Uno spettro? Un fantasma? Beh, si ma non fanno molta paura... perché questi sono spettri molto particolari. Tutti voi avete visto un arcobaleno: bene, la luce colorata
di questo meraviglioso fenomeno naturale è proprio lo spettro luminoso della luce del sole che si scompone in tutte le sue componenti, che in termini scientifici chiamiamo “lunghezze d’onda”.
Fu Newton verso il 1665 a dare il nome “spettro” (perché luce evanescente, quasi spettrale) a questo fenomeno, in uno dei suoi più famosi esperimenti, utilizzando un prisma triangolare attraverso cui fece passare la luce del sole, prima filtrata da una sottile fenditura.
Non è l’unico modo di diffondere la luce, per formare uno spettro: oggi si possono usare oggetti più sofisticati come reticoli di diffrazioni o grisms, un mix fra prismi e reticoli.
In astrofisica gli spettri sono FONDAMENTALI per la conoscenza delle composizioni chimiche di ciò che si sta osservando: senza di essi non potremmo sapere di cosa sono fatte le stelle, le galassie e tanti oggetti remoti che non possiamo analizzare con le nostre mani, ad esempio in laboratorio.
E’ per questo motivo che, oltre alle classiche fotografie astronomiche, ho voluto autocostruirmi uno spettroscopio, per un’analisi spettrale dei corpi celesti. Intendiamoci, questi strumenti si possono anche acquistare, e di altissima precisione. Ma devo ammettere che il gusto del fai da te, un mix micidiale di “saper fare”, di imparare sul campo e di profonde conoscenze di chi ha già fatto qualcosa di simile, fornisce alla fine una soddisfazione che va ben oltre ciò che si può fare con uno strumento acquistato.
Partiamo quindi dall’inizio, dal progetto. Ho utilizzato lo spettroscopio "fai da te" LOWSPEC v3, progettato da Paul Gerlach che ho stampato con una stampante 3D, una Creality Ender 3. Potete trovare tutti i file 3D, le istruzioni e molti esempi sul sito https://www.thingiverse.com/thing:2455390
Oltre che stampare i pezzi con una stampante 3D dovrete procurarvi un po’ di materiale da “ferramenta” (viti, bulloni, ecc.) e qualche parte ottica. Ma nel progetto sono elencati tutti i pezzi necessari e anche i link ai siti dove acquistarli. Vedi le immagini per capire più o meno il materiale necessario completo per la sua costruzione.
Questo strumento può dare parecchie soddisfazioni in ambito didattico e astronomico in particolare, per l'analisi approfondita di stelle, pianeti, supernove, nebulose ecc.
La più grande soddisfazione ovviamente, come già detto, viene proprio dalla sua costruzione, in fondo abbastanza semplice, con un costo finale di circa 4-500€, quindi molto più basso di uno spettroscopio commerciale delle stesse caratteristiche. E’ possibile installare vari reticoli, sostituibili con un semplice “avvita/svita” del pezzo. La risoluzione del reticolo di diffrazione che ho acquistato io è di 600 l/mm (si può partire anche da 300 l/mm per iniziare), che può essere anche upgradato fino a 1800 l/mm per una risoluzione spettrale anche di R=5-6000.
Non vi descriverò il procedimento di costruzione, che trovate nelle istruzioni dettagliate di Paul, piuttosto alcuni risultati ottenuti.
Veniamo però prima di capire cosa ci racconta uno spettro.
Prima di tutto si acquisisce lo spettro vero e proprio con lo spettroscopio attaccato al telescopio – io uso un Celestron C6 a f/10, rapporto focale ideale per questo tipo di strumento.
Lo spettroscopio come già spiegato ha al suo interno un reticolo di diffrazione che scompone la luce in tutti i suoi "colori" o lunghezze d'onda. Quest’immagine viene acquisita come una normale fotografia astronomica, magari con più pose separate, utilizzando anche i dark e i flat frames.
Se osservate bene l’immagine dello spettro qui sopra (spettro del Sole), noterete delle righe verticali scure: queste sono dette righe di assorbimento. La loro posizione sullo spettro indica esattamente l’elemento chimico che sta assorbendo la luce nella direzione dell'osservatore. Vedere quindi una riga di assorbimento significa "scoprire" un elemento chimico o una molecola presente nell’oggetto osservato. Non entrerò nei dettagli delle cause fisiche del processo di assorbimento ma se siete curiosi chiedete pure!
Il passo successivo è analizzare l’immagine acquisita tramite un software (io uso un programma gratuito chiamato BASS project - https://groups.io/g/BassSpectro) creando un grafico 1D (vedi la figura qui sotto). In questi grafici si possono analizzare meglio le righe di assorbimento (che in alcuni casi possono anche essere di emissione, cioè con picchi rivolti verso l’alto), trovandone la posizione esatta e misurandone il flusso (l’altezza) ed eventualmente la larghezza, parametri che possono indicare anche la quantità di elementi presenti nell’oggetto osservato.
Fra i primi spettri acquisiti, il "semplice" spettro solare (inquadrando in realtà il cielo azzurro) e in comparazione lo spettro del pianeta Marte. Come si può vedere il pianeta mostra praticamente tutte le righe di assorbimento dello spettro solare, essendo un corpo che riflette e non produce radiazione propria. C'è qualche piccola traccia di Ne (neon) e forse Ar (argon) in più ma pochissimo visibili mentre le features più evidenti dell'anidride carbonica CO2 presenti nell’atmosfera del pianeta sono purtroppo collocate nel vicino e medio infrarosso, non inquadrate da questo scatto più centrato sul visibile.
Altro esempio lo spettro del pianeta Urano.
Come si può notare da questo grafico, ci sono degli avvallamenti (a volte più a volte meno evidenti e stretti) che sono le righe di assorbimento: sono delle righe scure sul fondo arcobaleno (il cosiddetto continuo) che come detto indicano esattamente l'elemento che sta assorbendo la luce nella direzione dell'osservatore.
Nel caso di Urano vedete la presenza di CH4, cioè del metano, che infatti compone gran parte dell'atmosfera del pianeta. La curva del continuo rappresenta la luce riflessa dal sole, a cui mancano appunto delle righe (in questo caso molto larghe, sembrano più delle valli, a causa anche della risoluzione dello strumento usato): il metano presente in atmosfera del pianeta ha assorbito parte della luce proveniente dal sole, riflettendone solo una parte, mancante proprio degli elementi presenti in atmosfera.
Ma come facciamo a sapere a quali elementi corrispondono queste righe? Facendo delle misurazioni in laboratorio, otteniamo spettri da elementi chimici noti e quindi sappiamo dove si trovano precisamente tutti gli elementi chimici della tavola periodica. Non è così semplice per le molecole, più complesse: oggi come oggi ne conosciamo più di 200, ma la posizione delle righe di altrettante è ancora sconosciuta.
Costruire questo spettroscopio può essere difficile (ad esempio per le scuole). In un prossimo articolo vi proporrò uno strumento molto più semplice, da costruire in classe e sperimentare assieme ai ragazzi.
Spero che questo mio lavoro abbia aperto gli occhi verso i colori dell’arcobaleno.
Capire gli spettri è infatti essenziale per capire l'universo.