Da linee di Fraunhofer a Universo in espansione

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14/09/2014 21:19 - 14/12/2016 15:48 #146 da P. Strolin
P. Strolin ha creato la discussione Da linee di Fraunhofer a Universo in espansione
Da linee di Fraunhofer a Universo in espansione
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Clara Guadagni e Paolo Strolin
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Per domande: autori o Domanda a un esperto
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La figura 1 mostra le linee nere scoperte agli inizi dell’Ottocento da Joseph von Fraunhofer (figura 2) nello spettro della luce solare. Le “linee di Fraunhofer” furono uno straordinario “seme” di Scienza, in un vasto dominio che va dalla Fisica alla Chimica, all’Astrofisica e alla Cosmologia.
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Fig. 1. Le linee nere nello spettro della luce solare osservate da Fraunhofer nel 1814
Denkschriften der Akademie der Wissenschaften zu München, Vol. 5, Table II, Munich 1817
Deutsches Museum, Munich, Germany - Immagine Exploring Cosmos – UC Irvine
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Fig. 2. Joseph von Fraunhofer
Incisione ottocentesca
Immagine Archiv BBAW-Wikimedia

La figura 3 mostra un esempio di “ codice a barre ”, che alla cassa dei supermercati è correntemente letto mediante un dispositivo a laser ormai diventato banale. L’analisi delle linee nere nel codice a barre garantisce una pronta identificazione dei prodotti commerciali, evitando errori umani e file interminabili.

Come vedremo, le linee di Fraunhofer sono il “codice a barra” degli elementi chimici e da esse nacque la “ Spettroscopia ” come sensibilissimo metodo di analisi chimica. In particolare, esse fornirono uno straordinario strumento d’indagine per l’analisi della composizione chimica degli strati esterni degli astri e per misurarne velocità rispetto a noi, facendo nascere l’Astrofisica e la Cosmologia di oggi.

Inoltre le loro regolarità – studiate nell’Ottocento e inspiegabili per la fisica classica - furono preludio alla visione quantistica, esplosa agli inizi del Novecento e base di tecnologie totalmente integrate nella vita di oggi, anche in suoi aspetti essenziali. Di questo tratta l’articolo gemello Da linee di Fraunhofer ad atomo quantistico .

Nelle profondità essenzialli della Scienza, ove stanno le radici dei fenomeni, troviamo le "costanti", La costante della Fisica Quantistica è la "costante di Planck". Essa nasce dalla " quantizzazione " della radiazione elettromagnetica, appare nel cosiddetto " dualismo onda-particella " (la descrizione delle particelle tramite onde e viceversa) e regola il “ principio di indeterminazione ". La costante di Planck è la base comune dei suddetti articoli gemelli. L’ampiezza della sua portata è illustrata in Costante di Planck dalla A alla GU, dove per GU s'intende " Grande Unificazione ".
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Fig. 3. Un esempio di codice commerciale a barre


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Fig. 4. Mark Rothko
Senza titolo (Violetto, nero, arancione, giallo su bianco e rosso), 1949
Guggenheim Museum, New York - Immagine Guggenheim Museum

Come Jackson Pollock (1912-56), Mark Rothko (1903-70) è uno dei pittori della “ Scuola di New York ”, detta anche degli “irascibili” per la loro ribellione come reazione all’esclusione dall’Esposizione di "Arte Moderna" tenuta a New York nel 1950. L’arte di Rothko può essere definita come “ Espressionismo Astratto ”. Egli ha usato mezzi astratti per esprimere emozioni umane universali.

La figura 4 mostra un’ opera di Rothko , con un titolo a prima vista sconcertante: Senza titolo (Violetto, nero, arancione, giallo su bianco e rosso). Vediamo che pure in Arte le linee nere possono avere una valenza espressiva.

Dalla figura 1 potremmo anche trarre un quadro e dirlo astratto, pur continuando ad ammirare l’Arte di Mark Rothko. Di Arte e Scienza tratta Arte della Scienza e Arte con la Scienza: colore e nero .


