Olimpiadi d'Astronomia 2018: Calabria rules

Venerdì 20 aprile si è conclusa con la finale di Bari l'edizione 2018 delle Olimpiadi d'Astronomia. Come al solito la Calabria in particolare e il sud in generale hanno dominato le classifiche finali:

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Categoria Junior 1:

• Marco Carbone - I.C. Statale “G. Carducci - V. da Feltre” - Reggio Calabria
• Mihail Dimitrov - I.C. Statale “Giovanni XXIII” - Villa S. Giovanni (RC)
• Davide Geria - Scuola Sec. di I Grado Statale “Galluppi-Collodi-Bevacqua” - Reggio Calabria
• Antonio Morgante - I.C. Statale “Campo Calabro - San Roberto” - Campo Calabro (RC)
• Luigi Sorrentino Luigi - I.C. Statale “F.S. Alessio - N. Contestabile” - Taurianova (RC)
• Andrea Staffieri - I.C. Statale “Ex Scuola Media Torraca” - Matera

Categoria Junior 2:

Una nuova sfida

Come Sandro, anche io negli ultimi tempi ho abbandonato un po' la scrittura e l'aggiornamento dei blog. I motivi sono disparati: dalle corse scolastiche alla preparazione per affrontare una possibile nuova sfida, che si è concretizzata esattamente all'inizio della settimana pasquale. Mancano ancora un paio di passi burocratici per considerare il nuovo lavoro ufficiale a tutti gli effetti, ma direi che l'approvazione della graduatoria finale è già un buon punto fermo e solido.
Ritornando al post su Quantizzando, direi di essermi ritrovato se non nei dettagli almeno nell'atmosfera, e d'altra parte con 10 anni in più sulle spalle non poteva essere diversamente. In particolare, avendo trasportato la carretta nelle scuole per diverso tempo non posso che essere d'accordo con la necessità di dover, in qualche modo, migliorare già nelle scuole la formazione scientifica degli studenti. A mio giudizio, in questo momento particolare almeno, le capacità di Edu.Inaf e astroEDU di incidere nella scuola possono essere di gran lunga superiori rispetto alle recenti riforme scolastiche, che nella sostanza consegnano agli insegnanti maggiori carichi burocratici e armi spesso spuntate per incidere a meno di un carisma personale il cui successo spesso dipende dal tipo di scuola e dagli studenti con cui si ha quotidianamente esperienza.
So già che la sfida che mi si trova davanti sarà dura, difficile e impegnativa, ma, avendo già affrontato qualcosa di analogo per le Olimpiadi dell'Astronomia, sono abbastanza certo che mi divertirò parecchio.
Per cui restate sintonizati visto che, oltre al normale flusso di post, potrei inserire qua e là qualche aggiornamento più legato al lavoro istituzionale!

Olimpiadi italiane dell'astronomia: i vincitori

Dal 18 al 20 aprile si sono svolte le finali delle Olimpiadi italiane dell'astronomia, con la cerimonia della premiazione avvenuta quest'oggi. Stefano Sandrelli, presidente del comitato olimpico, ha pubblicato su twitter le foto dei vincitori per le due categorie junior e senior. Eccoli qui sotto, contenti per il riconoscimento ottenuto grazie al loro studio:

L'Italia che vince!

E' un periodo che, per vari motivi, mi perdo informazioni. Per fortuna ci sono e-mail e newsletter che informano, e così accade anche per i risultati della spedizione italiana alle Olimpiadi Internazionali dell'Astronomia che dal Kirghizistan, sede della competizione, tornano con tre medaglie, un oro e due bronzi, festeggiati persino da Samantha Cristoforetti su twitter. Veniamo, però, al comunicato stampa inviatomi da Stefano Sandrelli:

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Sono tre, i premi vinti quest'anno dalla squadra italiana che ha partecipato alla XIX edizione delle Olimpiadi Internazionali di Astronomia: un oro nella categoria senior per Pasquale Miglionico del Liceo Scientifico Statale "Federico II di Svevia" di Altamura (BA) e due bronzi nella categoria junior, per Mariastella Cascone del Liceo Scientifico Statale "Galileo Galilei" di Catania e per Giuseppe Gurrisi del Liceo Scientifico Statale "Elio Vittorini" di Francofonte (SR). Non era mai successo, negli oltre dieci anni di partecipazione, che il medagliere della squadra italiana fosse così ricco.
La Gara internazionale si è svolta in Kirghizistan dal 12 al 21 ottobre, in presenza di numerose autorità fra cui il Presidente del consiglio in carica che ha aperto la cerimonia di inaugurazione. Oltre che dai tre vincitori, l’Italia era rappresentata da Luca Latella del Liceo Scientifico Statale "Leonardo da Vinci" di Reggio Calabria e da Giacomo Santoni del Liceo Scientifico Statale "Galileo Galilei" di Macerata. I cinque partecipanti erano accompagnati da Giuseppe Cutispoto e da Paolo Romano, dell'INAF-Osservatorio Astrofisico di Catania. La squadra tricolore si è battuta con altri 74 ragazzi provenienti da 16 nazioni per aggiudicarsi l’ottimo risultato. I partecipanti, tutti tra i 14 e i 17 anni, si sono cimentati in tre prove olimpiche (teorica, osservativa e pratica) di notevole difficoltà in cui, tra le altre cose, hanno dovuto stimare le stelle più luminose visibili nel cielo tra 13000 anni, calcolare la massa di un buco nero supermassiccio al centro di una galassia e dimostrare la propria abilità nell'uso di un telescopio.

