La Luce ed i Telescopi Lezione 4 Sommario La luce come radiazione elettromagnetica. Lo spettro elettromagnetico. Luminosità e flusso; la legge dell’inverso del quadrato della distanza. I fotoni. La pressione di radiazione. Polarizzazione della radiazione. Riflessione e rifrazione. I Telescopi e gli osservatori moderni. Astronomia nelle varie bande dello spettro elettromagnetico. AA 2007/2008 Astronomia ➫ Lezione 4 2 Le misure in Astronomia L’astronomia è una scienza “osservativa”. Non possiamo condurre esperimenti per studiare i fenomeni astrofisici. L’unico modo per studiare le stelle, le galassie ecc. è quello di “raccogliere” e analizzare la radiazione elettromagnetica che essi emettono. Cosa possiamo misurare: Posizioni delle sorgenti sul piano del cielo (direzioni). Intensità (brillanza) della radiazione. Polarizzazione. Variazioni temporali dell’intensità. Variazioni dell’intensità con la lunghezza d’onda (spettroscopia). AA 2007/2008 Astronomia ➫ Lezione 4 3 La radiazione elettromagnetica La luce è che noi vediamo un’onda elettromagnetica. Le onde elettromagnetiche sono oscillazioni dei vettori campo elettrico (E) e magnetico (B) che si propagano nello spazio. E e B vibrano in piani tra loro perpendicolari. E e B sono perpendicolari alla direzione di propagazione. Le onde elettromagnetiche trasportano energia attraverso lo spazio. Nel vuoto, viaggiano alla velocità della luce c. Direzione di propagazione dell’onda Velocità della luce nel vuoto: c = 2.998 × 108 m s-1 AA 2007/2008 Astronomia ➫ Lezione 4 4 Frequenza e Lunghezza d’Onda Direzione di propagazione dell’onda λ Vel= c λ = c/ν λ Le onde elettromagnetiche sono caratterizzate dalla lunghezza d’onda λ e dalla frequenza ν. Lunghezza d’onda e frequenza determinano la posizione nello spettro elettromagnetico. La frequenza (numero di oscillazioni per unità di tempo) si misura in Hertz (Hz = oscillazioni/s). La lunghezza d’onda si misura in micron (μm; 10-6 m), nanometri (nm, 10-9 m) o Ångstrom (Å, 10-10 m). AA 2007/2008 Astronomia ➫ Lezione 4 5 Lunghezza d’onda e colori La luce visibile ha lunghezze d’onda comprese tra 400-700 nm (4000-7000 Å). Luce bianca Prisma Colori diversi corrispondono a lunghezze d’onda diverse Lo spettro solare ha il massimo di emissione a λ = 550 nm. Ultravioletto Infrarosso λ corte λ lunghe Qual’è la frequenza corrispondente? c 3 × 108 m s−1 14 −1 ν= = = 5.45 × 10 s = 545 THz −9 λ 550 × 10 m AA 2007/2008 Astronomia ➫ Lezione 4 6 Lo spettro elettromagnetico Luce visibile λ corte λ lunghe Lunghezza d’onda (metri) Visibile raggi Gamma raggi X Ultravioletto Infrarosso Microonde Onde radio UHF VHF FM AM Frequenza Trasparenza dell’atmosfera Opaco Trasparente Osservazioni da satelliti satelliti, aerei d’alta quota o palloni sonda Lunghezza d’onda AA 2007/2008 Astronomia ➫ Lezione 4 7 La legge dell’inverso del quadrato La brillanza di una sorgente diminuisce come l’inverso del quadrato della distanza dall’osservatore. Osserviamo una stella con luminosità L da una distanza radiale r. Luminosità (L): energia irraggiata emessa nell’unità di tempo (unità Watt; 1 W = 1 J s-1) AA 2007/2008 Il Flusso ricevuto è: L F = 4πr2 Flusso (F): energia irraggiata ricevuta per unità di superficie e di tempo (unità: W m-2) Astronomia ➫ Lezione 4 8 Energia solare La luminosità del Sole è: L☉= 3.826 ×1026 W 23.5° Qual’è il flusso radiante ricevuto dalla Terra? r = 1 AU = 1.496 ×1011 m; su una superficie ipotetica centrata sul Sole e di raggio r: L! −2 F = cos θ = 1241 W m 4πr2 AA 2007/2008 Astronomia ➫ Lezione 4 23 θ= Il Flusso sulla superficie terrestre all’Equatore (1) con il Sole nel suo punto più alto (2) trascurando l’assorbimento dell’atmosfera .5° L! −2 F = = 1353 W m 2 4πr A⊥ = A cos θ Area efficace 9 Fotoni Come abbiamo visto, la “Luce” è un’onda elettromagnetica ma si può anche considerare come composta da un flusso di particelle, i fotoni. La natura ondulatoria si manifesta in fenomeni come l’interferenza, la rifrazione ecc. La natura corpuscolare è evidente dalle sue interazioni con la materia, per esempio effetto foto-elettrico, radiazione di corpo nero. Ogni fotone ha una energia specifica che dipende dalla frequenza della radiazione. Un fotone con frequenza ν o lunghezza d’onda λ ha energia: hc E = hν = λ AA 2007/2008 h = 6.626×10-34 J s è la costante di Planck Astronomia ➫ Lezione 4 10 La pressione di radiazione Un fotone ha energia hν ma essendo un “corpuscolo” trasporta anche quantità di moto pari a: Luce Frad E hν p= = c c Superficie A Consideriamo un flusso di radiazione F che incide su una superficie A con un angolo θ. Se la radiazione è completamente assorbita, la superficie è soggetta ad una forza radiativa: Frad FA = cos θ c AA 2007/2008 θ Forza su un elettrone nell’atmosfera della Terra dovuta alla radiazione solare è: Frad L! σ = e 2 4πr c Sezione d’urto Thompson σe = 6.65x10-29 m2 Astronomia ➫ Lezione 4 11 La polarizzazione Un’onda elettromagnetica è polarizzata linearmente quando i suoi campi E e B oscillano sempre nella stessa direzione. La direzione di E è la direzione di polarizzazione. La luce da sorgenti come le stelle, le fiamme, le lampadine (filamenti incandescenti) ecc. non è intrinsecamente polarizzata. La luce è emessa da tanti atomi diversi e ciascuno ha una diversa orientazione di E. In media non c’è alcuna direzione privilegiata di E e la luce non è polarizzata. In generale un fascio di luce può essere parzialmente polarizzato: si può sempre considerare come la combinazione di luce completamente polarizzata e luce completamente non-polarizzata. AA 2007/2008 Astronomia ➫ Lezione 4 Direzione definita di E Direzione di propagazione Luce polarizzata Direzioni casuali di E Direzione di propagazione Luce non polarizzata 12 Polarizzazione per assorbimento Asse di trasmissione La luce non polarizzata può diventare polarizzata linearmente per trasmissione attraverso un materiale polarizzatore (dicroico). Esempi: filtri Polaroid (occhiali da sole); polvere interstellare. Il materiale dicroico trasmette solo la componente del campo E allineata con l’asse di trasmissione. AA 2007/2008 Direzione di propagazione Luce non polarizzata intensità = S Materiale polarizzatore Luce polarizzata intensità = ½ S L’intensità della radiazione trasmessa è 1/2 di quella incidente Astronomia ➫ Lezione 4 13 Polarizzazione per diffusione La luce può essere polarizzata per diffusione da: molecole, polvere, elettroni. Il campo elettrico nell’onda e.m. provoca una oscillazione degli elettroni perpendicolarmente alla direzione di propagazione. Gli elettroni oscillanti si comportano come antenne ed irraggiano perpendicolarmente alla direzione di propagazione. Perchè il cielo è blu? AA 2007/2008 Molecole Luce non polarizzata Luce parzialmente polarizzata Luce solare non polarizzata Luce Lucepolarizzata polarizzata La luce del sole è diffusa dalle molecole nell’atmosfera e viene quindi polarizzata perpendicolarmente alla direzione di propagazione dei raggi. Un fenomeno simile avviene nelle nebulose e nelle galassie. Astronomia ➫ Lezione 4 14 Nebulose a