Oltre ciò che vedono gli occhi: lo spettro elettromagnetico Understand article

Tradotto da Lucia Morganti. Claudia Mignone e Rebecca Barnes ci guidano in un viaggio attraverso lo spettro elettromagnetico, e ci raccontano la flotta di satelliti scientifici dell’Agenzia Spaziale Europea (ESA), che stanno aprendo i nostri occhi su un Universo nascosto e pieno di misteri.

Per gentile concessione della
ESA

Quello che impariamo del mondo attorno a noi lo apprendiamo attraverso i nostri sensi. I nostri occhi svolgono il ruolo principale, poiché la luce trasporta molte informazioni sulla sua sorgente e sugli oggetti che la riflettono o la assorbono. Come la maggior parte degli animali, gli esseri umani sono dotati di un apparato visivo che raccoglie i segnali luminosi e li trasmette al cervello. I nostri occhi, tuttavia, sono sensibili soltanto ad una piccolissima porzione dello spettro della luce: siamo praticamente ciechi ad ogni luce diversa da quella che chiamiamo ‘visibile’.

Oppure no? Nel corso del 19esimo secolo gli scienziati hanno scoperto e visualizzato molti tipi di luce fino ad allora invisibili: la radiazione ultravioletta (UV) e infrarossa (IR), i raggi X e gamma, le onde radio e le microonde. Fin da subito è sembrato evidente che la luce visibile e queste forme appena scoperte di luce erano tutte manifestazioni dello stesso fenomeno: la radiazione elettromagnetica (abbreviata in EM, vedi Figura 1).

Figura 1: Un’immagine schematica dello spettro elettromagnetico (EM), con riportate le lunghezze d’onda, le frequenze e le energie
Per gentile concessione della ESA / AOES Medialab

I vari tipi di radiazione EM si differenziano secondo la loro energia: i raggi gamma sono i più energetici, seguiti dai raggi X, dalla luce UV, visibile ed IR. Ogni tipo di radiazione EM a lunghezze d’onda più grandi di quelle infrarosse è classificato come onda radio. Le onde radio si dividono in submillimetriche, microonde ed onde radio lunghe. La radiazione EM si propaga in forma di onde che viaggiano perfino nel vuoto. L’energia (E) dell’onda è legata alla sua frequenza (f): E=hf, dove h è la costante di Planck, dal cognome del fisico tedesco Max Planck. La relazione fra la frequenza e la lunghezza d’onda (λ) della radiazione EM è data da fλ = c, dove c indica la velocità della luce nel vuoto. Queste due relazioni permettono di descrivere la radiazione EM non solo in termini di energia ma anche di frequenza o di lunghezza d’onda.

Radiazioni a diverse energie (o frequenze, o lunghezze d’onda) vengono prodotte da diversi processi fisici, e possono essere misurate in modi diversi – questo spiega, per esempio, perché la radiazione UV e le onde radio hanno applicazioni differenti nella nostra vita quotidiana.

Figura 2: Lo spettro EM e l’opacità dell’atmosfera. a) I raggi gamma, X e UV sono bloccati dagli strati più alti dell’atmosfera (necessità di osservazioni spaziali), b) La luce visibile è osservabile da Terra, pur subendo una certa distorsione atmosferica. c) La maggior parte dello spettro IR viene assorbito dall’atmosfera (meglio osservarlo dallo spazio). d) Le onde submillimetriche e micro sono osservabili da terra ad alte altitudini ed in climi particolarmente secchi. e) Le onde radio medie possono essere osservate da terra, ma lunghezze d’onda superiori a 10 m vengono assorbite dall’atmosfera
Per gentile concessione di ESA / Hubble / F Granato
Per gentile concessione della
ESA

Verso la fine del 19esimo secolo, gli scienziati incominciarono a chiedersi come la radiazione proveniente dal cosmo potesse venire catturata per ‘vedere’ oggetti astronomici, come stelle e galassie, a lunghezze d’onda diverse da quelle visibili. Il primo ostacolo che dovettero superare è la barriera costituita dall’atmosfera terrestre.

Ovviamente, l’atmosfera è trasparente alla luce visibile – proprio per questa ragione molti animali hanno sviluppato occhi sensibili a questa parte dello spettro.

Invece, soltanto una minima parte del resto dello spettro EM riesce a penetrare gli strati densi della nostra atmosfera (Figura 2).

