Cosa è lo spettro elettromagnetico

Che tu stia accendendo una lampadina o ascoltando una voce attraverso un telefono, stai interagendo con l'elettromagnetismo, un tema che abbiamo già affrontato in un precedente articolo. In breve, si tratta della forza che collega elettricità e magnetismo in un’unica "danza" che si manifesta in molteplici aspetti della nostra vita quotidiana. Una delle espressioni più affascinanti dell'elettromagnetismo è la radiazione elettromagnetica, un fenomeno che collega il nostro mondo "di senso comune" agli aspetti più esotici dell'universo.

In genere chiamiamo questa radiazione semplicemente "luce", ma è un termine che può essere fuorviante: la luce, in realtà, è solo una piccola porzione di questa radiazione, in particolare quella visibile ai nostri occhi. Il resto dello spettro elettromagnetico, che comprende onde radio, microonde, infrarossi, ultravioletto, raggi X e raggi gamma, è invisibile per noi, ma essenziale per comprendere l'universo. Proprio questo spettro, così vasto e variegato, sarà il cuore del nostro discorso. Ogni porzione di spettro ha caratteristiche uniche e applicazioni straordinarie, che spaziano dalla trasmissione di segnali radio alla diagnostica medica con i raggi X.

Perché vediamo solo la luce visibile?

La risposta è legata all'ambiente terrestre e alla nostra evoluzione. I nostri occhi sono sensibili alla luce visibile perché viviamo sulla Terra, un pianeta in orbita attorno a una stella come il Sole. Il Sole emette radiazione elettromagnetica su quasi tutto lo spettro, ma l'atmosfera terrestre agisce come un filtro naturale: blocca la maggior parte delle radiazioni più energetiche, come i raggi gamma e X, e anche alcune meno energetiche, come la maggior parte delle onde radio. La porzione dello spettro che riesce a raggiungere la superficie è dominata dalla luce visibile e da parte degli infrarossi e ultravioletto vicini.

Questa selezione naturale ha plasmato l’evoluzione degli organismi terrestri, inclusi i nostri occhi, che si sono adattati a utilizzare al meglio la radiazione più abbondante e utile per la vita. La luce visibile ha una quantità di energia sufficiente per attivare reazioni chimiche necessarie alla visione, ma non così elevata da danneggiare i tessuti biologici, come accadrebbe con i raggi X o gamma.

Un adattamento evolutivo alla luce

I nostri occhi non solo si sono evoluti per percepire la luce visibile, ma hanno anche sviluppato una capacità straordinaria: vedere i colori. Gli occhi umani possiedono tre tipi di recettori, chiamati coni, sensibili a tre diverse lunghezze d'onda: blu, verde e rosso. Questa specializzazione ci permette di combinare i segnali e distinguere un’ampia gamma di colori, un vantaggio evolutivo che ha reso la nostra visione uno strumento prezioso per sopravvivere e interagire con l’ambiente.

Ma cosa sarebbe successo se fossimo stati su un pianeta diverso? Se la Terra fosse orbitata attorno a una stella più fredda, come una nana rossa, o più calda, come una stella azzurra, e se la nostra atmosfera avesse lasciato passare porzioni diverse dello spettro, probabilmente avremmo occhi sensibilizzati a radiazioni differenti. Su un pianeta intorno a una nana rossa, potremmo percepire radiazioni infrarosse come "luce"; su un pianeta con un’atmosfera più permissiva verso gli ultravioletti, magari vedremmo questi come il nostro "visibile". La biologia si adatta alle condizioni: la nostra percezione della luce è solo una delle infinite possibilità offerte dall'evoluzione.

La luce visibile è quindi la nostra prima finestra sull'universo, alla quale ci siamo adattati perché rappresenta ciò che il nostro ambiente rende accessibile e utile. Tuttavia, il fatto che possiamo percepire solo una piccola parte dello spettro elettromagnetico ci ha consentito di guardare le stelle, capire e porci domande. Questo non limita la nostra comprensione: con strumenti tecnologici, oggi siamo in grado di esplorare tutto lo spettro, scoprendo fenomeni altrimenti invisibili. Ogni lunghezza d'onda, da quelle radio ai raggi gamma, ci racconta una storia diversa dell'universo, e noi abbiamo imparato ad ascoltarle tutte.

Parametri di base

Prima di addentrarci nella suddivisione dello spettro elettromagnetico, è essenziale comprendere due concetti fondamentali: frequenza e lunghezza d'onda, le grandezze che caratterizzano ogni tipo di radiazione elettromagnetica.

