Corso di Radioastronomia

AFAM - Sezione di Radioastronomia

Autunno 2000
 

Lezione 1

Principi fisici di base della Radioastronomia

Il trasporto delle informazioni nel Cosmo

Lo studio del Cosmo si basa quasi completamente su informazioni che riguardano gli oggetti celesti e che, noi uomini, riusciamo ad ottenere stando qui, sul nostro pianeta. E' certamente vero che negli ultimi decenni ci si e' avvalsi di sonde spaziali che hanno esplorato da vicino alcuni corpi celesti del nostro sistema solare, ma nonostante il notevole valore di tali imprese, la descrizione che attualmente diamo dell'Universo e' principalmente dovuta all'interpretazione di osservazioni e misure eseguite restando sul nostro pianeta o nei suoi pressi (satelliti in orbita terrestre). Le grandi distanze cosmiche ed i limiti fisici imposti alla velocita` di propagazione delle informazioni, si ricordi che, in base alla teoria della relativita`, nessun oggetto o segnale puo' viaggiare a velocita' superiori a quella della luce nel vuoto, implicano che la comprensione del Cosmo deve passare necessariamente per l'osservazione "passiva" dello stesso e l'interpretazione dei fatti osservati. Esperimenti ed esplorazioni eseguite sui corpi celesti o nei loro pressi saranno sempre piu' importanti in futuro solo per la comprensione del nostro immediato circondario, cioe' il Sistema Solare e al limite la nostra galassia. Appurato questo, ci dobbiamo chiedere in che modo le informazioni viaggiano dai corpi celesti attraverso gli sconfinati spazi interstellari ed intergalattici per giungere sulla Terra. Sostanzialmente possiamo distinguere quattro classi distinte di "mezzi di trasporto".

  1. Corpi materiali
  2. Neutrini
  3. Onde gravitazionali
  4. Onde elettromagnetiche
Corpi materiali

In questa classe rientrano tutti i corpi materiali, cioe' dotati di massa, di qualsiasi dimensione, che giungono sulla Terra. Si va dalle particelle atomiche, per esempio i raggi cosmici, i quali sono protoni, elettroni o nuclei di atomi completamente privati degli elettroni che hanno energie elevatissime, alle meteoriti che possono avere dimensioni macroscopiche. Studiando l'energia cinetica di questi corpi e, nel caso delle meteoriti, la loro composizione chimica e possibile risalire ai processi fisici e chimici che li hanno generati, quindi allo stato dell'ambiente da cui provengono. Il problema piu' importante di questo mezzo di trasporto delle informazioni e' che questi corpi interagiscono fortemente con la materia e con le onde elettromagnetiche, percio' l'informazione che riceviamo da essi e' il risultato delle condizioni iniziali che li hanno generati e di tutte le successive interazioni, quindi anche trasformazioni, che hanno subito durante il loro viaggio dalla sorgente a noi. Particolare importanza riveste l'attraversamento dell'atmosfera terrestre. La nostra atmosfera, pur essendo uno strato di gas molto sottile rispetto alle dimensioni del nostro pianeta, rappresenta un efficace scudo, il quale riduce enormemente la probabilita' che i corpi provenienti dallo Spazio hanno di raggiungere il suolo. Un chiaro esempio di questo fatto e' il fenomeno delle cosi' dette stelle cadenti. Le stelle cadenti, o meteore, non sono altro che corpuscoli materiali di piccole dimensioni, da frazioni di millimetro a parecchi centimetri [1], che si disintegrano nell'alta atmosfera a causa dell'attrito provocato dal gas sulla loro superficie. Solo pochi oggetti su migliaia e migliaia riescono a raggiungere il suolo senza consumarsi completamente nel bagliore tipico delle stelle cadenti. Per quanto riguarda i raggi cosmici, l'interazione che essi hanno con l'atmosfera produce sciami di particelle elementari a scapito del raggio cosmico originario. Anche se per i nostri standard quotidiani l'atmosfera viene vista come un mezzo molto rarefatto, soprattutto l'alta atmosfera, la concentrazione di molecole e atomi per metro cubo e' estremamente piu' elevata di quella degli spazi interstellari o intergalattici. Quindi per i corpi provenienti dallo Spazio, la probabilita' di interagire con altra materia e' elevatissimo nell'ultima fase del loro viaggio. Quasi sempre ci si deve accontentare di studiare gli effetti prodotti dai corpi sull'atmosfera, i quali sono direttamente osservabili, per poi risalire alle caratteristiche del corpo stesso, quindi alla sua origine.

Per mezzo dei corpi materiali e' possibile indagare lo spazio interplanetario, la formazione ed evoluzione del sistema solare, il Sole, le fasi finali di vita delle stelle e, probabilmente, oggetti molto lontani quali i nuclei attivi delle galassie ed i Quasar.

