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Un diario di cose celesti

Chi siamo? Perché?

Sir George Darwin e la "gemmazione" della Luna

02 Aug 2012 12:25 AM – Michele Diodati

Quando pensiamo al nome 'Darwin', ci viene in mente immediatamente Charles Darwin, uno dei maggiori scienziati di tutti i tempi, autore di quell'Origine delle specie che occupa un posto di assoluto rilievo nella letteratura scientifica mondiale. Ma la storia della scienza annovera anche un altro Darwin, certo molto meno famoso di Charles. Si tratta di George Howard, quinto figlio di Charles ed Emma Darwin.

Nato nel 1845, George Darwin divenne un astronomo di solida e riconosciuta preparazione, tanto da vincere nel 1892 la prestigiosa medaglia d'oro della Royal Astronomical Society, di cui fu in seguito addirittura presidente. Ottenne inoltre nel 1883 la cattedra plumiana di astronomia e filosofia sperimentale dell'Università di Cambridge, fondata nel 1704 da Thomas Plume e considerata una delle due più importanti cattedre di astronomia di quell'università (l'altra è quella fondata dall'astronomo Thomas Lowndes nel 1749).

George Darwin fu un esperto di maree. In effetti, tutta la sua produzione scientifica ruotò essenzialmente intorno alle maree, ai fenomeni ad esse collegati e alle teorie che li spiegavano. Potremmo quasi dire che fu ossessionato dalle maree. E inevitabilmente alle maree è legata un'ipotesi sulla formazione della Luna sostenuta dal Darwin astronomo, nota come teoria della fissione. Il testo di seguito riportato è una mia traduzione dall'inglese dei brani salienti che descrivono questa congettura, tratti da un libro che Geroge Darwin pubblicò nel 1899, intitolato, manco a dirlo, "Le maree":

... Io dico che, se un pianeta come la Terra facesse una rotazione completa ogni tre ore, sarebbe vicinissima a finire in pezzi. L'attrazione di gravità avrebbe appena la forza sufficiente per tenerla insieme, così come la forza di coesione del ferro è insufficiente a mantenere insieme un volano, se questo sta ruotando troppo velocemente. C'è ovviamente un'importante differenza tra il caso di un volano che va in frantumi e la supposta rottura della Terra: quando un volano si rompe, i pezzi sono scagliati via non appena la forza di coesione viene meno, mentre, quando un pianeta si frantuma a causa di una rotazione troppo rapida, la gravità deve continuare a tenere insieme i pezzi anche dopo che questi hanno cessato di far parte di un singolo corpo.

Pertanto, abbiamo terreno per congetturare che la Luna sia composta da frammenti del pianeta originario che ora chiamiamo Terra, i quali si staccarono all'epoca in cui il pianeta ruotava troppo velocemente e in seguito si consolidarono. ...

Ho detto poco prima che la rapida rotazione fu la causa probabile della nascita della Luna, ma forse questa non è stata l'unica causa. ... C'è, allora, un'altra causa che potrebbe aver cooperato con la rotazione nel generare la rottura? Io penso che una simile causa esista e, premesso che qui ci troviamo nel campo delle ipotesi, azzarderò una proposta.

Il pianeta originario, prima della nascita della Luna, stava ruotando rapidamente in relazione al Sole e deve perciò essere stato agitato da maree solari. ... Esiste una legge generale della dinamica che ci permette di prevedere la grandezza delle oscillazioni di un sistema sotto l'azione di forze esterne. Tale legge dipende dal periodo naturale o libero dell'oscillazione del sistema, quando disturbato e poi lasciato a se stesso, libero dall'intervento di forze esterne. Vediamo che, quanto più le forze periodiche sono vicine ad essere sincronizzate con il periodo libero, tanto maggiore è l'ampiezza delle oscillazioni del sistema. Ora, è facile calcolare il periodo naturale o libero dell'oscillazione di un globo liquido della stessa densità della Terra, cioè pesante cinque volte e mezza più dell'acqua; il periodo trovato è di 1 ora e 34 minuti. L'eterogeneità della Terra introduce una complicazione di cui non possiamo tener conto, ma sembra probabile che il periodo resti compreso tra 1 ora e mezza e 2 ore. Il periodo della marea solare semidiurna è di mezza giornata e, se la durata del giorno era tra 3 e 4 delle ore attuali, il periodo forzato della marea sarebbe stato in stretto accordo con il periodo libero dell'oscillazione.

Non possiamo allora ipotizzare che, a mano a mano che la rotazione della Terra primitiva veniva gradualmente ridotta dalla frizione della marea solare, il periodo di quest'ultima finiva col trovarsi in accordo via via maggiore con il periodo libero, e che, di conseguenza, la marea solare aumentava sempre più in altezza? In questo caso, l'oscillazione sarebbe potuta diventare alla lunga così violenta che, in cooperazione con la rapida rotazione, ridusse il pianeta in pezzi e gli enormi frammenti che si staccarono divennero alla fine la nostra Luna.

Nulla ci dice se questa teoria sia la vera spiegazione della nascita della Luna. Riconosco che è pura speculazione, non passibile di verifica.

