I molti volti dell'universo

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1 I molti volti dell'universo L astronomia infrarossa Paolo Saracco INAF - Osservatorio Astronomico di Brera

2 / DVWURQRPLDLQIUDURVVD 2OWUHLOLPLWL /DVFRSHUWD GHOOD UDGLD]LRQH,5 3URSULHWDC ILVLFKH GHOO,5 / XQLYHUVR UHPRWR *DODVVLH YLFLQH L astronomia IR del prossimo futuro 1XEL PROHFRODULH IRUPD]LRQH VWHOODUH

3 La scoperta della radiazione infrarossa William Herschel noto` che i filtri di diverso colore con i quali osservava la luce solare facevano passare differenti quantita` di calore. Ipotizzo` che i colori stessi fossero associati a differenti temperature. Ideo` un esperimento per verificare la sua ipotesi: Sir Frederick William Herschel ( )

4 La scoperta della radiazione infrarossa L esperimento di F. William Herschel

5 La scoperta della radiazione infrarossa L esperimento di F. William Herschel Herschel misuro` temperature diverse per ogni colore e, soprattutto, misuro` una temperatura diversa anche ponendo il termometro oltre il rosso dove non vi era luce visibile. 1800: era la prima volta che qualcuno dimostrava l esistenza di una forma di luce non percepibile dall occhio umano.

6 Lo spettro elettromagnetico lunghezza d onda E = hν = h c /λ λν=c energia

7 Lo spettro elettromagnetico lunghezza d onda E = hν = h c /λ λν=c Radiazione infrarossa µm energia Near-IR [µm] Mid-IR [µm] Far-IR

8 La radiazione infrarossa La radiazione infrarossa e` prevalentemente radiazione termica. La radiazione termica e` prodotta dal moto degli atomi e delle molecole che costituiscono la materia. Ogni corpo al di sopra dello zero assoluto (0 K = C) emette radiazione termica. Tutti i corpi si trovato a T>0 K, tutti emettono radiazione termica.

9 Temperatura e colore : la legge di Wien La lunghezza d onda λ corrispondente al valore massimo dell emissione e` inversamente proporzionale alla temperatura assoluta della sorgente. λ max = 0.29 T Il Sole ha una temperatura superficiale di circa 6000 gradi: λ max [sole] 0.48 µm

10 La legge di Wien e la radiazione infrarossa 0.75<λ IR <300µ m 10<T 0.29 IR <4000 K λ max = T[ K] = T[ C] +273 T La materia con temperatura inferiore ai 4000 gradi emette radiazione nell infrarosso. Banda λ[µm] T[ K] Near-IR Mid-IR Far-IR

11 La legge di Wien e la radiazione infrarossa 0.75<λ IR <300µ m 10<T 0.29 IR <4000 K λ max = T[ K] = T[ C] +273 T La materia con temperatura inferiore ai 4000 gradi emette radiazione nell infrarosso. Il corpo umano ha una temperatura T~ 37 C T~310 K λ max ~10 µm Mid-IR 5-40 µm K

12 La visione infrarossa

13 La visione infrarossa

14 La visione infrarossa La radiazione infrarossa permette di raggiungere zone insondabili dalla radiazione visibile (il braccio dell uomo nascosto dal sacchetto); permette di rivelare fenomeni fisici altrimenti non rivelabili ad altre lunghezze d onda (il fon acceso ed il getto di aria calda emesso); fornisce un indicazione della temperatura dei corpi (la mano dell uomo ha una temperatura piu` elevata di quella della lucertola).

15 La visione infrarossa

16 Assorbimento ed emissione atmosferica

17 Le osservazioni astronomiche Near-IR µm

18 Le osservazioni astronomiche Near-IR µm Mid-IR 5-40 µm Far-IR µm

19 Venere visibile Near-IR 2µm Sonda Galileo (96000 Km) Atmosfera ricca di anidride carbonica, T~750 K

20 Giove Emette piu` calore (~1.6 volte) di quanto ne riceve dal sole. Ha una sorgente interna di energia: calore residuo generato durante il collasso gravitazionale della nube di gas da cui si e` formato.

