SULLE STRIE DEGLI SPETTRI STELLARI 25 ottobre 2013
annuncio pubblicitario
SULLE STRIE DEGLI SPETTRI STELLARI 25 ottobre 2013 massimo mazzoni Profilo Spettrale Energia L’andamento del grafico, nel continuo e nelle righe è un “codice” che contiene informazioni sulla natura fisica e chimica della sorgente della radiazione. Energia Profilo Spettrale Energia L’andamento del grafico, nel continuo e nelle righe è un “codice” che contiene informazioni sulla natura fisica e chimica della sorgente della radiazione. Energia Che gli spettri non siano tutti uguali, lo si capisce guardando le stelle: hanno diversi colori. Quindi è diversa anche la radiazione che emettono. Che gli spettri non siano tutti uguali, lo si capisce guardando le stelle: hanno diversi colori. Quindi è diversa anche la radiazione che emettono. La Fisica a fine ‘800 m ecca n ica elettr icità m a gn etis m o a cu s tica ter m ologia La Fisica è ormai conosciuta quasi completamente, e l'Astronomia sembra aver pienamente realizzato tutte le sue potenzialità: il quadro dell'Universo è completo e consistente, e anche se alcune domande non banali restano senza risposta (il buio del cielo notturno, la natura delle nebulose, la sorgente dell'energia solare, la materia delle stelle..) si pensa che non sarà facile, forse neppure possibile, ottenere di più dallo studio del cielo. ..e soprattutto.. Sibi gratulentur mortales tale tantumque exstitisse humani generi decus L’Astronomia e’ l’applicazione piu’ sublime e certa della Geometria e della Meccanica congiunte e … il piu’ indiscutibile monumento del successo che lo spirito umano puo’ conseguire con i propri sforzi. 1781 – 1846 Titius – Bode 1770 ca La scoperta di nuovi pianeti, della sorprendente legge delle loro distanze, dell’affidabilità delle leggi di Newton ed in particolare della Gravitazione, rendono l’Astronomia un modello per tutte le scienze, ed un simbolo del trionfo della capacità di conoscenza dell’uomo. 10 Natura corpuscolare o ondulatoria (diffrazione, interferenza) della luce? Struttura della materia? Significato dei diversi spettri degli elementi e delle stelle? Possibile che una stella sia Spettro del corpo totalmente assorbente? un corpo nero? ..questo è il problema.. ..e qui forse la soluzione.. ..e viceversa.. Corpo Nero 1862 1888 1900 1905 XVIII-XIX secolo: declino dell’Astronomia Dallo studio dei fenomeni solari nasce una “Nuova Astronomia” detta Fisica Solare o Fisica Celeste o Astronomia Fisica o ASTROFISICA L’altra… Astronomia Classica o di Posizione L’evoluzione dell’Astronomo Astronomo = Geometra Astronomo = Meccanico La :natura della luce 1800 il perché delle cose Sir Isaac NEWTON New Theory about Light and Coulors 1704 : Optics “La luce del Sole è una mescolanza di raggi… e i raggi possono esser separati in colori… Quel colore non può essere cambiato” Astronomo = Fisico della Luce Le sorgenti di luce allora usate per generare gli spettri in laboratorio erano la fiamma libera ed il “nuovo” arco elettrico. Presto si intuì, dall' analisi delle righe, che le diverse caratteristiche dello spettro erano dovute alla presenza di composti chimici nella sorgente. Successivamente, proprio dal raffronto di queste con gli spettri del Sole e delle stelle, si deduce l’ omogeneità nella composizione chimica dell’ Universo e, molto più tardi, la costituzione di modelli fisici delle atmosfere stellari e della loro dinamica evolutiva Fraunhofer, 1814 Erano note 7 righe nere, nella luce scomposta del Sole. Fraunhofer ne conta più di 600 In una decina d’anni, Fraunhofer scopre che anche le altre stelle hanno spettri, simili o diversi da quello del Sole. Invece lo spettro della Luna o degli altri pianeti è identico a quello del Sole: quindi deve trattarsi di luce solare riflessa Perfeziona gli strumenti ed estende lo studio. Comunque è poco più di una curiosità scientifica. E’ un costruttore di strumenti, lui, non uno scienziato. Spettro solare nel Visibile Heidelberg Kirchhoff & Bunsen, Elementi 1859 Gas caldo Kirchhoff & Bunsen, 1859 Scoprono anche che una