I pionieri della spettroscopia

Come abbiamo detto l’ approccio iniziale alla spettroscopia è stato molto pragmatico, si trattava di un ramo della fisica assolutamente nuovo e di cui ancora non si comprendevano le potenzialità.

Le sorgenti di luce allora usate per generare gli spettri in laboratorio erano la fiamma libera ed il nascente arco elettrico. Presto si intuì, dall' analisi delle righe, che le diverse caratteristiche dello spettro erano dovute alla presenza di composti chimici nella sorgente. Successivamente, proprio dal raffronto di queste con gli spettri del Sole e delle stelle, gli studiosi ne dedurranno l’ omogeneità nella composizione chimica dell’ Universo e, molto successivamente, la costituzione di modelli fisici delle atmosfere stellari e della loro dinamica evolutiva.

	La prima testimonianza della presenza di particolari fini in uno spettro, è del chimico e mineralista inglese William Wollaston (1766-1828). Nel 1802, mentre osserva il Sole con un prisma munito di una fenditura sufficientemente stretta, Wollaston individua nello spettro continuo sette righe oscure che interpreta, in modo semplicistico, come dei “salti” o dei “buchi” indicanti la mancanza di un colore nello spettro.

Un’ osservazione più interessante ci perviene da Joseph von Fraunhofer (1787-1826), un esperto fabbricante di strumenti ottici a Monaco di Baviera.

	Nel 1814 egli individua, in uno spettro solare di buona risoluzione circa settecento righe scure, determinando la posizione di alcune di esse e catalogandole dalla A alla H partendo dal rosso. Fraunhofer inoltre ottiene i primi spettri stellari per mezzo di un dispositivo prismatico di sua invenzione posto davanti all’ obbiettivo di un rifrattore che gli permette di raccogliere più luce di osservare molti spettri contemporaneamente. Ma il suo interesse e più da ottico che non da astronomo e si limita a considerare come molti degli spettri siano analoghi a quello del Sole. Infine dall’ osservazione dello spettro dei pianeti e della Luna, identico a quello solare, ha conferma che questi brillano solo per luce diffusa.	Joseph von Fraunhofer (1787-1826)
		Esperto fabbricante di ottica di Monaco di Baviera. Ha costruito i più bei rifrattori dell' epoca. 1814 identifica più di 700 righe nello spettro solare, ne misura la posizione e cataloga le principali dalla A alla H. Ottiene i primi spettri stellari mediante il prisma obiettivo di sua invenzione Osserva lo spettro della Luna e dei pianeti, ne deduce che brillano per luce diffusa. Inventa il reticolo di diffrazione con densità di 300 righe/mm.

I l contributo di Fraunhofer all’ ottica astronomica è stato grandissimo.Egli ha costruito tra i più bei rifrattori, di elevatissima precisione, tra questi ricordiamo l’ “eliometro” di Bessel ed il rifrattore di Dorpat, nell’ odierna Estonia, commissionato da Otto Struve. Nel 1821 egli realizza i primi esemplari di reticoli di diffrazione, dapprima avvolgendo un sottilissimo filo di argento su un supporto e successivamente incidendo veri e propri reticoli, ottenendo fino a 300 righe per millimetro. Di fianco, il disegno originale dello spettro solare, eseguito da Fraunhofer

Un’ osservazione interessante sull’ aspetto delle righe oscure del Sole, viene dal fisico francese Léon Foucault (1819-1868) - quello del pendolo - il quale nel 1849 verifica che, la doppia riga D del sodio, se generata da un arco elettrico in laboratorio, risulta luminosa, mentre, se i vapori di sodio vengono attraversati dalla luce solare, si presenta oscura.

A quell’ epoca l’ astronomia e la chimica-fisica sono ancora due scienze a se stanti, che guardano mondi separati. Un primo invito a guardare oltre ed individuare possibili connessioni ci perviene, nel 1842, da un fisico austriaco, insegnante di matematica a Praga, Christian Doppler (1803-1853). Egli scopre un effetto in acustica, che porta il suo nome, secondo il quale la lunghezza d’ onda ricevuta differisce da quella emessa se la sorgente è dotata di moto relativo. Per analogia, egli suggerisce, se è vera la natura ondulatoria della luce, di verificare un cambiamento di colore della stella o uno spostamento delle righe spettrali, verso il viola per stelle in avvicinamento a noi, verso il rosso per quelle in allontanamento. Il suo invito rimarrà purtroppo inascoltato fino al 1870.

