Lo spettro elettromagnetico
Nel suo complesso, lo spettro elettromagnetico è un intervallo
continuo di lunghezze d'onda che va da 0 a infinito, ma gli astronomi hanno
diviso lo spettro in bande inquadrando così ogni intervallo di lunghezza
d'onda in una ben precisa branca di ricerca, per cui abbiamo la radiazione
Gamma (
) che è quella a più
corta lunghezza d'onda, poi
la radiazione X, quella Ultravioletta (UV), l'Ottica, l'Infrarossa (IR)
e, infine, quella Radio a lunghezza d'onda più lunga. I valori che
contraddistinguono i confini delle diverse bande sono poco definiti e possono
differire anche di centinaia di Ångström, tanto che ad esempio
la banda radio alle sue più corte lunghezze d'onda si confonde con
l'infrarosso e le tecniche osservative si identificano.
La banda ottica risiede in una zona molto limitata rispetto a tutto il dominio dello spettro elettromagnetico, ma insieme con la radiazione nella banda radio, è l'unica che non è asssorbita dall'atmosfera terrestre. La parte di radiazione che è assorbita ha dovuto attendere il progresso tecnologico e lo sviluppo della tecnologia spaziale per dare informazioni di una certa rilevanza scientifica. Vediamo in particolare ogni banda dello spettro elettromagnetico.
Figura 3.
La banda radio
La banda radio è, insieme con la banda ottica, osservabile da strumenti posti a terra. I gas della bassa atmosfera assorbono le lunghezze d'onda più corte di 1 mm, mentre la ionosfera riflette la radiazione più lunga di 30 m, questo fatto ha permesso la trasmissione oltreoceano, ma ha limitato l'espansione della radioastronomia a lunghezze d'onda maggiori. Onde di valore intermedio fra 1 mm e 30 m, che definiscono la banda radio, possono penetrare sia la ionosfera che la bassa atmosfera. A causa della facilità di comunicazione, oggi l'intera banda radio è contaminata dalle frequenze usate dai media più comuni come radio, televisione o altri sistemi ricetrasmittenti.
Gli strumenti capaci di rivelare tale emissione radio sono i radiotelescopi. Ogni radiotelescopio è progettato per lavorare a lunghezze d'onda specifiche, come ad esempio il Lowell Telescope (76 m) a Jodrell Bank che lavora a corte lunghezze d'onda, o quello di Cambridge formato da 1000 dipoli che lo rendono molto potente e capace di rivelare segnali deboli.
L'astronomia radio ha rivelato sorgenti di natura extragalattica molto energetiche, come radiogalassie e quasar. Ha rivelato l'esistenza di molecole presenti nel mezzo interstellare: a tutt'oggi sono state trovate più di 60 molecole, tutte confinate fra la riga a 21 cm e il millimetrico, fra queste sono da citare il monossido di carbonio, l'ammoniaca, la formaldeide, il metanolo e molecole organiche estremamente complesse. La banda radio ha anche rivelato l'emissione dell'idrogeno, ma gli atomi di idrogeno neutro che popolano lo spazio interstellare nella nostra galassia e che originano la radiazione a 21 cm, potrebbero essere residui di radiazione primordiale, questo ha motivato il lancio di COsmic Background Explorer (COBE): un satellite lanciato per analizzare la radiazione cosmica di fondo originata dal Big Bang.
Astronomia infrarossa
La regione infrarossa copre lo spettro fra 1 
m e
1000 m, ma il limite
tradizionale è posto fra 1.1 e 350 m.
Il nostro Sole produce molta
radiazione infrarossa, ma non è considerato fra le maggiori sorgenti
di tale banda, la sua abbondanza è dovuta alla vicinanza alla Terra.