Neutrini

I neutrini sono delle particelle elementari che hanno la caratteristica di interagire molto poco con la materia. Cio' significa che un neutrino puo' attraversare regioni in cui la densita' di materia e' elevatissima e proseguire inalterato il suo cammino. Ad esempio un neutrino ha una probabilita' non trascurabile di oltrepassare la nostra Terra come se essa fosse trasparente. Da quanto appena detto, appare chiaro che i neutrini sono veicoli robustissimi per trasferire informazioni a grandissime distanze. Visto che i neutrini interagiscono poco con la materia, risulta anche difficile catturarli, ecco perche' i rilevatori di neutrini sono dei dispositivi enormi, che coinvolgono enormi masse, e vengono messi al riparo da tutte le possibili sorgenti di rumore. I rilevatori sono di solito posizionati al di sotto di montagne, che con tutta la loro massa schermano gli strumenti, per esempio dagli sciami di particelle prodotti dai raggi cosmici. I neutrini sono prodotti in molte reazioni nucleari, percio' sono originati da eventi estremamente energetici. Attualmente sono stati osservati neutrini di natura solare ed alcuni prodotti dall'esplosione di una supernova. Come si puo' facilmente intuire da queste poche righe, lo studio dei neutrini puo' potenzialmente dare molte informazioni su luoghi e tempi (anche i neutrini hanno velocita' limitata) estremamente lontani da noi, ma la difficolta' di osservazione ha reso questo campo d'indagine poco proficuo.

Onde gravitazionali

La relativita' generale di Einstein ha ipotizzato l'esistenza delle onde gravitazionali. Le onde gravitazionali sono perturbazioni del campo gravitazionale, prodotto da una massa, che di propagano nello spazio vuoto alla velocita' della luce. La generazione di tali onde si ha quando la distribuzione di una massa cambia in modo accelerato, per esempio durante il collasso di una supernova o la rotazione veloce di una pulsar. La caratteristica fondamentale delle onde gravitazionali e' che la loro dispersione o assorbimento nella materia e' trascurabile; come conseguenza si ha che l'Universo e' trasparente a queste onde, percio' esse possono trasportare le informazioni pressoche' integre dalla sorgente a qualsiasi posto. Ma come nel caso dei neutrini, la loro scarsa rilevabilita' le rende, attualmente, poco efficaci nello studio del Cosmo. Sono in corso degli esperimenti molto sofisticati per cercare di osservare onde gravitazionali, ma fino ad ora non esistono osservazioni dirette. Esiste una sola prova indiretta della loro esistenza e si tratta dell'aumento progressivo del periodo orbitale di una pulsar binaria (PSR 1913+16) che sta rallentando la sua velocita' di rotazione in accordo con la perdita di energia calcolata per emissione di onde gravitazionali.

Onde elettromagnetiche

Le onde elettromagnetiche sono il prodotto dell'accelerazione di cariche elettriche. Esse hanno la caratteristica di interagire fortemente con la materia, quindi l'informazione che portano all'osservatore e' sempre il risultato della combinazione di quella iniziale e di quelle successivamente raccolte durante il viaggio dalla sorgente all'osservatore. Il loro grande vantaggio e' che sono facilmente rilevabili e per questo motivo sono il mezzo piu' antico ed anche quello piu' sfruttato dagli astrofisici per lo studio dell'Universo. La luce visibile proveniente da tutti i corpi celesti, le onde radio, oggetto di questo corso, i raggi UV, quelli X e quelli gamma, sono onde elettromagnetiche. I mezzi per rivelarle sono: i nostri occhi, i telescopi, i radiotelescopi, ecc. Avremo modo per approfondire durante il presente corso le caratteristiche delle onde elettromagnetiche, per il momento ricordiamo che la quasi totalita' delle informazioni che l'uomo ha raccolto fino ad oggi sullo spazio extraterrestre proviene dall'osservazione di queste onde.

