Spettroscopia del sistema solare: analisi numerica e un pizzico di follia…..

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Avete mai pensato di realizzare spettri sugli oggetti del sistema solare con un telescopio amatoriale? Che ne dite di Giove? O di Urano? Forse sì… E se vi parlo di atmosfere dei satelliti dei giganti gassosi? Qui forse mi risponderete di no… Ci sta!

E se vi chiedessi se vi è mai venuto in mente di utilizzare un telescopio per analizzare dal punto di vista spettroscopico la Terra? Intendo la Terra nel suo insieme, così come visibile dallo spazio…. Di certo direte di no! Non avendo un telescopio spaziale in effetti è dura… Ma non prendetemi per pazzo: non sto uscendo dal seminato né proponendovi una opzione per l’acquisto di Hubble!

La questione è seria, rigorosa e…anche molto divertente!

Il nostro “spettrofilo” di fiducia, Claudio Balcon, unendo un pizzo di follia a una solida e ben rodata preparazione tecnica, ci spiega come analizzare in generale gli oggetti del sistema solare, con una attenzione speciale per l’oggetto più strano tra tutti quelli osservabili: il pianeta sul quale viviamo!!!

Buona lettura a tutti!

LUCA ZANCHETTA – TELESKOP SERVICE ITALIA


Girovagando per il sistema solare con lo spettrografo per poi atterrare.

Approfittando delle condizioni meteo avverse che si stanno protraendo dagli inizi di febbraio 2018 ho recentemente deciso di riordinare e ripulire il PC di tutte quelle riprese effettuate per puro piacere o per sperimentare modifiche alla strumentazione ed in particolare per la loro taratura.

L’attività che prediligo è la caratterizzazione di supernove tramite la spettrografia a bassa risoluzione ma spesso, prima o dopo aver effettuato queste riprese, rivolgo anche il set up strumentale in uso verso altri soggetti. E così, appunto proprio mentre stavo riordinando i file nel PC, mi sono accorto che alcuni di questi potevano essere raggruppati fino a divenire un piccolo case study per aiutare a diffondere la conoscenza sulla spettrografia amatoriale, in senso più ampio. Ad attirare la mia attenzione, infatti, sono state alcune riprese di oggetti del sistema solare…

I corpi che orbitano attorno al Sole riflettono parte della luce che ricevono dalla nostra stella e questo ci consente di vederli. La luce che illumina il sistema solare è approssimabile a quella di un corpo nero che si trova alla temperatura di 5500°C.

Pianeti, satelliti, asteroidi e comete, oltre a riflettere parte della luce che ricevono dal Sole, emettono tuttavia anche radiazioni proprie, legate alla temperatura del corpo stesso. Normalmente queste radiazioni sono incentrate nella banda infrarossa.

Sia la luce visibile che quella infrarossa possono essere parzialmente assorbite dai gas che compongono le atmosfere dei pianeti e, tramite la spettrografia, è quindi possibile determinarne la composizione chimica. Nel visibile l’energia dei fotoni è tale da consentire i salti quantici degli elettroni; nell’infrarosso, invece, i livelli energetici sono quelli dei moti vibrazionali delle molecole.

 

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Figura 1

Immagine ripresa con Newton 8” f/5, Barlow 3x e QHY5Lii, 19-02-2015. Ganimede, ripreso al bordo destro dell’immagine, è praticamente privo di atmosfera; Giove, diversamente, possiede una densa atmosfera.

 

Va precisato, inoltre, che con le osservazioni da terra, possiamo analizzare solo il visibile e il vicino infrarosso; diversamente, invece, per quanto riguarda l’infrarosso profondo, che viene assorbito dall’atmosfera del nostro pianeta e risulta osservabile solo da punti collocati al di fuori di questa. I telescopi che operano nell’infrarosso sono, proprio per questa ragione, progettati per operare in orbita o nei punti di Lagrange.

Qualche anno fa avevo quindi ripreso nel visibile e nel vicino IR gli spettri dei quattro principali satelliti di Giove, anche se solo ora ho avuto l’occasione di elaborarli.

Quasi tutti i satelliti dei pianeti del sistema solare, Titano escluso, non hanno una atmosfera significativa e pertanto la luce che possiamo osservare è quella riflessa e diffusa dalla loro superficie. Anche i satelliti galileiani di Giove riflettono parzialmente la luce che ricevono dal Sole.