Per gentile concessione della
ESA
  • I raggi gamma e i raggi X, che sono molto energetici, hanno lunghezze d’onda piccole come atomi o addirittura più piccole, e vengono assorbiti dall’ossigeno e dall’azoto negli strati più alti dell’atmosfera. Se da una parte questo protegge la vita sulla Terra da una radiazione letale, dall’altra complica la ricezione di questa radiazione per gli astronomi.
  • La maggior parte della radiazione UV è assorbita dall’ossigeno e dall’ozono negli strati più alti dell’atmosfera e nella stratosfera. Per sfruttare quella parte di radiazione UV che ce la fa a raggiungere la Terra, alcuni animali hanno sviluppato nel corso dell’evoluzione occhi in grado di percepirlaw1.
  • Le lunghezze d’onda più corte della radiazione IR riescono a penetrare l’atmosfera, ma non appena la loro lunghezza raggiunge il micrometro la radiazione tende ad essere assorbita dal vapore acqueo e dalle altre molecole presenti nell’atmosfera.
  • La stessa cosa succede alla radiazione submillimetrica – le onde radio con lunghezze d’onda comprese fra qualche centinaio di micrometri e circa 1 millimetro – ed alle microonde. Queste possono essere osservate da terra utilizzando strutture localizzate ad alta altitudine ed esposte ad un clima particolarmente secco (come descritto da Mignone & Pierce-Price, 2010), o con palloni aerostatici e sonde spaziali.
  • L’atmosfera è trasparente alle onde radio di media lunghezza, che possono essere facilmente osservate da terra, ma non lascia passare le onde radio con lunghezze superiori a dieci metri.

Qualcosa di più sull’ESA

L’Agenzia Spaziale Europea (ESA)w2 rappresenta il trampolino di lancio dell’Europa verso lo spazio, in quanto gestisce programmi per approfondire la nostra conoscenza della Terra, dello spazio vicino, del Sistema Solare e dell’Universo, coopera all’esplorazione umana dello spazio, costruisce tecnologie e servizi basati sui satelliti, e promuove le industrie europee.

La sezione ESA di Scienza ed Esplorazione Robotica si dedica al programma di scienza spaziale dell’ESA ed all’esplorazione robotica del Sistema Solare. Con l’obiettivo di comprendere l’Universo, le stelle, i pianeti e l’origine della vita, i satelliti di scienza spaziale dell’ESA sfidano le profondità del cosmo ed osservano le galassie più lontane, studiano il Sole con dettagli senza precedenti, ed esplorano i pianeti vicini.

L’ESA è un membro dell’EIROforumw5, l’editore di Science in School.


 

L’opacità non è la sola sfida che l’atmosfera pone agli astronomi: anche la sua turbolenza compromette la qualità delle osservazioni astronomiche, perfino a quelle lunghezze d’onda che raggiungono il suolo, come la luce visibile. Scontrandosi con questi problemi, nella seconda metà del 20esimo secolo, appena dopo la nascita dell’era di esplorazione spaziale, gli astronomi iniziarono a lanciare i loro telescopi oltre l’atmosfera, nello spazio. Questo dette inizio ad una vera e propria rivoluzione nell’astronomia, paragonabile all’invenzione del primo telescopio più di 400 anni prima.

Figura 3: La galassia di Andromeda, la più grande delle galassie vicine alla Via Lattea, osservata a lunghezze d’onda diverse. Le osservazioni della luce visibile, effettuate con un telescopio a terra, mostrano le varie centinaia di miliardi di stelle che costituiscono la galassia. Le osservazioni nel lontano IR dell’osservatorio spaziale Herschel rivelano il miscuglio di gas (in gran parte) e polvere da cui nasceranno nuove stelle. Le osservazioni in banda X dell’osservatorio spaziale XMM-Newton mostrano il bagliore emesso da stelle vicine alla fine della loro vita, o da quel che rimane di stelle ormai morte
Per gentile concessione di Robert Gendler (visible light); ESA / Herschel / PACS / SPIRE / J Fritz, U Gent (infrared); ESA / XMM-Newton / EPIC / W Pietsch, MPE (X-rays)