Generazione di un'onda elettromagnetica

Iniziamo con il ricordare che una corpo carico elettricamente e fermo, o dotato di moto rettilineo uniforme, genera un campo elettrico statico, cio' significa che questo campo non cambia nel tempo. Ma che cosa e' un campo elettrico? Se consideriamo due corpi sferici elettricamente carichi, uno estremamente piu' massiccio dell'altro ed aventi carica elettrica dello stesso segno, sappiamo che i due corpi si respingono con una forza che e' proporzionale al prodotto delle cariche dei corpi ed inversamente proporzionale al quadrato della distanza che li separa. Visto che sui due corpi agiscono due forze di eguale intensita' che tendono ad allontanarli, ma per il piu' massiccio l'accelerazione subita e' di molto inferiore a quella dell'altro, il risultato sara' che un osservatore esterno al sistema vedra' la carica con massa minore allontanarsi rapidamente da quella piu' massiccia. Se ora prendiamo la carica meno massiccia e la spostiamo idealmente in un altro punto dello spazio, vedremo che di nuovo questa si allontanera' dalla carica maggiore sotto l'azione di una forza che, questa volta, sara' diversa dalla precedente in quanto la posizione e' cambiata, ricordiamo che la forza che stiamo trattando dipende dalla posizione relativa delle due cariche. Ripetendo questo esperimento ideale per tutti i punti dello spazio, possiamo associare ad ogni punto il valore, la direzione ed il verso della forza subita dalla carica meno massiccia a causa della presenza di quella maggiore. Viene percio' naturale descrivere questa situazione pensando che la carica piu' massiccia attribuisce allo spazio che la circonda una proprieta' che esiste indipendentemente dalla presenza della carica meno massiccia. Questa proprieta' e' il campo elettrico statico generato dalla carica massiccia. Quando una carica elettrica si trova immersa in un campo elettrostatico, essa subisce una forza che dipende dall'intensita', direzione e verso del campo e dal valore della carica stessa. In ogni punto dello spazio il campo elettrico rappresenta l'intensita', il verso e la direzione della forza esercitata su una carica di valore unitario. Quindi la forza subita da una carica in un campo e' il prodotto del valore carica per il campo esistente nel punto in cui si trova. Graficamente ci possiamo figurare il campo elettrostatico come un insieme di vettori, frecce, che indicano la direzione ed il verso della forza subita da una corica elettrica unitaria posta in un dato punto. La lunghezza della freccia e' proporzionale all'intensita' della forza. Un analogo discorso si puo' fare se si considerano due cariche elettriche di segno opposto, salvo che in questo caso le forze presenti sono attrattive.

Vediamo ora cosa accade se la carica piu' massiccia si muove di moto accelerato, per esempio oscilla, avanti ed in dietro, lungo un segmento. In questo caso, il campo elettrico prodotto non sara' statico, ma variera' nel tempo inoltre la sua variazione non e' casuale, bensi' e' strettamente legata al moto oscillatorio della carica. Si genera in questo modo una perturbazione del campo elettrico che si propaga, a partire dalla carica, in tutte le direzioni dello spazio. Abbiamo percio' appreso che esistono anche campi elettrici che variano di intensita' e direzione nel tempo oltre che nello spazio.

Passiamo ora velocemente a trattare i campi magnetici. Nel secolo XIX, molti fisici si occuparono delle forze magnetiche, che erano gia' note da secoli, si ricordi che la Terra possiede un campo magnetico. I lavori di H. Oersted, J.B. Biot e F. Savart misero in evidenza che esisteva un connessione tra le forze magnetiche e le correnti elettriche. Oggi sappiamo che una corrente elettrica stazionaria genera in campo magnetico statico. Analogamente al caso elettrico, il campo magnetico e' una proprieta' attribuita allo spazio dalle correnti elettriche, in definitiva dal movimento delle cariche elettriche. Questa proprieta', in ogni punto dello spazio, non e' altro che una grandezza, la cui intensita' e' proporzionale alla forza che sentirebbe un dipolo magnetico elementare, cioe' una piccola calamita, se venisse posta in quel punto. Anche il campo magnetico puo' essere immaginato come un insieme di vettori che indicano la direzione, il verso e l'intensita' del campo magnetico. Nel caso del campo magnetico, pero', la forza sperimentata da una piccola calamita non ha la stessa direzione e verso del campo stesso, ma e' sempre ortogonale ad esso. Maggiori dettagli sui campi elettrici e magnetici si possono trovare su diversi libri, per una trattazione chiara ed approfondita si puo' seguire il testo [2].

Nel caso in cui una corrente elettrica cambi di intensita' o anche di direzione o verso, il campo magnetico da essa generato cambia. Come per il caso del campo elettrico, anche per quello magnetico e' possibile produrre delle perturbazioni che si propagano nello spazio.

Ritornando al moto oscillatorio di una carica elettrica lungo un segmento, sappiamo gia' che esso genera un campo elettrico variabile, inoltre osserviamo che, essendo la carica in movimento, essa e' a tutti gli effetti una corrente elettrica, cioe' un moto di cariche (in questo caso una sola), che varia il suo verso e la sua intensita' nel tempo, quindi genera una perturbazione del campo magnetico. Siamo cosi' giunti a concludere che una carica oscillante, avanti ed in dietro lungo un segmento, produce delle perturbazioni nei campi elettrico e magnetico da essa prodotti. Ragionamenti analoghi portano alla stessa conclusione per qualsiasi moto accelerato di cariche elettriche. Siamo cosi' giunti alla definizione dell'onda elettromagnetica, infatti se le perturbazioni dei campi elettrico e magnetico risultano periodiche nel tempo, e' facile intuire che, in un punto dello spazio, si ripresentera' la stessa sequenza di vettori del campo elettrico e magnetico ad intervalli regolari. L'intervallo di tempo tra l'inizio di una sequenza e quella successiva coincide con il periodo della perturbazione. Quindi, cosi' come nel mare una boa ancorata in una posizione sperimenta il passaggio delle onde d'acqua che la colpiscono, i punti dello spazio sperimentano la variazione dei campi elettrici e magnetici generati da una carica elettrica in moto accelerato. Dato che il campo elettrico e magnetico prodotti da una carica accelerata sono intimamente legati tra di loro, essendo generati dalla stessa sorgente che conferisce loro caratteristiche ben precise, oltre che strettamente correlate ed anche comuni, viene naturale parlare di un'unica entita', cioe' del campo elettromagnetico o, facendo riferimento alla periodicita' della sua perturbazione, dell'onda elettromagnetica.

