Sia che ci si trovi davanti ad un bel fuoco vivo e scoppiettante o a passeggiare su una spiaggia durante una giornata assolata o in cucina tra pentole e padelle roventi, c’è una cosa, in particolare, che accomuna questi scenari apparentemente diversi tra loro. In tutti e tre i casi, anche se chiudiamo gli occhi, saremo perfettamente consapevoli di trovarci sotto il sole o, comunque, vicino a corpi caldi: la caratteristica comune è il calore che percepiamo. I nostri occhi, sensibili solo alla luce visibile, non possono “sentirlo” ma, ovviamente, può farlo la nostra pelle. Questo calore è trasportato da qualcosa d’invisibile, un nuovo tipo di “luce” o radiazione elettromagnetica che se studiata correttamente può aprirci le porte per un universo completamente nuovo, ricco di storie incredibili da raccontare, proprio come abbiamo già visto con le onde radio e le microonde e vedremo, con i prossimi articoli, con gli altri tipi di radiazione. Possiamo, quindi, continuare il nostro viaggio nell’astronomia multimessaggera, facendo la conoscenza dei nostri nuovi cantastorie: gli infrarossi.
Per iniziare la nostra storia abbiamo bisogno di questi tre elementi: un prisma, un arcobaleno e uno dei più grandi scienziati di tutti i tempi. Ci troviamo a Woolsthorpe-by-Colsterworth, luogo di nascita di Sir Isaac Newton, nella sua casa natale.
All’epoca, a metà del 1600, Newton aveva circa vent’anni e stava studiando le caratteristiche della luce. Anche se i suoi lavori principali, per cui si è guadagnato un posto unico nell’Olimpo della scienza, riguardano la gravità e il calcolo infinitesimale, Newton fu il primo a risolvere il mistero dell’arcobaleno e a capire la composizione della luce visibile. Lo scienziato, naturalmente, non disponeva della luce artificiale. Quindi, per condurre i suoi esperimenti, stando in una camera opportunamente oscurata, praticava dei piccoli fori sulle imposte per ottenere dei sottili fasci di luce da poter “manipolare”. Newton indirizzò uno di questi verso un prisma di vetro. Ciò che uscì dall’altra parte, proiettato su di uno schermo d’osservazione, furono delle bande colorate, dal rosso al violetto, praticamente un arcobaleno “fatto in casa”. Newton, quindi, scoprì che la luce bianca visibile era, in realtà, composta dalla luce dei colori dell’arcobaleno: rosso, arancione, giallo, verde, blu, indaco e violetto, la cui combinazione restituisce il colore bianco. L’insieme di queste bande colorate fu chiamato dallo scienziato “spettro1” della luce, dal latino spectrum che significa fantasma: così come accade nelle storie dell’orrore, in cui solo in situazioni e luoghi particolari appaiono presenze spettrali, quasi allo stesso modo, agli occhi di Newton, si era manifestato il fantasma invisibile della luce.
Newton, tuttavia, non approfondì particolarmente i suoi studi sulla luce: in quello spettro di colori vi era nascosta una storia ancora più straordinaria che aspettava solo la persona giusta in grado di ascoltarla. Circa 150 anni dopo, questo racconto nascosto fu finalmente scoperto da un altro pilastro della scienza: l’astronomo William Herschel.
Herschel fu uno degli astronomi migliori della sua epoca. Le sue capacità osservative erano senza eguali. A lui si devono importanti scoperte come l’osservazione di Urano e i suoi due satelliti, Titania e Oberon, oggetti estremamente difficili da individuare per i mezzi e le tecniche astronomiche a disposizione in quel periodo. Se di notte si dedicava a scandagliare il cielo con i suoi telescopi, di giorno, invece, Herschel conduceva esperimenti sulla luce. La luce solare, come tutti noi possiamo percepire stando semplicemente all’aperto durante una giornata soleggiata, trasporta calore. Grazie agli esperimenti di ottica di Newton era ben noto, ormai, che la luce fosse composta da uno spettro di colori. Ciò che Herschel si chiese era se i vari colori dello spettro potessero trasportare più o meno calore rispetto agli altri. Per verificarlo bisognava misurare la temperatura della luce dei vari colori. Herschel, quindi, come aveva fatto Newton con il fascio di luce e il prisma, riprodusse lo spettro della luce e, per misurare la temperatura, posizionò dei termometri in corrispondenza di ogni banda colorata, più un termometro detto di “controllo” al di fuori dello spettro, non illuminato da nessuna luce. In particolare, quest’ultimo si trovava di fianco alla banda di color rosso. Per visualizzare meglio l’esperimento condotto da Herschel basta osservare la Figura 6).
