplorazione.

Ne discutiamo invece in via teorica, facendo un altro “esperimento mentale” e facendo previsioni sui risultati. Spiego, quindi, ai ragazzi che poiché la distanza di una stella e la sua luminosità assoluta influenzano la luminosità che noi osserviamo dalla Terra, gli scienziati devono determinare almeno uno di questi due parametri in modo indipendente per poter interpretare il significato della luminosità di una stella vista dalla Terra.

Come fanno?

Il metodo che usano gli astronomi è simile a quello usato dai topografi. È una forma di triangolazione. Per prima   cosa si stabilisce una linea di base. Disegnando una linea immaginaria a partire da ciascun estremo della linea di base all’oggetto che deve essere misurato, si forma un triangolo. I topografi possono poi misurare l’angolo tre le due linee tracciate che arrivano all’oggetto. Poiché dato un lato e due angoli oppure un angolo e due lati è possibile calcolare l’intero triangolo, è possibile ricavare la distanza dell’ oggetto geometricamente. Più lontano è l’oggetto, però, più lunga deve essere la linea di base. Per oggetti molto distanti come le stelle, gli astronomi hanno bisogno della linea di base più grande che possono prendere, così usano l’orbita della Terra intorno al Sole (in questo caso la linea di base è lunga 2UA) per misurare il loro angolo di parallasse .

Parallasse

È bene che capiscano che la distanza di una stella dalla Terra è una cosa importante da considerare quando si valuta il significato della luminosità relativa della stella mentre si osserva il cielo di notte.

Ho dovuto sacrificare l’esplorazione della relazione tra luminosità e distanza della sorgente, ma decido di far investigare quella tra luminosità e temperatura delle stelle.

Investigare le stelle

Le stelle hanno dimensioni e colori diversi. Gli scienziati possono determinare il tipo di stella studiando il suo colore e la sua luminosità. Una volta che conosciamo il tipo di stella, possiamo stimare la sua età, quanto a lungo può vivere e la quantità di energia che sarebbe in grado di fornire ad un pianeta vicino. Questa è una informazione molto importante da sapere quando si vuole determinare se una stella può supportare la vita su un pianeta o su un satellite che vi orbita intorno (astrobiology addict!).

Appendiamo alla parete un cartellone in cui ho disegnato gli assi cartesiani di un grafico temperatura/luminosità. Distribuisco a ciascuno studente una serie di cerchietti colorati (circa un centinaio) che rappresentano stelle di vario tipo.

Esaminate i cerchi colorati che vi ho consegnato. Come potete vedere ciascun cerchio contiene le seguenti informazioni:

  • nome della stella – il nome comune o il nome del catalogo stellare
  • temperatura – la temperatura superficiale della stella
  • luminosità – in numero di volte che la stella è più brillante del nostro Sole (una frazione indica che è meno luminosa del Sole)
  • durata della vita – il numero di anni in cui le stelle di questo tipo si pensa possano rimanere in queste condizioni di colore e luminosità.

A turno, posizionate correttamente i cerchietti colorati sul grafico temperatura/luminosità. IMG_6082

Mentre sistemano i cerchietti nel grafico è bene far notare che le posizioni delle stelle su questo diagramma dovrebbero essere considerate approssimate.

A piccoli gruppi discutete la distribuzione delle stelle sul grafico considerando queste domande:

  1. che cosa rappresenta l’asse verticale del grafico?    L’asse verticale del grafico rappresenta la luminosità di una stella, chiamata luminosità intrinseca. La luminosità di una stella rappresenta la luce emessa dalla stella ed è una caratteristica indipendente dalla distanza della stella dalla Terra.
  2. che cosa rappresenta l’asse orizzontale? L’asse orizzontale rappresenta la temperatura superficiale di una stella in kelvin.
  3. qual è la temperatura superficiale e la luminosità del Sole? Il Sole ha una luminosità di 1 e una temperatura superficiale di circa 5500 K.
  4. descrivi l’andamento della distribuzione delle stelle sul grafico secondo la relazione tra luminosità e temperatura;
  5. qual è il colore e la luminosità della maggior parte delle stelle?
  6. quali sono le caratteristiche delle stelle, meno numerose, che non concordano con l’andamento del grafico?
  7. secondo l’andamento del grafico, il nostro Sole è una stella tipica o una eccezione?
  8. se sostituiste la scala di temperatura sull’asse delle x con la scala di colore, quale colore sarebbe il più vicino all’origine degli assi e quale il più lontano?

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Terminata la discussione delle risposte, inseriamo nel grafico quattro cerchietti con le lettere A, B, C e D per mostrare la posizione delle stelle che sono:

A. calde e luminose

B. calde e poco luminose

C. fredde e poco luminose

D. fredde e brillanti.

A questo punto consegno un’altra scheda di lavoro con un’immagine del diagramma H-R e una tabella con le caratteristiche di quindici stelle.

2

Una sintesi importante di ciò che sappiamo sulle stelle è il diagramma di Hertzsprung-Russel (H-R), che indica la posizione delle stelle che rientrano nell’andamento generale (chiamate stelle di sequenza principale), le supergiganti, le giganti rosse e le nane bianche.

A piccoli gruppi, analizzate il diagramma e poi, utilizzando la luminosità e le temperature superficiali delle stelle presenti nella tabella dati, inserite nel grafico tutte le stelle indicate. 

Copia di 1

Mentre lavorano è bene far notare che le scale su entrambi gli assi del diagramma HR non sono lineari. Altra cosa da far notare che è che in questa attività i termini giganti rosse e giganti sono stati usati in modo intercambiabile in quanto le giganti rosse ricadono all’interno della categoria giganti come mostrato nella figura.

