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Cosa avremmo
fatto oggi senza il grande Edwin Hubble? Fu proprio lui ad annunciare
nel 1929 che le galassie lontane, fuori dal gruppo locale, mostravano
mediamente uno spettro spostato verso il rosso a causa della velocita'
di allontanamento (l'effetto Doppler-Fizeau era noto dal 1848). Trovo'
anche che esisteva una relazione tra la velocita' radiale e la distanza
di questi oggetti celesti, formulando la legge che porto' al concetto di
universo in espansione e che porta il suo nome: v = Ho x d.
v
indica la velocita' di recessione, d
la distanza e Ho
una costante, un parametro chiave per la cosmologia, oggetto di studio
anche nei nostri giorni.
Torniamo con i piedi... nelle scarpe degli astrofili! Sebbene conoscevamo
da molto tempo, a grandi linee, il fenomeno del redshift, eravamo
piuttosto convinti che l'astronomo dilettante, con i suoi strumenti,
"rudimentali" se comparati con quelli dei professionisti, non avrebbe
mai potuto apprezzare una variazione di cosi' piccola entita'. E invece
pare non sia cosi'... Ancora una volta forse gran parte del merito
va ai nuovi sensori digitali. Non sappiamo se qualche amatore, con la
pellicola, sia riuscito mai a prendere uno spettro per rilevarne uno
spostamento causato dalla velocita' radiale, in ogni caso stupisce la
facilita' con cui oggi la cosa diventa fattibile.
I mezzi sono certamente alla portata dell'astrofilo. Oltre l'usuale
apparecchiatura per realizzare fotografie digitali, e' sufficiente solo
un semplice reticolo a trasmissione. Noi abbiamo utilizzato il modello
Star Analyser 100, tipo "blazed" da 100 l/mm, del costo di un centinaio
di euro.
Considerando l'esigua risoluzione di spettroscopi amatoriali come quello
menzionato, per ottenere informazioni significative, dobbiamo scegliere
soggetti che presentano un marcato spostamento dello spettro, pur
mantenendo una relativa luminosita'. Come dire, sulla base della legge
di Hubble, qualcosa di lontanissimo, ma anche di estremamente luminoso.
Niente di meglio degli enigmatici Quasar, oggetti il cui spettro e'
caratterizzato da un elevato "redshift" dovuto alla notevole velocita'
di allontanamento. Dal momento che nell'universo in espansione queste
velocita' crescono con la distanza, si deduce che i Quasar debbano
essere collocati ad enorme distanza da noi. L'emissione di energia di
questi oggetti e' molto intensa, al punto che risultano osservabili
anche con telescopi amatoriali.
Senza entrare in ulteriori dettagli teorici, per completare le nozioni
essenziali sui Quasar, va aggiunto che si tratta di particolari nuclei
galattici attivi, potenti radiosorgenti che, secondo accreditate
ipotesi, contengono un buco nero di massa pari a diverse decine di
milioni di masse solari. Inoltre pare siano all'origine dell'intensa
radiazione ultravioletta che permea l'universo. Per capire quanta
energia sprigionano questi oggetti, possiamo far riferimento al Quasar
catalogato come 3C273, attualmente il piu' luminoso conosciuto, che
mediamente brilla di mag 12.9.
Torniamo di nuovo nel mondo degli astrofili. Armati dunque del semplice
ma prezioso spettroscopio, io e Giuseppe ci siamo messi al lavoro dopo
aver consultato una lista dei Quasar piu' luminosi. Il target poteva
essere il menzionato 3C273 nella costellazione della Vergine, ma la sua
posizione in cielo durante questo periodo non lo rende particolarmente
comodo da osservare. Ripieghiamo sul solo che si presenta in posizione
favorevole, di mag 14.4, designato come B3 0754+394, nella costellazione
della Lince. A proposito, la sigla apparentemente caotica, indica il
nome comune, derivato dal catalogo a cui appartiene, ed un codice
formato dalle sue coordinate, AR e DEC. Ad esempio anche il Quasar che
ha nome 3C273 e' seguito dalla codifica 1226+023.