Joseph von Fraunhofer

La vita di Joseph von Fraunhofer (1787-1826) ha aspetti da favola. Rimasto orfano a 11 anni, pochi anni dopo rimase sepolto nel crollo del laboratorio di vetraio in cui aveva iniziato a lavorare. La sorte volle che a condurre il salvataggio fosse il Principe e futuro Re Massimiliano I. Egli fu notato, sostenuto negli studi e poi inserito nell’Istituto di Ottica, del quale divenne direttore a 31 anni di età. Da bimbo orfano che era stato, fu insignito del titolo nobiliare e divenne “von” Fraunhofer.

Alle invenzioni di Fraunhofer si deve il predominio assunto dalla Baviera nella manifattura di vetri ottici e di strumentazione ottica. Scienza, Tecnologia, Industria ed Economia progrediscono assieme. Morì a soli 39 anni, presumibilmente a causa di un’intossicazione con i metalli pesanti usati nella lavorazione dei vetri ottici.


Dispersione cromatica della luce solare

Come esposto in Viaggio nei colori: da Newton al telefonino , nel 1672 Isaac Newton (1642-1727) pubblicò l’osservazione della dispersione cromatica della luce solare da parte di un prisma ottico. Nel 1801 Thomas Young (1773-1829) provò con il famosissimo esperimento della doppia fenditura ( video ) che la luce presenta fenomeni di interferenza , manifestazione di natura ondulatoria. Egli inoltre associò a diverse lunghezze d’onda i colori che Isaac Newton aveva osservato nella dispersione cromatica della luce solare. Tra i vari importantissimi contributi di Fraunhofer alla Scienza, sua è l’invenzione del “ reticolo di diffrazione ” per la misura delle lunghezze d’onda della luce.
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Fig. 5a. Lo spettroscopio di Fraunhofer
Deutsches Museum, Munich, Germany
Immagine Exploring Cosmos – UC Irvine
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Fig. 5b. Lo spettroscopio di Kirchoff e Bunsen
Philosophical Magazine, Vol. 22 (1861)
Immagine Storia della Spettroscopia - Bari

Linee di Fraunhofer

La figura 5a mostra lo “ spettroscopio ” a prisma ottico inventato da Fraunhofer nel 1814, con il quale egli studiò la dispersione cromatica della luce solare per rifrazione nel prisma.

La storica e sorprendente osservazione di un gran numero di linee scure nello “spettro” (ossia distribuzione in lunghezza d’onda) della luce solare è stata mostrata sopra in figura 1. La curva nella parte superiore della figura indica la curva di sensibilità della visione umana. Cinque linee nere erano già state osservate nel 1802 da William Wollaston, ma fu il gran numero di linee scoperte da Fraunhofer a imporre l’esistenza del nuovo fenomeno. L’enigma da risolvere per la comprensione delle misteriose “linee di Fraunhofer” aprì nuove strade alla Scienza.


Linee di assorbimento e di emissione

Delle finestre chiuse assorbono la luce e la stanza diventa buia. Le linee scure di Fraunhofer sono interpretabili come “linee di assorbimento” della luce emessa dal Sole, in corrispondenza di precise e determinate lunghezze d’onda (ossia colori).

Fraunhofer con il suo spettrometro aveva anche studiato la composizione spettrale della luce emessa da sorgenti artificiali e osservato la presenza di “linee di emissione” colorate.

La figura 5b - tratta da una pubblicazione originale del 1861 - mostra lo schema dello spettroscopio usato da Gustav Kirchoff (1824-87) e Robert Bunsen (1811-99) per uno studio sistematico delle linee di emissione degli elementi chimici. A uno spettroscopio a prisma è associato un “ becco Bunsen ”, tuttora usato nei laboratori di Chimica. La fiamma prodotta dal becco Bunsen porta l’elemento chimico in esame a emettere luce, al fine di studiarne le linee di emissione. Con questo strumento essi indagarono in modo sistematico gli spettri di emissione, che Fraunhofer aveva osservato senza giungere a una chiara conclusione.
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Fig. 6. Corrispondenza tra linee di emissione (sopra)
e di assorbimento della luce solare (sotto) per l’Idrogeno
Immagine Journal of Informational Medicine
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In un articolo dal titolo “Über die fraunhoferschen Linien” (Sulle linee di Fraunhofer) pubblicato nel 1860 sulla prestigiosa rivista Annalen der Physik, Kirchoff e Bunsen mostrarono la stretta corrispondenza tra linee di assorbimento e linee di emissione di uno stesso elemento chimico, schematicamente mostrata in figura 6 nel caso dell’Idrogeno e indicatrice di una comune e ignota origine fisica. Come esposto in Da linee di Fraunhofer ad atomo quantistico , nel 1914 Niels Bohr la attribuì ai livelli energetici degli elettroni atomici.

