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L'UNIVERSO INVISIBILE

Il cielo a tutte le frequenze

Il cielo infrarosso

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La principale causa dell’emissione infrarossa da parte degli oggetti celesti è l’emissione termica. In genere si parla ancora di corpi piuttosto freddi con temperature dell’ordine di qualche centinaio di °K fino a qualche migliaio di °K. Questo tipo di emissione si registra soprattutto dalle nebulose ad emissione, dalle nebulose oscure, dai pianeti, da stelle fredde o da stelle mancate come le nane brune, da stelle in formazione e protostelle e dalle galassie giovani.

Le nane brune e le protostelle sono in realtà così fredde da emettere quasi totalmente nell’infrarosso, le protostelle risultano immerse in polveri fredde che le rendono totalmente invisibili e sono quindi rilevabili soltanto nell’infrarosso. Le nebulose oscure sono anche esse composte principalmente da polvere, appaiono totalmente nere nel visibile, al contrario diventano assai luminose nella banda infrarossa rivelando le stelle in formazione contenute in esse. A testimonianza di ciò ci sono anche le osservazioni infrarosse di galassie. L’analisi accurata di queste osservazioni ha potuto appurare che l’emissione infrarossa è scarsa nelle galassie ellittiche e assai abbondante nelle galassie a spirale soprattutto in prossimità dei bracci a spirale e delle nebulose polverose dove avvengono a un ritmo più elevato eventi di formazione stellare.

via lattea

 

Breve storia dell’astronomia infrarossa

herschelL’anno 1800 sicuramente non costituisce l’inizio dell’astronomia infrarossa ma include un evento fondamentale per la nascita di questo tipo di ricerca astronomica; in quel periodo la più grande autorità astronomica fu certamente Sir William Herschel. Herchel che fu lo scopritore di Urano, non si interessava solo di astronomia osservativa, ma anche di fisica, in particolare gli interessavano le proprietà della luce. Herschel era fermamente convinto che i colori prodotti dalla dispersione della luce bianca da parte di un prisma fossero dovuti a differenti proprietà fisiche della luce riconducibili, secondo Herschel, alla temperatura. Herschel misurò la temperatura di tutti i colori dello spettro elettromagnetico e con suo grande stupore osservò che questa aumentava andando dal colore rosso al violetto. Al termine dell’esperimento Herschel pose un termometro appena oltre il rosso e ancora con grande stupore misurò una temperatura dove non vedeva radiazione. Herschel concluse che i raggi calorici che provengono dal Sole dovevano essere invisibili all’occhio e trovarsi appena al di la del rosso dello spettro visibile. Con questo celebre esperimento vennero scoperti i raggi infrarossi.

Nel 1850 il fisico Italiano Macedonio Melloni inventò la termopila, cioè un congegno costituito da metalli opportunamente accoppiati che è in grado di sviluppare tensione elettrica quando colpito dal calore. Melloni realizzò un rivelatore di calore che gli permise di identificare varie proprietà della radiazione infrarossa emessa dal Sole e gli consentì di affermare che era una radiazione del tutto identica a quella visibile ma con la caratteristica di avere un "colore" diverso che l’occhio umano non è in grado di osservare. Qualche anno più tardi Melloni, utilizzando una lente convergente, riuscì ad osservare l’emissione infrarossa dalla Luna, nasceva così l’astronomia infrarossa. Nel 1856 Charles Piazzi Smyth riuscì a misurare l’emissione infrarossa della luna piena dal picco Guajara all’isola di Tenerife dimostrando che il flusso aumenta con l’aumentare dell’altitudine. Ciò venne interpretato correttamente come un fenomeno dovuto all’assorbimento della radiazione infrarossa da parte dell’atmosfera. Nel 1870, invece, Lord Rosse riuscì a determinare la temperatura della Luna dalla misura della sua emissione infrarossa.

Il grande passo avvenne nel 1878 quando il fisico americano Samuel Pierpoint Langley inventò un’apparecchiatura chiamata bolometro, esso era costituito da una striscia di platino delle dimensioni di 1cm x 1 mm x 0,01 mm e colorato di nero, il filo di platino presenta una resistenza elettrica che è funzione della temperatura. Langley pose il bolometro sulla fenditura del suo spettroscopio e studiò lo spettro infrarosso del Sole. Agli inizi del secolo Wiliam Coblentz sviluppò una termopila molto più sensibile di quella di Melloni costituita dall’accoppiamento di diverse termopile. Con essa Coblentz misurò la radiazione infrarossa di Giove, Saturno e 110 stelle del firmamento, e nel 1920 si arrivò alle prime sistematiche osservazioni infrarosse del cielo.