riflessione L’ammasso stellare delle Pleiadi. La nebulosità blu è dovuta a luce stellare diffusa dalla polvere interstellare. Astronomical picture of the day: http://antwrp.gsfc.nasa.gov/apod/ AA 2007/2008 Astronomia ➫ Lezione 4 15 Telescopi ottici Qual’è lo scopo principale di un telescopio? Il Very Large Telescope dell’ESO composto da 4 telescopi da 8.2 m (http://www.eso.org) AA 2007/2008 Astronomia ➫ Lezione 4 16 Il telescopio rifrattore Luce da un oggetto distante Lente obiettivo Piano focale dell’oculare Obiettivo forma l’immagine nel piano focale Lunghezza focale dell’obiettivo Una lente di forma opportuna può far convergere raggi paralleli in un punto sul piano focale La distanza tra il centro della lente ed il piano focale è la distanza focale, f. AA 2007/2008 Lunghezza focale dell’oculare La lente oculare ingrandisce l’immagine per facilitare la visione Per le sorgenti astronomiche, la distanza è d >> f per cui i raggi sono a tutti gli effetti paralleli. La distanza focale dipende dalla lunghezza d’onda (cromatismo). Astronomia ➫ Lezione 4 17 Telescopi riflettori Perpendicolare alla superficie dello specchio Specchio concavo Fuoco Legge della riflessione i=r Raggio di luce incidente Raggi paralleli da un oggetto distante Raggio di luce riflesso Specchio Lunghezza focale Uno specchio concavo di forma opportuna (paraboloide) può focalizzare i raggi paralleli in un punto sul piano focale. La distanza focale è indipendente dalla lunghezza d’onda. La riflessione è più efficiente della rifrazione in termini di luce persa (è possibile arrivare a riflettere > 95% della luce incidente). Tutti i telescopi moderni sono riflettori. AA 2007/2008 Astronomia ➫ Lezione 4 18 Tipologia dei telescopi riflettori Raggi di luce paralleli da un oggetto distante Nella maggior parte dei telescopi riflettori si usa uno specchio secondario per mandare la luce ad un fuoco più “conveniente”. La maggior parte dei telescopi moderni offre una scelta di fuochi, p.e., primario, Cassegrain, Coudè. Fuoco Newtoniano Fuoco primario AA 2007/2008 Fuoco Cassegrain Fuoco Coudè Astronomia ➫ Lezione 4 Lo specchio secondario altera l’immagine? 19 Le capacità di un telescopio Potere risolutivo La capacità di distinguere i dettagli fini di un’immagine. Potere di raccolta della luce L’efficienza con cui il telescopio raccoglie i fotoni. Potere di ingrandimento La capacità di ingrandire l’immagine. AA 2007/2008 I più importanti Astronomia ➫ Lezione 4 Lo specchio primario del telescopio Gemini Nord (Hawaii) 20 Potere risolutivo La diffrazione impone un limite fisico al potere risolutivo. La luce che passa attraverso un’apertura ( ➪ specchio primario del telescopio) circolare produce delle frange di diffrazione attorno ad una sorgente brillante centrale Due sorgenti di luce producono sistemi di frange adiacenti. La capacità di uno strumento di separare le due sorgenti dipende da come si sovrappongono i due sistemi di frange. θmin Nota talvolta come limite di diffrazione AA 2007/2008 Astronomia ➫ Lezione 4 21 Il criterio di Rayleigh Intensità Quando due sistemi di frange si sovrappongono parzialmente è possibile distinguerli (risolverli) fino ad un punto dato dal criterio di Rayleigh: Primo anello di diffrazione (Primo anello di Airy) θmin θmin Criterio di Rayleigh Due oggetti puntiformi sono appena risolti se il primo anello di diffrazione dell’uno cade sulla macchia brillante centrale dell’altro. AA 2007/2008 Oggetto 1 Oggetto 2 Sorgente Centrale La distanza angolare minima θmin tra due oggetti appena risolti secondo il criterio di Rayleigh è: radianti θmin Astronomia ➫ Lezione 4 λ ! 