L'onda elettromagnetica, una volta generata, si propaga nello spazio interessando via via punti sempre piu' lontani dalla sorgente. Vediamo ora, molto sinteticamente alcune caratteristiche delle onde elettromagnetiche.

Proprieta' delle onde elettromagnetiche.

Le onde elettromagnetiche si propagano anche nel vuoto, cioe' non hanno bisogno di nessun mezzo che le supporti durante il loro trasferimento nello spazio. Se consideriamo le onde del mare, esse si propagano da un luogo all'altro grazie alla presenza dell'acqua. Se non ci fosse acqua non ci sarebbero onde. Analogamente per il suono, le onde acustiche si propagano per la presenza dell'aria, cioe' molecole di gas; dove non c'e' aria non c'e' suono. I campi elettromagnetici sono caratteristiche dello spazio che esistono in un luogo indipendentemente dalla presenza di qualche cosa in quel punto, quindi le perturbazioni di tali campi si propagano anche negli spazi vuoti. La velocita' di propagazione di un'onda elettromagnetica e' di circa 300000 Km/s nel vuoto ed e' inferiore se la propagazione avviene in spazi occupati da materia, a causa dell'interazione tra le onde e la materia stessa.

I vettori del campo elettrico e di quello magnetico di un'onda sono sempre ortogonali tra di loro e sono entrambi ortogonali alla direzione di propagazione dell'onda.

Abbiamo gia' parlato della periodicita' della perturbazione del campo elettromagnetico in un'onda, quindi una delle caratteristiche fondamentali dell'onda e' il suo periodo, cioe' l'intervallo di tempo che separa due sequenze uguali e successive di vettori. Facendo ricorso all'analogia delle onde del mare, il periodo e' il tempo che trascorre tra la presenza una cresta e quella successiva in un punto del mare. Il periodo viene di solito indicato con la lettera T. Continuando ad usare l'analogia delle onde marine, e' intuitivo che il periodo di un'onda e' legato alla sua lunghezza l, cioe' alla distanza esistente tra due creste successive. Il legame tra T e l e' saldato dalla velocita' di propagazione dell'onda c attraverso la relazione:

l = cT

Spesso al posto del periodo si preferisce usare un'altra grandezza fisica, la frequenza f che e' l'inverso del periodo e la cui unita' di misura e' l'Hertz.

Come tutti i segnali periodici, anche l'onda elettromagnetica puo' essere descritta matematicamente dalle funzioni circolari, cioe' dal seno e dal coseno o da loro opportune combinazioni con relativi coefficienti. Tali coefficienti caratterizzano un ulteriore aspetto dell'onda, quindi sono molto importati e ad essi e' stato attribuito il termine di ampiezza. L'ampiezza di un'onda semplice descritta da una sinusoide coincide con il valore massimo che il campo assume durante tutto il periodo. Riprendendo l'esempio delle onde marine, l'ampiezza e' la meta' della distanza che intercorre tra la cresta e la pancia dell'onda.

E' chiaro che le onde elettromagnetiche possono essere perturbazioni periodiche del campo elettromagnetico estremamente semplici, per esempio descrivibili da una sinusoide, o anche estremamente complicate. Esistono dei casi in cui i vettori del campo elettrico (ed anche magnetico) se osservati in un punto fisso dello spazio, durante la loro variazione di intensita' e verso, ruotano anche in senso orario o antiorario. Quest'ultima caratteristica delle onde elettromagnetiche viene chiamata polarizzazione ed assume particolare importanza quando si vogliono studiare gli effetti prodotti dalla materia sulle onde che la attraversano.

Concludendo questa breve carrellata sulle proprieta' delle onde elettromagnetiche, ricordiamo che sia il campo elettrico che quello magnetico producono delle forze sulle cariche elettriche esistenti in un punto dello spazio. Queste forze a loro volta generano lavoro, quindi energia. Ma allora da dove viene questa energia che possiamo trovare anche nello spazio vuoto? La risposta e' semplice, essa viene trasportata in quel punto dall'onda elettromagnetica. Quindi ogni onda elettromagnetica trasporta dell'energia durante il suo cammino e tale energia e' stata sottratta alla sorgente dell'onda. L'energia trasportata da un'onda e' proporzionale al quadrato della sua ampiezza, cioe' alle ampiezze dei campi elettrico e magnetico, e non dipende dalla sua frequenza o dalla sua velocita'. A scanso di equivoci ricordiamo che passando dalla descrizione ondulatoria della radiazione, che qui stiamo trattando, a quella corpuscolare, l'energia del singolo corpuscolo che compone la radiazione e' proporzionale alla frequenza dell'onda alla quale viene associato, mentre il numero dei corpuscoli relativi ad un'onda e' proporzionale al quadrato della sua ampiezza.