Olimpiadi dell'Astronomia 2015: si parte!

L'edizione per l'anno scolastico 2014-15 è pronta. C'è il bando. C'è il dossier (quest'anno il tema è la luce). Quindi cosa aspettate ragazzi? Partecipate! Cosa aspettate, professori? Segnalate ai vostri studenti!

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video via Media Inaf

Un'idea astronomica per la scuola

Dopo la pubblicazione del dossier dedicato alle comete, utile come base di partenza per affrontare il tema, oggi pubblico una versione in italiano, leggermente rivista, di una bozza di articolo (diciamo così) riguardante il lavoro da instructional designer per le Olimpiadi Italiane dell'Astronomia.

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Le Olimpiadi dell'Astronomia sono una competizione cui partecipano gli studenti delle scuole superiori italiane, suddivisi in due categorie (per l'edizione 2014 i junior sono i nati tra il 1999 e il 2000 e i senior tra il 1997 e il 1998). L'iniziativa rientra nei programmi del MIUR per la valorizzazione delle eccellenze scolastiche: i vincitori hanno, infatti, diritto a borse di studio, mentre la vittoria (sia nazionale che interregionale) va a costituire parte del curriculum studentesco. Chi vince le Olimpiadi (5 studenti per categoria) è insignito della Medaglia "Margherita Hack". I 3 migliori junior e i 2 migliori senior parteciperanno, a spese dell'organizzazione, alle Olimpiadi Internazionali, nel settembre 2014.
La selezione dei ragazzi avviene attraverso una preselezione, che implica l'invio di un elaborato su un tema astronomico proposto dal comitato olimpico. A questa prima fase seguirà una gara interregionale, costituita da una prova scritta di 2.5 ore su problemi astronomici (la sede per la Lombardia è l'osservatorio di Brera, a Milano, che è anche sede della presidenza del Comitato Olimpico Italiano), e infine una gara nazionale: due prove, una teorica, l'altra di conoscenza del cielo. Per l'edizione 2014 la finale si svolgerà a Siracusa, dal 12 al 14 aprile. I vincitori, come detto, andranno alle Olimpiadi Internazionali, cui verranno ulteriormente preparati grazie a uno stage estivo di alcuni giorni.
Tutto questo per quel che c'era fino ad ora. Quel che ora c'è e che si vorrebbe introdurre nelle scuole (principalmente licei scientifici, ovviamente, ma qualunque scuola superiore che pensa di poter essere interessata non verrà certo esclusa!) è la piattaforma didattica on-line che ho sviluppato negli ultimi anni per conto del Comitato Olimpico italiano presieduto da Stefano Sandrelli.
Il primo passo nella costruzione di una piattaforma di questo genere è sicuramente la scelta del software da utilizzare. La scelta cadde subito su Moodle, per vari motivi:

• il sistema open più diffuso tra le istituzioni⁽¹⁾;
• l'ampia gamma di strumenti di insegnamento messi a disposizione;
• una buona integrazione con gli SCORM⁽⁷⁾, lo standard più utilizzato per i learning object.

La scelta, ultimamente, era stata messa in discussione, e ho pensato di valutare altri sistemi, ovviamente tra le soluzioni più economiche. Strumenti che potrebbero essere utilizzati sono ad esempio Wordpress, che permetterebbe di fare un lavoro professionale anche per quel che riguarda la grafica, o Joomla. Mentre però il primo per essere all'altezza di Moodle ha bisogno di una serie di plugin molti dei quali a pagamento, Joomla può essere più che un'alternativa una integrazione a Moodle, fornendogli una interfaccia web meno spartana di quella che è installata di default. Ad ogni modo Moodle continua a essere il sistema più affidabile in circolazione per strumenti di questo genere, detti course managment system. Moodle, il cui acronimo sta per Modular Object-Oriented Dynamic Learning Environment⁽⁵⁾, è stato ideato da Martin Dougiamas per realizzare il corso on-line Constructivism di Peter C. Taylor^{(2, 3)}.
Fondamentalmente Moodle è un ambiente strutturato in blocchi, suddivisi in due grandi gruppi (risorse e attività) che rispondono alle due esigenze primarie della didattica: la trasmissione delle conoscenze, fatta attraverso pagine web e learning object, ad esempio, e la verifica dell'apprendimento, fatta attraverso test a scelta multipla o quiz. E' inoltre possibile utilizzare anche altri strumenti come la chat, una wiki interna (che personalmente reputo mal fatta: molto più utile, in questo senso, sarebbe crearne una esterna utilizzando uno dei tanti software presenti in rete), un forum. Inoltre presenta anche un'amministrazione degli utenti abbastanza varia e flessibile, andando dagli ospiti agli insegnanti creatori di corsi.
Prima di vedere come ho utilizzato Moodle per le Olimpiadi dell'Astronomia, cerchiamo di capire come, innanzitutto, la tecnologia digitale sia entrata nella fisica e in particolare nella didattica. Secondo Chonacky⁽⁶⁾ questa storia inizia sin dagli anni Settanta del XX secolo per poi ottenere un impulso importante con lo sviluppo del World-Wide Web ad opera di Tim Berners-Lee e Robert Cailliau, che ne compresero immediatamente le potenzialità e l'importanza in fisica. Ovviamente, oltre all'uso della tecnologia digitale nella didattica della fisica sono di pari passo andati anche gli studi sulla sua efficacia, come quello di Kenny et al.⁽¹⁰⁾, che si sono interessati dell'apprendimento basato sui problemi (problem based learning, PBL):