Siccome processi fisici diversi emettono radiazione a lunghezze d’onda diverse, le sorgenti cosmiche brillano in una o più porzioni dello spettro EM. Sfruttando sia i telescopi a terra che i telescopi spaziali, quindi, gli astronomi possono oggi combinare osservazioni in ogni parte dello spettro, e questo è all’origine dell’immagine che abbiamo dell’Universo, immagine estremamente affascinante e a lungo rimasta nascosta (Figura 3 e Figura 4). Le osservazioni nella banda IR, per esempio, rivelano le nubi di polvere e gas altrimenti invisibili, che riempiono lo spazio interstellare e da cui nascono nuove stelle. Analizzando i raggi gamma e X, gli astronomi riescono ad osservare i fenomeni energetici più potenti dell’Universo, dai buchi neri che divorano materia alle esplosioni di supernove.

Figura 4: La Nebulosa di Orione, un’immagine simbolo di un asilo nido cosmico, vista a diverse lunghezze d’onda. Il riquadro blu ingrandisce parte della costellazione di Orione, ed il riquadro arancione ingrandisce ulteriormente, mostrando la Nebulosa di Orione in gran dettaglio. Questa regione, dove migliaia di stelle si stanno formando, appare in maniera molto diversa nelle diverse bande dello spettro EM. Osservazioni della luce visibile, con telescopi a terra, mostrano soprattutto stelle, mentre osservazioni a lunghezze d’onda maggiori (vicino e lontano infrarosso, submillimetrico e microonde) rivelano la miscela complessa di gas freddo e polvere da cui nascono le stelle. Le osservazioni della radiazione X mostrano invece il gas caldissimo emesso da stelle giovani e massicce
Per gentile concessione di ESA / AOES Medialab (composizione intera); Kosmas Gazeas (luce visibile, immagine grande); STScI-DSS (luce visibile, immagine piccola); ESA, LFI & HFI Consortia (microone e onde submillimetriche); AAAS / Science, ESA XMM-Newton and NASA Spitzer data (medio infrarosso e raggi X); NASA, ESA, M Robberto (Space Telescope Science Institute / ESA) e Hubble Space Telescope Orion Treasury Project Team (visibile e vicino infrarosso)

Guardando al cielo: l’astronomia da terra

Complementari ai telescopi spaziali dell’ESA ci sono i telescopi a terra dell’European Southern Observatory (ESO)w4. Per minimizzare la distorsione delle immagini causata dall’atmosfera terrestre, l’ESO fa funzionare i propri telescopi nelle regioni nord del Cile, che sono fra le migliori regioni per le osservazioni astronomiche nell’emisfero sud, a causa della loro alta altitudine e del clima secco.

Come l’ESA, l’ESO conduce osservazioni in diverse parti dello spettro EM. Il Very Large Telescope (VLT) dell’ESO è il telescopio per luce visibile ed infrarossa più avanzato al mondo, costituito da quattro telescopi dal diametro di 8.2 m ciascuno e da quattro telescopi più piccoli, che possono lavorare insieme come un interferometro per produrre osservazioni ancora più dettagliate. Sempre nel deserto di Atacama si trova ALMA, che è attualmente il più grande progetto di astronomia da terra. Frutto di una collaborazione fra l’ESO ed i partner internazionali, ALMA osserverà la radiazione millimetrica e submillimetrica permettendo agli astronomi di guardare alcuni fra gli oggetti più freddi e distanti dell’Universo con una risoluzione molto maggiore rispetto a quella oggi possibile (Mignone & Pierce-Price, 2010).

ESO è un membro di EIROforumw5, l’editore di Science in School.


 

Studiare il cosmo in tutto lo spettro EM è uno degli obiettivi scientifici dell’Agenzia Spaziale Europea (ESA, vedi riquadro)w2, che ha al momento cinque missioni operative dedicate all’astronomia (vedi la Figura 5). In ordine crescente di energia, esse sono Planck (submillimetrico e microonde), Herschel (IR), Hubble Space Telescope (visibile, ma anche alcune lunghezze d’onda IR e UV), XMM-Newton (raggi X) e INTEGRAL (raggi gamma e X)w3.

