Divulgazione Scientifica: Astronomia, storia dell'astronomia

Il lungo cammino del polo

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Il fenomeno di precessione, detto anche grande ciclo o anno platonico, anima l'asse terrestre. Quest'ultimo è inclinato di 23° 26' sul piano dell'eclittica e descrive un cono di pari semiampiezza nel corso di 25 mila e 800 anni; inoltre esso produce, col tempo, lo spostamento in posizione di tutte le stelle rispetto al sistema di coordinate (ascensione retta e declinazione) che è riferito all'equatore e ai poli celesti. Le estremità ideali dell'asse terrestre, trascinate nel movimento conico di precessione, descrivono dunque nel firmamento due circonferenze di pari ampiezza, una nell'emisfero boreale centrata in corrispondenza di una nebulosa gassosa nella costellazione del Dragone, l'altra nell'emisfero meridionale con centro nella costellazione del Dorado, molto prossimo alla Grande Nube di Magellano. Ambedue le circonferenze sottendono 23° 26' di raggio e, mentre la prima viene percorsa in senso retrogrado (cioè da est verso ovest) l'altra lo è in senso diretto. I due circoli individuano dunque le posizioni assunte, epoca per epoca, dai poli celesti: le stelle candidate per la propria ubicazione a fungere da Polare per l'emisfero settentrionale sono state, col tempo, diverse e lo saranno nel remoto futuro. Circa 4000 anni avanti la nostra era, fu la fievole stella 4 della costellazione del Dragone, ad indicare la direzione del nord alle sparse tribù dell'età del bronzo che abitavano i fertili altipiani della Mesopotamia. Quindici secoli dopo, nel 2500 a.C., gli astronomi egizi della seconda dinastia eseguivano misure d'altezza della Polare riferendosi alla stella a della medesima costellazione, e di uguale splendore. È questa Thuban, che fu la polare al tempo del re di Uruk e Gilgamesh. Trascinata dal costante moto di precessione, l'estremità nord dell'asse del mondo continuò a spostarsi lentamente lungo l'immaginario circolo celeste passando, nel 1000 a.C., fra la stella k del Dragone e la b dell'Orsa Minore. Quell'epoca, che assistette all'invasione dei Dori ed alla distruzione di Troia, segna anche l'ingresso del polo celeste nella costellazione ove si trova ancora al giorno d'oggi. Alla stella b UMi, tre volte più luminosa dell'altra nel Dragone, fu facile aggiudicarsi il ruolo di astro guida, nonostante si discostasse di almeno 6° dal polo reale: i Cinesi la considerarono l'effige celeste della dea Tou-Mu la quale aveva il potere di salvaguardare i marinai dai naufragi, ed era stata assunta ed ospitata nel polo proprio per questo scopo, insieme al marito e al figlio. La chiamavano anche «stella reale» e la osservavano attraverso dischi forati di giada, gli Hsun-Chi e i Pi i quali, tenuti a distanza dall'occhio dell'osservatore di modo che la loro periferia venisse a coincidere con un certo numero di stelle determinate, consentivano di localizzare con precisione il polo celeste.
Nei secoli successivi gli Arabi chiamarono la stella col nome di Al Kaukab-ash-Shamali (Kochab è ancora la denominazione di b UMi) che vuol dire «la Stella del Nord», e ritroviamo effigiato l'astro in incisioni risalenti all'epoca della seconda rivolta degli Ebrei (132 a.C.) nelle quali esso si vede sovrastare il tempio di Gerusalemme. Si tratta di una circostanza simbolica poiché il condottiero ebraico rispondeva al nome di Bar Kochabh che significa letteralmente «figlio della stella», della stella del Nord appunto, come ricordava l'accezione araba del nome. All'epoca di Talete e di Eudosso (Vll-IV sec. a.C.), essendo Kochab la polare del momento, risalgono le citazioni più antiche riguardo all'Orsa Minore in qualità di costellazione distinta dalle altre. La nostra Polaris, a UMi, l'astro principale della plaga celeste, si trovava ad essere allora anche l'astro più luminoso che girava da presso intorno al polo. Fu forse per questa ragione che a UMi venne conosciuta come Stella Polare, dall'etimo di poléo (io giro). Se questo è vero, appare curioso pensare che, contrariamente alla caratteristica d'immobilità oggi attribuita all'astro del nord, per i nostri antenati la proprietà saliente della Polare fosse invece quella di girare. Ma è più plausibile, a ben riflettere, che l'etimologia di polo e polare sia da collegarsi al significato di «cardine» o «perno» dell'ideale sfera celeste trascinante, infisse, le stelle durante la propria rotazione diurna.