Con Gustav Robert Kirchoff (1824-1887), conosciuto ai più per il suo contributo alla teoria dei circuiti elettrici e Robert Bunsen (1811-1899), l’ osservazione degli spettri diventa scienza: nasce la spettroscopia. Bunsen realizza un dispositivo – il becco Bunsen - che permette di portare ad alte temperature gli elementi chimici ed insieme costruiscono il primo esemplare di spettroscopio, catalogando lo spettro di diversi elementi chimici in fase gassosa.

Nel 1859 Kirchoff enuncia tre leggi fondamentali empiriche :

Le implicazioni sono enormi. Per la prima volta si evidenzia un carattere di universalità nella legge che governa l’ assorbimento e l’ emissione di un corpo ad una data temperatura, costituendo i fondamenti della teoria della radiazione. Si pongono inoltre le basi di una nuova metodologia di analisi “a distanza” dei corpi celesti e, dal confronto con gli spettri ottenuti in laboratorio si scoprono mano a mano nuovi elementi presenti nel Sole: il sodio, il ferro, il magnesio, il calcio, il rubidio, il cesio ed altri

Tuttavia i tempi per la formulazione di una teoria della radiazione completa non sono ancora maturi. E per quanto Kirchoff cerchi di ricostruire le curve di emissione dei corpi, o per quanto si sforzi di formulare argomentazioni relative al concetto di corpo nero, egli non riuscirà a dare una impostazione matematica alle sue leggi e bisognerà aspettare ancora quarantenni prima di avere una teoria completa: la teoria del corpo nero di Max Planck.

Gli astronomi molto guardinghi

A metà del XIX° secolo, gli astronomi sono ancora poco disponibili nei riguardi della spettroscopia, che viene vista in contrapposizione all' astronomia matematica, ossia alla meccanica celeste, modello di coerenza con le Leggi della Gravitazione Universale e pochi di loro hanno la consapevolezza che questa può diventare lo strumento per analizzare la costituzione chimica del Sole e delle stelle.

Significative sono le parole di Freidrich W. Bessel (1784 - 1846), modello di astronomo-matematico, "l' Astronomia deve scrivere le regole per determinare il moto dei copri celesti, come appare dalla Terra", e ancora più tagliente è il filosofo positivista frances Auguste Comte (1798 - 1857) quando sentenzia: "Tutto quello che può essere appreso in più sui corpi celesti ... non è propriamente di interesse astronomico".

Le perplessità ad abbandonare le posizioni di rendita dell’ astronomia tradizionale per nuove frontiere sono forti e le iniziative in tal senso sono poche e del tutto personali.

Tra questi abbiamo l’ astronomo inglese Sir William Huggins (1824-1910) che attrezza il suo osservatorio privato, dotato di un eccellente rifrattore da 20 cm, per le ricerche spettroscopiche e all’ uso fotografico. Egli individua nello spettro di molte stelle una composizione chimica non dissimile a quella del Sole, deducendo che l’ Universo é formato, seppur in proporzioni diverse, dello stesso tipo di materia; nel 1863 egli tenta di ottenere, con grande difficoltà, le prime fotografie di spettri su lastra colloidale.

	Nel 1866 egli deduce, dallo spettro di una supernova apparsa nella Corona Boreale e formato da intense righe luminose, che le supernovae sono stelle in fase esplosiva con eruzione di gas incandescenti e non stelle in veloce avvicinamento e successivo allontanamento, come finora si pensava. Nel 1868 Huggins effettua la misurazione dello spostamento Doppler delle righe spettrali di alcune stelle, stimando per Sirio una velocità di allontanamento di 47Km/sec; dopo qualche anno egli ha esteso la misura a trenta stelle.	Sir William Huggins (1824 - 1910)
		Dotato di un osservatorio privato, rifrattore 20cm, laboratorio fotografico e spettroscopico Individua negli spettri stellari la stessa composizione chimica solare 1859 misura tramite effetto Doppler Sirio in avvicinamentoa 47 Km/sec 1863 prime foto colloidali 1866 ottiene lo spettro della nova Cor Bor deducendo trattarsi di stella in esplosione Studio sistematico monocromatico delle protuberanze solari tramite fenditura Identifica le "Nebulose senza stelle" di Herschel con una massa di ga s incandescente

Huggins mettendo a punto una tecnica d’ impiego della fenditura dello spettroscopio, inizia a studiare, molto a lungo e sistematicamente, le protuberanze solari in luce monocromatica.
Infine, identificando delle righe brillanti nello spettro delle nebulose, Huggins dimostra che le “nebulose senza stelle”, catalogate da William Herschel, non sono aggregati di stelle fisse troppo deboli da essere risolte, bensì enormi agglomerati di puro gas incandescente.