Riassumendo, Darwin riteneva che la Terra primordiale non si fosse ancora solidificata all'epoca in cui il suo periodo di rotazione era tra le tre e le quattro ore. Il suo interno fluido produceva allora, sotto l'azione della forza centrifuga imposta dalla veloce rotazione, un'oscillazione periodica. Tenendo conto della densità media del nostro pianeta (5,5 grammi per centimetro cubo) nonché delle differenze di densità, si otteneva un periodo di oscillazione compreso tra 1,5 e 2 ore. Questa oscillazione, da sola non sufficiente a mandare in frantumi la Terra, andava però integrata con un'altra oscillazione periodica: quella creata due volte al giorno dalle maree solari. Per quanto deboli in se stesse, le maree solari potevano scatenare un effetto moltiplicatore, una volta che il progressivo rallentamento della rotazione terrestre, generato da quelle stesse maree con la loro frizione, avesse finito per far coincidere esattamente il periodo di oscillazione della Terra "liquida" con quello delle maree solari. È lo stesso principio per cui si impedisce a un esercito di marciare all'unisono su un ponte: i passi di ogni singolo soldato creano una perturbazione insignificante, ma, tutti insieme, producono onde sonore che, essendo in fase tra loro, si sommano in ampiezza e possono generare vibrazioni così potenti da far crollare il ponte.

Il processo immaginato da George Darwin, raffigurato nell'illustrazione d'epoca riprodotta più sotto, prevedeva che la Terra fluida generasse a poco a poco un rigonfiamento: non più una sfera, dunque, ma una sorta di uovo planetario. Sotto l'azione combinata dell'oscillazione libera e delle maree solari, l'uovo si trasformò gradualmente in una "pera" e la pera produsse infine, per gemmazione, la Luna, o meglio i grossi frammenti orbitanti che – in base a questa congettura – si addensarono e si solidificarono fino a formare la Luna. George Darwin ritenne di aver identificato persino il luogo della Terra da cui fu strappata la materia poi finita nel nostro satellite: l'Oceano Pacifico. La grande depressione riempita dall'acqua di questo oceano sarebbe pertanto la "ferita" planetaria, rimasta a perenne memoria della frantumazione della Terra primordiale.

Il merito principale di George Darwin fu quello di aver cercato di fondare la sua teoria della formazione della Luna su basi scientificamente solide. È certamente un fatto che la Terra delle origini ruotasse più velocemente della Terra odierna, così come è accertato che la Luna si stia ancora adesso allontanando e che le maree, con la loro frizione, generano rigonfiamenti equatoriali ed influiscono sul periodo di rotazione. Tutto il resto, però, come riconobbe lo stesso Darwin, è altamente speculativo.

Oggi ben pochi danno credito alla teoria della formazione lunare di Darwin, anche perché presenta gravi lacune teoriche, legate in particolare alle questioni della conservazione del momento angolare e della distanza minima a cui un satellite terrestre avrebbe potuto esistere senza essere frantumato dalla forza di gravità della Terra. Tuttavia, la teoria della fissione ha anche i suoi punti di forza. Spiega per esempio molto bene la minor densità media della Luna rispetto alla Terra: se la Luna nacque da materiali strappati al mantello terrestre, meno denso del nucleo ferroso del pianeta, ne consegue che la densità media della Luna deve essere più simile, come infatti è, a quella del mantello terrestre che non a quella del nucleo.

Come che sia, l'ipotesi di Darwin oggi è considerata più che altro una curiosità da storia dell'astronomia, mentre la maggior parte degli scienziati riserva il suo favore ad altre ipotesi. In particolare, la teoria attualmente più accreditata sulla formazione lunare è quella del cosiddetto "impatto gigante": lo scontro tra la Terra primordiale e un corpo delle dimensioni presunte di Marte, al quale è stato dato il nome di Theia. In seguito allo scontro con Theia, si sarebbe prodotta una nube di detriti orbitanti intorno a quel che restava del nostro pianeta, condensatasi a poco a poco fino a formare la Luna. Purtroppo nessun astronomo era lì a testimoniare cosa accadde veramente quattro miliardi e mezzo di anni fa: questa è infatti l'età della Luna che si ricava dall'analisi delle rocce lunari (ri)portate sulla Terra dagli astronauti della missione Apollo.

La formazione della Luna secondo la teoria di George Darwin, da un libro del 1923. <i>Fonte: Hutchinson's Splendour of the heavens, Volume 1 (T.E.R. Phillips & W.H. Steavenson, 1923)</i>

La formazione della Luna secondo la teoria di George Darwin, da un libro del 1923. <i>Fonte: Hutchinson's Splendour of the heavens, Volume 1 (T.E.R. Phillips & W.H. Steavenson, 1923)</i>

Il frontespizio di un libro del 1899 di George H. Darwin sulle maree, dal quale è tratta la congettura sulla formazione della Luna discussa in questo articolo

Il frontespizio di un libro del 1899 di George H. Darwin sulle maree, dal quale è tratta la congettura sulla formazione della Luna discussa in questo articolo

Sir George Howard Darwin. <i>Foto: J. Russell & Sons</i>

Sir George Howard Darwin. <i>Foto: J. Russell & Sons</i>

Notizie biografiche su George Darwin

Tag: Luna, Terra, formazione della Luna, George Howard Darwin, articoli, storia dell'astronomia

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