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SULLE STRIE DEGLI SPETTRI STELLARI

25 ottobre 2013

massimo mazzoni

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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.

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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.

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Che gli spettri non siano

tutti uguali, lo si capisce

guardando le stelle: hanno

diversi colori.

Quindi è diversa anche la

radiazione che emettono.

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Che gli spettri non siano

tutti uguali, lo si capisce

guardando le stelle: hanno

diversi colori.

Quindi è diversa anche la

radiazione che emettono.

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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

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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..

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Sibi gratulentur mortales

tale tantumque exstitisse

humani generi decus

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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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10

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

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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?

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1862

1900

1905

Corpo Nero

1888

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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…

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L’evoluzione dell’Astronomo

Astronomo = Geometra

Astronomo = Meccanico

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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

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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

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Fraunhofer, 1814

Erano note 7 righe nere, nella luce

scomposta del Sole. Fraunhofer ne conta più di 600

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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.

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Spettro solare nel Visibile

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Kirchhoff & Bunsen,

1859

Elementi

Gas caldo

Heid

elberg

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Kirchhoff & Bunsen, 1859

Scoprono anche che una sostanza assorbe proprio gli stessi colori che può

emettere, se investita da radiazione

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Ossia

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•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

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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

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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

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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

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Ci si accorge così che nello Spazio ci sono gli

stessi “spettri” che ci sono sulla Terra elementi

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Un vero puzzle

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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

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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

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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

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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.

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Raggi

Cosmici

Onde

Gravitazionali Neutrini ?

Radiazione

em

Informazioni sui corpi celesti

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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)

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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.

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“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

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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

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massimo mazzoni 38

Il modello di Atomo

Planck:

l’Energia è

in unità

fondamentali

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Per esempio:

Ogni livello è descritto da

una funzione d’onda,

soluzione particolare della

generale equazione di

Schroedinger (1926):

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Protagonista: l’elettrone

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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

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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..

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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.

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Spettro Solare Spettro Beta Lyrae

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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.

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Il Visibile è solo un sottoinsieme

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radioastronomia

infrarosso

raggi gamma

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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

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La nuova osservazione delle stelle

M13

Ammasso Globulare in Ercole

Edmund Halley, 1714

25100 a.l. 6 * 105 MS

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Effetto Doppler

Un effetto speciale

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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

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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

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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

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54 massimo mazzoni

“Classificazione Spettrale”

ROSSE

Età BLU

Energia

Temperatura

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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.

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La scoperta della legge delle serie

La mitica Ha @ 656.3 nm

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L’atomo di Bohr

1913

1922

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fine


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