Linee spettrali (1)

Nello studio delle radiazioni elettromagnetiche provenienti dallo spazio, gli astronomi hanno la necessità di separare le radiazioni in base alla loro frequenza. A questo scopo, viene utilizzato uno strumento chiamato spettrografo.

Molto semplicisticamente la procedura è la seguente: un telescopio rileva e raccoglie la radiazione visibile, quella che nello spettro elettromagnetico spazia tra 500 e 700 nanometri, e la invia ad uno spettrometro che la fraziona nei colori che la costituiscono. Lo spettro che ne risulta fornisce una traccia univoca, una sorta di impronta digitale, delle frequenze presenti nella luce raccolta.

Le linee spettrali del sodio

Linee di emissione del sodio, con le caratteristiche linee nella regione del giallo. Da "General College Chemistry", C.W. Keenan, D.C. Kleinfelter, & J.H.Wood. Harper & Row, 1980.
Cortesia D. C. Kleinfelter, Prof. di chimica, University of Tennessee-Knoxville

Queste sono le linee spettrali degli atomi di sodio misurate da uno spettrometro. Quando sono riscaldati, l'esperienza nasce dalle prove di laboratorio, gli atomi di questo elemento emettono linee spettrali sempre alla stessa frequenza: l'esistenza nello spettro di questo "codice a barre" elettromagnetico è la prova, senza ambiguità alcuna, della presenza dell'elemento stesso.

Gli spettrometri vengono utilizzati anche per telescopi diversi da quelli ottici, ad esempio per i radiotelescopi. I radiospettrometri, così vengono chiamati in questo caso, permettono ai ricercatori di esaminare le linee spettrali che caratterizzano le molecole, come per esempio quella dell'idrocianogeno o HCN, una tipo rilevato frequentemente nello spazio.

Le linee spettrali dell'HCN

A differenza del gas sodio, che è formato da atomi, l'HCN ed altre molecole mostrano linee spettrali che vanno a cadere nella regione radio dello spettro elettromagnetico.
I picchi nelle radioemissioni, definiscono le linee spettrali di queste molecole.

Perché si formano le linee spettrali?

Le molecole, invece, possono mostrare linee spettrali dovute non solo ai cambiamenti di energia degli atomi che le costituiscono ma anche per i moti molecolari. Per esempio l'HCN produce delle linee spettrali corrispondenti ai cambiamenti nella velocità di rotazione o di vibrazione. Se le molecole acquistano energia, i moti interni o vibrazioni aumentano. Questa energia viene rilasciata sotto forma di radiazione elettromagnetica ed ha delle linee spettrali caratteristiche. Quando l'energia viene rilasciata, il moto e le vibrazioni delle molecole diminuiscono.

Ma quale é la causa dei cambiamenti di energia associati alle linee spettrali? La risposta è: da una serie di processi. Tra questi le collisioni tra atomi e molecole, le loro interazioni con la radiazione elettromagnetica a differenti lunghezze d'onda e con diversi tipi di particelle cariche che si trovano nello spazio. Queste particelle vengono accelerate dai potenti campi magnetici che si trovano prevalentemente nelle vicinanze di alcune stelle, in particolar modo durante la fase della loro formazione oppure nelle fasi finali della loro evoluzione.

Il codice a barre cosmico

A parte le informazioni sulla loro struttura, composizione e cambiamenti nei livelli di energia, la spettroscopia rivela inoltre il moto rispetto alla Terra di molti oggetti astronomici come stelle, galassie e nubi molecolari.
Studiando come vengono spostate dal moto che hanno rispetto alla Terra, gli scienziati possono determinare non solo le caratteristiche di questi moti ma anche stimare le forze che li provocano, in particolar modo la gravità.

Infine, poiché le linee spettrali rivelano la presenza di molecole e atomi specifici nello spazio, la presenza di questi componenti viene utilizzata come indicazione delle condizioni fisiche in cui sono immerse, in particolar modo temperatura, densità e pressione.

Rielaborazione ed adattamento da "Science for the Millenium" dell'NCSA et altri by M.F..