Le comete e le Olimpiadi

E' on-line il bando per le Olimpiadi dell'Astronomia 2014. Quest'anno il tema di preselezione è dedicato alle comete, ed è disponibile un pdf con un dossier iniziale di approfondimento sull'argomento con una serie di collegamenti web dedicati:

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Avvistamenti e impatti di corpi celesti

Cosa sono e da dove vengono le meteoriti? E le comete? E gli asteroidi? Queste pagine vogliono fornire ad un vasto pubblico una concisa ma rigorosa informazione scientifica sui vari corpi celesti che possono avvicinarsi ed eventualmente collidere con la Terra. Vengono inoltre dati suggerimenti e consigli pratici su cosa fare nel caso si venga coinvolti in un avvistamento o addirittura (con un po' di fortuna) nella raccolta di una meteorite.

Le comete

Le comete, per il loro aspetto spettacolare variabile nel tempo, hanno sempre affascinato l'uomo e sono note fin dall'antichita'. Esse fanno la loro apparizione in cielo sotto forma di astri luminosi, dalla forma via via piu' allungata nel corso dei mesi, per poi rimpicciolirsi di nuovo e scomparire nel giro di pochi mesi.

La mongolfiera che rincorre la cometa

Anche un pallone stratosferico per studiare la ISON. Verrà lanciato il 29 settembre per la prima missione di un giorno. Raggiungerà l'altitudine di 37 chilometri sopra la Terra e, a quell'altezza, sarà largo circa 140 metri. A bordo un telescopio da 80 cm per osservazioni nell'infrarosso, nella luce visibile e nel vicino ultravioletto.

L'estate fa riscoprire il cielo

In questo editoriale (...) Patrizia Caraveo sottolinea come le notti d'estate delle Lacrime di San Lorenzo rappresentino una bella occasione per guardare il cielo e così scoprire il fascino delle comete e della loro scia

La Calabria sul tetto astronomico d'Italia

Le Olimpiadi dell'Astronomia, l'edizione italiana almeno, è giunta alla conclusione dell'edizione 2013 con la premiazione dei vincitori, tra i quali ben due, Silvia Neri nella categoria junior e Giovanni Barilla nella categoria senior, vengono da Reggio Calabria, dal Liceo Scientifico Statale Leonardo da Vinci. La battuta più bella, però, è quella del vincitore siciliano, Marco Giunta dal Galilei di Catania:

La prova pratica era dopo pranzo, per cui non ero molto operativo!

P.S.: ora so perché Stefano si è tagliato i capelli settimana scorsa...

Misurare le distanze celesti

Nel serale dove in questo periodo sto svolgendo una supplenza di fisica, durante le ore di laboratorio (non tutte, però: si utilizza, per alcune classi, il laboratorio come aula... non so perché...) sono affiancato da quello che un tempo era chiamato tecnico di laboratorio, ora ITP (non chiedetemi cosa vuol dire... non lo so) che però è un vero e proprio pozzo di scienza, come si suol dire. Appassionato di fisica e matematica, adoratore di Richard Feynman, è anche una persona estremamente brillante e a volte riesce a mettere in piedi delle lezioni veramente molto interessanti. Ad esempio, questa settimana, ha proposto alle prime classi una lezione per mostrare come fosse possibile calcolare la massa della Terra utilizzando semplicemente gravitazione universale e forza peso.
In una delle due prime, però, non contento, ha completato (se così si può dire) la lezione con il metodo della parallasse, e qui la grande coincidenza: proprio questa settimana mi sono dedicato ad approfondire tale metodo e più in generale la misurazione delle distanze stellari.
Adatterò un po', per questo post, quanto scritto, come potete immaginare, per le Olimpiadi dell'Astronomia. Iniziamo:
Misurare la distanza delle stelle dalla Terra non è una operazione semplice come, ad esempio, misurarne la luminosità o la declinazione. Sono stati, allora, sviluppati vari metodi di misurazione, di cui il più noto di tutti è quello della parallasse, che può essere utilizzato anche per misurare la distanza degli oggetti sulla Terra, a patto di conoscere più o meno precisamente alcune distanze.
Prima di capire in pratica come funziona il metodo della parallasse, proviamo a fare uno sforzo di immaginazione: supponiamo di disegnare un triangolo che ha per vertici la Terra, il Sole e la stella di cui vogliamo misurare la distanza; l'angolo di parallasse sarà, allora, l'angolo del vertice corrispondente alla stella.
Per misurare questo angolo si deve, allora, misurare due volte la posizione della stella rispetto alle stelle dello sfondo (che hanno una parallasse pressocché nulla) con la Terra che si trova in due posizioni differenti della sua orbita, possibilmente due posizioni una opposta all'altra, in modo tale che questa distanza sia circa il diametro dell'orbita (300 milioni di km)⁽³⁾. Ciascuna delle due misure è, in realtà, una fotografia della porzione di cielo in cui si trova la stella: sovrapponendo le due foto gli astronomi sono in grado di determinare l'angolo di parallasse⁽⁴⁾.