• Frequenza (indicata con nu): è il numero di oscillazioni dell’onda in un secondo, misurata in hertz (Hz). Più è alta la frequenza, più è energetica la radiazione.
• Lunghezza d’onda (indicata con lambda): è la distanza tra due creste successive dell’onda, misurata in metri (m).

Le due grandezze sono legate dalla velocità della luce (c), che è di circa 3×10⁸ m/s nel vuoto.

L'intero spettro elettromagnetico, cioè l'insieme di tutte le frequenze di manifestazione della radiazione, si estende ben oltre ciò che i nostri occhi possono percepire. È una "tavolozza" continua di radiazioni, divisa convenzionalmente in diverse bande principali: onde radio, microonde, infrarossi, luce visibile, ultravioletti, raggi X e raggi gamma. Ciascuna di queste bande è caratterizzata da uno specifico range di lunghezze d'onda e frequenze, che determinano le loro proprietà e applicazioni.

Immaginiamo queste bande come "strumenti musicali" di un'orchestra: ogni strumento produce un suono unico, ma solo ascoltando l'intera orchestra possiamo apprezzare la sinfonia completa.

Di seguito forniamo una breve carrellata delle varie bande dello spettro mentre nei prossimi capitoli andremo a specificare meglio il tutto.

Onde radio: le grandi "portatrici" di segnali

Le onde radio sono le meno energetiche dello spettro, caratterizzate da lunghezze d'onda enormi, che possono variare da millimetri a chilometri. Grazie a queste proprietà, possono attraversare con facilità nuvole di gas e polvere cosmica, rivelandoci oggetti nascosti nel cuore delle galassie o addirittura segnali lontanissimi provenienti dall'inizio dell'universo.

• Frequenza: 3 Hz - 300 GHz
• Lunghezza d'onda: da 10⁴ (10 km) a 0,1 m (10 cm)
• Assorbimento atmosferico: penetrate quasi completamente. Le onde radio arrivano alla superficie terrestre, permettendo osservazioni da terra.
• Applicazioni astronomiche: studi di pulsar, galassie attive e la radiazione di fondo cosmica
• Strumenti di studio
  • Very Large Array (VLA): Situato nel deserto del New Mexico, è uno dei più grandi sistemi di radiotelescopi al mondo, utile per studiare galassie, stelle e buchi neri attraverso le onde radio.
  • LOFAR (Low Frequency Array): Una rete di antenne situata in Europa, progettata per raccogliere segnali radio a bassa frequenza.
  • ALMA (Atacama Large Millimeter Array): Si trova in Cile ed è una rete di antenne radio millimetriche, utilizzata per studiare l'universo nelle lunghezze d'onda millimetriche e submillimetriche.

Microonde: calore e Big Bang

Le microonde sono famose per il loro utilizzo nei forni domestici, ma in astronomia sono ancora più affascinanti. Con lunghezze d'onda che vanno da pochi millimetri a qualche centimetro, le microonde ci permettono di studiare regioni fredde dell'universo, come nubi molecolari dove nascono le stelle. 

• Frequenza: 300 MHz - 300 GHz
• Lunghezza d'onda: da 0,1 m (10 cm) a 0,001 m (1 mm)
• Assorbimento atmosferico: in parte assorbite dal vapore acqueo e dall’ossigeno atmosferico, ma con "finestre" che consentono alcune osservazioni da terra.
• Applicazioni astronomiche: studio delle nubi molecolari e della radiazione cosmica di fondo, fondamentale per comprendere il Big Bang
• Strumenti di studio:
  • Planck Space Observatory: Un telescopio spaziale che ha mappato la radiazione cosmica di fondo a microonde, fornendo informazioni sulla formazione dell'universo.
  • COBE (Cosmic Background Explorer): Satelliti utilizzati per lo studio della radiazione cosmica di fondo, che fornisce informazioni sull'origine dell'universo.
  • Radiotelescopi a microonde (ad esempio, quelli nell'array ALMA)

Infrarossi: il calore dell'universo

Le onde infrarosse hanno lunghezze d'onda comprese tra quelle delle microonde e quelle della luce visibile. Sono associate al calore: tutto ciò che emette calore, come stelle, pianeti e persino esseri viventi, emette radiazione infrarossa. 

• Frequenza: 300 GHz - 430 THz (Terahertz)
• Lunghezza d'onda: da 1 mm a 700 nm
• Assorbimento atmosferico: fortemente bloccati dall’atmosfera, tranne in alcune "finestre" nell’infrarosso vicino e medio.
• Applicazioni astronomiche: osservazione di stelle in formazione e pianeti extrasolari
• Strumenti di studio:
  • Telescopio Spaziale James Webb (JWST): Utilizza il vicino e medio infrarosso per studiare galassie lontane, la formazione stellare e le atmosfere planetarie.
  • Spitzer Space Telescope: Anche questo un telescopio spaziale che studia il cielo nell'infrarosso, utilizzato per esplorare oggetti lontani e per l'osservazione di polveri cosmiche.
  • VLT (Very Large Telescope) di ESO: Situato in Cile, il VLT include uno spettrometro a infrarossi per osservare la formazione stellare e i buchi neri.
  • Keck Observatory: Situato alle Hawaii, dotato di telescopi con capacità infrarosse per lo studio dei corpi celesti più lontani.

