L'universo ottico

Gli oggetti cosmici emettono radiazione elettromagnetica, che trasporta le informazioni relative all'oggetto stesso. Tale radiazione viene emessa in varie lunghezze d'onda, dove per lunghezza d'onda si intende la distanza tra due creste dell'onda. La parte di radiazione elettromagnetica che riusciamo a osservare con gli occhi, ovvero la radiazione ottica, è però una piccola parte della radiazione che ci giunge dalle stelle, ma può essere utilizzata in maniera proficua per introdurre i primi concetti astronomici come sfera celeste, eclittica, Via Lattea, coordinate celesti, declinazione e così via.
La prima immagine che però può avere una certa valenza didattica è quella che permette di confrontare la lunghezza d'onda delle varie radiazioni che compongono la radiazione elettromagnetica con oggetti e dimensioni terrestri. Questo permette di farsi un'idea della necessità di sviluppare strumenti appositi per ciascun genere di informazione che si desidera "leggere". Non dimentichiamo, infatti, che ciascuna delle radiazioni è associata a energie differenti e quindi permette di osservare emissioni differenti: le immagini radio evidenziano la presenza di nubi di gas fredde (in particolare l'idrogeno), le immagini in infrarosso mostrano aree a bassa energia, la luce visibile mostra soprattutto gas e polveri, i raggi-x rivelano emissioni ad alta energia.

I concetti importanti per l'astronomia ottica sono però quelli di luminosità e magnitudine.
La luminosità è definita come la quantità di energia elettromagnetica emessa da una stella per unità di tempo. Si misura pertanto in watt, in erg/secondo oppure in luminosità solare. \[F=\frac{L}{A}\] dove $F$ è la densità del flusso, $A$ la superficie.
Essa è legata, tramite la legge di Pogson, alla luminosità intrinseca della stella, e attraverso altre relazioni matematiche, alla magnitudine. La luminosità misura, come intuibile dal nome, la quantità di luce emessa dalla stella, la magnitudine invece è una misura della luce che ci giunge sulla Terra in funzione della distanza dalla stella. Tutte queste grandezze sono legate una all'altra attraverso relazioni che implicano l'utilizzo di logaritmi e funzioni esponenziali, quindi riuscire a utilizzarle al meglio implica una conoscenza anche minima di queste particolari funzioni, che generalmente non fanno parte del programma di matematica del triennio delle scuole superiori, ovvero i ragazzi coinvolti con le Olimpiadi dell'Astronomia. Potete così immaginare quale sia il livello di preparazione dei ragazzi olimpici!
Tornando all'uso delle osservazioni astronomiche, la luminosità può essere utilizzata per determinare la temperatura superficiale della stella osservata grazie alla legge di Stefan-Boltzman, ma anche per scoprire pianeti extrasolari utilizzando il metodo del transito. Il satellite che ha utilizzato e portato all'attenzione del pubblico tale metodo è Kepler della Nasa. Misurando la variazione della luminosità delle stelle all'interno di una porzione di cielo piccolissima (all'incirca 1/400 del cielo disponibile), Kepler ha permesso di aumentare esponenzialmente il numero di scoperte di pianeti extrasolari (il primo esopianeta venne osservato nel 1988 e confermato nel 2002).

L'esperienza di Kepler ha poi fornito dati interessanti per la progettazione dei telescopi spaziali che ne raccoglieranno l'eredità, come il satellite TESS sempre della Nasa o il futuro CHEOPS dell'ESA il cui lancio è previsto tra fine 2018 e inizio 2019. I due satelliti dovrebbero collaborare nella ricerca degli esopianeti e si prevede di aumentare considerevolmente il numero, in particolare intorno alle nane rosse, che, come ha insegnato Trappist-1, sono ricche di pianeti anche in forza delle loro dimensioni ridotte.

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Quello di cui ho scritto poco sopra è, più o meno, il riassunto, aggiornato nel finale, di due incontri che ho tenuto con gli insegnanti dell'area scientifica presso il liceo "Cavalleri" di Parabiago. Oltre alle due presentazioni preparate allo scopo (L'universo ottico e Astronomia planetaria: transiti ed esopianeti in classe) vi segnalo le attività didattiche Un modello del Sistema Solare sulla mappa della città su astroEDU, e Costruzione del Sistema Solare in scala e Una simulazione della missione Kepler su Edu INAF.