Ogni elemento chimico ha le “sue” linee di emissione e assorbimento, diverse da quelle degli altri. Esse possono essere usate per identificarli in modo inequivocabile, come i codici a barre e codici analoghi oggi lo sono per identificare i prodotti commerciali. Il lavoro di Kirchoff e Bunsen fece anche nascere un nuovo metodo di analisi chimica, con sensibilità prima impensabile.


Analisi chimica di Sole e stelle: nasce l’Astrofisica

Con Newton e Fraunhofer, la spettroscopia nacque studiando la luce del Sole. Fraunhofer studiò anche lo spettro della luce della Luna, di pianeti e di stelle. Egli osservò differenze nelle linee di assorbimento.

Come detto sopra, Kirchoff e Bunsen gettarono le basi metodologiche di un’analisi chimica sensibilissima. Per di più essa è effettuabile “a distanza”, tanto grande quanto quella percorribile dalla luce e quindi applicabile ai corpi celesti. Leggi fisiche, chimica e studio degli astri formarono così le trame di uno stesso tessuto metodologico, che da una Astronomia limitata all’osservazione condusse alla nascita dell’ Astrofisica e, come vedremo, della Cosmologia .
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Fig. 7. Le quattro classi di spettri stellari individuate da Pietro Angelo Secchi
Litografia a colori (circa 1870)
Immagine allargata American Institute of Physics
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Il primo corpo celeste oggetto di analisi spettroscopiche sistematiche fu naturalmente la “nostra” stella: il Sole. Le linee scure nello spettro solare caratterizzano l’assorbimento della luce negli strati superficiali di gas relativamente freddo appartenenti alla cosiddetta “cromosfera”. Queste righe sono sovrapposte a uno spettro cromatico continuo, che emerge dal sottostante strato opaco e caldo detto “fotosfera”. Infatti, ora sappiamo che il Sole produce radiazione elettromagnetica (fotoni, in termini di particelle) di alta energia come risultato dei processi di fusione nucleare che avvengono nel suo nucleo. Essi sono convertiti in fotoni a bassa energia all’interno del Sole prima che raggiungano la superficie del Sole e vengono emessi nello spazio con uno spettro continuo .

Per capire il vivo e l’essenziale della Scienza, nulla è meglio che ascoltare le parole dette al tempo delle scoperte o delle nuove idee:

As Dr. Faraday recently said if we were to go to the sun, and to bring some portions of it and analyze them in our laboratories, we could not examine them more accurately than we can by this new mode of spectrum analysis

Come disse il Dott. Faraday se potessimo andare sul Sole e riportarne alcuni campioni per analizzarli nei nostri laboratori, non potremmo esaminarli più accuratamente di quanto possiamo fare con questo nuovo metodo di analisi spettrale

(Warren De la Rue, intervento come moderatore di discussione alla Chemical Society, 20 giugno 1861, Chemical News Vol. 4).

L’attenzione fu poi rivolta alla miriade di altre stelle visibili nel cielo. La possibilità di un’analisi chimica cambiava profondamente la percezione della loro realtà. Per l’Astronomia esse erano punti luminosi nel cielo. Con la spettroscopia nacque l’Astrofisica, che studia in profondità le loro proprietà e i processi che le determinano. Nel 1860, Giovanni Battista Donati (1826-73) effettuò uno studio spettroscopico di quindici tra le stelle più brillanti, che stimolò ulteriori studi. In particolare, Pietro Angelo Secchi (1818-78) e William Huggins (1824-1910) condussero studi sistematici, che portarono a differenziare le proprietà delle stelle e quindi a una loro “classificazione astrofisica”. La figura 7 illustra la classificazione in quattro gruppi introdotta da Secchi: stelle bianche-azzurre, gialle (come il Sole), arancioni e rosse. La classificazione moderna ne è una evoluzione.
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Fig. 8. Effetto Doppler per onde sonore
Immagine Museo della Scienza e della Tecnologia, Milano
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Fig. 9. Effetto Doppler per le linee di Fraunhofer
Immagine Astronomia.com

