Dal momento che quasi tutti i corpi celesti sono troppo lontani per essere visitati (anche con una sonda), dobbiamo affidarci alla radiazione elettromagnetica (luce) emessa da questi oggetti per studiarli. Lunghezze d’onda diverse dello spettro elettromagnetico forniscono informazioni sui vari meccanismi di emissione di energia/luce dei fenomeni astronomici e sulla natura degli oggetti celesti. Nell’astronomia moderna, lo studio dell’universo è principalmente condotto usando l’intero spettro elettromagnetico: radio, microonde, infrarosso, visibile, ultravioletto, raggi X e raggi gamma. Anche se nel linguaggio comune “luce” si riferisce alla luce visibile, in astronomia la parola “luce” può essere usata per l’intero spettro elet-
In media, gli oggetti astronomici non hanno una carica elettrica netta. Il modo principale con il quale gli oggetti astronomici interagiscono sulla lunga distanza è la forza di gravità. La gravità è ciò che fa orbitare i pianeti intorno al Sole e le stelle intorno al centro delle galassie, ma anche la forza che fa sì che il plasma caldo delle stelle abbia una forma sferica. Molti fenomeni astronomici possono essere descritti usando la legge di gravitazione universale di Newton, ma nelle situazioni più estreme la teoria della relatività generale di Einstein è necessaria per fornire una descrizione accurata dei fenomeni osservati.
L’esistenza delle onde gravitazionali – increspature nello spazio-tempo – era stata prevista dalla teoria della relatività generale agli inizi del ventesimo secolo. La loro prima identificazione diretta risale al 2015. Ora gli scienziati possono usarle come una nuova finestra per studiare l’universo. Le onde gravitazionali sono generate da intense interazioni gravitazionali, come la fusione di due buchi neri massicci o di due stelle di neutroni. Inoltre gli astronomi utilizzano la rilevazione di diversi tipi di particelle subatomiche, come i neutrini, gli elettroni e i protoni, per studiare l’interno del Sole e alcuni dei processi più energetici dell’universo.
Gli astronomi creano modelli matematici degli oggetti astronomici, dei fenomeni a essi associati e della loro evoluzione. La struttura di questi modelli è data da teorie fondamentali di fisica e chimica. Alcuni modelli sono costituiti da semplici relazioni matematiche, mentre modelli più complessi si avvalgono di simulazioni numeriche. Le simulazioni più sofisticate vengono eseguite grazie ad alcuni dei supercomputer più potenti al mondo. I dati delle osservazioni ottenuti con telescopi e rilevatori sono usati per verificare e perfezionare i modelli teorici. Il confronto tra le prove osservative e i modelli teorici è un aspetto fonda- mentale della ricerca.
La ricerca astronomica professionale riunisce conoscenze di matematica, fisica, chimica, ingegneria, informatica, così come di altri settori. Questa visione ampia tipica della scienza si è dimostrata essenziale per rivelare la natura degli oggetti astronomici e dei fenomeni a essi associati e produrre dei modelli che ne descrivano le caratteristiche. Per esempio, per capire le reazioni nucleari che avvengono all’interno delle stelle, gli scienziati utilizzano la fisica nucleare; per identificare gli elementi presenti nell’atmosfera delle stelle, usano la chimica. L’ingegneria è basilare per la costruzione dei telescopi e dei rilevatori, mentre lo sviluppo di software specifici è fondamentale per l’analisi dei dati forniti da questi strumenti.
Poiché una descrizione soddisfacente degli oggetti e dei fenomeni astronomici richiede una buona conoscenza di altri campi scientifici, la moderna astronomia è comunemente divisa in diversi filoni a seconda dei principali temi affrontati. Alcuni di questi filoni includono: l’astrobiologia, la cosmologia, l’astronomia osservativa, l’astrochimica e le scienze planetarie. Inoltre gli astronomi possono specializzarsi nello studio di un determinato tipo di oggetti, come per esempio le nane bianche. Dato l’importante ruolo che la fisica ricopre all’interno dell’astronomia, i termini “astrofisica” e “astronomia” sono oggi usati come sinonimi.
La Luna è l’oggetto celeste più vicino alla Terra e si trova a una distanza di circa 384.400 chilometri da noi. Il Sole ha un diametro di circa 1,39 milioni di chilometri, una massa di circa 1989 miliardi di miliardi di miliardi di chilogrammi. Con una distanza di circa 150 milioni di chilometri (la distanza media tra la Terra e il Sole è definita come Unità Astronomica, o UA) il Sole è la stella più vicina alla Terra. La stella più vicina al Sole è Proxima Centauri, che dista circa 4,25 anni luce. Un anno luce è la distanza che la luce percorre (nel vuoto) in un anno, cioè più di novemila miliardi di chilometri. La nostra galassia ha un diametro di 100.000-120.000 anni luce. Le altre galassie possono essere lontane miliardi di anni luce. Le unità di misura in astronomia sono molto più grandi di quanto noi possiamo immaginare. Analogamente, le scale temporali astronomiche sono lunghe: durate di milioni o miliardi di anni sono comuni.
Molteplici caratteristiche degli oggetti astronomici possono essere evidenziate semplicemente studiando il loro spettro, ovvero la scomposizione della loro luce, come accade per l’arcobaleno, in una miriade di colori diversi, ognuno contraddistinto dalla propria lunghezza d’onda. Analizzando la luce raccolta da questi oggetti, gli astronomi possono ricavare dettagli quali gli elementi che li compongono, la temperatura, la pressione, il campo magnetico e molte altre proprietà.