1.22 D Diametro apertura (telescopio) 22 Seeing In pratica è difficile ottenere immagini al limite di diffrazione con telescopi da terra. La micro-turbolenza dell’atmosfera (“seeing”) limita la qualità delle immagini astronomiche. Seeing cattivo Seeing buono AA 2007/2008 Astronomia ➫ Lezione 4 23 Capacità di raccolta della luce La capacità di raccolta della luce è proporzionale a D2 (D è il diametro della lente obiettivo o dello specchio primario del telescopio). D L’Illuminazione (J) è la quantità di energia luminosa focalizzata per unità di superficie nell’immagine: J ∝ π (D/2)2 Ad esempio, un telescopio del VLT (D=8m, ESO, Cile) ha 8.22/3.62 = 5.1 volte la capacità di raccolta del Telescopio Nazionale Galileo (D=3.6m, Canarie, Spagna). AA 2007/2008 Astronomia ➫ Lezione 4 24 TNG, Canarie: 3.6 m VLT, ESO, Chile: 4 x 8m LBT, Arizona, USA: 2 x 8m Dove costruire un telescopio Perchè gli osservatori sono costruiti in posti remoti sulla cima delle montagne? VLT - Paranal, Deserto di Atacama, Cile (2635 m) Keck - Mauna Kea, Hawai, USA (4200 m) TNG - La Palma, Canarie (2400 m). Per evitare l’inquinamento luminoso. Per stare al disopra dello strato di inversione (dove si formano le nuvole “basse”). Per avere un’atmosfera secca (assorbimento). Per avere buon “seeing”. AA 2007/2008 Astronomia ➫ Lezione 4 26 Inquinamento luminoso Keck, Hawaii TNG, Canarie VLT, Paranal L’inquinamento luminoso è un problema serio nelle aree densamente popolate! AA 2007/2008 Astronomia ➫ Lezione 4 27 Mauna Kea (Hawaii) Osservatorio più alto al mondo. In cima ad un vulcano spento (4200m sul livello del mare). Atmosfera secca Seeing eccezionale Ben al di sopra dello strato di inversione AA 2007/2008 Astronomia ➫ Lezione 4 28 Cerro Paranal (Cile) 2635 m sul livello del mare nel deserto di Atacama. Sito del Very Large Telescope (European Southern Observatory). Atmosfera eccezionalmente secca. Seeing eccezionale. Eccezionalmente buio (molto remoto). AA 2007/2008 Astronomia ➫ Lezione 4 29 Le montature dei telescopi I telescopi devono “inseguire” le stelle nel loro moto verso Ovest sulla sfera celeste. Montatura Equatoriale: il telescopio ruota attorno all’asse polare. Il motore “siderale” controbilancia il moto della Terra verso Est (un giro in ≃24(?) ore). I telescopi moderni usano dei motori controllati dal computer ed hanno montature Alto-Azimutali che richiedono moti complessi lungo gli assi verticali ed orizzontali. Le montature Alto-Azimutali sono più robuste e possono reggere il peso dei grandi telescopi! AA 2007/2008 Tradizionale: il telescopio 3.6 (3.6m) dell’ESO a La Silla (Cile). Moderno: il Telescopio Nazionale Galileo (3.6m) al all’Osservatorio del Roque de Los Muchachos (La Palma, Canarie) Astronomia ➫ Lezione 4 30 I grandi telescopi moderni I grandi telescopi moderni NON hanno grandi specchi rigidi (monolitici) che sono: Costosi da fabbricare Pesanti (strutture di supporto costose) Soggetti a espansione/contrazione termica con conseguente distorsione delle immagini. Specchio sottile Specchio segmentato I grandi telescopi moderni (8-10 m) usano: Specchi segmentati Specchi sottili e flessibile Le superfici sono controllate dinamicamente da un computer per dare la migliore qualità d’immagine! AA 2007/2008 Astronomia ➫ Lezione 4 31 Esempi di telescopi moderni Specchi primario del telescopio Keck I: 36 segmenti esagonali aggiustati con una tolleranza di 4nm! Struttura di supporto dello specchio sottile del