 

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Figura 2

Spettri ottenuti con Newton 8” f/5 e spettroscopio con fenditura regolabile autocostruito.

 

Con la spettrografia a bassa risoluzione si evidenzia che Europa, Callisto e Ganimede riflettono in modo simile la luce solare. Io, rispetto agli altri satelliti, assorbe tuttavia di più nel blu e di meno nel rosso. L’unica banda di assorbimento rilevante, situata attorno ai 7200 Angstrom, è visibile sugli spettri di tutti i satelliti in parola, ed è dovuta all’atmosfera terrestre; non si tratta quindi di una caratteristica propria dei satelliti Medicei. Questa anomalia è conseguenza di una calibrazione dell’ampiezza non ottimale ed è dovuta alla grande differenza in altezza fra la stella di riferimento usata per la calibrazione stessa e il sistema Gioviano.

Puntando il telescopio verso Urano, pianeta con una densa atmosfera, possiamo ricavare il seguente spettro ed osservare la presenza di numerose ed evidenti bande di assorbimento.

 

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Figura 3

Immagine ripresa con RC8” e spettrografo con fenditura riflettente autocostruito, 19-01-2018.

 

Lo spettro di fig.3 è stato effettuato con uno spettrografo con fenditura da 17 micron riflettente che consente di inquadrare il soggetto con una camera di guida, mantenendo il soggetto, al contempo, perfettamente centrato sulla fenditura. La risoluzione dello spettrografo impiegato è indipendente dal seeing atmosferico, anche se ad essere maggiormente penalizzata, in questo caso, è la quantità di luce acquisita e quindi la sensibilità. A sinistra, in figura, si può osservare Urano, come visto attraverso la fenditura, mentre partendo dal centro dello scatto, elongato verso destra si estende il primo ordine dello spettro.

 

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Figura 4

Spettro di Urano 19-01-2018.

 

L’atmosfera di Urano ha una elevata concentrazione di idrocarburi, in particolare del più semplice degli alcani, il metano. Le ampie e profonde bande di assorbimento nel rosso conferiscono a questo pianeta il caratteristico colore bluastro.

Lo spettro di fig.5 appartiene ad un corpo del sistema solare che ha un’atmosfera contenente ossigeno e vapore acqueo.

 

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Figura 5

 

La presenza di ossigeno è anomala perché in tempi brevi questo gas si legherebbe ad altri elementi ossidandoli e non rimarrebbe a livello molecolare come O2 per un lungo tempo; ci deve essere necessariamente qualche processo che lo rigenera con continuità. Noi conosciamo bene un processo naturale che consente questa rigenerazione, la fotosintesi clorofilliana. Lo spettro a colori di fig.5 evidenzia pure una dominanza del colore azzurro.

Si, avete capito bene, il corpo in questione è proprio il nostro pianeta, la Terra.

Mi ero chiesto come sarebbe stato lo spettro della Terra ripreso da Ganimede. Su Ganimede non ci sono però mai andato e sono rimasto con i piedi ben saldi per terra…

Una strada alternativamente percorribile, per soddisfare questa mia curiosità, era quella di osservare la Terra guardandola riflessa su uno specchio posto al di fuori dell’atmosfera. Sfortunatamente non ho avuto modo di vedere soddifatta la mia richiesta all’ESA di mettere in orbita tale manufatto, e ho di conseguenza deciso di usare un riflettore naturale già esistente, ed anche bello grosso: la Luna!!

Quando la Luna si trova nella prima o nell’ultima fase, presenta una falce illuminata dal Sole piuttosto sottile e la parte in ombra è debolmente illuminata dalla luce solare riflessa dalla Terra. Si tratta della cosiddetta luce cinerea. Come specchio, sicuramente risulta di qualità piuttosto scadente, ma certamente per la spettrografia è ugualmente più che sufficiente!

Vediamo ora come è stato possibile ottenere da terra lo spettro terreste, come se fosse ripreso da Ganimede; ma avremmo potuto prendere come possibile punto di osservazione qualsiasi altro pianeta, satellite o nave spaziale… Potenzialmente anche un pianeta di un altro sistema stellare.

Facciamo le seguenti approssimazioni: consideriamo che la riflettività della superficie lunare sia uniforme, trascuriamo il debole contributo della luce riflessa dalla Terra sulla parte della Luna illuminata dal Sole e trascuriamo la diffusione della luce dovuta all’atmosfera terrestre.