Ma torniamo alla precessione del polo. Intorno al lX secolo della nostra era, nella lenta gara di staffetta, intervenne ad assumere il ruolo di Polare la debolissima stella 32 H della costellazione della Giraffa: fu essa che guidò probabilmente i Vichinghi nelle loro avventurose scorribande per i mari del nord. Ma ormai incalzava la a UMi, la più fulgida stella dell'Orsa Minore; e fu essa a subentrare nella preziosa funzione di indicatrice del nord. È probabile che gli Arabi rimanessero indignati dalla perdita di incarico e di dignità subita dalla stella Kochab che continuavano, d'altra parte, a considerare la legittima detentrice del titolo di Polare. Riguardarono pertanto la stella a alla stregua di un'usurpatrice senza scrupoli, una malvivente della peggiore specie, e giunsero a chiamarla finanche col nome di Al-Ruccabah che vuol dire «furfante». II polo celeste boreale, da parte sua, si è andato accostando sempre più alla a UMi nel corso degli ultimi secoli. La marcia di avvicinamento alla a UMA proseguirà fino al 2100. A partire da quell'epoca, la stella più fulgida della Piccola Orsa verrà abbandonata dall'estremità dell'asse terrestre il quale, fra un centinaio d'anni, finirà con l'uscire dall'attuale costellazione per penetrare in quella adiacente del Cefeo. Nel 40° secolo avvicinerà la stella g o Er Rai di quella costellazione: poi, dopo altri 20 secoli, eccolo avanzarsi, fra la b e la i . Seguiranno altri 1500 lunghi anni, ed infine la stella a Cephei, Alderamin, in magnitudine 2,6, diverrà la nuova Stella Polare. Il corso del polo lungo il circolo di precessione sarà destinato a raggiungere poi altre tappe importanti. A partire dall'anno 9000 ecco la splendida stella Deneb, nella costellazione del Cigno, farsi avanti ber reclamare il suo ruolo di astroguida, forse ormai del tutto inutile per un'umanità che avrà appreso da tempo ad utilizzare sistemi impensabili di orientamento. Nell'anno 10.700 d.C. la stella d , posta all'estremità della Gran Croce del Nord (costellazione del Cigno), verrà ad occupare esattamente il punto più settentrionale del cielo ma, dall'anno 13.000 in avanti, il corso del polo, mutando ancora plaga celeste, si dirigerà alla volta di una delle più fulgide gemme del firmamento boreale: la stella Vega, nella Lira. Può essere curioso notare che, dalla nascita di Cristo fino all'epoca in cui sarà Vega a culminare sulle regioni iperboree del nostro pianeta, sarà trascorso quasi esattamente mezzo anno platonico durante il quale l'estremità dell'asse della Terra avrà descritto per metà il suo lungo circolo di precessione attraverso le costellazioni del firmamento.

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Le costellazioni circumpolari boreali

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Tum quoque de ponto surgit Delphinus ad astra,
oceani caelique decus, per utrumque sacratus.
Quem rapido conatus Equus comprendere cursu
festinat pectus fulgenti sidere clarus
et finitur in Andromeda, quam Perseus armis
eripit et sociat sibi.

E poi anche, dal mare, assurge agli astri il Delfino,
ornamento dell'Oceano e del cosmo, eletto per entrambi gli elementi.
Con travolgente galoppo, tendano di raggiungerlo, accelera
il Cavallo, con una stella fulgente che gl'illumina il petto,
ed è concluso in Andromenda, che Pérseo armato
libera e a sé congiunge.

Manilio, Il poema degli astri libro I (344 - 351)

Cepheusque et Cassiepia
in poenas signata suas iuxtaque relictam
Andromedan, uastos metuentem Pristis hiatus,
[expositam ponto deflet scopulisque reuinctam]
ni ueterem Perseus caelo quoque seruet amorem
auxilioque iuuet fugiendaque Gorgonis ora
sustineat spoliumque sibi pestemque iudenti.

E poi Cefeo e Cassiopea,
in atto che ne figura la condanna e pressa alla derelitta
Andromeda, paurosa delle fauci immani della Balena,
[la piange esposta alla marina e incatenata agli scogli]
se Pérseo anche in cielo non fosse fedele all'antico amore
e non le porgesse soccorso e non sorreggesse il non contemplabile volto
della Gòrgone, trofeo per lui e rovina per chi vi fissi lo sguardo.

Manilio, Il poema degli astri libro I (354 - 360)

Astrorum quidam uaris dixere figuras,
signaque diffuso passim labentia caelo
in prprium cuiusque genu causasque tulere;
Persea et Andromedan poena matremque dolentem
soluentemque patrem, raptamque Licaone natam,

Taluni hanno poi parlato delle varie configurazioni celesti,
e delle costellazioni che s'aggirano diffuse negli spazi sterminati
stabilirono la qualità e le origini proprie di ognuna;
e di Pérseo perché libera dal supplizio Andromeda e dal dolore
la madre e il padre, e della figlia di Licaone per il ratto subito,

Manilio, Il poema degli astri libro II (25 - 29)

Ater in aduersum positus succedit ad Arctos
et paulum a boreae gyro sua fila reducit
transitque inuersae Cassiepiae,
inde per obliquum descendes tangit Olorem [.]
Geminosque per ima
Signa secat, subit Heniochum, teque, unde profectus,
Cassiepia, petens super ipsum Persea transit
orbequem ex illa coeptum concludit in ipsa;

L'altro circolo, messo di traverso al primo, si accosta alle Orse
e un poco arretra il proprio tracciato dal giro boreale
e passa attraverso la costellazione della capovolta Cassiopea,
quindi discendendo in senso obliquo va a toccare il Cigno [.]
a taglia i Gemelli attraverso la parte
bassa del segno, passa sotto l'Auriga e a te, donde partiva,
o Cassiopea, volgendosi passa al di sopra esatto di Pérseo,
e l'orbita da quella cominciata in essa conclude;

Manilio, Il poema degli astri libro I (684 - 387) (695 - 398)


Iam tum, cum Graiae uerterunt Pergama gentes,
Arctos et Orion aduersis frontibus ibant,
haec contenta suos in uertice flectere gyros,
ille ex diuerso uertentem surgere contra
obuius et toto sempre decorrere mundo.