Non possiamo non menzionare il contributo dato dalla signora Margaret Lindsay (1848 - 1915), moglie di Huggins. E' stata per trentacinque anni collaboratrice del marito, contribuendo in modo effettivo all' acquisizione degli spettri, alla messa punta di tecniche fotografiche innovative ed alla progettazione di sistemi ottici sperimentali. Il suo ruolo è stato recentemente ritrovato e molto ben documentato in un lavoro di Barbara J.Becker, citato nella bibliografia.

Un’ altro personaggio che ha dato un importante contributo alla nascita della spettroscopia solare è stato Norman Lockyer (1836-1920), uomo poliedrico, cappellano militare, astronomo, dotato di un suo osservatorio privato e grande appassionato di spettroscopia.

	Nel 1866 egli pubblica i risultati delle sue ricerche sul Sole, evidenziando che, nelle macchie solari, le righe di assorbimento sono molto più intense rispetto al quelle della superficie. Due anni dopo, Lockyer, nel corso dell’ eclisse totale di Sole in India, rileva che lo spettro delle protuberanze solari è uno spettro di emissione, e conclude che queste sono costituite da gas molto caldo. Nel corso della stessa spedizione, puntando la fenditura dello spettroscopio sul bordo del Sole scopre uno strato sottile di atmosfera responsabile dell’ emissione di poche ma intense righe, attribuibili ad una sostanza allora sconosciuta alla quale dà il nome di elio; questa zona che inviluppa il Sole, verrà da lui stesso denominata cromosfera.	Norman Lockyer (1836 - 1920)
		Poliedrico cappellano militare 1866 osserva spettro macchie solari hanno assorbimento meno intenso. 1868 eclisse in India, osserva che lo spettro delle protuberanze uno spettro di emissione. Individua un nuovo elemento nello spettro della cromosfera: l' elio Si occupa di archeoastronomia egziana e di Stonehedge. Nel 1869 fonda l' autorevole rivista scientifica Nature

Lockyer è stato uno scienziato dai molti interessi; si è occupato di archeoastronomia greca ed egiziana, inoltre ha stimato l’ età dei monumenti di Stonehenge calcolando lo spostamento, in termine di precessione dell’ asse orbitale terrestre, rispetto all’ ipotetico allineamento celeste dei megaliti all’ epoca della loro costruzione. E’ stato anche il fondatore nel 1869, ed editore durante cinquant’ anni, della prestigiosa rivista scientifica Nature.

Clicca qui per vedere il lo spettroscopio di Lockyer dotato di goniometro per la misura della posizione delle righe spettrali.

La scoperta del gas elio è legata anche ad un’ altro nome, autentico pioniere nella spettroscopia, il francese Jules-César Janssen (1824–1887), professore di fisica alla Scuola di Architettura di Parigi.

	Janssen osserva la medesima eclisse con la spedizione francese e suggerisce, senza conoscere le conclusioni di Lockyer, che le linee spettrali non identificate e rilevate appena al disopra del bordo solare e nelle protuberanze sono da attribuirsi ad un elemento ancora sconosciuto. Lockyer e Janssen furono riconosciuti co-scopritori dell’ elio e per questo, l’ Accademia di Francia coniò una bellissima medaglia raffigurante entrambi. Questo gas verrà successivamente isolato in laboratorio dal chimico inglese Sir William Ramsay nel 1894.	Jules-César Janssen (1824-1887)
		Co-scopritore dell’ Elio 1861 individua il Sodio nello spettro di Betelgeuse Scopre il vapor acqueo terrestre nelle righe di assorbimento del Sole Ascensioni in “ballons montés” e sulle Alpi 1876 Accademico e fondatore del osservatorio astrofisico di Meudon