Se chiamiamo S(λ) la luce emessa dal Sole ed RT(λ) la riflettività della Terra, la luce riflessa dalla Terra T(λ) che raggiungerebbe lo spettrografo posto su Ganimede sarebbe:

a) T(λ) = S(λ) * RT(λ)

Prendiamo ora in considerazione la luce solare riflessa dalla Luna vista dalla Terra che chiamiamo SLT(λ). Se RL(λ) è la riflettività della Luna, AAT(λ) l’assorbimento dell’atmosfera terrestre e rstr(λ) la risposta strumentale, esiste la seguente relazione:

b) SLT(λ) = S(λ) * RL(λ) * AAT(λ) * rstr(λ)

La luce cinerea STLT(λ), vedi fig.6, assume la seguente relazione:

c) STLT(λ) = S(λ) * RT(λ) * RL(λ) * AAT(λ) * rstr(λ)

e quindi:

d) STLT(λ) = SLT(λ) * RT(λ)

Basandoci su d) possiamo quindi ricavare chee:

e) RT(λ) = STLT(λ) / SLT(λ)

e concludendo:

f) T(λ) = S(λ) * STLT(λ) / SLT(λ)

La relazione e) ci dice che la riflettività della Terra corrisponde allo spettro della luce cinerea diviso quello della luce solare riflessa dalla Luna. Il grafico di fig.5 rappresenta questo rapporto normalizzato. L’immagine a colori di fig.5 è stata ottenuta moltiplicando la riflettività della Terra sub e) per lo spettro solare, secondo l’equazione f).

 

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Figura 6

Posizionamento della fenditura sulla parte illuminata dalla luce riflessa dalla Terra. Nell’angolo in basso sinistra si intravede una parte di Luna satura perché illuminata dal Sole. Immagine ripresa con Newton 8”, spettrografo a fenditura riflettente, camera di ripresa e guida QHY5Lii, camera spettrografo Atik 428ex, 21-01-2018.

 

Quanto descritto sinora ha lo scopo di far comprendere come anche una disciplina basata su solidissimi criteri analitici e su un rigoroso metodo scientifico, può trasformarsi in un vero e proprio gioco, mescolando a tutto questo la curiosità e la fantasia umana.

Il tutto, inoltre, è stato ottenuto con una strumentazione alla portata della maggior parte degli astrofili; credo quindi che il passaggio da astrofilo a “spettrofilo”, come mi piace definirmi, non dovrebbe spaventare nessuno, ma solamente incuriosire!

Devo ringraziare Susy e Sara, rispettivamente mia moglie e mia figlia, per la loro immensa pazienza oltre che per il loro validissimo supporto. Onestamente, vivere con un astrofilo non deve essere molto semplice. Figurarsi con uno spettrofilo!

Nota. Tutte le immagini presenti sono state eseguite dello scrivente.

Showing 14 comments

  1. Fabio

    Ti ringrazio Luca, hai fatto un bellissimo lavoro con un straordinaria spiegazione, se sei su Facebook seguirei volentieri i tuoi lavori, io cerco di essere un astrofotografo ma la spettrografia mi affascina, un giorno mi piacerebbe analizzare gli ammassi aperti o asterismi con lo spettrografia, chissa…

  2. Fabio

    Ti ringrazio Luca, hai fatto un bellissimo lavoro con un straordinaria spiegazione, se sei su Facebook seguirei volentieri i tuoi lavori, io cerco di essere un astrofotografo ma la spettrografia mi affascina, un giorno mi piacerebbe analizzare gli ammassi aperti o asterismi con la spettrografia, chissa…

    • Luca Zanchetta [TS Italia]

      Ciao Fabio, grazie molte del tuo apprezzamento!!! In effetti il lavoro grosso lo ha però fatto il nostro amico Claudio Balcon, che è un vero esperto di spettroscopia amatoriale. Io mi limito a supportarlo per la parte tecnica nelle sue splendide esplorazioni! Su Facebook ci trovi qui: https://www.facebook.com/TeleskopServiceItalia/

      Se ci segui, sarà un gran piacere. 🙂
      A presto!!

