Polvere di Stelle
L’affascinante viaggio di un granello di polvere
Loretta Campeggio
Dipartimento di Fisica
Università degli Studi di Lecce
Polvere di Stelle: l’affascinante viaggio di un granello di polvere
La Materia interstellare
Nonostante l'immenso spazio tra le stelle sia più vuoto del vuoto
più spinto mai ottenuto sulla Terra, esso è riempito da un mezzo
estremamente rarefatto detto mezzo interstellare.
E’ costituito per il 99% da gas: idrogeno, elio
e una piccola percentuale di elementi più
pesanti; il resto è rappresentato da una
miscela di minute particelle solide, dette
grani interstellari o polvere cosmica.
Ha una densità estremamente piccola: un solo atomo in 10 cm3 (per
confronto, l'aria che respiriamo contiene circa 3•1019 molecole in 1 cm3).
Vediamo dove si colloca il mezzo interstellare nella nostra Galassia.
Loretta Campeggio - Università degli Studi di Lecce
Lecce 20 Gennaio 2005
Polvere di Stelle: l’affascinante viaggio di un granello di polvere
La nostra Galassia
Un anno luce è la distanza percorsa dalla luce in un anno. Considerando che la luce
si muove alla velocità di circa 300.000 Km/s, un anno luce equivale a 9,46 milioni
di milioni di Km.
Un parsec equivale a 3,26 anni luce.
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Lecce 20 Gennaio 2005
Polvere di Stelle: l’affascinante viaggio di un granello di polvere
Distribuzione della polvere nella nostra Galassia
Loretta Campeggio - Università degli Studi di Lecce
Lecce 20 Gennaio 2005
Polvere di Stelle: l’affascinante viaggio di un granello di polvere
Forma della nostra Galassia
Il primo tentativo di descrivere la forma della Via Lattea e la
posizione del Sole al suo interno venne effettuato nel 1785 da
Herschel, che contò accuratamente il numero di stelle presenti in
differenti parti del cielo.
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Lecce 20 Gennaio 2005
Polvere di Stelle: l’affascinante viaggio di un granello di polvere
Forma della nostra Galassia
Usando un metodo perfezionato, Jacobus Kapteyn arrivò nel 1920
a descrivere una piccola galassia ellissoidale (diametro circa 15
kiloparsec), con il Sole vicino al centro.
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Lecce 20 Gennaio 2005
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Forma della nostra Galassia
Un metodo differente introdotto da Harlow Shapley, basato sulla
posizione degli ammassi globulari, dette un risultato completamente
differente: un disco piatto, del diametro di circa 70 kiloparsec, con
il Sole molto lontano dal centro.
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Lecce 20 Gennaio 2005
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Forma della nostra Galassia
Entrambe le tecniche non prendevano in
considerazione la presenza della polvere interstellare
nel piano galattico.
Dopo che Robert Julius Trümpler quantificò tale
presenza nel 1930, nacque la descrizione odierna della
nostra galassia.
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Lecce 20 Gennaio 2005
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Il Gas Interstellare
Il gas interstellare è composto per circa
il 99% da idrogeno, presente sia
allo stato atomico che molecolare.
Tuttavia, nello spazio interstellare,
sono state osservate diverse molecole,
anche molto complesse.
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Lecce 20 Gennaio 2005
Abbondanze delle molecole
interstellari rispetto all’
idrogeno.
Il numero tra parentesi
indica il logaritmo in base
10 dell’abbondanza della
molecola considerata:
ad esempio (-8) si deve
leggere 10-8.
Con
l’asterisco
sono
indicate alcune molecole di
interesse biologico.
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La Polvere Interstellare
Storicamente il primo tentativo serio di determinare l'origine e la
composizione della polvere cosmica fu fatto dall'astronomo olandese
H. Van de Hulst. Egli nel 1949 suggerì che la polvere fosse
costituita da particelle di ghiaccio con tracce minime di altre
sostanze come l'idrogeno molecolare, l'ammoniaca e il metano.
Secondo Van de Hulst le particelle si formavano per condensazione
della materia interstellare.
Oggi si ritiene, senza escludere del tutto la presenza di ghiaccio, che
la composizione della polvere interstellare sia prevalentemente
un’altra.
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Lecce 20 Gennaio 2005
Polvere di Stelle: l’affascinante viaggio di un granello di polvere
La Polvere Interstellare
E’ ormai assodato che nello spazio interstellare coesistono
particelle di diversa composizione.
