Cos'è la luce? Scopriamo come ci è possibile vedere l'universo intorno a noi

L'universo nel quale viviamo è ben diverso da quello che riusciamo a percepire con i nostri occhi, che captano solo una parte di quello che c'è realmente.

Cos'è la luce? Scopriamo come ci è possibile vedere l'universo intorno a noi
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In quanto esseri umani, vediamo l'universo secondo quello che riescono a captare i nostri occhi, che è solo una piccola parte di quello che in realtà c'è realmente. Possiamo avvertire gli infrarossi come calore o venir bruciati dagli ultravioletti, ma di certo non ci è possibile "vedere" una trasmissione radio. A qualcuno potrà suonare strano, ma le onde radio (quelle captate dall'antenna della vostra automobile), le microonde (usate nel forno per riscaldare gli alimenti), l'infrarosso, la luce, l'ultravioletto, i raggi-X e i raggi gamma hanno tutti la stessa natura fisica, ovvero sono onde elettromagnetiche, energia che si diffonde nello spazio. Quello che cambia tra tutte le diverse onde che vi abbiamo appena menzionato è solo la frequenza con la quale oscillano mentre si spostano.
Ovviamente il nome "onde" vi farà pensare a un qualcosa che si muove in modo analogo all'onda su una superficie d'acqua, ma visto che siamo in uno spazio tridimensionale e vogliamo parlare dell'universo, potete pensare a delle sfere energetiche che si allargano dalla loro fonte (ad esempio, una stella) e si diffondono in tutte le direzioni, esattamente come una lampadina che illumina una stanza. Un altro modo di immaginare questa diffusione di energia è pensare a delle particelle (fotoni) che vengono irradiate da una stella sempre in tutte le direzioni, perché per qualche scherzo della natura le particelle sono anche onde. La propagazione di questo fenomeno avviene sempre ad una velocità massima raggiungibile solo nel vuoto, che corrisponde a 3x10^8 m/s.


Le frequenze che ci arrivano dallo spazio

Chiariamo subito che quando sentite parlare di frequenze, radiazioni, onde elettromagnetiche o fotoni ci si riferisce sempre allo stesso fenomeno fisico, che però va distinto a seconda della frequenza alla quale oscilla mentre si sposta nello spazio. Quando una stella irradia energia nei suoi dintorni potete pensare ad una serie di sfere concentriche che si allargano alla velocità della luce e sulle quali i campi elettromagnetici pulsano, ovvero il loro valore oscilla in base alla frequenza che possiedono. Un'onda radio impiega anche chilometri a compiere una singola oscillazione, mentre i raggi-X oscillano ogni volta che percorrono una distanza pari alla grandezza di un atomo. La natura vuole che queste onde in qualche modo siano "mischiate" nello spazio senza perdere la propria individualità, a meno che la loro frequenza non sia la stessa: sappiamo bene che due emittenti radio non possono trasmettere alla stessa frequenza, in quanto la nostra antenna riceverebbe un mix confusionario delle voci dei due speaker. Purtroppo (o per fortuna?) i nostri occhi sono antenne che riescono a vedere solo la luce visibile, che è una piccola parte delle onde che circolano nello spazio. Se ci posizionassimo davanti alla nebulosa del granchio (in foto), il resto di una stella che è esplosa, non ci sarebbe mai e poi mai possibile percepire tutti i suoi dettagli.

In primo luogo un telescopio spaziale come Hubble impiega diverso tempo a catturare la luce per la foto (anche mesi) ed inoltre il nostro occhio non riuscirebbe a captare tutte le particolarità associate alle frequenze non visibili come l'infrarosso e l'ultravioletto. Recentemente si è parlato del problema della strana pulsazione delle aurore polari su Giove ed in quel caso l'avvistamento è stato compiuto grazie ai telescopi che hanno captato i raggi-X provenienti dal fenomeno fisico. Anche le magnifiche foto di Cassini sono spesso frutto di una rielaborazione di diverse frequenze come l'infrarosso, che ci suggerisce se un corpo celeste emette calore (vedi le emissioni di vapore nei pressi del polo sud di Encelado).