Propagazione di un'onda elettromagnetica

Una volta prodotta, l'onda elettromagnetica si propaga nello spazio. Alcuni aspetti estremamente interessanti ed importanti della propagazione dell'onda vanno tenuti presenti.

Abbiamo gia' visto che ad ogni onda elettromagnetica e' associata un'energia, in particolare si parla di energia che investe una superficie unitaria, nell'unita' di tempo. Tale quantita' viene anche chiamata flusso energetico totale trasportato dall'onda o semplicemente flusso. Il flusso energetico associato ad un'onda non e' costante, bensi' diminuisce allontanandosi dalla sorgente. Cio' e' dovuto al principio di conservazione dell'energia, infatti se pensiamo che una sorgente di onde elettromagnetiche irraggia ogni secondo, isotropicamente un'energia E, questa energia si distribuira' nello spazio su una superficie sferica di centro la sorgente. Quindi ricordando che la superficie di una sfera di raggio r e' 4 pi r2, si avra' che l'energia che attraversa l'unita' di superficie nell'unita' di tempo alla distanza r dalla sorgente e' E/4 pi r2. Ora, maggiore e' la distanza dalla sorgente, cioe' maggiore e' il valore di r minore e' il flusso. Da quanto appena ottenuto, si deduce che il flusso energetico decresce con l'inverso del quadrato della distanza dal luogo di emissione dell'onda. Si comprende facilmente come mai le galassie che noi osserviamo dalla Terra ci appaiono cosi' poco luminose, nonostante si tratti di agglomerati di miliardi di stelle che emettono enormi quantita' di energia ogni secondo. La loro debole luce e' la conseguenza della loro enorme distanza da noi e della legge di conservazione dell'energia.

Il comportamento di un'onda elettromagnetica nello spazio vuoto e' abbastanza semplice ed in definitiva si riduce alla diminuzione del flusso energetico, lasciando inalterate le altre proprieta'. Nel caso in cui tra la sorgente di un'onda e l'osservatore vi sia interposta della materia, allora l'onda interagira' con gli atomi e le molecole che compongono il mezzo interposto. Uno degli effetti piu' comuni che si osservano in questi casi e' l'assorbimento dell'energia trasportata o di una parte di essa, cioe' si assiste ad una riduzione del flusso ed in molti casi ad una completa estinzione dello stesso. Dal punto di vista della trasparenza dei mezzi alla radiazione elettromagnetica, si possono distinguere mezzi otticamente sottili, che sono quelli che lasciano passare gran parte della radiazione incidente su di essi, e mezzi otticamente spessi, cioe' che non lasciano passare l'onda. Nel caso dei mezzi otticamente sottili, l'informazione portata dall'onda riesce a raggiungere l'osservatore ma notevolmente affievolita, comunque sono poco inalterate o quasi le caratteristiche che l'onda aveva in origine. In questo caso il mezzo interposto tra sorgente ed osservatore emette radiazione, ma essa e' quantitativamente molto inferiore a quella che, emessa dalla sorgente, attraversa il mezzo. E' questo il caso delle nubi interstellari tenui presenti nella nostra galassia e che si trovano prospetticamente davanti a molte stelle che noi osserviamo. I mezzi otticamente spessi, invece, assorbono completamente la radiazione incidente su di essi, quindi distruggono l'informazione proveniente da una sorgente lontana e a loro volta emettono radiazione, cioe' sono a loro volta delle potenti sorgenti di onde elettromagnetiche. Quindi un osservatore che trova un mezzo otticamente spesso posto tra se e una sorgente che vuole osservare, vedra' esclusivamente la radiazione che gli viene dal mezzo e non riuscira' a ricevere informazioni dalla sorgente che gli interessa. Questo e' il caso delle nubi dense di gas e polveri che avvolgono le stelle in formazione o i nuclei delle galassie attive.