Studio, in classe, delle biotracce di un pianeta extrasolare

Le Olimpiadi Internazionali dell'Astronomia sono una competizione tra studenti delle scuole superiori di tutto il mondo con test riguardanti l'astronomia. Come paese partecipante, l'Italia ogni anno organizza le selezioni nazionali durante le Olimpiadi Italiane dell'Astronomia, organizzate dalla Società Italiana dell'Astronomia in collaborazione con l'INAF. L'attività delle Olimpiadi è inoltre inclusa nel programma per l'educazione d'eccellenza del MIUR. La presidenza del Comitato Olimpico Italiano ha base presso l'Osservatorio Astronomico di Brera, ed è da questa istituzione che negli ultimi due anni sono partiti i lavori per realizzare una piattaforma didattica di supporto alle Olimpiadi. La piattaforma, basata su Moodle, al momento in fase di progettazione e di test, contiene una prima serie di voci di uno snello syllabus astronomico, e propone test (esercizi e prove pratiche) e problemi di preparazione alle prove di accesso. Per il futuro, però, si vorrebbe trasformare la piattaforma stessa in un supporto didattico completo per gli insegnanti e le scuole che aderiranno all'iniziativa. Da qui nasce l'interesse di testare su questo blog possibili materiali didattici, al momento extra-olimpici, e raccolti sotto una apposita categoria.

Come ho cercato di raccontare nel lungo post dedicato al SETI, l'arrivo di Kepler ha permesso una vera e propria rivoluzione nella ricerca dei pianeti extrasolari, dando anche un'impulso allo sviluppo di tecniche in grado di determinare se un pianeta è abitabile o meno. Il metodo utilizzato da Kepler è quello del transito, che può essere riprodotto in laboratorio, ma che abbinato a una tecnica particolare può essere utilizzato anche per determinare differenti combinazioni di acqua, superficie, rocce, vegetazione, ovvero le così dette biotracce. Ad esempio un pianeta che potrebbe supportare la vita (almeno quella cui siamo abituati sulla Terra) presenterà una superficie rocciosa, coperta da una certa percentuale di acqua. Questa tecnica si chiama spettropolarimetria:

It measures the intensity spectrum of the reflected light (spectroscopy) and also its degree of polarization (polarimetry).⁽¹⁾

Utilizzando pochi e relativamente semplici strumenti, anche questa esperienza può essere riprodotta in classe, ma per farlo in modo opportuno, Gorazd Planinsic e Rick Marshall consigliano di approfondire separatamente i due concetti di base di spettro e polarizzazione.
Per realizzare l'esperienza si utilizza una lampadina a bulbo smerigliato, o comunque una a incandescenza della potenza di 60W⁽³⁾ (ad esempio del diametro di 8cm), come modello della stella, e una palla di polistirolo (o di qualunque altro materiale e del diametro di circa 6 cm) dipinta di verde come modello del pianeta. A questo punto si posizionano stella e pianeta su un tavolo al centro della stanza dell'esperimento, in modo che i centri siano allineati, si invitano gli studenti a mettersi intorno a questo sistema solare muniti di opportuno filtro polarizzatore⁽⁴⁾ e si spegne la luce della stanza. Dopo aver acceso la luce della lampadina, si inizia ad osservare il sistema con i filtri, o mettendo in rotazione il sistema stesso, o facendo girare gli studenti intorno al sistema, in modo da osservare le differenze nella luce emessa in base alla posizione relativa del pianeta rispetto alla stella.
Già in questa fase è possibile scattare delle foto: ad esempio si possono scattare, come hanno fatto Planinsic e Marshall, due foto dello stesso punto del sistema⁽⁵⁾ ma con il filtro in due posizioni differenti, quella orizzontale e quella verticale. Per apprezzare poi le differenze tra le due foto si possono utilizzare alcuni software di photo editing usando l'opzione di sottrazione⁽⁶⁾. Con questa operazione si sottrae

(...) the brightness of each pixel on one image from that of the same pixel on another image and then takes the absolute value of the result. If making a difference image of the colour images the resulting image has unusual colours. To avoid this distracting effect we converted our difference images into greyscale images that show only intensity variation. The brightness of the resulting image is largest where the emitted light is linearly polarized in a vertical or horizontal direction. In our case this is the part of the exoplanet from which the light is reflected. All surfaces that emit non-polarized light (such as the middle of the bulb) or emit light polarized at 45° with respect to the vertical appear dark (in the latter case this is because the intensities of the light transmitted by perpendicular polarizers are the same). Light scattered by the glass surface of the bulb is also partially polarized in the direction perpendicular to the glass. This explains the bright halo around the edge of the bulb image. Note that the dark spots at approximately 45° are consistent with our previous statement.

Questo modello, però, è piuttosto semplice, visto che il pianeta viene rappresentato come una palla sostanzialmente liscia. Per avvicinarsi a un pianeta decisamente più realistico basta, utilizzando la colla, ricoprire la superficie di sabbia. Quindi, una volta asciutto questo primo strato, incollare alcune foglie per simulare la vegetazione e della carta igienica bagnata per simulare laghi, fiumi, oceani. Così preparato il pianeta, la classe è pronta a ripetere l'esperienza e scattare nuove fotografie. Raccolto e rielaborato il materiale, sarà semplice notare come la luce riflessa da differenti materiali abbia luminosità differenti, mentre per alcuni di essi la luminosità è addirittura dipendente anche dall'angolazione della macchina fotografica.

Simulare il transito di pianeti extrasolari

Questo post partecipa alla 29.ma edizione del Carnevale della Fisica di Marzo 2012 ospitato da Marco Casolino

La ricerca di pianeti extrasolari (o esopianeti) ha avuto il suo primo successo nel 1991 con la scoperta di alcuni pianeti intorno alla pulsar PSR1257+12^{(1, 2, 3)} misurando le variazioni sugli impulsi radio provenienti dalla stella. La seconda tappa importante nella ricerca sugli esopianeti avviene nel 1995, con la scoperta intorno alla stella 51 Pegasi (stella di tipo solare) di un pianeta di tipo gioviano, trovato a una distanza inferiore rispetto all'orbita di Mercurio nel nostro sistema solare⁽⁴⁾.

