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