L'effetto Doppler e' un fenomeno estremamente importante che interessa la propagazione delle onde elettromagnetiche e si e' dimostrato un utilissimo strumento per lo studio dell'Universo, vediamo di cosa si tratta. Quando la sorgente delle onde elettromagnetiche e l'osservatore sono a distanza fissa l'uno dall'altro, allora la frequenza dell'onda emessa dalla sorgente e' la stessa di quella rilevata dall'osservatore. Se la sorgente si muove rispetto all'osservatore o viceversa, la frequenza dell'onda emessa non corrisponde a quella osservata, cioe', nel caso in cui sorgente ed osservatore si stiano allontanando, la frequenza osservata sara' inferiore a quella dell'onda emessa, se sorgente ed osservatore si stanno avvicinando, la frequenza osservata e' superiore a quella dell'onda emessa. Il legame tra le frequenze osservate e quelle delle radiazioni emesse passa attraverso il rapporto esistente tra la velocita' relativa della sorgente rispetto all'osservatore e la velocita' di propagazione della radiazione. Il fenomeno e' tanto piu' appariscente quanto piu' e'alevata la velocita' di allontanamento o avvicinamento della sorgente. Nel caso di allontanamento si parla di red shift, cioe' di traslazione verso il rosso delle frequenze. Questa terminologia e' nata facendo esplicito riferimento alle frequenze tipiche della banda di radiazione visibile che hanno i colori rossi a frequenze piu' basse rispetto ai colori blu. Se si ha avvicinamento tra sorgente ed osservatore si parla di bleu shift. Tramite l'effetto Doppler e' stato possibile determinate le velocita' di movimento di quasi tutti i corpi celesti a noi noti.

Processi radiativi

Abbiamo gia' detto in precedenza che la radiazione raccolta sulla Terra ci permette di conoscere come e' fatto l'ambiente che ha originato la radiazione, quindi gli oggetti celesti. Questa conoscenza si basa su un elemento molto importante che sono le leggi fisiche e chimiche fondamentali ed universali, cioe' quelle leggi che sono ritenute valide in ogni luogo dell'Universo ed in ogni istante di tempo, sia passato che futuro. Sapendo che i meccanismi di generazione delle onde elettromagnetiche sono gli stessi in ogni parte del Cosmo, ed osservando le caratteristiche delle onde raccolte sulla Terra, possiamo risalire ai processi fisici che le hanno generate ed in definitiva all'ambiente nel quale questi processi hanno risieduto. Ecco che con la semplice osservazione passiva, senza sperimentare direttamente l'ambiente, possiamo esplorare spazi lontani.

I processi di emissione della radiazione possono essere divisi in due grandi classi: a) l'emissione termica, b) l'emissione non termica.