telescopio Kueyen uno dei 4 telescopi da 8.2 m del VLT. AA 2007/2008 Astronomia ➫ Lezione 4 32 Ottiche adattive ed attive Gli specchi controllati dal computer possono essere deformati in tempo reale per compensare: 1) il disturbo dell’atmosfera (“seeing”), questo richiede moltissimi aggiustamenti al minuto (ottiche adattive); 2) le distorsioni causate dalle deformazioni del telescopio (ottiche attive). Senza ottiche adattive Con ottiche adattive Immagini nel vicino infrarosso del centro della nostra galassia ottenute col VLT. AA 2007/2008 Astronomia ➫ Lezione 4 33 I rivelatori CCD Per “registrare” le immagini prodotte dai telescopi si utilizzano i rivelatori CCD (Charge-Coupled Device). Hanno quasi completamente sostituito le lastre fotografiche (lo stesso sta succedendo nelle comuni macchine fotografiche). Ogni ‘chip’ (matrice di elementi di immagine) è costituito da diversi milioni di pixels (picture elements - elementi di immagine). Le normali macchine fotografiche arrivano fino a 10 Mpixels! Mosaico di 8 CCD da 2000 x pixel (National Observatory of Japan) AA 2007/2008 Astronomia ➫ Lezione 4 34 I rivelatori CCD I fotoni raccolti dal telescopio che colpiscono ciascun pixel vengono convertiti in carica elettrica che poi viene letta e registrata nella memoria di un computer (ciascun pixel produce un numero ...). Vengono usati nella banda ottica ma anche nei raggi X. Vantaggi dei CCD: sono più sensibili; hanno un maggiore intervallo dinamico (dal segnale debole a quello forte); sono lineari (proporzionalità diretta tra segnale e numero di fotoni incidenti). Svantaggi: “pochi” pixel rispetto alle lastre fotografiche. AA 2007/2008 Mosaico di 8 CCD da 2000 x pixel (National Observatory of Japan) Astronomia ➫ Lezione 4 35 Lo spettrografo Uno spettrografo posto sul piano focale può “disperdere” (separare) la luce nelle varie lunghezze d’onda costituenti. L’elemento dispersore, di solito, è un reticolo di diffrazione. Luce dal telescopio Fenditura Specchio sferico Collimatore Lente correttrice Lo spettro è la distribuzione di energia Reticolo irraggiata alle varie lunghezze d’onda. L’analisi spettrale fornisce informazioni sulla composizione chimica, sulle condizioni fisiche e sulla velocità del gas che emette. Spettro di riferimento Spettro di una stella Spettro di riferimento AA 2007/2008 Astronomia ➫ Lezione 4 36 Astronomia oltre la banda ottica Integral (Gamma) XMM-Newton (X) Fuse (UV) VLT (Opt/NIR) Spitzer (mid/far-IR) Herschel Planck (far-IR/submm) (micro-onde) VLA (radio) L’atmosfera terrestre è opaca per gran parte dello spettro elettro-magnetico. L’astronomia da terra è possibile solo nel visibile, nel vicino infrarosso e nelle onde radio. Le osservazioni nel lontano IR, nell’UV, nei raggi X e Gamma devono essere fatte dallo spazio. AA 2007/2008 Astronomia ➫ Lezione 4 37 La nostra galassia in varie bande Radio (0.73 m; 408 MHz) Infra-rosso (12–100 µm; 3.0-25.0x103 GHz) Vicino Infra-rosso (1.25–3.5 µm; 86-240x103 GHz) Visibile (0.4–0.6 µm; 460x103 GHz) Raggi X (0.25–1.5 keV; 60-360x106 GHz) Raggi γ (>300 MeV; 2.4x1013 GHz) Immagini da: Astrophysics Data Facility al NASA Goddard Space Flight Center AA 2007/2008 Astronomia ➫ Lezione 4 38 I radio telescopi Grandi parabole focalizzano l’energia delle onde radio su un piccolo ricevitore (antenna). Cavo Parabola Amplificatore AA 2007/2008 Computer I segnali amplificati sono ripuliti e convertiti in immagini (mappe di flusso) e spettri. Astronomia ➫ Lezione 4 39 Interferometria radio Le lunghezze d’onda nel radio sono > 2 × 104 volte più grandi che nell’ottico. I radio telescopi a parabola singola hanno quindi una scarsa risoluzione spaziale. tel Dia co met pio ro eq del uiv ale n es te Combinatore di segnali Dispositivo di registrazione E’ possibile combinare i segnali da molti telescopi più piccoli per “sintetizzare” un’apertura molto più grande. Diametro equivalente è quello della θmin ! 