sostanza assorbe proprio gli stessi colori che può emettere, se investita da radiazione Ossia Nel 1859 Kirchhoff enuncia tre fondamentali leggi empiriche •un solido, un liquido o un gas sottoposti a forte pressione • emettono uno spettro continuo che copre tutti i colori dell’ iride; •un gas incandescente a bassa pressione emette uno spettro • continuo al quale si sovrappongo delle righe brillanti specifiche di emissione; •quando davanti alla sorgente di spettro continuo, viene posto un gas freddo, si osservano, sovrapposte allo spettro, delle righe scure di assorbimento; queste hanno la stessa lunghezza d’ onda delle righe brillanti emesse dal medesimo gas portato all’ incandescenza. Le leggi della radiazione di Kirchhoff Corpo Nero caldo Prisma Nube di gas più freddo (b) Spettro di righe di assorbimento (gli atomi nella nube di gas assorbono la luce a λ specifiche, producendo righe scure nello spettro continuo) Prisma Prisma (a) Spettro continuo (il corpo nero emette luce a tutte le lunghezza d’onda) (c) Spettro di righe di emissione (gli atomi nella nube di gas riemettono la luce alle stesse λ alle quali l’hanno assorbita.) Spettri stellari Gli strati interni e più densi di una stella producono uno spettro continuo (corpo nero) Gli strati esterni meno densi e più freddi assorbono quella Gli spettri delle stelle sono radiazione che corrisponde a Spettri di Assorbimento transizioni atomiche. Spettri stellari Strato invertente (Atmosfera) “Superfice” della parte che emette il continuo: Fotosfera. Nel caso del Sole: 400 km. Gli spettri delle stelle sono Spettri di Assorbimento Ci si accorge così che nello Spazio ci sono gli stessi elementi “spettri” che ci sono sulla Terra Un vero puzzle Quindi si può conoscere… La composizione chimica, cioè di cosa è fatto il corpo celeste Ma anche la temperatura della sorgente, per esempio, o la pressione Cours de philosophie positive (1830-42) …La conoscenza positiva che noi possiamo avere delle stelle è limitata ai loro fenomeni geometrici e meccanici, e noi non potremo mai in nessun modo investigare la loro composizione chimica e la loro struttura mineralogica… Dixit Auguste Comte Polarizzazione 1808 Le molecole di gas interstellare assorbono e diffondono la luce delle stelle, e la polarizzano. Lo stesso avviene quando la luce stellare è riflessa da nubi di polvere. Questo fenomeno è spiegato con l’allineamento delle particelle dovuto a campi magnetici interstellari, le cui linee di forza sono dirette lungo i bracci della spirale galattica. Enrico Fermi (1901-1954) Nell’ Introduzione alla Fisica Atomica (1928), nel capitolo sulla nuova Meccanica Ondulatoria, scrive: Quando si applica la meccanica ordinaria ai fenomeni atomici, si fa uso di grandezze quali, per esempio, le coordinate degli elettroni oppure le componenti delle loro velocità, le quali non sono accessibili all’osservazione diretta. Questa ci permette soltanto di percepire la radiazione emessa dall’atomo. Raggi Cosmici Onde Gravitazionali Radiazione em Informazioni sui corpi celesti Neutrini ? Radiazione integrale Futur Balla – Lampada ad Arco (1910) Per secoli l’Astronomia ha utilizzato soltanto l’intensità luminosa visuale complessiva dei corpi celesti per caratterizzarli e studiarne il moto. Caratteristiche delle onde em Frequenza di oscillazione (‘colore’) Ampiezza dell’oscillazione ( energia) Piano dell’oscillazione (polarizzazione) Densità numerica delle onde (intensità) La prima e la seconda grandezza sono relative ad una singola onda e misurano l’Energia. La terza invece è una misura di confronto: la singola onda (fotone) è sempre polarizzata. Spettroscopia “Estrarre” queste informazioni da un’onda em, e da queste arrivare a comprendere sia le caratteristiche fisiche della sorgente, sia quelle del mezzo attraversato dall’onda (spesso non facilmente separabili), è compito della Spettroscopia Astronomica Il modello di Atomo Questo è l’Atomo Però allora l’elettrone doveva emettere Energia e.. Dopo il primo modello di J.J. Thomson 1897 Planck: l’Energia è in unità