Emissione termica

Fanno parte di questa classe tutte le emissioni di radiazione da parte di corpi che hanno una temperatura superiore allo zero termico assoluto (0 K). Le molecole o gli atomi che compongono un corpo solido o un fluido sono agglomerati di cariche elettriche, si pensi ai nuclei atomici e agli elettroni. Nei solidi queste particelle sono vincolate ad oscillare attorno ad una posizione ben precisa che viene fissata dalla struttura interna del solido. Nei fluidi, le molecole sono soggette a continui urti le une contro le altre a causa dei loro moti liberi casuali. Come si vede, sia nei solidi che nei fluidi esiste quel fenomeno che va sotto il nome di agitazione termica. Andando a guardare ancora piu' in dettaglio cosa succede alla materia che si trova ad una data temperatura, si osserva che gli elettroni che compongono il guscio di un atomo, a causa degli urti con le altre molecole non si trovano nella configurazione che garantisce la minima energia all'atomo, bensi' si trovano spesso in configurazioni ad energia piu' elevata, che tecnicamente si chiamano stati eccitati. Esiste un importantissimo principio naturale che viene seguito da tutti i sistemi fisici e che e' quello di raggiungere lo stato ad energia piu' bassa, che e' quello piu' stabile, cioe' quello nel quale si puo' esistere piu' a lungo. Per questo principio, gli atomi e le molecole che si trovano in uno stato eccitato decadono, in tempi piu' o meno lunghi, nello stato avente energia minima, detto stato fondamentale. In questo passaggio l'eccesso energetico viene eliminato nello spazio circostante come radiazione elettromagnetica. La descrizione dell'emissione termica dei corpi e' iniziata nel XIX secolo ed e' stata completata in modo soddisfacente solo nel corso del XX secolo con l'avvento di quella branca della fisica chiamata meccanica quantistica. E' esperienza comune che un corpo piu' caldo e' piu' radiazione emette e con il massimo dell'emissione a frequenze sempre piu' alte. Facciamo un esempio. Un pezzo di ferro a temperatura ambiente emette poca radiazione, infatti esso e' freddo, se non e' illuminato non lo si vede, ma se possediamo una antenna radio sufficientemente sensibile e direttiva ci possiamo accorgere che esso emette radiazione nelle onde radio. Se scaldiamo il pezzo di ferro fino a cento gradi circa noteremo che esso ci puo' riscaldare, cioe' emette radiazione nell'infrarosso. Se lo scaldiamo a parecchie centinaia di gradi noteremo che oltre a scaldare essa sara' visibile con emissione di luce propria, quindi emette radiazione visibile, che all'aumentare della temperatura passa dal rosso al giallo al bianco, tanto che sara' un problema guardarlo direttamente, senza protezioni adeguate per i nostri occhi. Aumentando ancora la temperatura e misurando le emissioni nell'ultravioletto e nei raggi X, noteremo che anche queste radiazioni verranno prodotte. Da questo esempio si comprende facilmente che la radiazione termica e' funzione principalmente della temperatura del corpo e di niente altro. All'inizio del secolo scorso, Max Planck e' riuscito a trovare una legge estremamente rappresentativa del processo che abbiamo appena descritto, tale legge viene chiamata legge di Planck o del corpo nero in quanto essa descrive esattamente la distribuzione nelle diverse frequenze dell'energia emessa, per radiazione, da un corpo che ha la proprieta' di assorbire completamente la radiazione proveniente dall'ambiente circostante. Nel caso in cui il sistema studiato non sia costituito da atomi o molecole, bensi' da particelle cariche, cioe' ioni ed elettroni liberi, cioe' un plasma, l'emissione della radiazione elettromagnetica dipende ancora dalla temperatura del sistema e dal tipo di cariche che lo compongono. In questo caso le cariche elettriche si muovono liberamente e, a causa dei continui urti, subiscono accelerazioni e decelerazioni, quindi emettono onde elettromagnetiche. Per concludere questa sintetica panoramica sull'emissione termica, ricordiamo che lo spostamento degli elettroni di un atomo o di una molecola da una configurazione ad energia elevata a quella piu' bassa comporta l'emissione di un ben preciso valore di energia ad una precisa frequenza che dipende esclusivamente dalla configurazione iniziale e da quella finale. Quindi solo certe frequenze sono ammesse in questo processo, ecco perche' nell'osservazione della luce inviataci dagli astri si notano quelle che in linguaggio tecnico sono dette linee di emissione, cioe' zone dello spettro elettromagnetico estremamente ristrette attorno ad una frequenza in cui vi e' una notevole presenza di radiazione. Analogamente alle linee di emissione esistono le linee di assorbimento, che sono zone dello spettro elettromagnetico molto confinate attorno ad una frequenza precisa, in cui vi e' quasi assenza di radiazione. Cio' avviene quando della radiazione elettromagnetica composta da molte frequenze attraversa un mezzo composto da atomi o molecole che sottraggono l'energia relativa ad una determinata frequenza, la quale coincide esattamente con quella necessaria agli atomo o molecole di portarsi in una particolare configurazione eccitata. Le righe di emissione e di assorbimento sono utilizzate con notevole profitto, per risalire: allo stato in cui si trova la materia della sorgente, all'abbondanza degli elementi chimici che compongono la sorgente e alla velocita' con cui si muove la sorgente rispetto all'osservatore. Per quanto riguarda lo stato in cui si trovava la sorgente al momento dell'emissione della radiazione, si fa ricorso alle conoscenze sulla struttura atomica, in particolare ai livelli energetici delle possibili configurazioni elettroniche dei singoli elementi. In base a queste conoscenze [4], ottenute sui laboratori terrestri e per mezzo delle moderne teorie fisiche, e all'intensita' delle righe e' possibile associare, con un margine d'errore trascurabile, la radiazione osservata ad determinato intervallo di temperature, pressioni, densita' e composizione chimica della sorgente. Utilizzando la traslazione delle righe sullo spettro delle frequenze, grazie alla relazione esistente tra lo spostamento delle frequenze e la velocita' della sorgente, descritta esaurientemente dall'effetto Doppler, si puo' misurare indirettamente la velocita' della sorgente. In questo modo sono state misurate le velocita' di allontanamento delle galassie le une dalle altre, cioe' l'espansione dell'Universo, le velocita' di rotazione di molte stelle e sistemi binari di stelle, da cui poi si e' potuto risalire alla massa del sistema. Anche la velocita' di rotazione delle galassie e' stata determinata in questo modo sfruttando la riga di emissione dell'idrogeno neutro. Tale riga si presenta alla lunghezza d'onda di 21 cm ed e' un campo di osservazione prettamente radioastronomico.

Emissione non termica

Nel caso dell'emissione termica abbiamo visto che l'unica grandezza importante per caratterizzare l'emissione della radiazione e' la temperatura. Esistono anche altri processi di emissione della radiazione che non dipendono principalmente dalla temperatura della sorgente, per questo motivo essi vengono raggruppati nella classe delle emissioni non termiche. Vediamo due esempi estremamente importanti di emissioni non termiche: la radiazione di sincrotrone e i masers.