Effetto Doppler per suono e luce

Siamo lungo una strada e un’ambulanza passa a tutta velocità. Notiamo che la frequenza del suono della sirena è più alta quando essa si avvicina che quando si allontana. E’ per effetto Doppler , scoperto nel 1845. Il suono è un’onda di compressione e depressione dell’aria. Quando l’ambulanza si allontana da noi (figura 8), nell’intervallo temporale tra l’emissione di un massimo dell’onda sonora e quella del successivo essa si è ulteriormente allontanata. Essendo la velocità del suono costante nel mezzo in cui siamo, i massimi dell’onda sonora ci giungono più distanti nel tempo e questo equivale a dire che la frequenza del suono percepito è minore che ad ambulanza ferma. Analogamente, la frequenza è maggiore quando l’ambulanza si avvicina. Dallo spostamento della frequenza tra avvicinamento e allontanamento potremmo anche misurare la velocità dell’ambulanza.

La luce è un’onda come il suono, anche se di natura elettromagnetica e non meccanica. Le frequenze tipiche della luce sono molto più alte e difficili misurare di quelle del suono. Solitamente si ragiona in termini di lunghezze d’onda . Come si è detto, per la loro misura il reticolo di diffrazione esiste dai tempi di Fraunhofer.

La lunghezza d’onda λ della luce è inversamente proporzionale alla sua frequenza ν tramite la relazione λ = c/ν, ove c è la velocità della luce. La luce emessa da una sorgente luminosa che si allontana da noi appare spostata verso maggiori lunghezze d’onda, cioè verso il rosso. In inglese questo spostamento è detto “redshift”. Se la sorgente si avvicina, si osserva uno spostamento verso il blu (“blueshift”).


Misura della velocità delle stelle

Aristotele riteneva che le stelle fossero fisse nel cielo. Le linee di Fraunhofer aprirono la strada a una misura delle velocità delle stelle nel cielo per effetto Doppler.

Le linee danno la lunghezza d’onda corrispondente a velocità nulla e sono utilizzabili come riferimento assoluto. La sola misura del loro spostamento (verso il rosso in figura 9) basta per misurare la velocità delle stelle relativamente a noi. Non abbiamo bisogno che esse prima si avvicinino e poi si allontanino, passandoci davanti come l’ambulanza.
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Fig. 10. Schema di uno spettroscopio a due prismi e Vesto Slipher all’o uno spettroscopio a tre prismi
Immagine Univ. of Virginia – Dept. of Astronomy
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Fig. 11. Vesto Slipher
Immagine Wikipedia

La dinamica profondità del cielo

Il cielo ci appare misteriosamente profondo, ma non sappiamo quantificarne la terza dimensione. Né lo sapeva fare l’Astronomia classica. Essa raggruppò le stelle in “ costellazioni ” in base alla loro distribuzione nella due dimensioni della nostra visione prospettica, e non a una loro distribuzione nelle tre dimensioni dello spazio cosmico. Stelle assegnate a una stessa costellazione possono anche estremamente lontane. Le costellazioni non dicono come sono raggruppate le stelle nel Cosmo e non hanno quindi alcun significato astrofisico. Servono solo a indicare una posizione nel cielo come lo vediamo in prospettiva.

Le Linee di Fraunhofer avevano fatto vedere le stelle con gli occhi dell’Astrofisica. Linee di Fraunhofer ed effetto Doppler diedero alla Scienza l’accesso alla loro dinamica nelle tre dimensioni spaziali, con la misura delle velocità di allontanamento o avvicinamento delle stelle. Il Cosmo stesso divenne accessibile a un’indagine astrofisica.