(51 Pegasi via BBC)

Queste scoperte iniziali, e molte altre fino, in pratica, al 2009^{(5, 6)}, sono avvenute grazie al metodo della velocità radiale o oscillazione Doppler: in pratica si parte dall'ipotesi che la velocità radiale di una stella sia influenzata dalla presenza di un pianeta in orbita intorno alla stella stessa. IN questo modo la velocità radiale proveniente dalla stella sarà tendente al blu quando il pianeta sulla sua orbita si muove verso la Terra, tendente al rosso quando il pianeta si allontana⁽⁷⁾. Con la velocità radiale, però, è piuttosto difficile determinare l'esatta orbita di un pianeta (o comunque qualcosa che gli si avvicini) e quindi permette di fatto di determinare il periodo di rotazione orbitale intorno alla stella e l'eccentricità (ovvero la deviazione da una circonferenza) dell'orbita del pianeta stesso. A questo bisogna aggiungere che il metodo è efficace soprattutto per pianeti massicci.
Nella ricerca di un metodo più efficace ecco che si decide di utilizzare il metodo del transito, basato sull'esame della luce emessa dalla stella verso la quale si puntano i propri strumenti e considerato da Dimitar Sasselov⁽⁸⁾ come il metodo d'osservazione più fruttuoso: quando questa luce diminuisce, questo vuol dire che davanti alla stella sta passando un oggetto. In questo modo è possibile, poi, determinare il raggio di un pianeta e il suo periodo orbitale. Utilizzando sostanzialmente gli stessi strumenti usati per la rilevazione del pianeta, è anche possibile studiare l'atmosfera del pianeta stesso, determinando la sua composizione, la temperatura e l'eventuale presenza e formazione di nuvole.

(confronto tra velocità radiale e transito⁽⁷⁾)

Su quest'ultimo metodo si basa uno degli esperimenti più noti e importanti degli ultimi anni: la missione Kepler. Lanciata il 6 marzo del 2009⁽⁵⁾, ha scoperto 2326 pianeti candidati al 5 dicembre 2011, con le prime scoperte pubblicate su Science nel 2010⁽⁵⁾

(i primi transiti di Kepler⁽⁵⁾)

In effetti, osservando sia l'immagine sopra, sia l'infografica precedente, gli astronomi sono alla ricerca di una sorta di buche di luce, che consentono di determinare un po' di dati dal pianeta candidato come massa, tempo orbitale e altre cosine del genere, come ad esempio è avvenuto per il sistema Kepler-11⁽⁹⁾:

(transiti dei pianeti di Kepler-11⁽⁹⁾)

Lo studio è interessante perché oltre a combinare i dati relativi al sistema in particolare, raccoglie anche informazioni su un pianeta in particolare, Kepler-11g, e propone anche deduzioni, basate sui dati raccolti ovviamente, sulla composizione e formazione del sistema planetario, fornendo così, oltre a una serie di dati scientifici interessanti, un buon esempio delle potenzialità della missione in generale.
La missione Kepler, dunque, è stata in questi ultimi 2-3 anni, una fonte di notizie interessanti e può essere scolasticamente interessante utilizzare Kepler per iniziare a portare l'astronomia in classe. I vantaggi di tale approccio per quel che riguarda la didattica della fisica sono molteplici e si possono enfatizzare alcuni di questi piuttosto che altri in base all'ordine e al grado della scuola. Ad esempio si possono avvicinare gli studenti allo studio diretto dei dati degli esperimenti astronomici, quasi tutti pubblici e liberamente consultabili, alcuni anche in formati semplici da leggere anche con gli usuali editor di testo, in modo da abituarsi all'elaborazione di dati reali e alla loro elaborazione statistica^{(11, 12)}, ma è anche possibile realizzare una sorta di missione Kepler in miniatura⁽¹⁰⁾:

La relatività speciale e la prima legge di Keplero

Ci sono molti argomenti della fisica moderna che non sempre riescono ad entrare nei programmi scolastici, anche solo per mancanza di tempo. Al livello di testi scolastici ho però avuto modo di vedere, recentemente, l'anteprima di un bel libro per licei dove, invece, l'autore introduceva non pochi concetti della fisica moderna semplicemente introducendo la meccanica classica. E non contento addirittura inserisce dei rudimenti di relatività speciale, niente di eccezionale ma scritto molto bene e inserito all'interno del più ampio discorso della relatività e dei sistemi di riferimento. Questo approccio può essere alla distanza molto fruttuoso, poiché semina informazioni che, arrivando ai concetti della fisica moderna, generalmente destinati agli ultimi anni, possono attivare l'interesse dei ragazzi, che posso assicurarvi è alto su questi temi⁽¹⁾.
Quando poi si arriva alla relatività speciale vera e propria, può essere utile riprendere anche alcuni concetti precedenti, per mostrare con l'ennesimo esempio come la scienza sia una costruzione continua sulle basi di quanto già era noto in precedenza. In particolare, come fa Tonguc Rador⁽⁴⁾, fisico turco, si possono unire due concetti come la relatività speciale e la prima legge di Keplero, facendo anche toccare con mano il concetto di invarianza e non invarianza, sia lorentziana sia come concetto generale.

