L’Universo delle alte energie e dei raggi X… Parte I

Oltre l’ultravioletto si raggiungono le energie più elevate dello spettro elettromagnetico. Dai raggi X ai raggi gamma ancora più energetici, i fotoni sempre più rari devono essere contati uno per uno. Solo i fenomeni più drammatici generano luce a questa estremità dello spettro. Ciò significa che i raggi X e gamma sono la nostra finestra sullo studio dei processi cataclismici come le esplosioni di stelle massicce e le stelle di neutroni e i buchi neri che si lasciano dietro, così come i plasmi caldi negli ammassi di galassie e nelle stelle vicine.

SUPERNOVA REMNANT G292.0 + 1.8

Questa bellissima immagine a raggi X presa dal telescopio Chandra mostra il resto della supernova 292.0 + 1.8. Questa è la conseguenza della morte di una stella enorme. Il materiale espulso dalla supernova corre verso l’esterno e va a sbattere contro il gas circostante creando onde d’urto che riscaldano il materiale e vengono emessi raggi X. Mappando la distribuzione dei raggi X in diverse bande di energia, l’immagine di Chandra traccia lo stato del materiale espulso dalla supernova. I risultati implicano che l’esplosione non era simmetrica. Ad esempio, il blu (silicio e zolfo) e il verde (magnesio) si vedono fortemente in alto a destra, mentre il giallo e l’arancione (ossigeno) dominano in basso a sinistra. Questi elementi si accendono a diverse temperature, ad indicare che la temperatura è più alta nella porzione in alto a destra di G292.0+1.8.

I fotoni a raggi gamma e i raggi gamma hanno lunghezze d’onda così piccole che devono essere misurate in miliardesimi (nanometri 10-9 metri) e trilionesimi (picometri 10-12 metri). Non esiste una lunghezza d’onda più piccola all’estremità dei raggi gamma dello spettro, oltre i limiti pratici di quanta energia può essere stipata in un singolo fotone dai processi che li generano. Gli astronomi rilevano questi fotoni caso per caso, rendendo difficile la creazione di immagini nella banda dei raggi X e ancora più impraticabile nella banda dei raggi gamma. In effetti, fino ad oggi, sono state costruite pochissime immagini di raggi gamma.

I raggi X a bassa energia, che si sovrappongono al regime ultravioletto estremo (8 nm – 0,2 nm) sono noti come “raggi X morbidi”. Questi sono suscettibili all’assorbimento da parte degli atomi e come la luce visibile e ultravioletta, tendono ad essere oscurati da dense nubi di polvere e gas. I “raggi X duri” sono raggi a più alta energia e si sovrappongono al regime dei raggi gamma ad energie inferiori (0,2 nm – 10 pm). Questi ultimi sono meno assorbibili, quindi tendono a penetrare nelle nuvole. I raggi gamma vanno dai 10 pm in giù e rappresentano l’estremità di energia più alta dello spettro elettromagnetico.

Sorgenti di raggi X

Raggi X termici

I fotoni di raggi X hanno energie migliaia di volte più grandi dei fotoni di luce visibile rilevati dai nostri occhi. Se questi fotoni fossero puramente il risultato di processi termici, o di corpo nero, ci dovrebbero essere molti oggetti con temperature comprese tra circa un milione e cento milioni di gradi. La scoperta di alcune sorgenti a queste temperature è stata una sorpresa poiché anche le stelle più massicce non sono così calde.

Radiazione di corpo nero

Mentre le stelle stesse potrebbero non raggiungere temperature di milioni di gradi, l’esplosione di quelle più massicce può farlo. Quando i detriti caldi espulsi dall’esplosione colpiscono il mezzo interstellare circostante, le onde d’urto risultanti possono riscaldarlo ancora di più. È una specie di boom sonico cosmico, ma invece di sentire il boom, vediamo i fotoni generati dallo shock. Questi resti di supernova possono creare obiettivi spettacolari per i telescopi a raggi X. Tuttavia, non ci vuole una supernova per riscaldare almeno parte del gas attorno a una stella. Anche il nostro Sole ha un’atmosfera esterna o corona, che può raggiungere milioni di gradi. Cadendo al di fuori di quella che consideriamo la sua superficie visibile, questo gas sparso è riscaldato da processi che hanno lasciato perplessi gli astronomi che hanno scoperto la sua emissione ai raggi X. Fenomeni violenti sulla superficie spesso intorno alle macchie solari più scure e leggermente più fredde sulla superficie del Sole, creano suoni e onde magnetiche che si propagano verso l’alto nell’atmosfera esterna sempre più tenue, la cromosfera e la corona. Man mano che la densità diminuisce, le onde diventano sempre più estreme, un po’ come le onde dell’acqua che si infrangono su una spiaggia in pendio. Alla fine diventano onde d’urto che surriscaldano il gas.

Linee spettrali dei raggi X

Abbiamo visto che in altre parti dello spettro, i cambiamenti nello stato energetico degli elettroni negli atomi possono generare emissioni di righe spettrali a lunghezze d’onda specifiche. Per elementi leggeri come idrogeno ed elio, tali righe tendono ad apparire nella luce ultravioletta, visibile e infrarossa. Tuttavia, elementi più massicci con nubi di elettroni più grandi possono avere transizioni di elettroni di energie così elevate da creare righe spettrali dei raggi X. Le temperature richieste per generare le righe spettrali dei raggi X sono piuttosto elevate, poiché non si ottiene mai energia senza immetterla. Il loro studio può aiutare gli scienziati a capire la composizione del materiale espulso in tali esplosioni.

Processi non termici

I raggi X provengono anche da sorgenti che non sono sufficientemente calde per generarli come radiazione termica di corpo nero. Tali processi vengono chiamati non termici. Per esempio, in alcune regioni le particelle cariche come elettroni e protoni vengono potenziate quasi alla velocità della luce (a volte vengono trascinate lungo campi magnetici vorticosi, come perline su un filo). Quando tali particelle sono costrette a cambiare direzione mentre passano lungo questi campi magnetici, emettono radiazione di sincrotrone e possono essere viste in tutto lo spettro elettromagnetico, compresi i raggi X.

Cassiopea A ai raggi X

Questa immagine a raggi X scattata dal satellite Chandra mostra il più giovane residuo di Supernova nella galassia della Via Lattea chiamato Cassiopea A. Si trova ad una distanza di circa 13.000 anni luce e se non fosse stata avvolta da un denso bozzolo di polvere, quando la massiccia stella esplose, sarebbe stata facilmente visibile dagli osservatori poco più di tre secoli fa. Oltre ad essere una sorgente luminosa di raggi X, Cassiopea A è la più brillante sorgente radio nel cielo a parte il Sole. Il materiale espulso dalla stella nell’esplosione (in questa immagine visto come rosso e verde) viene riscaldato a circa dieci milioni di gradi. Il guscio di espansione (blu) si sta muovendo verso l’esterno a sedici milioni di km/h e si trova alla temperatura ancora più elevata di trenta milioni di gradi. Quando questo guscio urta il gas interstellare circostante, crea un’onda d’urto che riscalda il gas a questi valori elevati. Si ritiene che queste regioni d’urto siano uno dei siti in cui le particelle cosmiche vengono accelerate a velocità prossime a quella della luce.

Nel prossimo articolo continueremo la nostra chiacchierata sui raggi X e i diversi oggetti nell’Universo che li emettono.

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