Radiazione di sincrotrone

Quando una particella carica si muove in un ambiente in cui e' presente un campo magnetico essa subisce una forza che ne devia il moto facendo compiere alla particella una spirale attorno alle linee del campo magnetico. Questa forza, nota come la componente magnetica della Forza di Lorentz, modifica esclusivamente la direzione del moto della particella e non agisce sul modulo della velocita', quindi in definitiva non ne varia l'energia cinetica. A causa del moto curvo, quindi accelerato, la particella emette radiazione, questa radiazione non rientra nella classe delle emissioni termiche in quanto essa non dipende dalla temperatura dell'ambiente in cui si genera, bensi' essa e' funzione dell'intensita' del campo magnetico, della velocita' della particella e della carica elettrica della particella stessa. Il nome radiazione di sincrotrone deriva dallo strumento utilizzato per accelerare le particelle atomiche, ove per la prima volta e' stato sperimentato questo tipo di emissione radiativa. Le caratteristiche di questo tipo di emissione sono diverse da quella termica. Innanzitutto la radiazione di sincrotrone puo' assumere tutti i valori delle frequenze desiderate pur di scegliere opportuni campi magnetici e particelle con opportune velocita', mentre nel caso dell'emissione termica giocano un ruolo fondamentale i livelli energetici atomici, quindi i rispettivi valori fissati di energia nel passaggio da uno all'altro. La funzione che descrive la distribuzione della radiazione di sincrotrone al variare della frequenza, nella banda radio, e' una funzione decrescente monotonamente, contrariamente a quanto avviene per la funzione di Planck che invece e' crescente. Oltre che nelle onde radio, la radiazine di sincrotrone puo' interessare anche la banda visibile e perfino i raggi UV e quelli X, cio' avviene soprattutto in ambienti ove le particelle cariche si muovono a velocita' relativistiche, cioe' prossime a quella della luce nel vuoto, e vi sono intensi campi magnetici. Tali zone risiedono, per esempio, nei quasars

I Masers

Il termine maser e' un acronimo che sta per microwave amplification by stimulated emission of radiation e sta ad indicare l'amplificazione della radiazione, di una data frequenza, incidente su un mezzo, generalmente un gas composto da molecole. Vediamo perche' non si tratta di un processo termico. Ricordiamo che gli atomi e le molecole possiedono diverse configurazioni energetiche e che quelle a piu' basso valore di energia sono quelle piu' stabili. Esistono pero' alcuni livelli energetici che sono chiamati metastabili i quali hanno energie superiori a quelle dello stato fondamentale, ma hanno una stabilita' discreta a patto che non vi siano degli opportuni stimoli esterni, in tal caso la probabilita' che ha un atomo o una molecola di risiedere in uno stato metastabile e' molto bassa. Se un gran numero di molecole si trovano in uno stato metastabile e su queste molecole agisce della radiazione la cui frequenza e' quella corrispondente al salto di energia tra lo stato metastabile e quello fondamentale, allora questo stimolo esterno fa collassare le molecole nello stato fondamentale rilasciando cosi una notevole quantita' di radiazione della stessa frequenza di quella incidente. Si ha cosi' l'effetto di amplificazione della radiazione incidente. E' chiaro che gli atomi o le molecole si possono trovare in uno stato metastabile, quindi eccitato, solo se ad esse e' stata fornita l'energia necessaria a passare da quello fondamentale al metastabile. E' quindi necessario che della radiazione agisca in continuazione sulle molecole per portarne un gran numero nello stato metastabile, lasciandone poche in quello fondamentale, questo fenomeno va sotto il nome di inversione di popolazione e la radiazione che lo causa viene detta radiazione pompante. La radiazione pompante evidentemente ha una frequenza diversa da quella amplificata. Un altro meccanismo pompante puo' essere la collisione tra molecole.

L'atmosfera terrestre e la radiazione

L'atmosfera del nostro pianeta e' composta da gas, quindi e' materia e, come abbiamo visto all'inizio di questo corso, la materia interagisce notevolmente con la radiazione, quindi c'e' da aspettarsi che la nostra atmosfera provochi degli effetti sulla radiazione proveniente dallo spazio. Infatti gli starti piu' alti dell'atmosfera, che sono composti da atomi ionizzati, arrestano le radiazioni piu' energetiche, come i raggi gamma e quelli X, impedendo loro di raggiungere il suolo. Nella stratosfera vengono catturate le radiazioni ultra violette. Come tutti sperimentiamo ogni giorno, la radiazione visibile passa quasi completamente indisturbata attraverso l'atmosfera raggiungendo il suolo. Per quanto riguarda le onde radio, le microonde e l'infrarosso, esistono delle frequenze alle quali l'atmosfera e trasparente, tali intervalli di frequenze vengono chiamate finestre. La finestra radio e' molto ampia e cio' rappresenta un vantaggio per i radioastronomi, purtroppo l'inquinamento elettromagnetico prodotto dall'uomo, emittenti radiotelevisive, telecomunicazioni in genere, ma anche motori elettrici, linee per il trasporto dell'energia elettrica ecc., sporcano quasi tutte le frequenze radio rendendo difficile le osservazioni.

Bibliografia

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[2] R. Blum e D. E. Roller - Fisica - volume secondo - Elettricita' Magnetismo Ottica, 1989, Zanichelli

[3] S. Chandrasekhar - Radiative Transfer, 1960, Dover Publications Inc.

[4] B. H. Mahan - Chimica, 1983, Casa Editrice Ambrosiana