  3. Fabrizio

    Claudo, ma la fenditura riflettente come l’hai realizzata, con una fenditura Shelyak ? Non credo perchè quella è da 25micron mi pare, la tua da 17…. Grazie

    • Claudio

      Fabrizio, scusami del ritardo cui ti rispondo ma ho visto solo ora la tua domanda.
      La fenditura è stata ottenuta rimuovendo una piccola porzione di argento da uno specchio piano.
      Chiaramente la parte riflettente è a diretto contatto con l’aria per evitare la riflessione parziale del vetro e la doppia rifrazione che renderebbero l’imagine di guida poco definita.
      Spero di essere stato sufficientemente chiaro.
      Saluti,,

  4. Fabrizio

    Grazie Claudio. Si infatti la doppia rifrazione creerebbe anche immagini fantasma. Io sto cercando di realizzarne una simile per un grism da 600 linee/mm. Grazie di nuovo. Ottimo lavoro.

  5. Fabrizio

    E comunque rimuovere l’argento da uno specchio per creare una fenditura da 17 micron non è affatto un’operazione banalissima…..ma come hai fatto ?

    • Claudio

      Molto semplicemente con un cutter e circa una quarantina di tentativi per ottenere un paio di fenditure accettabili.
      Il problema principale è trovare la pressione giusta per non segnare il vetro ma sufficiente ad asportare l’argento.
      La seconda difficoltà è fare un tratto di di 2-3 millimetri rettilineo e di larghezza uniforme.

  6. Fabrizio

    Grazie Claudio. Eccellente lavoro. Mano ferma e pazienza, tanta pazienza. Io ho fatto delle prove con due “semifenditure” incollate sia di vetro alluminato sia utilizzando dei piastrini di silicio lappato. Al microscopio elettronico la fenditura è ottima (28 micron) Occorrono tanta pazienza e tante prove, però,per avere una perfetta planarità altrimenti si hanno immagini fantasma nella camera di guida.

    • Claudio

      Fabrizio, se ho capito bene anche tu fai parte della categoria degli “spettrofili” e pure costruttori. Ottimo!!
      La soluzione delle due semifenditure la uso normalmente anche se nel mio caso è regolabile ma non riflettente.
      Un esempio dello spettrografo summenzionato lo trovi nell’articolo sulla supernova IIp, sempre su questo sito.
      Ciao e celi sereni.

  7. Fabrizio

    Spettrofili e costruttori perchè uno spettroscopio “minimo” come l’alpy600 costa 750 euro + camera di guida altri 800 e camera di calibrazione 750…impensabile….Mi sono “arenato” qualche mese sulla fenditura riflettente e spero di risolvere dopo le ferie. Perchè uno spettrografo “cieco ” senza fenditura riflettente sulla camera di guida fa impazzire. ..la fenditura riflettente è invece davvero la soluzione e permette di lavorare anche su oggetti di magnitune diciamo dalla 8-99 a salire…

    • Claudio

      Fabrizio, in generale non esiste una soluzione tecnica che sia adattabile a tutte le necessità.
      Pensa di costruire un’autovettura che partecipi contemporaneamente alle gare di F1 e al mondiale di rally, probabilmente uscirà un’auto che non vincerà nessuno dei due campionati.
      Anche per gli spettrografi vale la stessa regola,
      Le caratteristiche dello spettrografo dipendono dall’obbiettivo che si vuole raggiungere.
      Soggetto puntiforme o esteso, magnitudine elevata o bassa, telescopio usato, risoluzione ed ampiezza spettrale determinano le principali caratteristiche dello spettrografo.
      La guida in fenditura ha sicuramente vantaggi ma anche svantaggi, dipende da cosa devi fare.

  8. Fabrizio

    Certamente. Ma in ogni caso se vuoi “sganciarti” dal seeing devi adottare una fenditura. Se vuoi aumentare la risoluzione devi adottare una fenditura. Se vuoi lavorare su oggetti estesi devi adottare un a fenditura. Il reticolo SA100 o 200 sono ottimi per oggetti molto deboli . Ma hanno poi dei “contro” ossia un tappeto di stelle che possono inquinare lo spettro e la dipendenza dal seeing. Dopo molte riprese con lo SA100 per questo ho realizzato un progetto con grating a 600 l/mm e fenditura, per poter salire come risoluzione. Ovvio che le difficoltà aumentano e non di poco.

    • Claudio

      Gli astrofili che fanno spettroscopia non sono molti, i costruttori sono rari.
      Ciò che è raro è prezioso, bravo Fabrizio.
      Se ti va potresti aggiornarci su come si evolve il tuo progetto.
      Scambiare qualche idea o riportare esperienze fatte non può che arricchirci e stimolare altri astrofili.
      Ciao e cieli sereni.

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