L'idea è quella di utilizzare la contrazione delle lunghezze: in questo senso si può utilizzare l'esercizio anche senza necessariamente avere sott'occhio le trasformazioni di Lorentz⁽²⁾. Supponiamo, innanzitutto, di voler misurare un'asta posta al bordo della strada mentre noi, su un'auto, stiamo viaggiando verso la nostra meta. La misura di lunghezza fatta sarebbe leggermente inferiore rispetto a quella fatta da fermi a bordo strada perché l'estremità finale dell'asta (quella iniziale è quella che incontriamo prima) ci sta venendo incontro, quindi è come se si trovasse in una posizione leggermente precedente rispetto all'estremità ferma. Nel caso della relatività speciale, che basa le sue osservazioni sul fatto che tutte queste misure vengono fatte grazie alla luce, che ha una velocità finita, l'effetto è ancora più evidente e dal punto di vista matematico è espresso con la formula: \[l_1 = \frac{l_0}{\gamma}\] dove $l_1$ è la lunghezza misurata da un osservatore in movimento (noi sulla macchina), $l_0$ è la così detta lunghezza propria dell'oggetto (l'asta misurata a bordo strada) e $\gamma = \left ( 1 - \beta^2 \right )^{-\frac{1}{2}}$.
A questo punto possediamo tutti gli ingredienti per affrontare l'esercizio, che è verificare l'invarianza o meno della prima legge di Keplero. Questa recita che le orbite di ciascun pianeta sono ellittiche con il Sole posto in uno dei due fuochi. Sappiamo che, in realtà, il Sole ha un raggio abbastanza grande da inglobare anche il secondo fuoco, rendendo di fatto l'orbita circolare. Per l'esercizio andremo a considerare un'orbita circolare di raggio $r$. Ricordando che la contrazione delle lunghezze avviene solo lungo la direzione del moto, questo vuol dire che uno dei due raggi, quello nella direzione da cui proviene un eventuale viaggiatore spaziale, risulterà contratto e il nuovo raggio sarà $r' = \frac{r}{\gamma} = r \sqrt{1-\beta^2}$.
La linea chiusa che risulterà alla fine a un osservatore che viene dall'esterno sarà un ellisse: questo vuol dire che, nel senso della conica chiusa (il cerchio è un ellisse particolare) la prima legge di Keplero risulta invariante sotto trasformazione di Lorentz. E per quel che riguarda la posizione del Sole? In questo caso può essere interessante capire come si modifica la posizione di un punto nello spazio da una parte e come si modificano le caratteristiche fondamentali di un ellisse, come i due semiassi, la distanza tra i due fuochi, l'eccentricità. In questo caso, ad esempio, si può partire dal semplice esercizio del determinare le caratteristiche di un ellisse trasformato secondo Lorentz. Volendo determinare anche la posizione del centro della conica, però, bisogna necessariamente utilizzare le trasformazioni di Lorentz⁽²⁾.
Ad ogni modo va sottolineato comunque un punto, importante per poter distinguere tra l'occhio del matematico e quello del fisico: per il primo basta un controesempio per invalidare un teorema, che deve valere per tutti i casi previsti dall'ipotesi⁽³⁾. Un fisico, invece, scopre i limiti di validità di una teoria, cercando di capire fino a dove può utilizzare una descrizione della realtà piuttosto che un altra.

XXI settimana della cultura scientifica e tecnologica

Oggi e fino al 23 ottobre inizia la Settimana della cultura scientifica e tecnologica. L'iniziativa, giunta alla sua 21.ma edizione, è promossa dal MIUR e, con il mio solito ritardo, sono qui a raccontarvi le iniziative legate con l'Osservatorio di Brera:

Il 19 ottobre alle 18 presso la Sala Delle Adunanze dell’Istituto Lombardo nel Palazzo Brera a Milano, all'interno del ciclo di seminari I cieli di Brera, Alberto Cellino dell'INAF di Torino racconterà I corpi minori: piccoli, importanti attori nella storia del sistema solare

I cosiddetti Corpi Minori sono, a dispetto del nome, interessantissimi e molto importanti per comprendere l'origine e la storia del nostro Sistema Solare. Lo studio di questi oggetti è infatti una parte fondamentale delle moderne scienze planetarie. In particolare gli asteroidi rappresentano un soggetto di investigazione di straordinario interesse. Considerazioni pratiche e teoriche mostreranno come questi corpi siano ben lungi dall'essere dei "sassi" senza importanza.

Come al solito ecco alcune notizie sul conferenziere:

Primo Ricercatore dell'INAF - Osservatorio Astronomico di Torino e autore di 120 pubblicazioni su riviste di settore, Alberto Cellino è uno specialista delle proprietà fisiche degli asteroidi. Per il triennio 2009-2012 è stato Presidente della Commissione 15 dell'Unione Astronomica Internazionale che si occupa di asteroidi e comete ed è Responsabile della derivazione delle proprietà fisiche degli asteroidi nell'ambito della missione Gaia dell'ESA (lancio previsto nel 2013).