fondamentali massimo mazzoni alla fine si capirono le orbite elettroniche Anzi: l’orbita è come una corda oscillante 37 Il modello di Atomo Planck: l’Energia è in unità fondamentali massimo mazzoni 38 Per esempio: Ogni livello è descritto da una funzione d’onda, soluzione particolare della generale equazione di Schroedinger (1926): Protagonista: l’elettrone Livelli e Transizioni elettroniche Ogni atomo ha infiniti livelli energetici possibili Esistono decine di livelli popolati, Ci sono decine di migliaia in di un transizioni almeno atomo in probabili condizioniostandard. possibili in base alle Tabelle dei Livelli Atomici Esistono centinaia di livelli popolati, in un atomo in condizioni eccitate. Esistono numerose centinaia di ioni per gli elementi della Tavola di Mendeleiev. Ogni ione ha decine di livelli popolati e molte centinaia di transizioni possibili. L’informazione spettrale La scomposizione della radiazione em (spettro) di una sorgente celeste può rivelare varie migliaia di ‘colori’ (righe, se ottenuto con uno strumento a fenditura) Dal tipo di spettro si ricava la Composizione Chimica del corpo, il grado di ionizzazione degli atomi e la popolazione dei livelli, che dipendono dalla Temperatura degli strati emittenti. La Pressione locale determina la forma della riga. Anche il moto caotico degli atomi dovuto alla loro Temperatura caratterizza la forma della riga. Etc etc.. L’informazione spettrale Naturalmente non ci sono solo le transizioni legato-legato. Ci sono anche le transizioni legato - libero, e viceversa, e quelle libero - libero, restando in ambito atomico. E poi gli spettri molecolari, vibrazionali e rotazionali… Attraverso la radiazione em proveniente da un oggetto celeste possiamo ottenere moltissime informazioni sui parametri chimici e fisici di quell’oggetto. Spettro Solare Spettro Beta Lyrae Dall’Astronomia all’Astrofisica La secolare Astronomia si trasforma in Astrofisica nella seconda metà del XVIII secolo, quando inizia lo studio spettroscopico dei corpi celesti. Questo presuppone che la sicurezza che le leggi della Fisica terrestre siano valide anche fuori dal nostro pianeta. Ed implica anche la volontà di capire e spiegare il Cielo, non solo di descriverlo. Ma era un atteggiamento verso la Natura già iniziato a metà del ‘500. Il Visibile è solo un sottoinsieme radioastronomia infrarosso raggi gamma Materia oscura interstellare Sole Pulsar radioastronomia Quasar Radiogalassie Fondo a microonde Maser Protostelle Nubi molecolari Centro della Galassia Buchi Neri Gamma Ray Burst Esplosioni di Supernova La nuova osservazione delle stelle M13 Ammasso Globulare in Ercole Edmund Halley, 1714 25100 a.l. 6 * 105 MS Effetto Doppler Un effetto speciale Effetto Doppler Espansione dell’Universo Righe di assorbimento nello spettro del Sole Righe di assorbimento di un supercluster di galassie: v = 0.07 c, d = 1 miliardo di anni luce Doppler cosmologico Valore medio della curva di rotazione 200 km /s Per ora l’Astronomia classica occupa il primo posto tra le scienze sperimentali. Dio non permetta che sia portata fuori strada dalle novità…e dalla base consacrata dai secoli e millenni. Struve Mi arrivò notizia della grande scoperta di Kirchhoff…fu per me come l’arrivo di una sorgente d’acqua in una terra arida e assetata. 1819-1905 Huggins Uno dei risultati più importanti dell’analisi spettroscopica della radiazione stellare è lo schema evolutivo di questi corpi Una stella appare come un sistema in equilibrio, almeno su scale di tempo antropiche. Il confronto dei parametri stellari (massa, dimensioni, luminosità, composizione) rivela tuttavia un processo di lenta evoluzione attraverso diverse fasi di equilibrio, talvolta con rapidi eventi improvvisi. “Classificazione Spettrale” Età BLU Energia Temperatura ROSSE massimo mazzoni 54 Il punto La chiave è che si scopre (si osserva) una correlazione tra COLORE di una stella (max di BB) e le RIGHE presenti nel suo spettro. La scoperta della legge delle serie La mitica Ha @ 656.3 nm L’atomo di Bohr 1913 1922 fine