Gli astronomi suddividono ulteriormente la banda IR in differenti regioni:
- Il lontano rosso è una estensione della banda ottica e può essere osservato con telescopi infrarossi collocati a terra, il resto della banda è in gran parte assorbito dal vapore acqueo dell'atmosfera e dal biossido di carbonio. Caratteristica comune di tutte queste sottobande è che tale radiazione può penetrare la polvere che oscura la vista degli oggetti distanti. Tale polvere ha circa le stesse dimensioni della lunghezza d'onda nel visibile e lascia passare radiazione di lunghezza d’onda maggiore delle loro dimensioni. Grazie a questa radiazione si sono mostrate zone di grande attività e formazioni stellari ricche di polveri e materia interstellare.
- Vicino IR: ha poche finestre visibili da terra e accessibili da telescopi
posti in alta montagna. Come ci muoviamo verso le lunghezze d'onda maggiori
lo scenario cambia notevolmente. Gli oggetti visibili sono nettamente più
freddi di quelli delle bande a lunghezza d'onda inferiore. Nell'intervallo
fra 1 e 4 m la temperatura è fra 1000 e 2000 gradi.
- Medio IR: è dovuto alla emissione per riscaldamento. Qui potremmo vedere stelle ancora più fredde, attorno a 100 gradi Kelvin, ma non conosciamo stelle così fredde e riveliamo la polvere presente vicino ai corpi celesti. Il satellite IRAS ha portato conoscenze sulla distribuzione di polvere nella Via Lattea e in altre galassie. La polvere interstellare assorbe la luce delle stelle vicine e si riscalda fino a raggiungere temperature di alcune decine di gradi. L'energia assorbita viene riemessa e ha il massimo nell'IR lontano.
- Lontano IR: è totalmente non osservabile da terra, ed è stato accessibile solo in seguito ai lanci spaziali. È in larga misura inesplorato, rivela un universo attorno a zero gradi assoluti di temperatura.
- Submillimetrico: è in una zona intermedia fra la banda radio e quella IR. È facilmente assorbito dal vapore acqueo presente nella bassa atmosfera per cui i telescopi che lavorano in questa banda sono posti in alta montagna.
Ultravioletto
Tale radiazione è prodotta dalle transizioni atomiche degli elettroni appartenenti agli orbitali più esterni e da sorgenti termiche come il Sole, tale banda ha lunghezze d'onda inferiori a 3100 Ångström: circa le dimensioni di un virus.
L'UV è in piccola quantità benefico all'uomo perché fissa la vitamina D nelle ossa, ma un eccesso di questa radiazione è dannoso. Il suo naturale schermo è l'ozono (una forma poco comune di idrogeno). L'ozono, che si estende in maniera continua su tutta la banda ottica, è trasparente alla luce visibile. Esso assorbe la radiazione UV in modo efficace. Questo fatto si è mostrato essenziale alla formazione della vita, ma, per contro, ha ostacolato l'astronomia che ha dovuto attendere i progressi tecnologici e l'avvento dell'era spaziale per portare i telescopi al di sopra dello strato di ozono. Va detto che, mentre per le astronomie più tradizionali, compreso l'IR vicino, è sufficiente collocare i telescopi in alta montagna, chi deve osservare in UV ha più problemi perché lo strato di ozono si estende per 3 ordini di grandezza sopra il livello del mare, neanche il monte Everest risulterebbe sufficiente allo scopo. Il primo telescopio che ha lavorato in questa banda è stato lanciato su pallone, quelli successivi sono stati messi in orbite più alte tramite razzi vettore.
La ricerca che si può affrontare con questi telescopi è lo studio degli oggetti più caldi quindi, seguendo i criteri evolutivi, si vedono oggetti giovani. Nell'estremo UV si vedono oggetti con temperature tipiche di 100.000 gradi Kelvin. Ma le sorpese maggiori sono state ottenute da EUV studiando i nuclei di galassie attive, queste galassie hanno mostrato un centro piccolo e brillante che produce quantità di onde di diverso tipo la cui provenienza è stata attribuita a un disco di gas in un buco nero.