Già allora, quando le genti Graie spiantarono Pergamo,
l'Orsa e Orione andavano su fronti opposti,
questa astretta a volgere le proprie orbite sul polo,
quello a sorgerle di fronte quand'essa ruota
dal lato opposto e a scorrere sempre per l'universo intero.

Manilio, Il poema degli astri libro I (501 - 505)

Circulus ad borean fulgentem sustinet Arcton
sexque fugit solidas a caeli uertice partes.

Un Circolo sostiene la splendente Orsa boreale
E si discosta di sei gradi pieni dal polo celeste.

Manilio, Il poema degli astri libro I (566 - 567)

Nec paribus posiate sunt frontibus: utraque caudam
uergit in alterius rostro sequiturque sequentem.
Has inter fusus circumque amplexus utramque
diuidit et cingit stellis ardentibus Anguis,
ne coeant abeantue suis a sedibus umquam.

Né sono collocate fronte a fronte: entrambe la coda
Orientano sul muso dell'altra e si seguono a seconda.
Disteso tra costoro e all'intorno abbracciandole, entrambe
Separa e circonda il Serpente con ardenti stelle,
che non si congiungano o mai s'allontanino dalle sedi loro proprie.

Manilio, Il poema degli astri libro I (303 - 307)

A tergo nitet Arctophylax idemque Bootes,
quod simili iunctis instat de more iuuencis,
Arcturumque rapit medio sub pectore secum.

A tergo risplende il Guardiano delle Orse, ovvero Boote,
poiché in simile maniera pungola giovenchi aggiogati,
e trascina con sé sotto il petto, al centro, Arturo.

Manilio, Il poema degli astri libro I (316 - 318)

Maioremque Felice maior decircinat arcum
(septem illam stellae certantes lumine signant),
qua duce per fluctus Graie dant uela carinae.

E l'arco maggiore lo sviluppa l'Elice maggiore
(sette stelle la distinguono, in gara di luminosità tra loro),
e con essa che le conduce spiegano le vele tra i flutti le Graie carene.

Manilio, Il poema degli astri libro I (296 - 298)

At qua fulgentis caelum consurgit ad Arctos,
omnia quae summo despectant sidera mundo
nec norunt obitus unoque in vertice motus
in diuersa cient caelumque et siderea torquent,
aera per gelidum tenius deducitur axis
libratumque regit diuerso cardine mundum;

Ma là dove il cielo culmina col fulgore delle Orse,
che dalla vetta del cosmo contemplano verso il basso tutto il firmamento,
né sanno che sia scomparire e su di un solo vertice in senso opposto
avviano il movimento e al cielo e stelle danno l'impulso a ruotare,
un asse sottile si delinea attraverso il gelo dell'aria
e regge l'universo equilibrato con opposti perni;

Manilio, Il poema degli astri libro I (275 - 280)

His inter solisque uias Arctosque latentis,
axem quae mundi stridentem pondere torquent,
orbe peregrino caelum depingitur astris,
quae notia antuqui dixerunt sidera uates.

Da questi astri, tra le vie del sole e le Orse nascoste
che fanno girare l'asse del cosmo cigolante sotto il suo peso,
è trapuntato il cielo nell'emisfero ch'è forestiero per noi:
australi dissero gli antichi vati queste costellazioni.

Manilio, Il poema degli astri libro I (443 - 446)

