Cos'è l'Anno-Luce? II

Cos’è l’anno luce?
A quanti chilometri equivale?
Ma soprattutto... quanto è grande?

(Vedi anche questo vecchio post)

Usato nella fantascienza e in alcuni modi di dire, l’anno luce è forse una delle parole più famose dell’astronomia. Una parola composta che quando la senti ti affascina perché raccoglie in sé il noto e l’ignoto. Infatti, prese singolarmente le due parole che la compongono, ci sono molto familiari: Anno e Luce.

• L’anno è una unità di misura del tempo e più precisamente è il periodo che la terra impiega a fare il giro attorno al Sole. 
• La luce, potremmo dire, è quella cosa che i nostri occhi percepiscono. È una definizione molto superficiale perché la luce è qualcosa di più complesso, è una vera e propria trasportatrice di informazione. 

Questi due sostantivi, uniti, formano la parola “anno-luce”. Una parola che a me incute un senso di vuoto e mi dà l’idea di un immenso e buio spazio freddo. Eppure è affascinante perché dietro di lei si cela una delle possibili strade da percorre per familiarizzare e capire quanto è grande l’universo...

Cos’è l’anno-luce? 

L’anno-luce è la distanza che la luce percorre nel vuoto in un anno giuliano. 

Sono subito necessarie alcune precisazioni:

1. Prima. In genere si parla di luce ma in realtà quanto detto vale per tutte le onde elettromagnetiche: dalle onde radio ai raggi-gamma passando per la luce visibile. Infatti tutte le onde elettromagnetiche viaggiano a quella che comunemente chiamiamo velocità della luce. 
2. Seconda. Per vuoto non si intende solo l'assenza di materia ma anche l'assenza di altri "disturbi" che possono influenzare il tragitto della luce: come per esempio il campo gravitazionale di un corpo Celeste.
3. Terza e ultima precisazione. Un anno Giuliano è un anno che dura 365,25 giorni. Cioè un anno che dura 6 ore dei classici 365 giorni. 

Dalla definizione spero sia chiaro che l'anno luce è un’unità di misura delle distanze - non del tempo - anche se al suo interno c’è la parola anno che può trarre in inganno.
Vedetela così: la parola "anno" sta a indicare per quanto tempo dobbiamo cronometrare la luce, che viaggia alla sua velocità, per poi misurarne la distanza percorsa. E tutto sommato è abbastanza intuitivo come concetto, perché se immaginate l'asse che congiunge il Sole con la Terra come una sorta di lancetta di orologio che gira - capirete subito che l'anno corrisponde a un giro completo della lancetta Terra-Sole.

Cerchiamo ora di capire come determinare praticamente questa unità di misura utilizzando l'anno e la velocità della luce.

Come sappiamo c'è una relazione che lega spazio, tempo e velocità.

In particolare la velocità è data dal rapporto tra lo spazio percorso e il tempo trascorso. Dalla definizione di anno luce il tempo trascorso è noto e vale un anno, Così come la velocità che è quella della luce nel vuoto. A questo punto la distanza percorsa si ottiene facendo l'operazione inversa cioè moltiplicando la velocità della luce per il tempo trascorso.

Quindi...

Quanti km equivale un anno-luce?

Per saperlo, dobbiamo fare un paio di semplici conti.

Partiamo dalla velocità della luce nel vuoto. Essa vale circa di 300.000 km/s.

Il valore preciso è leggermente inferiore  (299.792,458 km/s) ma qui non ci addentreremo troppo in questi conti dettagliati.

A questo punto, se vogliamo sapere quanti chilometri percorre la luce in un anno, visto che abbiamo espresso la velocità in km al SECONDO, dobbiamo calcolare quanti secondi ci sono in un anno.

L’operazione non è complicata. Prendete una calcolatrice e...

• moltiplicare i 60 secondi che ci sono in un minuto
• per i 60 minuti che ci sono in un’ora 
• per le 24 ore che ci sono in un giorno
• per i 365 giorni presenti in un anno 

... e otterrete i secondi in un anno che sono poco meno di un valore di 32 milioni.

A questo punto moltiplicando 32 milioni di secondi per 300.000 km/s troviamo che l’anno-luce equivale a circa 9.600 miliardi di km.

Capite facilmente perché è comodo misurare le distanze astronomiche in anni-luce piuttosto che in km.

