martedì 13 gennaio 2015

Bolle spaziali

Il titolo di questo post vorrebbe richiamare e citare sottobanco il famoso film di Mel Brooks, Balle Spaziali.
Il fatto è che ho visto questa immagine stamattina, che mi ha colpito non solo per la sua bellezza:


Questa nebulosa è stata identificata nel 2008 ed è stata chiamata Soap Bubble Nebula, ovvero nebulosa bolla di sapone. Basta guardarla per capire come mai sia stato scelto questo nome!



Molto probabilmente si tratta di una nebulosa planetaria, ovvero un qualcosa che si forma quando una stella non molto massiva arriva alla fine del suo ciclo vitale, scoperta dall'astronomo amatoriale Dave Jurasevich il 6 Luglio 2008 e poi osservata successivamente da Keith Quattrocchi e Mel Helm il 17 Luglio 2008. Questa nebulosa planetaria, il cui nome ufficiale è PN G75.5+1.7 (ma che noi continueremo a chiamare Bolla di Sapone, tranquilli!), è localizzata nella costellazione del Cigno, se qualcuno di voi vuole cimentarsi nell'osservazione.

Dunque, sto scrivendo questo post perché non ho potuto non notare una cosa in questa immagine, che ora vi dirò, e a cui inoltre anche il nome Bolla di Sapone mi ha fatto pensare. Infatti, prima di ogni cosa dobbiamo renderci conto che abbiamo a che fare con una bolla, ovvero una sfera, non con un cerchio. Voglio dire, la struttura nella foto è tridimensionale. Vi dico questo per il seguente motivo: provate a guardare i bordi della nebulosa nella foto.
Notate quello che vedo anche io? Ma certo, i bordi sono più brillanti della parte interna!

Come mai ciò? Niente di complicato a dire il vero. Infatti una nebulosa planetaria non è altro che un guscio di gas che si espande nello spazio. Quindi avremo una cosa del genere quando guardiamo l'immagine proiettata (perdonate la mia mancanza di capacità artistiche!):

Insomma il succo è che il bordo non è davvero più brillante del centro ma si tratta di una illusione ottica in quanto noi poniamo il nostro sguardo, quando osserviamo i bordi, lungo una direzione che contiene molto più gas, molto più densa rispetto a quando guardiamo verso il centro.
Questo fenomeno produce dunque all'apparenza l'impressione che la nebulosa sia un anello, ma in realtà, come abbiamo già detto si tratta di un guscio sferico.

Ma può avvenire anche il contrario, sapete? Cioè che i bordi appaiono meno luminosi del centro.
Stavolta per trovare un esempio non c'è bisogno di scomodare una bolla spaziale (né tantomeno ho intenzione di raccontare una balla spaziale!) ma basta rivolgersi all'ufficio astronomico più vicino, ovvero al nostro Sole (ho preso l'immagine di Wikipedia perchè si può apprezzare anche il transito di Venere davanti al Sole: meraviglioso!):


Come vedete il Sole appare più buio ai bordi. Come spieghiamo questo fatto?
Badate bene che questa volta non abbiamo a che fare con un guscio. Bensì con una stella.
Quindi innanzitutto abbiamo che la densità del gas diminuisce man mano che si va verso i bordi; in altre parole abbiamo più roba al centro stavolta. Ma non è questo il punto principale. Il fatto è che i fotoni prodotti al centro del Sole tramite reazioni di fusione nucleare non escono belli diritti verso la superficie. Al contrario vengono assorbiti e riemessi dal gas una miriade di volte, fin quando ad un certo punto riescono ad uscire. Ora, dovete sapere che esiste una profondità media per la quale i fotoni sono finalmente liberi di uscire dal Sole. Ovviamente essi escono in tutte le direzioni e solo una parte raggiunge noi sulla Terra, cioé i fotoni che escono verso di noi!

Fonte: http://spiff.rit.edu/classes/phys440/lectures/limb/limb.html


Perciò, quando osserviamo le parti centrali del Sole, abbiamo che i fotoni che arrivano sulla Terra sono quelli che si liberano alla profondità di cui parlavamo prima (chiamata, nel disegno qui sopra "1 optical depth" cioé "una profondità ottica"). Ciò vuol dire che vediamo i fotoni che si liberano nella zona indicata con il cerchio tratteggiato in blu.
Quando guardiamo invece ai bordi abbiamo che i fotoni che ci raggiungono non sono quelli che escono radialmente dal Sole bensì quelli che escono ad un angolo tale per cui si dirigono verso di noi sulla Terra. Ovviamente i fotoni saranno liberi sempre alla stessa profondità ottica ma stavolta non in direzione radiale (vedi freccia rossa nel disegno!). Quindi, in quest'ultimo caso ci arriverranno i fotoni che si liberano più vicini alla superficie del Sole, nella zona indicata dal cerchio tratteggiato in rosso.
Ricapitolando, alla fine i fotoni che vediamo si liberano tutti alla stessa profondità ottica (data dalla lunghezza della freccia rossa e di quella blu) ma in realtà, considerando le cose in tre dimensioni, man mano che ci spostiamo verso i bordi, andiamo a "prelevare" fotoni che si liberano sempre più vicini alla superficie del Sole (guardate di nuovo bene la diversa distanza dal centro del Sole tra il cerchio tratteggiato in rosso e quello in blu).

Dunque, in parole poverissime ora, in pratica il Sole è più scuro ai bordi perché vediamo meno "dentro" al Sole.

Adesso possiamo capire anche perché nella foto di sopra del Sole abbiamo che i bordi appaiono più rossi. Siccome i fotoni uscenti dai bordi vengono da regioni più vicine alla superficie del Sole ciò vuol dire che si tratta di fotoni più "freddi", cioè con una lunghezza d'onda maggiore in quanto la temperatura del Sole aumenta via via che si fa verso le zone più interne.

Ecco dunque spiegato perché il Sole e in generale le stelle subiscono questo oscuramento del bordo.
Ci sarebbe ancora molto da dire su questo fenomeno e ho scoperto cose affascinanti di cui spero presto avere il tempo di raccontarvi qui su Quantizzando. Non vedo l'ora!

Nel frattempo vi ricordo che se avete domande non siate timidi e commentate pure questo post e cercherò di dare una risposta esaustiva ai vostri dubbi.

P.S. In inglese il fenomeno della nebulosa Bolla di Sapone si chiama "limb brightening" mentre quello dell'oscuramento del bordo delle stelle si chiama "limb darkening", senza tanta fantasia, insomma ;)