Siamo dubbiosi per la luminosita' non troppo elevata (dopotutto e' la
prima esperienza osservativa) ma confidiamo nelle potenzialita' della
camera CCD. La prima ripresa serve a centrare il soggetto,
preventivamente identificato in una dettagliata carta celeste, e per
avere un'idea di quale intensita' aspettarsi con delle brevi esposizioni
come quelle usate in fase di centramento. Inutile negare l'estrema
utilita' della funzione go-to della montatura... Riconosciamo subito il
campo stellare sebbene l'area visualizzata sia di soli 15x20 primi e
portiamo in posizione il fatidico Quasar. Apparentemente un puntino
luminoso come tutte le altre stelle nel campo, ma l'emozione di sapere
cio' che invece questo rappresenta e' davvero grande!
Integriamo un'esposizione di 4 minuti e finalmente arriva la prima
immagine:
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Sono evidenti diverse righe di assorbimento, tipiche delle stelle di
questa classe spettrale. Da sinistra la serie di Balmer nel blu-violetto
(prominenti le delta, gamma, beta). Verso destra, distanziata e non
molto pronunciata, si trova la h-alfa. Lo spettro poi sfuma mostrando
ben marcate le bande di assorbimento dovute all'ossigeno presente nella
nostra atmosfera. Per curiosita', la prima di queste e' visibile in
dettaglio in
questo spettro preso con il LIHRES III, uno
strumento a maggiore risoluzione, utilizzando la luce solare:
Ora che abbiamo le immagini, possiamo fare un semplice confronto
allineando i due spettri uno sopra l'altro. Ipotizzando che l'ultimo
picco luminoso dello spettro del Quasar corrisponda alla riga h-alfa,
emerge la grande conferma: il redshift e' perfettamente visibile!
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Ma facciamo parlare i numeri... Utilizziamo Visual Spec, un ottimo software
gratuito per l'elaborazione degli spettri. Fornisce un notevole
supporto alla loro calibrazione sia in frequenza che in intensita',
nonche' al riconoscimento delle righe e degli elementi chimici che le
producono. Inoltre legge direttamente i file FIT
prodotti dalla CCD e opera una somma sulla matrice dell'immagine che
aumenta il rapporto segnale/rumore, ed e' quindi capace di rilevare molte piu'
informazioni di quanto si apprezzi ad occhio.
Di seguito le informazioni spettrali del Quasar e della stella di
riferimento. Abbiamo effettuato solo la calibrazione in frequenza e la
correzione per la risposta strumentale della camera CCD (che non ha la
stessa sensibilita' in tutte le frequenza). In corrispondenza dei
picchi, Visual Spec ha individuato le relative lunghezze d'onda, il dato
che ci serviva.

Click sull'immagine per
ingrandire |
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Con l'ipotesi fatta in precedenza, in base a cui l'ultima emissione
visibile corrisponde alla riga dell'idrogeno alfa, troviamo che a causa
della velocita' di allontanamento, per effetto Doppler-Fizeau, la riga
si e' spostata alla lunghezza d'onda di circa 7190 Angstrom (con la
dovuta approssimazione). Sappiamo che nello spettro di un oggetto fermo
(o che si muove provocando uno shift trascurabile in una scala
come questa, come ad esempio la Gamma Gem usata come riferimento), la riga
h-alfa ha una lunghezza d'onda di 6563 A. La differenza rilevata e' pari
quindi a 627 A.
Il redshift z viene calcolato mediante la formula z = (lambda osservata
- lambda emessa)/lambda emessa. Nel nostro caso z=627/6563 ovvero 0.096.
Siamo sulla buona strada in quanto la letteratura scientifica fornisce
per questo Quasar un valore di z pari a 0.096. La perfetta coincidenza
e' fortuita in quanto il valore di lambda
osservato e' affetto dall'errore di misura legato alla risoluzione dello spettro
registrato. Tuttavia, ora che abbiamo verificato l'entita' dello shift
possiamo identificare le altre righe di emissione del Quasar, ripetere
il calcolo per ognuna di esse e minimizzare tale errore mediando i
risultati.