Nel 1948 osservazioni infrarosse dello spettro lunare dimostravano che la luna doveva essere coperta da polvere, negli anni 50 vengono invece utilizzati sensori al solfuro di piombo ( PbS ), nuovi dispositivi sviluppati durante la seconda guerra mondiale per scopo bellico. La resistenza di queste celle opportunamente drogate con ossigeno dipende dalla radiazione infrarossa incidente, quindi si può correlare la misura della resistenza elettrica con l’ammontare di radiazione infrarossa incidente. Questi sensori venivano raffreddati a 77 K per aumentare la sensibilità. Questi sensori permisero di studiare la radiazione elettromagnetica proveniente dagli oggetti celesti fino al lunghezze d’onde di 3 micrometri, ciò ha consentito di ottenere il primo fotometro infrarosso nel 1959. Contemporaneamente Johnson ha provveduto a realizzare dei filtri per definire un sistema di magnitudini infrarosse. Nel 1961 Frank Low sviluppava il bolometro al Germanio, questo strumento era centinaia di volte più sensibile dei precedenti sensori, le migliori prestazioni si ottenevano ad una temperatura di 4 K, raggiungibile tramite l’utilizzo di elio liquido per il raffreddamento. Questo sensore era sensibile anche nel lontano infrarosso, regione dello spettro accessibile soltanto al di fuori dell’atmosfera.

Nel 1973 un pallone sonda con un bolometro al germanio venne utilizzato per effettuare osservazioni infrarosse di Marte . Palloni con sensori migliorati hanno permesso di ottenere una survey del cielo a 100 micrometri. Negli anni sessanta fino al 1975 ebbero luogo anche una serie di lanci di missili balistici del Air Force Cambridge Research Laboratory che consentirono di ottenere una survey del cielo a 4, 10 e 20 micrometri sommando i tempi di osservazione di ogni volo (circa 30 minuti). Nel 1968 Robert Leighton e Gerry Neugebauer terminarono la prima survey infrarossa del cielo dall’osservatorio di monte Wilson, questa survey copriva il 75 % del cielo a 2,2 micrometri .

Osservatorio IRASNel primi anni ’70 venne scoperto che anche le galassie emettono nell’infrarosso mentre nel 1974 il Kuiper Airborne Obervatory iniziò a volare e compiere osservazioni. Si tratta di un osservatorio infrarosso montato su un aereo della NASA e che è rimasto in funzione per oltre 20 anni. Negli anni ’80 nascono le prime matrici sensibili nell’infrarosso, simili ai CCD ottici. Ciò permise nel 1983, ad opera di una collaborazione tra USA, Regno Unito e Olanda, di lanciare in orbita il primo telescopio infrarosso: IRAS. Tra le sue scoperte annoveriamo 500.000 nuove sorgenti infrarosse, un disco di polvere attorno a Vega, emissioni da galassie interagenti e nubi di polveri galattiche.

Osservatorio IRTSNel 1985 un altro telescopio infrarosso viaggiò a bordo dello space Shuttle. Nei primi anni ’90 invece è l’ottica adattiva che farà compiere un grande passo agli osservatori di alta quota, mentre nel 1993 entra in funzione il telescopio antartico SPIREX. Due anni dopo il Giappone lanciò il telescopio infrarosso IRTS, la sua missione durò appena 28 giorni ma permise di determinare la distribuzione galattica dell’ossigeno e del carbonio.

Osservatorio ISONel novembre 1995 l’Agenzia Spaziale Europea lanciò l’osservatorio ISO che, in 2 anni e mezzo di attività, fornì una copertura completa del cielo tra 2,5 e 240 micrometri. Nel 1997 iniziò la survey "2 micron" per ottenere immagini a 1,25 1,65 e 2,17 micrometri. Nello stesso anno è stata installata la camera NICMOS sul telescopio spaziale Hubble che ha quindi avuto anche una capacità di osservazione in infrarosso vicino.

Il grande osservatorio SIRTFNel 2003 viene lanciato SIRTF, il grande osservatorio infrarosso della NASA dedicato allo studio dell’universo nella banda infrarossa. Dopo il lancio, l’osservatorio è stato dedicato all’astronomo americano Lyman Spitzer. Un altro filone di ricerca in astronomia infrarossa è portato avanti grazie a telescopi montati su aerei che volano ad alta quota, sopra gli strati densi dell’atmosfera, responsabili dell’assorbimento in infrarosso. Fino al 1995 è stato operativo l’osservatorio Kuiper della NASA ed ora sostituito con il telescopio SOFIA, un nuovo osservatorio infrarosso con uno strumento più grande e sofisticato dei precedenti.

all sky

L’Agenzia Spaziele Europea ha sviluppato un ambizioso progetto di un grande osservatorio infrarosso orbitale chiamato Herschel. Lanciato il 14 maggio 2009, l’osservatorio Herschel ha cominciato a fornire risultati interessanti, in particolare gli obbiettivi della missione potranno essere raggiunti per il termine missione previsto per il 2012. Herschel ha il compito di determinare la composizione delle grandi nubi molecolari presenti nelle galassie, di studiare gli oggetti più freddi dell’universo e del sistema solare determinandone sia la composizione chimica che le proprietà fisiche.

la galassia M51 nella costellazione dei Cani da Caccia ripresa con l’osservatorio Herschel

 

 

 

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