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Il modello di Tolomeo

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I Sumeri, i Babilonesi, gli Egizi furono attenti e scrupolosi osservatori dei fenomeni celesti, ma solo i Greci riuscirono ad ottenere importanti risultati nell'impresa di razionalizzare le osservazioni effettuate. Gli astronomi greci si proposero tra gli obiettivi primari del loro lavoro la costruzione di un modello geometrico dei fenomeni celesti che ne consentisse sia una semplice e corretta interpretazione, sia una facile e affidabile previsione.
L'impresa degli astronomi greci di geometrizzare l'Universo trovò la sintesi migliore nell'opera dell'alessandrino Tolomeo (100-170 d.C.), che ideò un sistema in grado di rendere conto dei movimenti di tutti i corpi celesti, compresi i pianeti, con una precisione che in generale è anche superiore a quella consentita dalle rilevazioni eseguite a occhio nudo. I Tolomei d'Egitto fecero di Alessandria la splendida capitale culturale dell'ellenismo. Qui essi crearono il Museo ( Mouseion , luogo consacrato alle Muse), dove gli studiosi, mantenuti a spese del sovrano, potevano lavorare con particolare efficacia data la ricchezza di mezzi di ricerca e di materiale scientifico messo a loro disposizione. I 700.000 volumi raccolti nelle biblioteche del Museo rappresentavano praticamente tutto lo scibile umano del tempo, e ad esso gli studiosi di scienze e di letterature poterono attingere con grande profitto, sviluppando quel processo di specializzazione che già nel IV sec. a.C. era cominciato nella scuola di Aristotele.
Il modello di Tolomeo è qualificato come geocentrico perché pone la Terra all'interno delle orbite descritte dai pianeti, dal Sole e dalla Luna, anche se in posizione leggermente eccentrica, cioè un po' spostata rispetto al centro del sistema. Il sistema tolemaico, inoltre, presenta le seguenti caratteristiche:
- i pianeti si muovono lungo circonferenze (epicicli) i cui centri, a loro volta mobili, descrivono altre circonferenze, dette deferenti;
- la sfera celeste ruota attorno al proprio asse nel tempo di circa 24 ore;
- gli astri sono posizionati a distanze diverse dalla Terra e in una successione ben precisa (Luna, Mercurio, Venere, Sole, Marte, Giove, Saturno, Stelle fisse);
- il moto degli astri è determinato da un motore esterno (Primo Mobile), il quale riesce a vincere la passività che caratterizza la materia.
Fra le diverse osservazioni interpretate in modo convincente dal modello tolemaico ne riportiamo solo alcune. Il giorno sidereo, che è il tempo intercorrente fra due passaggi consecutivi di una stella sullo stesso meridiano, corrisponde al tempo impiegato dalla sfera celeste per completare il suo moto attorno alla Terra. Questo moto giornaliero, che avviene in senso orario da Est verso Ovest, coinvolge anche gli altri astri che, così come la sfera celeste, ruotano attorno alla Terra in senso orario, sorgendo da punti prossimi all'Est e tramontando in punti prossimi all'Ovest. Il Sole, la Luna e i pianeti, inoltre, realizzano un moto di rivoluzione attorno alla Terra in senso antiorario, da Ovest verso Est, e lo completano in tempi diversi. I moti di rivoluzione del Sole, della Luna e dei pianeti attorno alla Terra, ipotizzati da Tolomeo, spiegano in particolare perché:
- il Sole culmina su un determinato meridiano con un ritardo di circa 4 minuti rispetto alle stelle fisse (il giorno solare è perciò più lungo del giorno sidereo);
- l'intervallo di tempo fra due fasi lunari dello stesso tipo è di 29 giorni e circa 13 ore (tanto è il tempo impiegato dalla Luna per completare il suo moto di rivoluzione, mentre quello del Sole è di 365 giorni e circa 6 ore).
Il modello tolemaico, grazie all'invenzione degli epicicli e dei deferenti, riesce a spiegare bene anche perché in alcuni momenti il moto dei pianeti, pur avvenendo sempre in senso antiorario (diretto), può apparire da un osservatore terrestre come se si realizzasse in senso orario (retrogrado) dando l'impressione di un loro retrocedere.
È senza dubbio fra i migliori modelli proposti dagli astronomi greci e per oltre quindici secoli ha rappresentato un sicuro riferimento per tutti gli studiosi del cielo.
Anche coloro che avrebbero abbattuto Tolomeo lo trattarono con grande deferenza e lo considerarono un maestro. Copernico costruì il De revolutionibus sullo schema dell' Almagesto , concependolo quasi come una semplice correzione dell'opera dell'astronomo alessandrino, e Galileo sostenne di non avere "imparato astronomia da quei maestri delle prime bozze (come gli espositori della "sfera", ndr ), ma da Tolomeo". All'inizio del capitolo abbiamo già spiegato che non è sbagliato affermare che il Sole gira intorno alla Terra perché ciò è esatto dal punto di vista dell'osservatore; il movimento infatti non è una proprietà dell'oggetto come ad esempio la dimensione e il peso, dunque i movimenti degli astri e dei pianeti non sono ad essi connaturati. Il movimento è una proprietà dell'oggetto rispetto all'osservatore: noi affermiamo ad esempio che qualcosa sta alla nostra destra o alla nostra sinistra rispetto alla nostra posizione e due individui posti di fronte, sulla stessa riva di un fiume, vedono il corso d'acqua uno alla propria destra l'altro alla propria sinistra. I punti di vista di Tolomeo e di Galileo sono perfettamente equivalenti a causa della proprietà relazionale. Delle due la rappresentazione geocentrica è la più intuitiva ma ha un punto debole: presenta un errore fisico nel posizionamento dei pianeti. Nel systema mundi di Tolomeo è Venere, anziché Mercurio, a essere schierato vicino al Sole, e questo a causa dell'assunto secondo cui gli oggetti più vicini hanno periodi più brevi di percorrenza nel cielo. I Greci non erano interessati alla distanza degli astri e dei pianeti quanto piuttosto alla posizione angolare.