X e Gamma
Pur avendo le radiazioni X e Gamma alto potere di penetrazione, sono assorbite dagli atomi e dalle molecole presenti nell'alta atmosfera. I raggi X sono prodotti dalle transizioni più interne degli atomi o dalle decelerazioni di particelle cariche come elettroni,sono radiazioni prevalentemente di tipo non termico e sono generate da gas superiscaldato da eventi esplosivi presenti in stelle o quasar. La lunghezza d'onda X corrisponde alla distanza tra gli atomi dei solidi. È la stessa radiazione usata in campo medico.
I raggi Gamma sono le radiazioni elettromagnetiche più penetranti e più energetiche di tutto lo spettro elettromagnetico. Una esposizione prolungata può avere effetti dannosi sul corpo umano. Sono radiazioni che possono essere emesse nelle transizioni di un nucleo atomico da uno stato a un altro, per cui in astronomia sono indicatori di certi processi nucleari che avvengono in oggetti celesti come pulsar o quasar. La parte di radiazione Gamma a più corte lunghezze d'onda (alte energie) trasporta tanta energia nell'alta atmosfera da produrre burst di luce Cerenkov che può essere rivelata da telescopi collocati a terra. Le radiazioni gamma più energetiche che oggi si conoscono non sono quelle prodotte dall’uomo tramite le centrali atomiche, ma quelle di origine naturale cioè cosmica.
Satelliti X come ROSAT, EINSTEIN e Skylab hanno studiato sorgenti dalla corona solare fino a resti di supernova e buchi neri. Il satellite COS-B e il Compton Gamma Ray ha studiato pulsar, nubi di gas interstellare bombardato da particelle subatomiche ad alta velocità e il nucleo di galassie attive distanti.
La banda ottica: il seeing astronomico
Abbiamo definito operativamente luce visibile quella parte di radiazione elettromagnetica cui l'occhio umano è sensibile. L'emissione di luce visibile è particolarmente probabile quando gli elettroni che compiono le transizioni sono quelli che risiedono nelle orbite esterne. La sorgente più familiare di luce visibile è il Sole, ma, pur emettendo principalmente in questa banda con un picco attorno ai 5500 Å, non è fra le sorgenti più potenti che conosciamo.
I media e Internet ci hanno abituato a vedere immagini ottiche spettacolari, soprattutto in seguito al telescopio spaziale Hubble. Perché le immagini dallo spazio risultano più nitide di quelle che otteniamo con i telescopi da terra? Che cosa ostacola l'acquisizione di informazioni da parte dei telescopi da terra? È l'atmosfera terrestre che, con la sua turbolenza, costituisce un serio ostacolo alle osservazioni astronomiche. Questo perché un'onda elettromagnetica, nella fase finale del suo percorso, prima di arrivare al telescopio deve attraversare gli strati che compongono l'atmosfera e che, normalmente, hanno un moto turbolento. L'effetto è quello di diminuire la nitidezza dell'immagine, più o meno un effetto simile lo abbiamo quando osserviamo i fondali di un fiume dove scorre dell'acqua limpida. Il risultato è equivalente a una riduzione della qualità ottica del telescopio il che vanifica i costi affrontati nella sua realizzazione. Diventa molto importante quindi lo studio del sito e dell'atmosfera sovrastante il sito astronomico. Di recente astronomi e fisici dell'atmosfera hanno iniziato uno studio per capire quali parametri meteorologici influenzano i parametri atmosferici, in modo da poter prevedere la qualità dell'immagine ottica risultante.
Un modo di superare il problema è stato ottenuto col telescopio spaziale Hubble che, pur avendo uno specchio di 2.4 m di diametro, sta permettendo osservazioni mai effettuate prima d'ora. Tale soluzione però è molto costosa per cui è ancora più conveniente cercare di costruire telescopi sulla terra e studiare siti particolarmente adatti dove collocarli.
Tale studio è abbastanza recente, partito negli anni Sessanta, ha avuto un impulso negli anni Settanta con la teoria della propagazione delle onde elettromagnetiche in un mezzo turbolento quale è l'atmosfera e si sta dimostrando promettente mostrando immagini sempre migliori e nitide.