Quando il telescopio non basta. Lo spettro elettromagnetico: base dell’astrofisica moderna

L’astrofisica si basa sull’osservazione dei fenomeni che popolano il cielo. Esiste una pletora di diverse sorgenti, come vengono definite che, a seconda delle loro caratteristiche, emettono vari tipi di radiazione elettromagnetica ognuno dei quali ci fornisce informazioni differenti.

Quasi sempre l’oggetto emette luce contemporaneamente in distinte bande dello spettro elettromagnetico, portandoci conoscenze diverse della sorgente.

Lo spettro elettromagnetico rappresenta la classificazione principe della luce.

Secondo la teoria ondulatoria della luce, infatti, la radiazione elettromagnetica può essere classificata in base alla sua lunghezza d’onda o al reciproco di questa, la sua frequenza. La lunghezza d’onda, si precisa, è lo spazio che l’onda percorre nel tempo di un periodo, cioè di un’oscillazione che ha compiuto l’oggetto che la emette.

A livello pratico, esistono sei diverse grosse bande dello spettro elettromagnetico che permettono la classificazione della luce: le onde radio, infrarosse, visibili, raggi UV, raggi X e raggi gamma, come ben rappresentato nell’immagine che segue.

Schema che mostra lo spettro elettromagnetico con il tipo, la lunghezza d’onda (con esempi), la frequenza e la temperatura di emissione del corpo nero. [Immagine adattata da un documento della NASA, di Inductiveload, Wikipedia]

Le onde radio sono quella parte dello spettro elettromagnetico che spazia da lunghezze d’onda idealmente infinite fino a circa 1 mm. L’emissione di onde radio da parte di sorgenti celesti è legata a complessi processi radiativi elettromagnetici, come quelli delle pulsar, in cui è coinvolta l’interazione di cariche con un intenso campo magnetico.

Due fenomeni da citare sono l’emissione a 21 cm dell’idrogeno neutro, che ha permesso di creare una mappa nella nostra galassia nonché delle nubi di idrogeno del mezzo interstellare e la radiazione cosmica di fondo (CMB). La CMB è un processo termico di corpo nero che ha il suo picco di emissione nel radio. Essendo molto freddo (T=2.7K), questo cade a una lunghezza d’onda di circa 3 mm, come si può ricavare dalla legge di Wien. Secondo tale legge, la lunghezza d’onda del picco di emissione di un corpo nero segue la relazione

dove T è la temperatura del corpo nero.

La luce infrarossa proviene solitamente dall’emissione termica delle polveri e dei gas “freddi” che permeano lo spazio. Poiché si tratta di oggetti mediamente più caldi della CMB, applicando la legge di Wien si ricavano lunghezze d’onda più corte, dell’ordine della decina di μm, tipiche appunto dell’infrarosso. Le lunghezze d’onda infrarosse si spingono circa fino al μm.

La banda visibile dello spettro è la più conosciuta e quella con riferimento alla quale ha avuto origine l’astronomia, ma in realtà è solo una piccolissima porzione dello spettro elettromagnetico, dato che ricopre una banda che spazia da circa 1 μm a 0.2 μm di lunghezza d’onda. L’emissione di corpo nero delle stelle (come ad esempio il Sole) ha però il suo picco in questa regione dello spettro e, storicamente, ha rappresentato il primo passo verso la conoscenza del cielo.

Sempre seguendo il paradigma del picco di emissione, la luce UV (ultravioletta) è spesso emessa dalle regioni in cui si stanno formando stelle o esistono stelle giovani. A causa della loro giovane età sono delle “teste calde” ed emettono luce nella zona dello spettro corrispondente alla banda ultravioletta.

I fenomeni che governano l’emissione di raggi X e gamma sono molto complicati e spesso coinvolgono la teoria della relatività o la presenza di gas caldo (10 milioni di K!) come in un ammasso di galassie. Essi richiedono, quindi, tecniche di osservazione molto sofisticate, nonché l’uso di razzi e satelliti per evitare la schermatura atmosferica presente a tali lunghezze d’onda. Nonostante le difficoltà, gli astrofisici si sono ingegnati e hanno ideato e realizzato veri e propri telescopi in orbita dedicati a captare questa luce.

Il punto fondamentale è che, come affermato all’inizio, numerosi oggetti presentano molti di questi fenomeni. Si pensi di osservare una galassia prossima alla nostra: potremmo trarre informazioni sulle zone ricche di idrogeno neutro con un’osservazione a radiofrequenze, o delle polveri in infrarosso o ancora delle regioni ad alta formazione stellare nell’ultravioletto.

È questo concetto di astrofisica multispettrale (un po’ come quando si osservano i tessuti molli del corpo umano con una risonanza magnetica nucleare e lo scheletro con i raggi X di una lastra) che sta rivoluzionando la conoscenza degli oggetti nel cielo, permettendo la realizzazione di modelli sempre più accurati e scoperte sempre più sensazionali.

Celebri e assai importanti esempi sono quelli dell’orizzonte degli eventi del buco nero al centro del dell’oggetto di Messier M87 o dell’emissione di onde gravitazionali. In quest’ultimo caso, la collaborazione tra diversi gruppi di ricerca ha permesso per la prima volta di identificare, tramite osservazione di onde elettromagnetiche e gravitazionali, una sorgente di onde gravitazionali.

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Sebastiano Spinelli PhD in Fisica e Astronomia. Lavora in un’azienda ottica, in particolare nel reparto di produzione delle ottiche. Papà a tempo pieno con la passione della fotografia e della divulgazione (tra le tante).

Fonti:

  1. Martin Harwitt- Astrphysical concepts, Springer 2006.

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