Ora classificate ciascuna stella in una delle seguenti 4 categorie e completate la tabella:

– sequenza principale

– giganti rosse

– supergiganti

– nane bianche.

Tutto è filato liscio. I ragazzi, come sempre, sono stati bravissimi e sono riusciti a cogliere tutti gli aspetti fondamentali. E’ stato divertente vedere la loro espressione quando ho consegnato la seconda scheda con il diagramma H-R. Li ho visti confrontarlo subito con il grafico che avevano costruito una stella alla volta con grande interesse. La fase di esplorazione è terminata. È arrivato il momento di capire bene come stanno le cose: passo quindi alla fase di explain!

P.S. -> Se vi interessano le schede di lavoro scrivetemi!

Riferimenti e link utili

EarthComm, American Geosciences Institute’s space and Earth systems science, It’s About Time

Evoluzione stellare interattiva

17 pensieri su “Quali tipi di stelle ci sono nell’universo?

  1. Mi chiedo: questi ragazzi rivedono 6 mesi dopo gli stessi argomenti affrontati nella terza media.
    Qual è il senso di questa riforma?
    Temi come l’astronomia o la stessa geologia dovrebbero essere ripresi dopo qualche anno, quando cioè astrazione e processi critici consentiranno loro di approfondire le stesse o altre tematiche, scientifiche e non (rapporto scienza e fede per esempio)

    • Hai ragione, sembra una ripetizione “prematura”. Sicuramente sono argomenti che sarebbe meglio trattare quando hanno qualche base in più di fisica e chimica ma devo dirti che tutto sommato non va malissimo. Tieni conto anche di una cosa: la maggior parte dei miei ragazzi non aveva mai sentito parlare di stelle in questi termini. Molti arrivano con tanta matematica alla spalle ma pochissimo di tutto il resto. Comunque… Facciamo quel che possiamo, meglio che possiamo. 🙂

    • Claudio voglio ringraziarti per le tue osservazioni dei giorni scorsi. Mi hanno fatto riflettere molto. Stamattina in classe ho avuto un ragazzino di terza media che ha passato la mattinata da noi nell’ambito di attività di orientamento. Ha assistito alla mia lezione proprio in una prima e ricordandomi le cose che mi hai scritto ho voluto fargli alcune domande. Come fai tu, anche lui con la sua insegnante sta facendo a scuola esattamente quello che abbiamo fatto in stamattina! A questo punto più che mai incuriosita ho approfondito la questione con i miei studenti. Perché stiamo affrontando gli stessi argomenti come se non li avessero mai sentiti prima? Il campione è piccolo e quindi non molto significativo ma sono emerse due cose: alcuni non ne sapevano effettivamente niente (pochi), gli altri NON RICORDANO più quasi nulla, giusto qualche nome. La classe è in gamba e credo siano stati sinceri. Ancora una volta ho avuto conferma che il modo tradizionale di fare lezione non paga veramente più. E non si tratta del passaggio medie-superiori, è così anche da un anno all’altro nell’ambito della stessa scuola! Non si tratta solo di linee guida mal pensate, temo ci sia molto di più. La necessità di muoversi da una didattica trasmissiva verso una didattica attiva non viene dalle mode del momento ma è un’esigenza vera. Che ne pensi?

  2. Ciao Barbara, penso esattamente le stesse cose che hai scritto.
    La verità è che l’informazione diventa conoscenza se e solo se assume un senso, un significato.
    E il significato si apprende “facendo”: alla lezione frontale deve seguire l’attività pratica e condivisa che consenta di sporcarsi le mani con la teoria.
    Tutto il resto è destinato a perdersi nel giro di pochi anni (o mesi?): è la normalità.
    Quindi Cooperative Learning e problem solving.
    La mia sperimentazione triennale si conclude a giugno di quest’anno: seguirò i ragazzi nel loro percorso alle superiori.
    Ti confesso che sono curioso di capire come e se le competenze acquisite forniranno loro un piccolo “valore aggiunto” nel percorso dell’autonomia.
    Te li avrei “consegnati” volentieri
    😉
    Claudio

  3. Cara Barbara, ho letto con molta attenzione il lavoro che hai fatto sul diagramma di HR e vorrei rifarlo con i miei ragazzi di prima ( tu sai bene la mia formazione ” chimica” e quindi non posso altro che imparare…): volevo per questo chiederti se i primi dischetti che tu dai ai ragazzi sono già stati pre compilati da te con la scelta di un centinaio ( giusto?) di stelle perché ingrandendo la seconda immagine ho visto che in realtà sono contrassegnati da numeri ….
    Scusami per la banalità della richiesta ma mi considero davvero neofita nel campo
    Ciao
    P.S se per te e’ più comodo ti scrivo via mail

    • Si Paola,
      nei dischetti ci sono già i dati delle stelle. Loro devono posizionarli e poi analizzare l’andamento dei “numeri” e dei colori.
      Per qualunque cosa scrivimi pure via mail! 🙂

    • In questo tipo di attività i ragazzi non raccolgono dati diretti ma analizzano dati indiretti alla ricerca di evidenze per rispondere alle domande assegnate. Spero di essere stata più chiara! 🙂

  4. Pingback: Una stella in una scatola | IBSE e dintorni

  5. Ciao Barbara. Complimenti per il blog..semplicemente meraviglioso! Vorrei proporre l’attività “quali stelle ci sono nell’universo?” alla mia prima scienze applicate. Potresti mandarmi le schede?E’ la prima volta che scrivo e non so se devo scrivertelo in questa sede o mandarti una mail. Fammi sapere e grazie di quello che condividi con noi!!

  6. Ciao Barbara! Complimenti per il sito, una vera fonte di ispirazione!! Volevo chiederti la cortesia di inviarmi le schede di lavoro dell’attività sulle stelle. Grazie!

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