Ogni onda ha la propria antenna

Ogni onda elettromagnetica ha la sua frequenza e per ciascuna di queste viene impiegata una differente antenna. Partiamo dalle onde radio, che impiegano anche chilometri per compiere una pulsazione: l'osservatorio Arecibo in Porto Rico che vedete in foto con il suo enorme disco di 300 metri di diametro è stato progettato per captare queste frequenze. Chiaramente anche all'interno delle onde radio ci sono varie frequenze che hanno una lunghezza d'onda che va dai centimetri ai chilometri: notate bene che più cresce la frequenza (pulsazioni al secondo) più è piccola la lunghezza d'onda (distanza tra due pulsazioni). Molecole come l'ammoniaca o il diossido di carbonio rilasciano le frequenze radio quando gli elettroni cambiano il loro livello energetico, mentre i singoli atomi che le costituiscono emettono onde a frequenze più alte. Nelle regioni nelle quali si formano delle nuove stelle sono presenti elettroni liberi che, cambiando direzione, emettono onde radio. Anche nelle pulsar è possibile captarle: queste sono stelle di neutroni, rimanenze di stelle esplose in una supernova, che possono sviluppare un campo magnetico tale da rilasciare materiale nello spazio ed emette onde radio.
Salendo di frequenza si arriva alle microonde che sono banalmente associate alla radiazione cosmica di fondo (microwave background radiation), ovvero energia elettromagnetica residua delle prime fasi dell'universo, quando si sono cominciati a formare i primi atomi.

Dovete immaginare una specie di gas caldo (alla frequenza della luce visibile) più o meno uniforme che si è espanso insieme all'universo e che oggi è estremamente freddo (-270,5 gradi centigradi) e si è spostato alle frequenza delle microonde proprio per via dell'espansione. Anche le galassie maser sono fonti di questo tipo di onde elettromagnetiche, come un una specie di laser a microonde. Proseguendo nello spettro elettromagnetico incontriamo l'infrarosso, notoriamente associato al calore, rilevabile ad esempio con i visori ad infrarosso nei videogames stealth e sparatutto. Mentre un ammasso di polvere in una nebulosa può impedire alla luce visibile di passare, l'infrarosso può attraversare i piccoli detriti senza venire riflesso o assorbito.

Avere un mezzo per vedere al di là di un cumulo di polvere è incredibilmente utile ai fini dell'osservazione dello spazio, vista la possibilità di identificare oggetti dietro ad uno schermo che impedisce alla luce visibile di diffondersi ed arrivare sulla terra. Il James Webb telescope sarà specializzato proprio nell'infrarosso e potremmo avere particolari sorprese quando verrà lanciato nel 2019 (l'identificazione del nono pianeta?). La frequenza successiva è quella della luce visibile, che vediamo con i nostri occhi, antenne in grado di distinguere vari colori. Andando più avanti e aumentando il valore della frequenza si incontra l'ultravioletto, associato tipicamente a oggetti estremamente caldi come le stelle che si stanno formando. Solitamente nelle foto dello spazio questo tipo di stelle sono blu, ma in realtà emettono una gran quantità di ultravioletto, nocivo per qualsiasi essere vivente perché riesce a danneggiare il DNA. Aumentando ancora la frequenza si passa per i Raggi-X, che nonostante si chiamino "raggi" sono pur sempre onde o fotoni. Solitamente lo si trova nelle regioni al centro dei cluster di galassie dove la polvere diventa estremamente calda e compressa ed emette queste radiazioni da altissima energia. Qualsiasi onda con frequenza più alta dei raggi-X viene chiamata raggio gamma, identificabile dopo una supernova. Sono famosi i così detti lampi gamma (gamma ray burst) emessi non in modo uniforme in tutto lo spazio ma solo in una specifica direzione, identificabili ad esempio nella collisione di due stelle di neutroni. In definitiva dunque, quello che vediamo è solo una piccola parte di quello che c'è realmente, ma fortunatamente la scienza è oggi in grado di andare oltre i limiti delle capacità visive umane, mostrandoci un mondo che altrimenti rimarrebbe completamente celato.