Se volessimo fare i pignoli (tenendo conto dell’esatta velocità della luce e sapendo che l’anno giuliano, come detto nella definizione, vale 365,25 giorni) il valore esatto in km di 1 anno luce è 9.460.730.472.580,8. Questa è la definizione data dall’Unione Astronomica Internazionale, un'organizzazione che tra le altre cose si occupa di definire le unità di misura in astronomia, ma dobbiamo fare alcune puntualizzazioni:

1. è un numero difficile da utilizzare se vogliamo trasformare in chilometri le distanze delle stelle e delle galassie espresse in anni luce.
2. l'anno luce non è l'unità di misura standard in astronomia dove invece si usa il parsec. l'anno luce viene usato soprattutto in ambito divulgativo e dalla fantascienza. 
3. in più gli astronomi quando usano l'anno luce non lo fanno quasi mai con questa precisione. 

Noi, per semplificare i conti, faremo una significativa approssimazione che non inficerà il nostro discorso: per noi l’anno luce avrà il valore di 10.000 miliardi di km.

Un numero comunque grande, del resto non a caso si parla di numeri astronomici, ma sicuramente più facile da ricordare e da utilizzare. A questo punto: 

se volete sapere quanti km ci separano da un astro distante un certo numero di anni-luce, basterà moltiplicare il valore della distanza in anni-luce per 10.000 miliardi.

Facciamo un esempio pratico, che poi è pratico per modo di dire... 

Quanto dista Proxima-Centauri?

La distanza della stella più vicina al Sole, che si chiama Proxima Centauri, è di circa 4 anni luce. Moltiplicando 4 anni-luce per 10.000 miliardi di km/anno-luce abbiamo come risultato 40.000 miliardi di km. Un numero bello, interessante ma enorme… e di certo non ci rende facile capire quanto è davvero distante questa stella. Proviamo allora a usare un termine di paragone un po’ più familiare. 

Partiamo da qualcosa di più vicino a noi: la Terra... e in particolare la circonferenza dell’equatore che misura circa 40.000 km.    Quindi dividiamo 40.000 miliardi di km che ci separano da Proxima Centauri per i 40.000 km della lunghezza dell’equatore. Il conto è abbastanza semplice nonostante i numeri grandi e il rapporto fa un miliardo. Questo vuol dire che percorrere 4 anni luce equivale, in termini di distanza, a fare il giro della Terra per ben un Miliardo di volte. 

Ma secondo me non è ancora chiaro quanto sia davvero grande questa distanza. Allora possiamo porci questa domanda:

Quanto tempo ci metteremmo, per esempio con un aereo di linea, a fare un miliardi di giri del nostro pianeta? 

Supponiamo che il nostro aereo viaggi ad una velocità di 850 km/h e che non faccia mai scalo. Non è realistico ma È un esperimento mentale che serve a farsi un’idea. L’aereo impiegherebbe circa 48 h (due giorni) a fare un giro completo della Terra che vuol dire che ci metterebbe 2 miliardi di giorni per fare un miliardo di giri attorno all’equatore. Ma 2 miliardi di giorni corrispondono a circa 5 milioni e mezzo di anni. Un viaggio verso Proxima Centauri a queste velocità risulterebbe immensamente lungo, non solo in termini di vita del singolo individuo ma dell’intera umanità e per capirlo basta pensare che la nostra specie è su questo pianeta da appena 2-300 mila anni fa. … e stiamo parlando della stella più vicina al Sole!

Certo, noi abbiamo anche satelliti che vanno a velocità maggiori degli aerei di linea… se prendessimo in considerazione un satellite artificiale che viaggia... Non so... a 40. 000 km orari? 

A tale velocità farà il giro della Terra in un'ora e impiegherà a fare il miliardo di giri di cui abbiamo parlato prima circa 41 milioni di giorni che equivalgono a circa 115 mila anni Un tempo inimmaginabile per un individuo ma che, per quanto abbiamo detto prima, comunque rimane significativo anche per la nostra specie.

E la luce? Quanto tempo impiega a percorrere la distanza Terra - Proxima Centauri? 

Rispondere in questo caso è facile e non dobbiamo fare conti, perché l’anno-luce permette di ricavare velocemente quanti anni impiega la luce a percorrere quella determinata distanza. 

Ve lo mostro con un esempio:  continuiamo con Proxima Centauri che abbiamo detto distare 4 anni-luce... allora la luce ci metterà 4 anni a fare quel tragitto. Similmente possiamo dire che la luce percorrerà 10 anni-luce in 10 anni, 100 anni-luce in 100 anni, 1 milione di anni-luce in 1 milione di anni e via dicendo.