Luce visibile: il nostro punto di vista privilegiato

Come abbiamo visto, la luce visibile è l'unica porzione dello spettro che i nostri occhi riescono a percepire. È anche la banda in cui si trovano molte stelle, come il Sole, che emettono gran parte della loro energia in questo intervallo. 

• Frequenza: 430 THz - 770 THz
• Lunghezza d'onda: da 700 nm (rosso) a 400nm (viola)
• Assorbimento atmosferico: penetra quasi completamente, rendendo possibile l’osservazione a occhio nudo e con telescopi da terra.
• Applicazioni astronomiche: studio di stelle, galassie e fenomeni luminosi come supernovae
• Strumenti di studio:
  • Telescopio Hubble: Ha osservato l'universo nello spettro visibile, contribuendo enormemente alla nostra comprensione di galassie, nebulose e pianeti lontani.
  • VLT (Very Large Telescope): Una delle principali installazioni ottiche al mondo, con strumenti per l'osservazione dell'universo nel dominio visibile.
  • Gemini Observatory: Situato alle Hawaii e in Cile, il telescopio Gemini offre osservazioni ottiche e infrarosse ad alta risoluzione.

La luce visibile è composta da una gamma di "colori", ciascuno dei quali corrispondente a una frequenza (o lunghezza d'onda) specifica, dai 700 ai 400nm. Una prova di questi colori la abbiamo quotidianamente quando la luce bianca, come quella solare, passa attraverso un prisma: l'effetto è la sua scomposizione nei vari colori che la compongono. Questo fenomeno è noto come dispersione della luce. Un prisma è un oggetto trasparente, tipicamente fatto di vetro o materiale simile, che ha una forma triangolare. Quando un fascio di luce bianca attraversa un prisma, i diversi colori (che hanno lunghezze d'onda diverse) vengono rifratti (deviazione della luce) in maniera diversa. Questo accade perché la velocità della luce varia a seconda della lunghezza d'onda: la luce con lunghezza d'onda più corta (come il blu o il violetto) viene rifratta di più rispetto alla luce con lunghezza d'onda più lunga (come il rosso). Il risultato è una separazione dei vari colori in un arco che chiamiamo spettro visibile, che va dal rosso (con lunghezze d'onda più lunghe) al violetto (con lunghezze d'onda più corte). Questo fenomeno è un esempio di diffrazione, in cui la luce, passando attraverso una fessura o un oggetto che interrompe il suo cammino, si separa in onde di diversa lunghezza d'onda, producendo uno spettro di colori. 

Dopo che la luce è stata scomposta in uno spettro, è possibile ricomporla in luce bianca utilizzando un disco di Newton. Questo disco è un disco rotante colorato che ha strisce di colori complementari (ad esempio, rosso, verde, blu, ecc.) disposte sulla sua superficie. Quando il disco gira rapidamente, i colori si mescolano, creando l'effetto visivo di una luce bianca. La ragione per cui questo accade è che il nostro occhio percepisce i colori della luce come un'onda continua quando vengono mescolati rapidamente. In sostanza, quando il disco gira abbastanza velocemente, i colori non hanno più il tempo di essere percepiti separatamente, e il nostro cervello li combina in un'unica sensazione di luce bianca. Questo è un esempio del fenomeno di addizione dei colori, che è il processo opposto alla sottrazione dei colori che avviene nella scomposizione. In questo caso, i colori complementari della luce vengono miscelati in modo che il risultato finale sia bianco.

La dispersione della luce attraverso il prisma e la successiva ricomposizione con il disco di Newton evidenziano i due aspetti principali della luce: la composizione (la luce bianca come somma di colori diversi) e la decomposizione (la luce bianca che può essere separata nei suoi componenti). Questo fenomeno è alla base della comprensione delle proprietà ondulatorie della luce e dimostra come la luce possa essere sia un fenomeno continuo (in forma di onde) che discreto (in termini di colori distinti). 

Ultravioletti: una finestra sull'energia delle stelle

Le radiazioni ultraviolette (UV) sono più energetiche della luce visibile e ci permettono di studiare oggetti molto caldi, come stelle giovani e regioni attive nelle galassie. Tuttavia, l'atmosfera terrestre blocca gran parte degli UV, il che significa che per osservarli dobbiamo usare telescopi spaziali.

