I colori delle stelle: qualche annotazione

Nelle quattro lezioni sulla luce che ho presentato ormai più di due anni fa all'UAABL, ho parlato dell'esperienza del prisma di Newton, la cui rappresentazione grafica è resa celebre dalla copertina di un album dei Pink Floyd, The dark side of the moon.

Nel 1666, mentre soggiornava in campagna per sfuggire alla Peste di Londra, Isaac Newton (1642-1727) si dedicò ad una serie di osservazioni, destinata a cambiare la descrizione del mondo naturale. 

Sperimentando sulla luce, egli fece entrare un sottile raggio di sole, luce bianca, in una stanza buia, facendolo passare attraverso un prisma di vetro. Il raggio è scomposto in sette colori principali (rosso, arancione, giallo, verde, blu, indaco, violetto), che il fisico inglese chiamò spectrum, spettro.

Per confermare che il colore non fosse modificato dal prisma stesso, Newton utilizzò un secondo prisma per deviare, uno alla volta, ogni singolo colore dello spettro, dimostrando che non cambiava ulteriormente colore, ma subiva solo un'ulteriore rifrazione.

Newton mostrò poi che facendo passare lo spettro colorato attraverso un secondo prisma capovolto, o una lente convergente, la luce bianca si ricomponeva, dimostrando che il prisma separa semplicemente le componenti, non le crea.

Infine, un disco con i colori dell'arcobaleno, ruotando velocemente, appare bianco a causa della sintesi additiva dei colori, confermando visivamente la teoria. 

Nel 1800, Wilhelm Herschel (1738-1822), ripetendo l'esperienza di Newton, misurò la temperatura associata a ciascun colore e scoprì, oltre il rosso, una radiazione invisibile all'occhio ma capace di trasferire calore: l'infrarosso (IR).

Successivamente, il fisico Macedonio Melloni (1798-1854) dimostrò che l'infrarosso ha le stesse proprietà della luce visibile (riflessione, rifrazione, polarizzazione) e lo definì calore raggiante. 

L'esperimento di Newton fu ripetuto anche dall'ottico e astronomo tedesco Joseph von Fraunhofer (1787-1826) diagramma delle linee dello spettro solare e sopra di essa una curva che indica l'intensità della luce del sole nelle diverse parti dello spettro visibile.

Di Fraunhofer ricorre quest'anno il bicentenario della morte, evento onorato dall'Unesco come anno commemorativo. Egli scoprì le linee scure di assorbimento nello spettro solare, fondamentali per la nascita della spettroscopia moderna.

Robert Bunsen (1811-1899) e Gustave Kirchhoff (1824-1887), lavorando insieme ad Heidelberg, fondarono l'analisi spettroscopica, inventando uno strumento, chiamato spettroscopio, dotato di un prisma per disperdere la luce e analizzare lo spettro di emissione/assorbimento di sostanze vaporizzate in una fiamma. Ogni elemento chimico presenta un set di righe spettrali sue proprie, come una sorta di impronta digitale che lo differenzia dagli altri.

I due scienziati scoprirono poi che le righe nere nello spettro solare (righe di Fraunhofer) corrispondevano alle righe di emissione di specifici elementi, come il sodio, gettando le basi per l'astrofisica.

Attraverso la spettroscopia, identificarono nuovi elementi chimici prima sconosciuti, come il cesio (1860) e il rubidio (1861). Kirchhoff enunciò le tre leggi fondamentali dell'analisi spettroscopica:

• un corpo solido o liquido portato ad alta temperatura emette uno spettro continuo;
• un corpo gassoso portato ad alta temperatura emette uno spettro a righe (spettro di emissione);
• un corpo gassoso freddo, interposto tra un osservatore e una sorgente continua ad alta temperatura, assorbe le stesse lunghezze d'onda che emetterebbe se fosse caldo, producendo righe scure sovrapposte allo spettro continuo (spettro di assorbimento). 

La tecnica di analisi spettroscopica si diffuse e permise ad altri chimici di scoprire nuovi elementi: ad esempio, analizzando ulteriormente lo spettro solare durante un'eclissi, gli astronomi Jules Janssen (1824-1907) e Norman Lockyer (1836-1920) scoprirono - l'uno all'insaputa dell'altro - l'elio (18 agosto 1868), il primo dei gas nobili ad essere rilevato.

Nel frattempo, James Clerk Maxwell (1831-1879) scoprì che la luce è una manifestazione del campo elettromagnetico, il cui spettro comprende diverse lunghezze d'onda, dalle onde radio ai raggi gamma.

Sempre negli stessi anni, l'astronomo gesuita Angelo Secchi (1818-1878) direttore dell'Osservatorio del Collegio Romano, utilizzò prismi per scomporre la luce delle stelle, classificandole per la prima volta in base al loro colore. Per questo è ritenuto essere il padre dell'astrofisica. Egli accoppiò lo spettroscopio al telescopio per analizzare la composizione chimica delle stelle attraverso la luce, superando la visione che limitava l'astronomia alla sola posizione e moto di un astro.

Tra il 1866 e il 1868, propose una classificazione delle stelle in quattro classi spettrali, basata sul colore e sulla composizione. Raccolse i suoi studi nel trattato "Le stelle" (1877), portando la classificazione a cinque classi stellari e descrivendo spettri, colori e macchie solari con disegni di precisione; utilizzò inoltre la fotografia per immortalare fenomeni celesti, innovando quindi la strumentazione astronomica dell'epoca. 

[...] Per non tediare il lettore con troppi dati storici, anche se interessanti, concludo il post ricordando che:

• attualmente le classi spettrali in cui sono suddivise le stelle sono sette: O, B, A, F, G, K, M;
• dalla lunghezza d'onda, mediante la legge di Wien, è possibile calcolare la temperatura della superficie;
• dalla temperatura, mediante la legge di Stefan Boltzmann, è possibile calcolare altri dati riguardanti luminosità e dimensioni;
• per studiare le stelle, gli astrofisici non si limitano a considerare solamente la luce visibile, ma analizzano tutte le informazioni associate all'intero spettro elettromagnetico, ai neutrini, ai raggi cosmici e alle onde gravitazionali.

FONTI

• P. Bianucci, Il sole, Giunti, Firenze, 1992
• E. Lupia Palmieri, M. Parotto, Scienze della Terra, Zanichelli, Bologna, 3^ed. 
• F. Oddone, M. Paltrinieri, Fisica - vol. 2, Cedam, Padova, 1969, pp. 79-83
• V. Richter, Trattato di chimica inorganica, Loescher, Torino, 1889, pp. 451-456
• C. Romeni, Fisica e realtà - vol. 3, Zanichelli, Bologna, 2^ed, pp. 389-403
• F. Stoppa, https://www.atlascoelestis.com/Secchi%201879.htm