Abbiamo registrato altre tre righe che, per l'effetto del redshift, sono
collocate rispettivamente a 5477, 5321 e 4758 Angstrom. Per conoscere la
frequenza orientativa che avrebbero le righe in uno spettro non in
movimento, facciamo l'operazione inversa ipotizzando il valore z appena
calcolato. Otteniamo i valori 5000A, 4857A e 4290A rispettivamente.
Adesso possiamo riconoscere che si tratta delle righe OIII, h-beta e
h-gamma le cui lunghezze d'onda "a fermo" sono precisamente 5007A (in
realta' l'ossigeno ionizzato mostra un doppietto con una
componente di minore intensita' a 4959A), 4861A e 4340A.
Calcoliamo ora il redshift per ogni riga di emissione:
h-alfa-> z=627/6563 -> 0.096
OIII-> z=470/5007 -> 0.094
h-beta-> z=460/4861 -> 0.095
h-gamma-> z=418/4340 -> 0.096
La media dei quattro redshift e' pari a 0.095, un dato che sembra in
ottimo accordo con quanto riportato nei cataloghi.
Per concludere azzardiamo qualche implicazione legata ad un redshift
cosi' elevato. La velocita' di allontanamento del Quasar, ipotizzando
che lo spostamento verso il rosso sia dovuto solo al Doppler-Fizeau, si
calcola con la seguente formula, che considera gli effetti relativistici
dal momento che questa rappresenta una frazione consistente della
velocita' della luce:

Con z=0.096 si ottiene una velocita' di circa 27400 Km/sec. Possiamo ora
provare a calcolare con approssimazione la distanza del Quasar mediante
la legge di Hubble, D=v/Ho dove Ho e' la costante di Hubble, di
valore un po' controverso oggi accettato pari a 71
Km/sec/Mpc. Tale costante in pratica esprime il tasso di espansione
dell'universo. Ad esempio una galassia che dista 1 Mpc (megaparsec) si
sta allontanando ad una velocita' di 71 Km/sec, un'altra a 2 Mpc si
allontana a 142 Km/sec e via dicendo... Applicando questa legge al
nostro Quasar otteniamo una distanza di circa 27400/71= 386 megaparsec,
oppure 1.25 miliardi di anni luce!
Viene spontaneo pensare ai confini dell'universo quando trattiamo con
questi straordinari oggetti. Se il nostro Quasar e' lontano, cosa
dovremmo dire del Quasar APM 08279+525 che presenta un valore di z pari
a 3.87? Inoltre se ne scoprono in continuazione di nuovi e il redshift piu'
elevato osservato pare sia arrivato a raggiungere un valore di z=6.4. In
questo caso il Quasar sembra recedere alla incredibile velocita' di
289000 Km/sec, ovvero il 96% della velocita' della luce! E infine, che
luminosita' intrinseca devono avere questi oggetti per apparire, dalla
loro immensa distanza, come stelle a noi vicinissime?
L'ultima considerazione riguarda il fatto che la velocita' della luce e'
finita: la luce che abbiamo catturato con il nostro piccolo telescopio
e' quella emessa dal Quasar 1.25 miliardi di anni fa! Un tempo in cui
sulla terra l'evoluzione biologica segnava il passaggio dalle cellule
complesse alla vita multicellulare...
A parte queste considerazioni ultra-semplificate e basate su ipotesi
nuove e meno nuove poiche' non siamo astronomi ma semplici curiosi del
cielo, dobbiamo dire che questa osservazione e' stata una esperienza
molto interessante che ci sentiamo di consigliare a chiunque dal momento
che non necessita di costose apparecchiature professionali. Forse
non sia da poco, per un amatore, essere in grado di verificare un redshift
cosmologico!
Riprese e testo di P. Berardi e G. Di Carlo - L'Aquila, 3 febbraio 2008
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