Attualmente si ritiene che circa il 60% della massa totale della
polvere presente nel mezzo diffuso consista di silicati amorfi. La
rimanente parte dovrebbe essere costituita da sostanze carbonacee
(grafite e carbone amorfo), nonché da materiali organici refrattari
che formano la parte esterna dei grani detti core-mantle, costituiti
da un nucleo generalmente silicatico rivestito da un mantello più o
meno spesso.
Nulla di nuovo rispetto ai materiali terrestri.
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Lecce 20 Gennaio 2005
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La Polvere Interstellare
La struttura dei grani è ritenuta essere amorfa
(o policristallina) piuttosto che cristallina.
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Grani di Polvere Interstellare
Dimensione: 10-9 ÷ 10-7 m
Massa
: 10-20 ÷ 10-14 g
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Lecce 20 Gennaio 2005
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Proprietà del Mezzo Interstellare
Per comprendere le proprietà del mezzo interstellare
dobbiamo capire come materia e radiazione interagiscono
Faremo quindi una breve panoramica
sul modello atomico e
parleremo per sommi capi di
Assorbimento, Emissione
Eccitazione e Ionizzazione
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Lecce 20 Gennaio 2005
Polvere di Stelle: l’affascinante viaggio di un granello di polvere
La Radiazione è conosciuta come …
Onde Elettromagnetiche
Fotoni:
particelle di luce
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Polvere di Stelle: l’affascinante viaggio di un granello di polvere
Schematizzazione del Modello atomico
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Polvere di Stelle: l’affascinante viaggio di un granello di polvere
Modello atomico: quantizzazione dell’energia
Come nel caso
di una scala
l’energia di un
atomo è
quantizzata
La rampa è
un esempio
di situazione
continua
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Lecce 20 Gennaio 2005
Polvere di Stelle: l’affascinante viaggio di un granello di polvere
Modello atomico: quantizzazione dell’energia
Ma i livelli di energia (gradini) non sono equispaziati
Livello di Ionizzazione
Livello 2
Livello 1
Stato Fondamentale
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Polvere di Stelle: l’affascinante viaggio di un granello di polvere
Modello atomico: eccitazione
Livello di Ionizzazione
Livello 2
Livello 1
Stato Fondamentale
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Lecce 20 Gennaio 2005
Polvere di Stelle: l’affascinante viaggio di un granello di polvere
Modello atomico: diseccitazione
Livello di Ionizzazione
Livello 2
Livello 1
Stato Fondamentale
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Lecce 20 Gennaio 2005
Polvere di Stelle: l’affascinante viaggio di un granello di polvere
Modello atomico: eccitazione - diseccitazione
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Lecce 20 Gennaio 2005
Polvere di Stelle: l’affascinante viaggio di un granello di polvere
Modello atomico: eccitazione - diseccitazione
eccitazione per collisione ed
emissione di radiazione
eccitazione per assorbimento di
radiazione e conseguente emissione
La radiazione emessa in funzione della lunghezza d’onda
determina lo spettro di emissione.
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Lecce 20 Gennaio 2005
Polvere di Stelle: l’affascinante viaggio di un granello di polvere
Modello atomico: ionizzazione
Livello di Ionizzazione
Livello 2
Livello 1
Stato Fondamentale
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Polvere di Stelle: l’affascinante viaggio di un granello di polvere
Modello atomico
Stato Fondamentale
Stato Eccitato
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Stato Ionizzato
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Radiazione emessa da una stella
Una stella emette radiazione su tutte le possibili lunghezze d’onda.
Quest’ultimo tipo di spettro è detto continuo o anche radiazione di
corpo nero.
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Interazione radiazione materia
Spettro di assorbimento
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Spettro di emissione
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Assorbimento ed Estinzione Interstellare
Lunga lunghezza d’onda
Luce rossa
Minore intensità
La luce rossa attraversa più
facilmente le polveri
Corta lunghezza d’onda
Luce blu
La maggior parte delle corte lunghezze
d’onda è diffusa lontano rispetto
alla direzione iniziale
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Lecce 20 Gennaio 2005
Polvere di Stelle: l’affascinante viaggio di un granello di polvere
Assorbimento ed Estinzione Interstellare
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Polvere di Stelle: l’affascinante viaggio di un granello di polvere
Ciclo di Vita di un Granello di Polvere Interstellare
I grani di polvere cosmica hanno un loro ciclo vitale:
nascono, si evolvono e infine muoiono.
La maggior parte della polvere presente nella Galassia è prodotta
nelle atmosfere di stelle fredde in cui si determinano le condizioni
di temperatura, densità e pressione necessarie per la formazione
di particelle solide.