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La precessione Luni-solare

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La Terra è rigonfia all'equatore, di conseguenza l'azione gravitazionale del Sole e della Luna è più intensa in corrispondenza di questa zona che su tutte le altre regioni della Terra. Poiché l'asse terrestre è inclinato, l'asse dell'equatore e dell'eclittica non coincidono. L'azione attrattiva del Sole e della Luna tendono a raddrizzare l'asse terrestre rispetto al piano dell'eclittica e a far coincidere i due piani. La rotazione della Terra determina, da parte dell'asse, una risposta tale che questo tende ad oscillare rispetto al piano dell'eclittica, descrivendo un doppio cono con vertice comune nel centro della Terra. A tale movimento è stato dato il nome di precessione luni-solare. Per una migliore comprensione del fenomeno descritto, si può pensare ad una trottola in movimento con l'asse di rotazione inclinato. La forza di gravità tende a portare l'asse in posizione orizzontale e farebbe cadere la trottola se questa fosse ferma. Ciò però non avviene perché la trottola gira: per l'azione combinata della gravità e del moto di rotazione, l'asse effettua un movimento conico facendo oscillare la trottola. Il moto di precessione si completa in 26.000 anni. Nonostante la sua notevole lentezza, fu individuato nel II sec. a.C. dall'astronomo greco Ipparco. Egli, convinto sostenitore del modello geocentrico, riuscì, fra l'altro, a compilare un Catalogo comprendente le posizioni e le stime di splendore di oltre mille stelle. Dal confronto tra le posizioni da lui determinate e quelle stabilite circa un secolo e mezzo prima da Aristillo e Timocare, poté rilevare un aumento generale dei valori di ascensione retta: da qui scoprì il fenomeno della precessione e la necessità di distinguere l'anno solare dall'anno sidereo. Ipparco riuscì anche a precisare la posizione del Sole sulla sfera celeste in ogni giorno dell'anno, a determinare le dimensioni e la distanza della Luna, a sviluppare un sistema affidabile di previsione delle eclissi.

Quanto riferito sin qui su questo moto della Terra non deve apparire in contraddizione con il fatto che l'asse terrestre nel moto di evoluzione guarda sempre nella direzione della Stella Polare e, pertanto, è come se fosse immobile; questo è vero nel corso di un anno, di più anni ma per il moto di precessione, non è del tutto vero se si considerano tempi secolari o millenari. Oggi la stella più vicina al polo Nord celeste è la Stella Polare, ma non è stato e non sarà sempre così. Fra 13.000 anni a indicare il polo Nord sarà la stella Vega della costellazione della Lira, tra altri 13.000 tornerà a indicarlo la Stella Polare. Nel corso del moto di precessione l'inclinazione dell'asse si mantiene costante e perciò il cono risulta avere un'ampiezza angolare di 46° 54'.È evidente che il mutamento di direzione dell'asse terrestre comporta un continuo spostamento nello spazio dell'equatore celeste, il cui piano è perpendicolare a tale asse per cui varia anche l'intersezione del piano equatoriale col piano dell'eclittica, cioè si va spostando anche la linea degli equinozi. Siccome il moto conico dell'asse terrestre si compie in senso orario, anche la linea equinoziale si muove in questo senso, che è contrario (retrogrado) al movimento della Terra sull'orbita; lo stesso avviene anche sulla linea dei solstizi, essendo essa sempre perpendicolare a quella degli equinozi. In conseguenza della precessione degli equinozi, col tempo cambia la posizione che il Sole assume nei vari momenti dell'anno rispetto alle costellazioni dello Zodiaco. Ad esempio, mentre nel IV secolo a.C. all'inizio della primavera boreale il Sole si vedeva proiettato nella costellazione dell'Ariete, attualmente nello stesso periodo dell'anno lo si vede nella costellazione dei Pesci; come se da allora ad oggi lo Zodiaco si fosse spostato di una costellazione, ruotando di circa 30° verso oriente, cioè in senso antiorario. Tuttavia il quadro zodiacale riportato ancora oggi nei calendari è quello dell'antichità, e così quando si dice che il Sole è, ad esempio, nel segno dell'Ariete si deve intendere che esso si trova nella posizione in cui un tempo c'era questa costellazione, mentre attualmente c'è quella dei Pesci. Lo spostamento (anticipo) dei punti sull'orbita terrestre in cui si verificano gli equinozi e i solstizi non deve far credere che cambino anche le date di questi momenti fondamentali dell'anno: gli equinozi e i solstizi, che segnano l'inizio delle quattro stagioni astronomiche, cadono sempre alle stesse date del nostro calendario, che si basa sull'anno solare (o tropico) e non sull'anno sidereo.