Il suo contributo non si esaurisce qui; egli per primo identifica nello spettro solare le righe oscure del vapore acqueo terrestre. Nel 1861 scopre le righe del sodio nello spettro di Betelgeuse e compie, nonostante una infermità alle gambe, osservazioni in alta quota sul Monte Bianco e sulle Alpi Bernesi. Costituisce il primo osservatorio astronomica permanente ad alta quota: l' Osservatorio del Monte Bianco, dotato di tecnologia di punta per l' epoca, quali il telegrafo e precursore dei grandi telescopi posti sulle Ande. questo in oltre dieci anni di attività ha permesso di sviluppare esperimenti anche ad altri settori della scienza, quali:

Non sazio dei suoi “exploits”, tenta anche delle osservazioni da mongolfiere, e in una di queste, durante l’ assedio di Parigi nel 1870, è costretto ad una rapida ritirata essendo stato tirato a segno dalle truppe Prussiane che lo avevano preso di mira!

Clicca qui per vedere la fotografia dell' Osservatorio in cima al Monte Bianco ed una immagine della scalata alla cima.

E’, insieme ad Huggins, il primo a studiare sistematicamente lo spettro dello protuberanze non in condizione di eclisse, puntando la fenditura radente al Sole. Nel 1868 diventa membro dell’ Accademia e nel 1876 fondatore e direttore dell’ osservatorio solare di Meudon; lo strumento dotato di una focale da 18 metri e di un’ apertura di 830 mm è il terzo rifrattore al mondo, dopo Yerkes e Lick. Janssen si dedica fondamentalmente alle ricerche sul Sole e nel 1904, raccoglierà nel famoso “Atlas de Photographies Solaires” una serie dettagliata di fotografie della superficie solare, di qualità insuperata per almeno mezzo secolo e che costituirà lo standard della fotografia solare.

Molti altri hanno dato il loro contributo a questa nascente scienza, sarebbe troppo lungo descrivere il lavoro di tutti; ma ricordiamo ancora due personaggi importanti.

Anders Angstrom (1814-1874), svedese, rettore dell’ Università di Uppsala, pubblica, nel 1868, una mappa solare, intitolata “Spettro Solare Normale”, contenente 1000 righe di Fraunhofer identificate e accuratamente misurate, e che costituisce un sicuro riferimento per molti lavori successivi. Per questo merito, il suo nome verrà attribuito all’ unità di misura delle lunghezze d’ onde, pari ad un decimilionesimo di millimetro .

L' americano Charles Augustus Young (1834-1908), professore di astronomia alla Princeton University. Nel 1869, Young da conto della natura gassosa e molto calda della corona solare, identificando nel suo spettro una riga di emissione verde, molto luminosa. Questa riga, che non aveva trovato riscontro in laboratorio, viene attribuita ad un nuovo elemento allora sconosciuto: il Coronium. Ci vorranno ben sessant' anni di ricerca perché i fisici solari la identificassero come una riga del ferro altamente ionizzato, indicativa di una temperatura di milioni di gradi nella corona solare.

L’ anno successivo, durante un’ eclisse in Spagna, puntando la fenditura dello spettrografo radente la superficie solare, Young ottiene per pochi secondi uno spettro in emissione della superficie solare, privo dello spettro continuo di fondo; identifica così lo "strato invertente" ed ottiene così il primo spettro-lampo della superficie sottostante detta fotosfera.

I

Grazie alla spettroscopia, il modello del Sole si viene gradualmente a delineare: una regione più interna calda che emette uno spettro continuo – la cosiddetta fotosfera - è circondata da atmosfera, meno calda, la cromosfera, responsabile delle righe di assorbimento; da questa si innalzano gigantesche protuberanze gassose. Ancora più in alto un tenuissimo gas incandescente, con deboli righe di emissione, la corona, avvolge tutto il Sole.

Bibliografia

Sulla storia di Jansseen ed il Monte Bianco: http://www.obspm.fr/histoire/montblanc/montblanc.fr.shtml

Sul lavoro di Margaret Huggins: "Dispelling the Myth of the Able Assistant: Margaret and William Huggins in the Tulse Observatory" di Barbara J. Becker http://eee.uci.edu/clients/bjbeecker/ExploringtheCosmos/week7b.html