L'accesso alla sala è libero fino a esaurimento posti (sono 100).
E ora, visto che immagino qualcuno dei lettori vorrà sapere qualcosa di più, eccovi alcune informazioni sulla settimana della cultura scientifica estratte dal memorandum del ministero (pdf):

Scopo della Settimana della Cultura Scientifica e Tecnologica è di mobilitare tutte le competenze e le energie del Paese per favorire la più capillare diffusione di una solida e critica cultura tecnicoscientifica. In particolare, la Settimana stimola l'apertura di efficaci canali di comunicazione e di scambio tra l'universo della società civile (che vede in prima fila il mondo della scuola), da un lato, e l'articolato complesso del Sistema Ricerca (università, enti di ricerca pubblici e privati, musei, aziende, associazioni, ecc.), dall'altro.

Per quel che riguarda l'astronomia e la fisica vi segnalo le attività del Dipartimento di Fisica di Catania e in particolare Reggio Scienza⁽¹⁾, dove verranno anche presentate le Olimpiadi dell'Astronomia 2012 (bando, approfondimenti).
Della settimana della cultura hanno anche scritto qualcosa su torinoscienza.

(1) Aggiornamento: Angela Misiano dell'Osservatorio del Planetario Provinciale Pitagora (fa parte del Comitato Olimpico) mi ha inviato il pdf dettagliato dell'iniziativa. Usatelo, segnalatelo, scaricatelo!

L'influenza dei raggi del Sole sulla Terra

A partire dalla domanda se l'energia irradiata dal Sole è in grado di modificare, in tempi lunghi, l'orbita della Terra, Salvatore Esposito⁽⁵⁾ dell'Università di Napoli Federico II ha realizzato ben due possibili esercizi didattici che, secondo me, possono essere proposti anche agli studenti delle scuole superiori. D'altra parte questo tipo di esercizi può essere fatto rientrare nella tipologia dei calcoli alla Fermi. Enrico Fermi, infatti, era solito calcolare in maniera molto indicativa alcune quantità fisiche di interesse, più che altro per valutarne l'ordine di grandezza. Esercizi di questo genere, in effetti, sono già stati proposti in passato ai ragazzi durante le Olimpiadi Italiane dell'Astronomia, e in quei casi l'idea di base è sempre stata quella di comprendere il problema e applicare la formula corretta per valutare la grandezza richiesta.
In questo caso il problema deve essere affrontato per passi successivi: iniziamo innanzitutto a valutare l'energia che il Sole irradia sulla Terra. Per fare questo dobbiamo partire dall'irradianza solare, ovvero dalla potenza della radiazione elettromagnetica del Sole per unità di superficie. Questa quantità, che si misura in W/m², dagli utlimi dati⁽¹⁾ è di circa \[E_e \simeq 1.36 \cdot 10^3 W m^{-2}\] L'energia che ci interessa è ovviamente quella che colpisce la superficie terrestre, che è mediamente una sfera di raggio $R_E \simeq 6.4 \cdot 10^6 m$. Considerando che il Sole illumina, in ogni istante, solo metà della superficie terrestre e considerando che i raggi solari colpiscono la superficie con angoli inferiori ai 90° (e quindi con una irradianza minore rispetto a quella massima), in un giorno la quantità di energia solare che raggiunge la superficie terrestre è di \[E_S \simeq E_e \pi R_E^2 \Delta t = 1.36 \cdot 10^3 \cdot \pi \cdot 6.4 \cdot 10^6 \cdot 86400 J \simeq 1.5 \cdot 10^{22} J\] A questo punto è importante proporre alcune osservazioni agli studenti, soprattutto se l'esercizio è svolto in classe, in modo che si rendano conto della differenza tra un calcolo preciso e una valutazione dell'ordine di grandezza come quella proposta. In un calcolo che vuole provare ad essere preciso, andrebbe sottratto a $E_S$ la quantità di energia corrispondente alla radiazione riflessa dall'atmosfera.
Un altro passaggio fondamentale, che lo stesso Esposito sottolinea, è quello di utilizzare l'esercizio anche per proporre agli studenti un esempio di urto o di interazione che non necessita di alcun contatto tra i corpi interagenti (come è il caso discusso). Considerando che l'esercizio è pensato per studenti universitari, credo però che sia importante proporlo anche a studenti delle scuole superiori: con la sempre maggiore attenzione del mondo del giornalismo alla scienza, è importante riuscire a dare già in questa fase le informazioni e le nozioni necessarie per interpretare questo genere di notizie. Si potrebbe, dunque, in questa fase far partire, in caso di svolgimento in classe dell'esercizio, una discussione tra gli studenti o, nel caso di esercizio assegnato a casa, proporre agli studenti di approfondire e/o aggiungere le loro considerazioni personali.

Bronzi olimpici

Il 30 settembre Google ha pubblicato, esclusivamente per l'Italia, il doodle 4 google realizzato per l'unità d'Italia dai ragazzi delle scuole elementari, medie e superiori. Per ciascuna categoria di scuole è stato indicato un doodle vincitore e tra questi tre è stato scelto il doodle ufficiale del 30 settembre, che indicava il futuro dell'Italia legato con le energie verdi e rinnovabili:

D'altra parte il futuro dell'Italia sarà affidato proprio a loro e ai ragazzi della foto qui sotto, che dal Kazakistan sono tornati con due medaglie, proprio come l'anno scorso:

Rispetto all'anno scorso, però, non si è ricevuta alcuna menzione speciale, ma poco importa, la sostanza resta sempre quella: si torna dalla competizione dopo aver lasciato il segno, con due bronzi vinti da Roberto Ribatti nella categoria senior, che così conferma il suo talento dopo l'argento dello scorso anno nella categoria inferiore, e con Edoardo Altamura nella categoria junior. Un ottimo risultato, nonostante le difficoltà, che rende orgogliosi tutti, incominciando dai loro accompagnatori, Giulia Iafrate di Trieste e Giuseppe Cutispoto di Catania, senza dimenticare il gran capo Stefano Sandrelli, che ha anche scritto la breve news su Media Inaf.
Sperando che le ultime scelte del ministero non influiranno sui risultati dei prossimi anni, vi ricordo che è ai nastri di partenza l'edizione 2012 delle Olimpiadi Italiane: potete leggere il bando sul sito olimpico (dettagli).
E ora... buona domenica!