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Il moto del Sole

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Gli antichi astronomi per spiegare in modo semplice le diverse traiettorie giornaliere del Sole e la diversa configurazione del firmamento, l'insieme delle stelle fisse dopo il tramonto, ipotizzarono un moto di rivoluzione del Sole attorno alla Terra sullo sfondo delle stelle fisse. Affermare che il Sole giri attorno alla Terra non è un errore, questa considerazione è corretta dal punto di vista dell'osservazione. Nelle scuole si continua a insegnare ai ragazzi che il Sole compie un moto apparente e ciò produce l'effetto perturbante di indurli a non fidarsi dei loro sensi. Dopo le considerazioni di Einstein sulla relatività e le proprietà relazionali sappiamo che i punti di vista di Tolomeo e Galileo sono perfettamente equivalenti, anzi, la rappresentazione geocentrica è la più intuitiva. Il movimento non è una proprietà dell'oggetto ma di questo rispetto all'osservatore.
Cerchiamo di seguire il filo del ragionamento degli astronomi antichi. Osservando dopo il tramonto del Sole per più giorni consecutivi la posizione di stelle particolarmente luminose, si può notare che esse tramontano sempre con maggior anticipo sino a che, dopo un certo numero di giorni, non risultano più visibili perché il loro tramonto arriva a coincidere con quello del Sole. Proseguendo le osservazioni, si può constatare che le stesse stelle scomparse precedono di poco il sorgere del Sole e via via anticipano sempre più la loro levata. È come se la sfera celeste si muovesse lentamente da est verso ovest in senso orario. Per osservare la stessa configurazione del firmamento da un determinato punto di stazione e in un determinato momento (per esempio, mezzanotte) deve passare un anno. Per interpretare le loro osservazioni, gli astronomi ipotizzarono la sfera celeste immobile e giustificarono il suo movimento annuale con il movimento annuale del Sole in senso antiorario (da ovest verso est) attorno alla Terra. La traiettoria descritta dal Sole nel suo moto annuale è detta eclittica. L'eclittica appare al centro di una fascia della sfera celeste, detta dello Zodiaco, che comprende 12 importanti costellazioni. L'eclittica è inclinata rispetto all'equatore celeste di 23° 27'. Quando il Sole nel suo moto annuale raggiunge il parallelo celeste 23° 27' nord (quando, cioè, il suo valore di declinazione è +23° 27') si ha il solstizio d'estate; quando il Sole raggiunge il parallelo celeste 23° 27' sud (quando, cioè, il suo valore di declinazione è -23° 27') si ha il solstizio d'inverno; quando il Sole è sull'equatore celeste (declinazione 0°) si hanno gli equinozi. La descrizione del moto annuale del Sole appare pienamente adeguata per spiegare sia la variazione di configurazione del firmamento nel corso dell'anno, sia le diverse traiettorie descritte dal Sole di giorno in giorno e quindi l'alternarsi delle stagioni.

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Orientamento sull'orizzonte e orientamento sul cielo