Figura 5: La flotta di satelliti ESA presenti e futuri per studiare l’Universo in tutto lo spettro EM. Da sinistra a destra: onde radio, microonde, radiazione submillimetrica, infrarosso, luce visibile, ultravioletto, raggi X e gamma. Cliccare sull’immagine per ingrandirla
Per gentile concessione della ESA

Nei prossimi numeri di Science in School, esploreremo lo spettro EM in maggiore dettaglio con l’aiuto dei telescopi presenti e passati di ESA, che hanno contribuito a modificare e migliorare la nostra comprensione dell’Universo.

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References

Web References

Resources

  • I video podcast Science@ESA esplorano il nostro Universo con gli occhi dei veicoli spaziali dell’ESA. L’episodio 1 (‘The full spectrum’) spiega perché è necessario inviare telescopi nello spazio e cosa questi possono insegnarci sull’Universo. Vedi: http://sci.esa.int/vodcast
  • Per saperne di più sull’atmosfera della Terra e sul ruolo – e la perdita – dell’ozono, puoi leggere:
  • Per vedere come l’insegnante di fisica Alessio Bernadelli appassiona i suoi studenti allo spettro EM facendo loro realizzare uno spettacolo TV sull’argomento, vedi il blog di Alessio (http://alessiobernardelli.wordpress.com) o utilizza direttamente il link: http://tinyurl.com/42ow4a9
  • Per sapere come la lunghezza d’onda a cui un oggetto celeste emette la gran parte della propria luce è collegata alla temperatura dell’oggetto:http://sci.esa.int/jump.cfm?oid=48986
  • L’ESA ha prodotto una vasta gamma di materiale educativo disponibile gratuitamente per aiutare gli insegnanti nelle loro lezioni: materiale stampato, DVD e video online, kit per insegnare e siti web. Per un elenco completo: www.esa.int/educationmaterials
  • Per sapere di più sulle attività educative dell’ESA, vedi: : www.esa.int/education

Institution

ESA, ESO

Author(s)

Claudia Mignone lavora presso la Vitrociset Belgium per l’ESA – Agenzia Spaziale Europea, come scrittrice scientifica. Ha ottenuto la Laurea in Astronomia presso l’Università di Bologna, ed il Dottorato in Cosmologia presso l’Università di Heidelberg, in Germania. Prima di entrare a far parte dell’ESA, ha lavorato presso l’ufficio di divulgazione scientifica dell’European Southern Observatory (ESO).

Rebecca Barnes lavora presso la HE Space Operations per l’ESA – Agenzia Spaziale Europea, ed è la responsabile dell’Educazione della Sezione ESA per la Scienza e l’Esplorazione Robotica. Si è laureata in Fisica ad indirizzo astrofisico presso l’Università di Leicester, in Gran Bretagna, e precedentemente ha lavorato presso il dipartimento di Educazione e Comunicazione del National Space Centre inglese. Per saperne di più sulle attività educative della Sezione ESA di Scienza ed Esplorazione Robotica, puoi contattare Rebecca: SciEdu@esa.int


Review

Quest’articolo illustra al lettore alcune applicazioni dello spettro elettromagnetico che spesso non sono considerate quando si affronta il tema. Inoltre, fornisce agli insegnanti gli strumenti per coinvolgere i loro studenti e motivarli ad un approfondimento di questo argomento affascinante.

I video podcast dell’ESA, menzionati nella sezione delle fonti, costituiscono materiale eccellente per studiare la radiazione EM. Gli insegnanti possono anche abbonarsi per ricevere i podcast più recenti.

Alcune domande di comprensione ed approfondimento stimolate dall’articolo:

  1. Che tipo di onde costituisce la radiazione elettromagnetica? Trasversali o longitudinali?
  2. Fai qualche esempio dei tipi di radiazione elettromagnetica a frequenze più alte e più basse della luce visibile.
  3. Descrivi qualche applicazione tecnologica delle onde luce e delle onde radio.
  4. Credi che l’inquinamento incida sulla quantità di radiazione osservabile? Motiva la tua risposta.
  5. Cita un effetto nocivo della luce UV quando questa non viene bloccata dall’ozono negli strati più alti dell’atmosfera.
  6. Qual è l’ostacolo maggiore nell’uso dei telescopi a terra?

Comunemente il lancio dei telescopi astronomici è associato alla NASA. Tuttavia quest’articolo ricorda esplicitamente che anche l’Europa è attiva nello studio del cielo – e questo dovrebbe rendere meno distante l’argomento e la scienza per gli studenti Europei.


Angela Charles, Malta




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