1.22 massima distanza tra i telescopi singoli! AA 2007/2008 Astronomia ➫ Lezione 4 λ D 40 Gli “array” di radio telescopi E’ possibile collegare tra loro molte parabole per sintetizzare telescopi di diametro equivalente molto maggiore. Si possono raggiungere risoluzioni spaziali di 10-3 arcsec. Esempio: il Very Large Array (VLA) a Socorro (New Mexico) dove 27 antenne simulano un telescopio di 36 km di diametro. Very Large Array Esistono gruppi di telescopi anche molto più grandi: Merlin (UK, diametro equivalente 217 km) Very Long Baseline Array (VLBA, USA, 8600 km) Very Long Baseline Interferometer (VLBI, diametro terrestre) AA 2007/2008 Astronomia ➫ Lezione 4 41 Il futuro: JWST James Webb Space Telescope (prima era noto come Next Generation Space Telescope) Ottimizzato per l’infrarosso. Specchi primario da 6.5 m (~7 volte la capacità di raccolta di HST) Programmato per il 2011 (??) AA 2007/2008 Astronomia ➫ Lezione 4 42 Il futuro: OWL Overwhelmingly Large Telescope Ottico ed infrarosso Specchi da 100 m di diametro (3048 segmenti!). Oltre 100 volte la capacità di raccolta dei telescopi più grandi esistenti. Molto probabilmente saranno costruiti prima telescopi da 30 metri... AA 2007/2008 Astronomia ➫ Lezione 4 43 Il futuro: interferometri spaziali L’ESA e la NASA stanno studiando interferometri spaziali (ottici, non radio!) in grado di combinare il segnale da una flotta di telescopi spaziali. Lo scopo è di raggiungere risoluzioni spaziali inferiori a 10-3 arcsec. Uno degli scopi scientifici principali è trovare pianeti tipo la Terra attorno ad altre stelle. AA 2007/2008 Astronomia ➫ Lezione 4 44 Sommario La luce è un’onda elettromagnetica. La lunghezza d’onda e la frequenza determinano la sua collocazione nello spettro elettromagnetico. La luce si può anche comportare come un fascio di fotoni, Il flusso radiante trasportato da un’onda elettromagnetica è proporzionale alla luminosità ed inversamente proporzionale al quadrato della distanza. La luce esercita una pressione di radiazione La luce può diventare polarizzata per assorbimento o diffusione. AA 2007/2008 Astronomia ➫ Lezione 4 45 Sommario (continua) Le immagini delle sorgenti astronomiche si formano focalizzando la luce di un telescopio attraverso lenti (rifrazione) o specchi (riflessione). Tutti i grandi telescopi moderni hanno montature altoazimutali. Potere di un telescopio: potere di raccolta della luce ∝D2 potere risolutivo θmin = 1.22 λ/D (Criterio di Rayleigh) Telescopi di grande diametro possono essere simulati combinando il segnale di diversi telescopi più piccoli (molto usato in radioastronomia). Telescopi spaziali forniscono dati in bande spettrali non osservabili da Terra a causa dell’atmosfera. AA 2007/2008 Astronomia ➫ Lezione 4 46 Telescopi sul Web Grandi Telescopi: http://astro.nineplanets.org/bigeyes.html NGST: http://ngst.gsfc.nasa.gov/ ESO: http://www.eso.org/ HST: http://www.stsci.edu/hst/ Spitzer: http://www.spitzer.caltech.edu/index.shtml Keck: http://www2.keck.hawaii.edu/ Gemini: http://www2.gemini.edu/ NRAO: http://www.nrao.edu/ Alte Energie: http://heasarc.gsfc.nasa.gov/ AA 2007/2008 Astronomia ➫ Lezione 4 47