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Carl Gustav Jung sosteneva che la perdita dell'orientamento celeste provoca le nevrosi dell'uomo metropolitano. Orientarsi significa letteralmente cercare l'oriente, individuare cioè il punto da cui sorge il Sole, vuol dire in pratica individuare uno dei quattro punti cardinali al fine di posizionare correttamente tutti gli altri punti dell'orizzonte rispetto al punto di stazione. La linea meridiana, segnalata sempre nella stessa direzione dall'ombra più corta dello gnomone, è la retta che incontra la linea circolare dell'orizzonte in due punti cardinali: il sud (S), dalla parte dove a mezzogiorno si affaccia il Sole e il nord (N) dalla parte opposta. Sud e nord sono chiamati anche Mezzogiorno e Mezzanotte. Tutti gli osservatori che si trovano sulla stessa linea meridiana hanno il mezzogiorno nello stesso istante e naturalmente hanno in comune la direzione sud - nord.
La retta perpendicolare alla linea meridiana nel punto di stazione individua sulla linea circolare dell'orizzonte gli altri due punti cardinali: est (E) e ovest (W, dall'inglese west). L'est, detto anche oriente o levante, è definito di solito come il punto da cui sorge il Sole; l'ovest, detto anche occidente o ponente è il punto dove il Sole tramonta. Levante deriva dal latino levare , denominale di levis 'leggero' e significa 'che leva, che si leva', e oriente deriva da una voce dotta latina oriente(m), propriamente participio presente del verbo oriri di origine e d'area indoeuropea che significa 'sorgere', 'levarsi', 'alzarsi', è l'omerico orto. Occidente deriva dal latino occidente(m) , propriamente participio presente del verbo occidere 'cadere' o 'perire' con significato negativo di svanire, andare in rovina, in malora, essere perduto, tramontato. Ponente deriva probabilmente da pono col significato di metter giù, porre, collocare, deporre.
Per i popoli antichi il luogo dove tramonta il Sole è un luogo di sciagura, per questo motivo nella lingua italiana come in quelle indoeuropee la parola 'sinistro' indica ciò che è di cattivo auspicio, sfavorevole, infausto mentre il 'destro' è fausto, favorevole, propizio. Sinistro deriva dal latino sinister probabilmente dalla medesima radice di sine e significa 'differente', 'che differisce dal destro'. Nella teologia cristiana è la condizione di dannazione in quanto i dannati, nella visione dell'Apocalisse, stanno alla sinistra di Cristo giudice. Sinistro è inoltre interpretato come annuncio di sciagure e di calamità; si considera foriero di sventura: un segno celeste, l'apparire di un astro e in particolare il passaggio di una cometa o anche un evento eccezionale che si verifica al di fuori dell'ordine naturale, dall' influsso malefico o che annuncia l'ostilità delle forze soprannaturali 1. Ovidio scriverà: avibus sinistri , sotto cattivi auspici 2. In quanto termine religioso, presso i Romani che guardando a mezzogiorno avevano il levante a sinistra, vuol dire: favorevole, fausto, propizio, di buon augurio; mentre presso i Greci, che guardando a settentrione avevano il levante a destra, significa: infausto, sfavorevole; come vedremo questa accezione sarà assimilata in seguito dai Romani. Destro deriva dal latino dexter 'che è a destra' e significa: opportuno, propizio, favorevole 3. Nel linguaggio religioso è ciò che si mostra, appare a destra come segno fausto, che porta fortuna, salutare, propizio, favorevole; riferito a persona significa abile, intelligente e accorto. Esattamente il contrario si verifica nelle lingue semitiche ebraiche e fenicie. Per i popoli mediterranei come gli Egizi e gli Arabi che si orientano a sud il Sole tramonta a destra e sorge a sinistra, il faraone è sepolto con la faccia rivolta a sinistra. Nel Miles Gloriosus di Plauto l'aruspice dice che quando uno stormo di uccelli proviene da sinistra è presagio di sciagura. In seguito per Varrone sarà la destra a portare male, perché intanto è cambiata l'influenza culturale, da quella etrusca a quella greca con orientamento a sud.
Se osserviamo il cammino del Sole in più giorni dell'anno possiamo renderci conto del fatto che il Sole sorge esattamente a est e tramonta esattamente a ovest soltanto nei giorni degli equinozi (21 marzo e 23 settembre). I punti di levata e di tramonto del Sole si spostano progressivamente verso nord dopo il 21 marzo fino a raggiungere un limite nel solstizio d'estate (21 giugno) per poi tornare verso sud fino ad un altro limite nel solstizio d'inverno (22 dicembre). Pertanto, possiamo definire come est il punto medio della zona dell'orizzonte, detta zona ortiva, che comprende tutti i punti di levata del Sole. In modo analogo definiamo come ovest il punto medio della zona dell'orizzonte, detta zona occasa, che comprende tutti i punti in cui tramonta il Sole. Considerando che ad altezze via via crescenti del Sole corrispondo ombre sempre più corte, lo gnomone permette di leggere il trascorrere del tempo non solo nell'arco di un giorno, ma anche per tutto l'anno. Infatti, così come varia durante l'anno l'altezza raggiunta dal Sole a mezzogiorno, varia anche la lunghezza dell'ombra proiettata dallo gnomone nello stesso istante. In particolare, nel giorno del solstizio d'estate (21 giugno) si determina l'ombra più corta e in quello d'inverno l'ombra più lunga. Sulla base di osservazioni di questo tipo, condotte con scrupolo e sistematicità in Mesopotamia e nell'antico Egitto, fu possibile quantificare la durata dell'anno in 365,25 giorni già 5000 anni fa. L'anno così definito è da intendere come l'intervallo di tempo fra due equinozi o due solstizi dello stesso tipo (per esempio due equinozi di primavera o due solstizi d'estate).
La volta celeste è paragonabile a una cupola vuota che sembra poggiarsi sull'orizzonte; le stelle sono come "infisse" sulla sfera celeste e con il loro sorgere, spostarsi in alto e tramontare ci permettono di apprezzare la rotazione che questa sfera compie, da est verso ovest, attorno al proprio asse: l'asse celeste. Se si osservasse la volta celeste per 23 ore e 56 minuti consecutivi, a periodo ultimato si vedrebbero le stelle ritornare al punto di partenza, dopo aver descritto nel cielo un circolo completo. Questo intervallo di tempo è chiamato giorno sidereo, dal latino sidereus, 'delle stelle'. Nella lingua latina considerare significa 'osservare gli astri' o, secondo alcuni, 'con gli astri', mentre desiderare letteralmente 'cessare di contemplare le stelle a scopo augurale', quindi 'bramare', non una passione dunque, ma il desiderio negativo di ottenere ciò che non è possibile possedere.
L'asse celeste è il diametro della sfera celeste intorno al quale avviene la rotazione. Le due estremità dell'asse celeste sono chiamate poli celesti, uno dei quali è molto vicino a una stella della costellazione dell'Orsa minore: la Stella Polare (che sembra rimanere quasi ferma) e si denomina polo nord o polo Artico (dal greco arktos , che significa orsa). L'estremità opposta viene di conseguenza chiamata polo Antartico. I circoli massimi passanti per i poli celesti si chiamano meridiani celesti mentre l'equatore celeste è il circolo massimo della sfera celeste, che taglia a metà tutti i meridiani celesti e divide il cielo in due emisferi: settentrionale e meridionale. Paralleli all'equatore celeste e perpendicolari all'asse celeste sono i paralleli celesti. Con i poli e l'equatore, che abbiamo così individuato, è possibile costruire sulla sfera celeste un sistema di riferimento che ha un valore assoluto, indipendente cioè dalla posizione dell'osservatore. Questo sistema permette di assegnare ad ogni astro due coordinate, dette equatoriali perché utilizziamo come elemento fondamentale di riferimento l'equatore celeste.
Le coordinate astronomiche equatoriali sono la declinazione e l'ascensione. La declinazione è la distanza angolare dell'astro dall'equatore misurata sull'arco di meridiano compreso fra l'astro e l'equatore; viene espressa in gradi e frazioni di grado, positiva a nord e negativa a sud dell'equatore. L'ascensione retta è la distanza angolare dell'astro da un meridiano scelto come riferimento, quello che interseca l'equatore nel cosiddetto punto g (gamma), il punto d'Ariete. L'ascensione retta, misurata in senso antiorario sull'arco di equatore celeste compreso fra il punto (e l'intersezione con il meridiano passante per l'astro, viene espressa in ora e frazioni di ora. Le coordinate equatoriali, come si è detto, hanno un valore assoluto, nel senso che sono indipendenti dalla posizione occupata dall'osservatore. Un sistema di riferimento legato invece al punto di stazione è quello delle coordinate orizzontali.
Guardandoci intorno da un qualunque punto del nostro globo, il campo visivo, quando non si frappongono ostacoli di sorta (alberi, edifici, monti), ci appare limitato da un circolo lungo dove la volta celeste sembra toccare il suolo o le acque, circolo del quale noi occupiamo il centro e che viene chiamato orizzonte. Con tale parola di origine greca si suole indicare tanto la linea circolare delimitante, quanto la superficie in essa compresa. Impropriamente quest'ultima viene chiamata piano dell'orizzonte, ma si capisce facilmente che non può trattarsi di una superficie piana, bensì di una calotta, essendo la terra di forma sferica. Intenderemo pertanto come piano dell'orizzonte terrestre o sensibile il piano tangente alla Terra nel punto di osservazione detto punto di stazione.
L'orizzonte matematico o razionale è, invece, un piano parallelo all'orizzonte terrestre, passante per il centro della Terra. Nelle grandezze celesti il raggio terrestre è un valore del tutto trascurabile, per cui l'orizzonte sensibile e l'orizzonte razionale si possono considerare identici.
Due sono le proprietà fondamentali dell'orizzonte:
in qualunque punto della Terra esso è circolare.
il raggio dell'orizzonte, e quindi anche la superficie visibile, aumentano notevolmente col crescere dell'altezza.
Se ci proponiamo di determinare la posizione del piano dell'orizzonte dovremo partire da una linea nell'interno della sfera celeste che per noi è la verticale, ossia la direzione della gravità nel punto di osservazione e che ci sarà data in qualsiasi momento da un filo di piombo. Il piano dell'orizzonte non è altro che il piano perpendicolare alla direzione della gravità nel punto di osservazione. Se prolunghiamo la verticale sino alla volta celeste, essa la incontrerà in un punto detto Zenìt (voce araba che significa 'vertice') che rappresenta la proiezione del punto di osservazione sulla sera celeste. Il prolungamento della verticale in direzione opposta, cioè nell'emisfero invisibile, determina un altro punto, il Nadìr (dall'arabo nathir , l'opposto). In considerazione di quanto detto risulta che lo Zenìt viene a trovarsi a 90° sul piano dell'orizzonte, sulla verticale del punto di osservazione o di stazione. Questi sistemi di riferimento hanno orientato l'umanità, nel tempo e nello spazio, per migliaia di anni. Oggi purtroppo si è perso il riferimento tra i giorni e gli astri perché il tempo è stato trasformato in lavoro e riposo, in un'organizzazione di fabbrica s'è appiattito il ritmo della civiltà industriale. Inoltre l'inquinamento luminoso ha reso sempre più raro e fuori dalla portata della popolazione l'osservazione astronomica ad occhio nudo.