• Frequenza: 770 THz - 30 PHz (Petahertz)
• Lunghezza d'onda: da 400 nm a 10 nm
• Assorbimento atmosferico: quasi completamente bloccati dall’atmosfera, eccetto per una piccola frazione degli UV più vicini alla luce visibile.
• Applicazioni astronomiche: studio di stelle calde e giovani, e di fenomeni come i venti stellari
• Strumenti di studio:
  • XMM-Newton e Chandra: Telescopi spaziali che, pur essendo più noti per le osservazioni a raggi X, possono anche osservare nell'ultravioletto per studiare le stelle e la materia calda nel cosmo.
  • Hubble Space Telescope: Sebbene sia principalmente un osservatorio visivo, il Hubble è anche equipaggiato per osservare nell'ultravioletto.
  • International Ultraviolet Explorer (IUE): Un telescopio spaziale che ha osservato in ultravioletto e fornito dati sulla composizione chimica e fisica di stelle e galassie.

Raggi X: i segreti dell'estremo

I raggi X hanno energie molto elevate e sono prodotti da alcuni dei fenomeni più violenti dell'universo, come buchi neri in accrescimento e supernovae. Anche in questo caso, la nostra atmosfera blocca la maggior parte dei raggi X, richiedendo telescopi spaziali specializzati. 

• Frequenza: 30 PHz - 30 EHz (Exahertz)
• Lunghezza d'onda: da 10 nm a 0,01 nm
• Assorbimento atmosferico: totalmente bloccati dall’atmosfera, necessitano di telescopi spaziali.
• Applicazioni astronomiche: studio di buchi neri, stelle di neutroni e supernovae
• Strumenti di studio:
  • Chandra X-ray Observatory: Un telescopio spaziale dedicato a osservare il cielo in raggi X, utile per studiare buchi neri, stelle di neutroni e materia ad alta energia.
  • XMM-Newton: Utilizza raggi X per esplorare fenomeni estremi come buchi neri, supernovae e oggetti compatti.
  • NuSTAR (Nuclear Spectroscopic Telescope Array): Fornisce immagini ad alta risoluzione in raggi X, specialmente per lo studio dei buchi neri supermassicci.

Raggi gamma: l'energia pura

I raggi gamma rappresentano la porzione più energetica dello spettro elettromagnetico, con lunghezze d'onda estremamente corte. Sono prodotti da eventi cosmici catastrofici, come esplosioni di supernovae, collisioni di stelle di neutroni e decadimento di particelle subatomiche.

• Frequenza: oltre 30 EHz
• Lunghezza d'onda: meno di 0,01 nm
• Assorbimento atmosferico: completamente bloccati dall’atmosfera, osservabili solo con telescopi spaziali.
• Applicazioni astronomiche: studio di lampi gamma, fusioni di stelle di neutroni e altri eventi estremi
• Strumenti di studio:
  • Fermi Gamma-ray Space Telescope: Un telescopio spaziale che studia l'universo in raggi gamma, rilevando i fenomeni più energetici, come esplosioni di raggi gamma e buchi neri.
  • HESS (High Energy Stereoscopic System): Una rete di telescopi da terra utilizzata per rilevare raggi gamma ad alta energia provenienti dall'universo.
  • CTA (Cherenkov Telescope Array): Una futura rete di telescopi che osserverà l'universo nei raggi gamma, soprattutto per studiare oggetti come i buchi neri e le supernovae.

Ogni banda dello spettro elettromagnetico, quindi, ci fornisce informazioni diverse sugli oggetti celesti, come se ognuna fosse un linguaggio unico per comunicare con l'universo. Ad esempio, le onde radio ci parlano delle strutture più fredde e diffuse, mentre i raggi X e gamma ci rivelano gli eventi più violenti e catastrofici. Combinando questi "linguaggi", gli astronomi riescono a costruire un quadro completo e dettagliato dell'universo.

Questa capacità di "vedere" in diverse bande ha trasformato l'astronomia, rendendola una scienza multispettrale. Strumenti come i telescopi spaziali, che operano al di fuori dell'atmosfera, sono essenziali per accedere a molte di queste bande, aprendo finestre che altrimenti rimarrebbero chiuse ai nostri occhi.

Ora possiamo capire un po' meglio una distinzione che abbiamo fatto in fase di introduzione, relativamente alla differenza tra astrofisica e osservazione: la prima deve abbracciare tutto lo spettro per capire i processi mentre la seconda, soprattutto l'osservazione portata avanti dagli astrofili, è "limitata" alla luce visibile, quella catturata dai telescopi "normali".