21 Nube di gas e polveri (molecole). Formazione stellare Contrazione gravitazionale

22 Nube di gas e polveri (molecole). Formazione stellare Contrazione gravitazionale T>>10 K λ max < 300 µm 2 µm (Orione)

23 Formazione stellare

24 Formazione stellare Visibile (0.6 µm) Near-IR (2 µm) Mid-IR (10 µm) Nebulosa testa di cavallo

25 M20 Formazione stellare Visibile Near-IR Mid-IR

26 Antennae (NGC 4038/4039) 68 milioni di anni luce (21 Mpc) 0.07 Visibile 8 µm

27 Andromeda (M31) 2.5 milioni di anni luce (0,78 Mpc) µm 8 µm 24 µm

28 Galassia Sigaro (M82) ~12 milioni di anni luce (3.5 Mpc) 0.2 Visibile

29 Galassia Sigaro (M82) ~12 milioni di anni luce (3.5 Mpc) 0.2 Visibile + mid-ir

30 M81 ~12 milioni di anni luce (3.5 Mpc) 0.4 Visibile

31 M81 ~12 milioni di anni luce (3.5 Mpc) 0.4 Sptizer 24 µm

32 M81 ~12 milioni di anni luce (3.5 Mpc) 0.4 Visibile + 24 µm

33 Massa ed energia sono legate dalla relazione E 0 = (m 0 c 2 ) In una reazione termonucleare E = E 0 /100 All interno delle stelle l idrogeno e` il combustibile nucleare E(m H ) = (m H c 2 )/100 E(m H ) E UV E UV E IR E IR = hc/λ

34 L IR permette di stimare quanta massa di gas viene convertita in stelle (tasso di formazione stellare). Come sono evolute le galassie nel tempo? Quando e come si sono formate? Osservazioni di galassie a distanze via via maggiori, epoche sempre piu` remote.

35 Hubble Deep Field South: l universo remoto 0.04 B V B 0.4µm + V 0.5µm + R 0.6µm R 1µm 2µm

36 L universo remoto l universo e` in espansione le galassie si allontanano le une dalle altre quando un corpo si allontana da noi la sua luce emessa viene spostata verso il rosso (la lunghezza d onda della radiazione emessa aumenta) per effetto Doppler la velocita` di recessione e` proporzionale alla distanza la radiazione emessa da una galassia λ em giunge a noi tanto piu` spostata verso il rosso quanto maggiore e` la sua distanza da noi λ obs = λ em (1+z)

37 L universo remoto B V R 1µm Z=3, λ obs =0.5 x 4 = 2 µm La luce emessa nel visibile (0.5 µm) ha impiegato ~12 miliardi di anni per arrivare a noi alla lunghezza d onda di 2 µm. 2µm

38 L universo remoto

39 L infrarosso e` la porta verso l osservazione dell universo remoto. L universo remoto

40 L universo remoto e l immediato futuro 22 Febbraio 2006, 6:28 ASTRO-F Uchinoura Space Center JAXA + ESA

41 Herschel (2007) ESA Diametro 3.5m ottimizzato per far-ir e sub-mm µm

42 ALMA (2012) Atacama Large Millimiter Array Chajnantor, deserto di Atacama, Cile 5000 metri di quota Far-IR sub-mm mm

43 JWST (2015) James Webb Space Telescope Diametro 6m ottimizzato per IR 1-3 µm 3-30 µm

44 La strumentazione infrarossa del prossimo futuro sara` la porta di accesso al passato. Si ringrazia ESO - European Southern Observatory ESA - European Space Agency INAF - Istituto Nazionale di Astrofisica per le immagini. NASA - National Aeronautics and Space Administration JAXA - Japan Aerospace Exploration Agency