La figura 10 mostra uno spettroscopio multi-prisma (collegato a un classico telescopio a rifrazione in un sistema di lenti) sviluppato dall’astronomo Vesto Slipher (1875-1969), con lo stesso che guarda entro l’oculare. Vesto Slipher (figura 11) era un ragazzo di campagna, che la passione per la Scienza aveva portato verso l’Astronomia. Egli sviluppò strumentazione atta a misurare la velocità delle stelle rispetto a noi e con essa osservò i corpi celesti.

Nel 1914 Slipher presentò i suoi risultati sulla velocità di 15 galassie alla American Astronomical Society (pubblicati in Popular Astronomy, vol. 23, p. 21, 1915 ). L’osservazione che la maggioranza delle galassie ha un moto di allontanamento rispetto a noi innescò una rivoluzione nella Scienza e nella concezione del mondo da parte del pensiero umano, portando all’attuale visione dell’Universo in espansione. Il cielo non fu più complessivamente statico. Nel suo insieme è dominato dal movimento.

Per rendersi conto della portata delle sue osservazioni basta riflettere sulle sue parole:

For us to have such motion and the stars not show it means that our whole stellar system moves and carries us with it”.
Il fatto che noi abbiamo tale movimento e le stelle non lo mostrano, significa che il nostro intero sistema stellare si muove e ci porta con sé.
( Atti della American Philosophical Society, vol. 56, p. 403, 1917 )

Le stelle ruotano nelle galassie cosiddette “ a spirale ”, su cui egli fece le prime pionieristiche osservazioni. La prima indicazione della “ Materia Oscura ” venne dall’osservazione di anomalie in questo moto di rotazione, situandosi sulla strada da lui aperta.


Fig. 12. Modello inflazionario dell’espansione dell’Universo - Immagine © NASA/WMAP

Cosmologia e espansione dell’Universo

Le osservazioni di Vesto Slipher furono fondamentali per la nascita della Cosmologia come Scienza. Il suo percorso scientifico ebbe come pietre miliari la prima ipotesi di Universo in espansione da parte di Georges Lemaître (1927), la legge di Hubble e la “ teoria del Big Bang ”, giungendo all’attuale “ teoria Inflazionaria ” (dall’inglese “inflate”, gonfiare) illustrata in figura 12.

Di questo trattano Il Mondo è pieno di Vuoto e, più estesamente, Radiazione Cosmica di Fondo


Altro ancora

Le sequenze di “linee di Fraunhofer” presentavano intriganti regolarità, sotto forma di sequenze matematiche, che in spettroscopia sono dette “serie”. Particolarmente significativa è la regolarità detta “ serie di Balmer ”, evidenziata nel 1885 per l’Idrogeno. In essa apparvero in incognito “numeri” destinati a diventare “ quantici ”.

Ora sappiamo che i livelli energetici possibili per gli elettroni in un atomo hanno valori ben precisi e distanziati tra loro (“discreti”) e non distribuiti in modo continuo come direbbe la fisica classica. Le linee nere di Fraunhofer sono dovute all’assorbimento della luce in transizioni “quantiche” di elettroni atomici a livelli energetici più alti. Le regolarità delle linee di Fraunhofer furono segnale premonitore di quantizzazione dei livelli energetici degli elettroni atomici, secondo le leggi della nuova e rivoluzionaria "Fisica Quantistica".

Fraunhofer iniziò iniziò così anche a socchiudere il portone verso il larghissimo mondo quantistico, spalancato un secolo più tardi agli inizi del Novecento. Di questo tratta l’articolo Da linee di Fraunhofer ad atomo quantistico .


Collegamenti

Unità didattica di Storia della Spettroscopia – Università di Bari, Storia della Spettroscopia
Barbara J. Becker – University of California Irvine, Exploring the Cosmos: star stuff
Barbara J. Becker – University of California Irvine, William and Margaret Huggins and the origins of Astrophysics
Spectroscopy and the birth of Astrophysics , Cosmic journey , American Institute of Physics
Brian Ventrudo, The expanding Universe: Part 1 and Part2 , One-Minute Astronomer


Clara Guadagni e Paolo Strolin

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Professore Emerito di Fisica Sperimentale
Università di Napoli "Federico II"
Complesso Univ. Monte S. Angelo
Via Cintia - 80126 Napoli - Italy
Ultima modifica: 14/12/2016 15:48 da Paolo.

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