Bellissimo, no? 

La velocità della luce in km/h

Bene bene… fin'ora abbiamo usato l’anno luce per le distanze enormi, per oggetti che si trovano oltre il Sistema Solare. Per distanze più brevi possiamo usare unità di misura derivate dall’anno-luce, sebbene non convenzionali. 

Le più comuni sono il secondo-luce che è la distanza che la luce percorre in un secondo e che come ben capirete equivale a circa 300.000 km; possiamo ricavare il minuto-luce moltiplicando per 60 i 300.000 km di prima , ottenendo così circa 18 milioni di km. Se moltiplichiamo questo numero ancora per i 60 (i minuti in un’ora) otterremo l’ora-luce. Un’ora-luce equivale a circa 1 miliardo di km. Questo risultato è bellissimo!!! Sia perché è un numero facile da ricordare ma anche perché ci permette di avere un’idea dell’enorme velocità a cui viaggia la luce che possiamo dire essere uguale a 1 miliardo di km/h. 

Un numero più facile da confrontare con le nostre velocità quotidiane

Per esempio i treni più veloci viaggiano a circa 500 km orari. Sembrano velocissimi ma vanno solo a 2-milionesimi della velocità della luce.

Le distanze dell'Universo?

Finiamo allora questo video con un breve viaggio ... da noi ai confini del cosmo... usando l’anno-luce e i suoi sottomultipli per avere un'idea delle dimensioni dell'universo. 

1. Partiamo da un foglio di carta di formato A4. La sua altezza è di circa 30 cm. La luce percorre questa distanza in un miliardesimo di secondo quindi 30 cm equivalgono a 1 miliardesimo di secondo-luce. 
2. Un uomo alto 1,8 m corrisponde a 6 miliardesimi di secondo-luce. 
3. L’equatore terrestre, di cui abbiamo parlato prima, misura circa un 0,13 secondi-luce. In altre parole - in un secondo la luce percorre 40.000 km per ben 7.5 volte. 
4. La Luna, l’astro più vicino a noi, ha una distanza media di 380.000 km cioè 1,3 secondi-luce quindi noi vediamo la Luna com’era 1 minuto e 17 secondi fa
5. La distanza media tra la Terra e il Sole è 149 milioni di chilometri corrispondenti a 8,33 minuti-luce da noi.... che vuol dire che vediamo il Sole com’era 8 m e 20 s fa. 
6. Giove dista dal Sole circa 40 minuti-luce
7. Saturno quasi un’ora e 20 minuti-luce
8. Plutone 5 ore e mezza-luce. 
9. La sonda Voyager 1, il manufatto umano più lontano dalla terra, si trova a circa 20 ore-luce da noi
10. L’influenza gravitazionale del Sole si estende fino ai 2 anni-luce... 
11. Proxima Centauri, come abbiamo visto dista 4 anni-luce; 
12. Sirio, la stella più brillante del cielo, 8,5 anni luce, 
13. mentre la Stella Polare ben 325 anni luce 
14. Ma siamo ancora nei pressi di quello che potremmo definire il quartiere in cui vive il Sole... Infatti il Centro della nostra galassia, che potremmo definire come la nostra città, dista da noi 27.000 anni luce (cioè arriva a noi la luce emessa 27.000 anni fa), 
15. mentre il raggio del disco della Via Lattea è di circa 50.000 anni luce. Questo vuol dire che noi ci troviamo poco oltre la metà tra il centro e il confine della nostra Galassia. 
16. Uscendo dalla nostra galassia scopriamo che la Grande Nube di Magellano, che è una delle galassie satelliti della via Lattea, dista 160.000 anni luce da noi 
17. mentre la Galassia di Andromeda che è una galassia compagna e simile alla Via Lattea dista ben 2 milioni e mezzo di anni luce. 
18. Facendo un balzo verso l’ammasso della Vergine - un agglomerato di 1500 galassie tutto sommato non molto lontano da noi in termini cosmologici - arriviamo a 60 milioni di anni-luce di distanza. 
19. In fine… il quasar più brillante - che si chiama 3C273 - si trova a 2 miliardi e mezzo di anni-luce che tutto sommato è poca roba se paragonato a...
20. la distanza a cui si trova il confine dell’universo osservabile: a circa 50 miliardi di anni luce. 

50.000 miliardi di anni luce?? Ma non erano poco meno di 14 miliardi??? Beh questo lo vedremo un'altra volta.