sulle strie degli spettri stellari 25 ottobre 2013 · sulle strie degli spettri stellari 25 ottobre...
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SULLE STRIE DEGLI SPETTRI STELLARI
25 ottobre 2013
massimo mazzoni
Energia
Energia
Profilo Spettrale
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
Energia
Profilo Spettrale
L’andamento del grafico,
nel continuo e nelle righe
è un “codice” che contiene
informazioni sulla natura
fisica e chimica della
sorgente della radiazione.
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
a cu s t ica
ter m ologia elet t r icità
m a gn et is m o
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.
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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.
1781 – 1846 Titius – Bode 1770 ca
Natura corpuscolare o ondulatoria (diffrazione, interferenza) della luce?
Spettro del corpo totalmente assorbente?
Struttura della materia?
Significato dei diversi spettri degli elementi e delle stelle?
..questo è il problema.. ..e qui forse
la soluzione..
..e viceversa..
Possibile che una stella sia un corpo nero?
1862
1900
1905
Corpo Nero
1888
Dallo studio dei fenomeni
solari nasce una “Nuova
Astronomia” detta
Fisica Solare o
Fisica Celeste o
Astronomia Fisica o
ASTROFISICA
XVIII-XIX secolo: declino dell’Astronomia
Astronomia Classica
o di Posizione L’altra…
L’evoluzione dell’Astronomo
Astronomo = Geometra
Astronomo = Meccanico
1800: il perché delle cose
Astronomo = Fisico della Luce
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”
La natura 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
Kirchhoff & Bunsen,
1859
Elementi
Gas caldo
Heid
elberg
Kirchhoff & Bunsen, 1859
Scoprono anche che una sostanza assorbe proprio gli stessi colori che può
emettere, se investita da radiazione
Ossia
•
•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.
Nel 1859 Kirchhoff enuncia tre fondamentali leggi empiriche
Le leggi della radiazione di Kirchhoff
Corpo Nero caldo
Prisma
(a) Spettro continuo (il corpo nero emette luce a tutte le lunghezza d’onda)
Prisma
(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
(c) Spettro di righe di emissione (gli atomi nella nube di gas ri-emettono la luce alle stesse λ alle quali l’hanno assorbita.)
Nube di gas più freddo
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 radiazione che corrisponde a transizioni atomiche.
Gli spettri delle stelle sono Spettri di Assorbimento
Spettri stellari “Superfice” della parte che emette il continuo:
Fotosfera. Nel caso del Sole:
400 km.
Strato invertente (Atmosfera) Gli spettri delle stelle sono
Spettri di Assorbimento
Ci si accorge così che nello Spazio ci sono gli
stessi “spettri” che ci sono sulla Terra elementi
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
Auguste Comte
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
Polarizzazione
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.
1808
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 Neutrini ?
Radiazione
em
Informazioni sui corpi celesti
Radiazione integrale
Per secoli l’Astronomia ha utilizzato soltanto l’intensità luminosa visuale complessiva dei corpi celesti per caratterizzarli e studiarne il moto.
Futur Balla – Lampada ad Arco (1910)
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.
“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
Spettroscopia
massimo mazzoni 37
Il modello di Atomo
Questo è
l’Atomo
Dopo il primo
modello di
J.J. Thomson
1897
alla fine si
capirono le
orbite
elettroniche
Però allora
l’elettrone
doveva
emettere
Energia e..
Planck:
l’Energia è
in unità
fondamentali
Anzi:
l’orbita è
come una
corda
oscillante
massimo mazzoni 38
Il modello di Atomo
Planck:
l’Energia è
in unità
fondamentali
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
Esistono decine di livelli popolati,
in un atomo in condizioni standard.
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.
Ogni atomo ha infiniti livelli
energetici possibili
Ci sono decine di migliaia di transizioni probabili o almeno
possibili in base alle Tabelle dei Livelli Atomici
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.
Anche il moto caotico degli atomi dovuto alla loro Temperatura caratterizza la forma della riga.
La Pressione locale determina 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
radioastronomia Materia oscura interstellare Sole Pulsar
Quasar Radiogalassie Fondo a microonde
Nubi molecolari Centro della Galassia
Protostelle Maser
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
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
Espansione dell’Universo
Valore medio della curva
di rotazione
200 km /s
Doppler cosmologico
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.
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
Struve
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.
Uno dei risultati più importanti dell’analisi
spettroscopica della radiazione stellare è lo
schema evolutivo di questi corpi
54 massimo mazzoni
“Classificazione Spettrale”
ROSSE
Età BLU
Energia
Temperatura
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