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Lecce 20 Gennaio 2005
Polvere di Stelle: l’affascinante viaggio di un granello di polvere
Stadi Evolutivi di una Stella
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Lecce 20 Gennaio 2005
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Stadi Evolutivi di una Stella
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Lecce 20 Gennaio 2005
Polvere di Stelle: l’affascinante viaggio di un granello di polvere
Ciclo di Vita di un Granello di Polvere Interstellare
I grani sono espulsi dalla stella con una velocità di
1000 km/s ma il loro viaggio fra le stelle dura ben poco:
ben presto entreranno a far parte di una nube!
Loretta Campeggio - Università degli Studi di Lecce
Lecce 20 Gennaio 2005
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Importanza della Polvere Interstellare
I grani di polvere:
• agiscono come catalizzatori per la formazione delle molecole di
idrogeno
• preservano le molecole all’interno delle nubi interstellari
• determinano la temperatura delle nubi
• permettono la formazione di nuove stelle
Loretta Campeggio - Università degli Studi di Lecce
Lecce 20 Gennaio 2005
Polvere di Stelle: l’affascinante viaggio di un granello di polvere
La Polvere Interstellare
Loretta Campeggio - Università degli Studi di Lecce
Lecce 20 Gennaio 2005
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La Polvere Interstellare
Loretta Campeggio - Università degli Studi di Lecce
Lecce 20 Gennaio 2005
Classificazione del mezzo interstellare
MEZZO INTERSTELLARE
NUBI
MEZZO INTERNUBE
Tg < 100 K
nH  20-30 cm-3
Tg  103-104 K
nH  0.1 cm- 3
NUBI INTERSTELLARI
NUBI CIRCUMSTELLARI
d  10 pc
NUBI OSCURE
Td  100 K
Td  50 K
nH=10-100 cm-3
M  103 Ms
NEBULOSE LUMINOSE
(NEBULOSE DIFFUSE)
Tg  104K
Td = 10-103 K
nH=10-100 cm-3
M  103
NUBI MOLECOLARI
GLOBULI
Tg < 100 K
Td  10 K
nH = 104-107 cm-3
d  100 pc
Tg  100 K
Td  10 K
nH = 104-107 cm-3
d  1pc
d  1 pc
INVILUPPI
NEBULOSE
DISCHI
CIRCUMSTELLARI CIRCUMSTELLARI PLANETARIE
3
4
Tg  3  10 K
Td = 102 -103 K
M < 0.1Ms
d < 0.1pc
NEBULOSE
IN RIFLESSIONE
Td = 102-103 K
M  0.1 Ms
d < 0.05 pc
NEBULOSE
IN EMISSIONE
(REGIONI HII)
Tg  10 K
Td = 102 -103 K
M < 0.1Ms
d  0.1pc
Polvere di Stelle: l’affascinante viaggio di un granello di polvere
Ed ora, dopo tante parole,
lasciamoci affascinare
dai meravigliosi spettacoli
che ci offre il cosmo!
Loretta Campeggio - Università degli Studi di Lecce
Lecce 20 Gennaio 2005
Polvere di Stelle: l’affascinante viaggio di un granello di polvere
Costellazione di Orione
Nebulosa di Orione
Loretta Campeggio - Università degli Studi di Lecce
Lecce 20 Gennaio 2005
Nebulosa di Orione
Nebulosa di Orione
Nebulosa di Orione
Trifida
CB 107
Globuli
M57 Nebulosa ad anello
nella costellazione della Lira
Nebulosa del Granchio
nella costellazione del Toro
Polvere di Stelle: l’affascinante viaggio di un granello di polvere
Barnard 68
Viaggio all’interno di una nube oscura
Loretta Campeggio - Università degli Studi di Lecce
Lecce 20 Gennaio 2005
Polvere di Stelle: l’affascinante viaggio di un granello di polvere
Conclusioni
Studiando i processi fisici osservati nelle nubi interstellari, gli
astronomi sperano di chiarire i meccanismi di base che determinano
comportamento, composizione ed evoluzione del mezzo interstellare e,
in un'ottica ancora più ampia, sperano di comprendere più
profondamente la successione di eventi che portano alla formazione
delle stelle e quindi anche dei pianeti.
Lo studio del mezzo interstellare in laboratorio è particolarmente
difficile perché la chimica di laboratorio è caratterizzata da
temperature di 300 K o più e da densità di 1019 particelle/cm3,
mentre la chimica interstellare è caratterizzata da temperature assai
più basse, dell’ordine di 10 K e da densità enormemente inferiori, da
10 a 107 particelle/cm3.
Loretta Campeggio - Università degli Studi di Lecce
Lecce 20 Gennaio 2005