In seguito alle diverse misurazioni della temperatura, Herschel osservò che i colori verso il rosso erano più caldi, ovvero avevano una temperatura maggiore e che, quindi, potevano trasportare più calore rispetto ai colori tendenti al blu. Una scoperta sicuramente interessante ma non proprio rivoluzionaria. Tuttavia, l’astronomo notò che il termometro di controllo, quello non illuminato, si comportava in modo strano e inaspettato. In particolare, vide che la temperatura segnata dal termometro era maggiore di quella misurata in corrispondenza della banda di color rosso! Herschel, così, fu il primo uomo in grado di “ascoltare” il racconto nascosto di un nuovo tipo di radiazione elettromagnetica, invisibile ai nostri occhi ma che possiamo sentire grazie alla nostra pelle sotto forma di calore, la radiazione infrarossa. Da un punto di vista fisico, gli infrarossi hanno una lunghezza d’onda2 che va da 1mm che corrisponde a circa 300 GHz di frequenza, fino a circa 700 nm (nanometri) ovvero 430 THz (terahertz). Nello spettro elettromagnetico si posizionano tra le microonde e il bordo inferiore, costituito dalla banda di colore rosso, della luce visibile, come possiamo osservare in Figura 7).
Ed è proprio per questo motivo che tale radiazione è detta infrarossa: “infra” dal latino vuol dire sotto, quindi sotto il rosso. Gli infrarossi, nel tempo, hanno trovato spazio in numerosi ambiti tecnologici. Ad esempio, sono utilizzati nei dispositivi di visione notturna che permettono di vedere e di orientarsi anche se c’è pochissima luce visibile. Infatti, ogni oggetto che abbia una temperatura superiore allo zero assoluto (quindi praticamente ogni oggetto reale) emette radiazione infrarossa. I visori ad infrarossi o le telecamere ad infrarossi sono tutti strumenti sensibili alla radiazione termica emessa dagli oggetti. Essa è poi convertita in un’immagine che può essere monocromatica (in cui le zone più chiare sono quelle più calde mentre quelle più scure sono più fredde) oppure con un sistema di falsi colori, in cui ad ogni colore è associata una temperatura. In questo modo possiamo “vedere” anche se ci troviamo nel buio totale. Gli infrarossi, inoltre, possono attraversare abbastanza facilmente il fumo (si dice che il fumo è trasparente alla radiazione infrarossa). I pompieri, quindi, possono usare i visori ad infrarossi per orientarsi in ambienti saturi di fumo in cui, altrimenti, sarebbe impossibile muoversi affidandosi solo alla vista. L’infrarosso è utilizzato anche come mezzo di trasmissione dati: nei telecomandi dei televisori, tra computer o cellulari e nei sensori di movimento. La luce che si utilizza nelle fibre ottiche è spesso infrarossa.
Siamo giunti alla fine della prima parte di quest’articolo. Ci siamo concentrati sulla storia della scoperta della luce infrarossa, sulle sue caratteristiche fisiche generali e sulle sue applicazioni tecnologiche. Nel prossimo articolo, invece, verranno raccontate alcune delle storie cosmiche che la radiazione infrarossa può narrarci e descritti gli strumenti astronomici in grado di farcele ascoltare. In particolare, ci soffermeremo su un argomento che ha da sempre intrigato e affascinato gli astronomi: la nascita e l’evoluzione delle stelle. Come vedremo, l’astronomia dell’infrarosso ha giocato un ruolo assolutamente decisivo e cruciale nello studio della vita stellare.
Ci vediamo fra due settimane per la seconda parte.
A cura di Giuseppe Lamberti
1 Con il temine spettro, come abbiamo visto negli articoli precedenti, ci si può riferire anche allo spettro elettromagnetico, ovvero l’insieme di tutti i tipi di radiazione e non solo di quella visibile.
2 Per maggiori informazioni sulle caratteristiche delle onde, come la lunghezza d’onda e la frequenza, si veda sempre l’articolo I CANTASTORIE DEL COSMO – ATTO I – LE ONDE RADIO.