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Il Sole e lo gnomone

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Una scoperta notevole fu fatta dagli uomini circa 5000 anni fa quando si accorsero che, osservando il variare delle ombre dei corpi, potevano valutare e quantificare lo scorrere del tempo. Il primo rudimentale orologio, regolato sul moto del Sole, è stato lo gnomone (dal greco, "che fa conoscere"), costituito da un'asta posta verticalmente sul piano. Lo gnomone è uno strumento semplice da costruire e facile da usare.

Quando la sua ombra è la più corta, lo gnomone indica il mezzogiorno, cioè il momento in cui il Sole ha percorso metà del suo cammino, ma segna, altresì, la linea meridiana (dal latino meridies , 'mezzogiorno'), una linea di fondamentale importanza per l'orientamento. La posizione da noi occupata in un dato istante sulla superficie terrestre, o quella di un generico osservatore, è detta punto di stazione (dal latino statio , 'luogo in cui si sta'). Il nostro sguardo, se non ci sono ostacoli, arriva sino ad una linea circolare, che limita la porzione di Terra per noi visibile. Per orizzonte visivo sensibile s'intende propriamente non solo la linea circolare, ma anche la porzione di superficie terrestre da essa racchiusa. Il piano passante per il punto di stazione e tangente alla superficie della Terra (da considerare sferica, così come la concepirono gli antichi Greci) è detto piano dell'orizzonte o orizzonte apparente. Il piano dell'orizzonte è strettamente dipendente dalla posizione del punto di stazione sulla superficieterrestre.

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