Olimpiadi Italiane dell'Astronomia 2012

Mentre la squadra italiana, costituita da Gabriele Benedetto, Renato Desideri, Roberta Tripodi, Edoardo Altamura, Andrea Malara e Roberto Ribatti (i ragazzi sono accompagnati da Giulia Iafrate di Trieste, che ho avuto modo di vedere a Comunicare Fisica 2009, dove ha presentato alcuni software didattici⁽¹⁾, e da Giuseppe Cutispoto di Catania, che per il momento conosco solo via e-mail) sta partecipando alle 16.me Olimpiadi Internazionali dell'Astronomia in Kazakhstan⁽²⁾, in Italia è uscito il bando per le Olimpiadi italiane del 2012 (lo trovate anche sul sito olimpico). La preselezione avverrà attraverso un tema astronomico che quest'anno ha per titolo:

L’origine dell’universo.
Quali sono le principali osservazioni scientifiche a sostegno dell’ipotesi del Big Bang? A tua conoscenza, esistono altre teorie scientifiche alternative compatibili con le osservazioni?

Prossimamente il sito ufficiale proporrà il materiale per iniziare a documentarsi sul caso (ho anche creato un piccolo bundle, una sorta oggettino didattico, per consentire una più semplice diffusione del materiale stesso e che renderò pubblico con l'uscita ufficiale). Nell'attesa dell'uscita del materiale, vi segnalo le date olimpiche da non dimenticare:

24 novembre: deadline per la sottomissione dei temi;
23 dicembre: deadline per la comunicazione degli ammessi alla fase interregionale;
20 febbraio 2012: svolgimento della prova interregionale;
12 marzo 2012: deadline per la comunicazione degli ammessi alla fase finale;
15 aprile 2012: finale nazionale

Ed eccovi qui sotto la locandina dell'edizione 2012:

Insegnanti e studenti all'ascolto: le Olimpiadi Italiane dell'Astronomia 2012 sono iniziate. Non perdete l'appuntamento!

(1) Aladin, Stellarium, VOSpec, SimPlay. Gli ultimi due programmi sono delle applet java.
(2) Secondo il programma, oggi i ragazzi sono impegnati in una escursione, mentre l'ultima prova è prevista per domani. La chiusura invece avverrà il 29.

Simulando la legge di Hubble

Ricordate Paraponzio? Il blog didattico di Peppe? Questo piccolo articolo di una paginetta, Hubble's law: a simple simulation potrebbe tranquillamente stare sulle pagine di Paraponzio (così come un qualsiasi articolo di Paraponzio potrebbe stare tranquillamente sulle pagine di Physics Education) talmente è semplice è diretta l'attività didattica che viene proposta. Prima di raccontare brevemente, ma soprattutto con le immagini, l'attività, un paio di paroline sulla legge di Hubble.
La legge porta il nome dell'astronomo Edwin Hubble (la paternità, però, è ancora oggi piuttosto dibattuta^{(3, 4)}) ed è dovuta alle prime osservazioni di un universo in espansione. Uno dei risultati collaterali della teoria della relatività di Einstein, in effetti, era un universo in espansione e non statico, un risultato che lo stesso Einstein aveva sconfessato. Eppure varie osservazioni fatte tra nella seconda metà degli anni 20 del XX secolo confermarono invece l'ipotesi dell'espansione cosmica^{(1, 2)}.
La legge, dal punto di vista matematico, racconta \[z = H_0 \frac{D}{c}\] dove $c$ è la velocità della luce, $H_0$ la costante di Hubble, mentre $z$ e $D$ sono le due grandezze fisiche che la legge lega una con l'altra, ovvero il redshift e la distanza della galassia dall'osservatore. Il redshift, in particolare, è lo spostamento verso il rosso della luce inviata sulla Terra ed è dovuto all'effetto Doppler applicato alle onde elettromagnetiche. Ad esempio quando sentite la sirena di un'autoambulanza, questa vi sembrerà via via più forte o più debole se in avvicinamento o in allontanamento rispetto alla vostra posizione. Un'onda elettromagnetica, come la luce, invece risulterà più vicina al blu o al rosso a seconda che sia in avvicinamento o allontanamento rispetto all'osservatore.
Ha dunque una certa importanza, come potete immaginare, misurare il redshift delle galassie che ci stanno intorno: evidentemente un redshift nullo o comunque piccolo era un indizio di un universo statico, altrimenti ecco un universo dinamico, come potete vedete dall'immagine presente nello storico articolo di Hubble⁽²⁾ e presa in prestito dal mitico Popinga⁽³⁾:

Confrontiamo, ora, questo grafico con i risultati della simulazione⁽⁵⁾:

Olimpiadi dell'Astronomia: ne parla l'ANSA!

Le Olimpiadi dell'Astronomia sono su Facebook (ne ho scritto su SciBack, da buon responsabile del futuro moodle olimpico). E ora anche l'ANSA ne parla. Unico difetto dell'estratto dal comunicato ufficiale: manca il link alla pagina del profilo!