Luce Estrema – 1. Nebulose oscure/Nubi molecolari

Assemblare, proteggere e diffondere molecole

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Ecco un altro stimolo dal bellissimo libro “Universo da Capogiro” (“Extreme Cosmos” nell’edizione originale) dell’astronomo australiano Bryan Gaensler, che ho trovato così interessante e scritto in modo comprensibile nonostante i temi complessi.

Mi sono avvalso anche della preziosa collaborazione;
– del Dott. Diodati, che mi ha autorizzato a prelevare alcune parti del suo interessante blog, integrandole in questo articolo
– del Dipartimento degli Studi dell’Università di Padova, Facoltà di Fisica ed Astronomia
– dell’Osservatorio di Arcetri
che hanno concesso l’uso di alcune loro slide sul tema, che fanno proprio al caso nostro.
Menzione particolare merita la straordinaria foto di copertina, generosamente offerta dall’astrofotografo Tommaso Rubechi.

Questo secondo post è dedicato alla “Luce estrema”, il secondo dei 10 argomenti trattati da Gaensler, e farà coppia con una seconda parte dove faremo un vero e proprio viaggio attraverso la nebulosa oscura per capire quanto sia “oscura”, non perdetevelo!
(il primo è stato “Temperature estreme”, e ci tengo a tenere questi post chiaramente identificati perchè la mia è opera di organizzazione redazione integrazione e divulgazione, mentre la “materia prima” è di Gaensler e Diodati).

Nebulosa oscura

Gaensler focalizza la sua attenzione sulla composizione interna della nube, ma prima di procedere credo sia il caso di presentare questo “oggetto astronomico” che è a tutti gli effetti un potenziale “ventre materno cosmico”

credits Tiziana “Tirtha” Giammetta dipinto “Fondazione”
https://www.tizianagiammetta.com/index.htm

E’ qui infatti che nascono nuove stelle (ne parlo anche ampiamente nel post sull’evoluzione stellare “Polvere di Stelle 4/4”):

“difficile da osservare è il processo di formazione e nascita di una nuova stella.

Le stelle si formano infatti nel buio, nascoste all’interno di questi densi e freddissimi bozzoli neri,
impenetrabili alla luce.
La Via Lattea, così come moltissime altre galassie,

ne è disseminata.”

Numerose nebulose oscure si chiamano “Barnard+n°” in onore dello scopritore, l’astronomo statunitense Edward Emerson Barnard

Qualche dato su queste nubi di gas e polvere cosmica

Esistono nubi molecolari di varie dimensioni:

  • alcune sono gigantesche e possono estendersi per centinaia di anni luce
  • altre invece sono molto “piccole”, con dimensioni di 1 anno luce o poco più.

Quelle più “piccole” sono chiamate e classificate come “Globuli di Bok”

Il Globulo di Bok

Un “Globulo di Bok” è una nube densa di gas e polvere cosmica che in fase di collasso è in grado di generare una stella.
In Barnard 68 i gas e le polveri hanno una massa complessiva di 2,1 masse solari, sufficiente per creare una stella come il Sole, prevedibilmente tra 100.000 e 200.000 anni.

“Un globulo di Bok dispone di massa sufficiente per dare origine a
– una sola stella o
– un piccolo gruppo di stelle
– un sistema binario o multiplo o, al massimo,
– un piccolo ammasso stellare

Quando la contrazione illumina le protostelle o si accende il motore nucleare, divengono visibili all’infrarosso”.

Ecco 2 esempi di Nebulose oscure, dette anche “nebulose molecolari”:

Sacco di Carbone
estensione: 54 anni luce
distanza: 600 anni luce dalla Terra
luogo: Via Lattea costellazione Croce del Sud

Barnard 68
estensione: 0,25 anni luce (3.700 miliardi di km di diametro)
distanza: 408 anni luce
luogo: Via Lattea, costellazione Ofiuco
temperatura interna: 16K = -257°C (-494,6°F)

La nebulosa oscura “Barnard 68” è estesa circa 3.700 miliardi di km:
considerate che 1 anno luce equivale a circa 9.460 miliardi di km, contro i “ridicoli” 36 miliardi di km del diametro del Sistema Solare (se lo consideriamo finire al confine della eliopausa, ma c’è anche chi lo considera finire in corrispondenza della Nube di Oort, quindi 1 anno luce, dipende tutto dai punti di vista).

E’ quindi vasta quanto 100 Sistemi Solari !

A guardare il cielo, come ci si accorge di queste nebulose?

“Se la notte è chiara, e attendete abbastanza a lungo da abituare la vista all’oscurità, noterete delle zone completamente scure, in cui sembra non ci siano stelle”

Crediti astrofotografo Tommaso Rubechi

“Luoghi in cui non si riesce a vedere alcuna stella,
ma attenzione, non sono luoghi privi di stelle!

In realtà sono nubi di gas così dense che bloccano la luce proveniente dalla parte opposta”.

“Sono le regioni più oscure dell’Universo, al loro interno non c’è quasi traccia di luce”.

A questo punto, a qualcuno potrebbe per un istante venire un’automatica perplessità e cioè che anche nei Buchi Neri non c’è luce perché se la “mangiano”; sono due situazioni molto diverse, vediamo brevemente 3 differenze che mi vengono in mente, ma ce ne sono sicuramente anche altre più tecniche.

  • nei Buchi Neri la luce come tutto il resto viene inghiottita, divorata,
    mentre in queste nubi non succede (viene in realtà assorbita e diffusa)
  • i Buchi Neri sono il risultato finale della morte spettacolare di una stella di massa gigante, ed hanno evidentemente una energia che muove quel motore interno;
    le nubi invece vagano nello spazio, buie ma innocue, anzi “protettive” come vedremo
  • nei Buchi Neri che stanno divorando materiale da oggetti astronomici malcapitati nelle loro vicinanze, all’interno dell’Orizzonte degli Eventi la luce viene fagocitata senza scampo, e per questo è impossibile vederli, ma intorno all’O.d.E. – il perimetro circolare – la materia risucchiata, vorticando produce un tale aumento di pressioni e temperature che diventa luminosissima prima di scomparire;
    tutto ciò nelle nubi molecolari non esiste (almeno non finché non si avvia il processo di costituzione di una stella)

Abbiamo quindi alcune enormi differenze rispetto alle nebulose oscure:
1°- i buchi neri hanno un anello di luce luminosissima tutt’intorno, le nubi molecolari no
2°- i buchi neri hanno un enorme attività in corso di divoramento, le nubi molecolari semplicemente silenziosamente avanzano, a meno a che poi non succeda qualcosa, una causa esterna per cui si da avvio alla sequenza di protostella, ma questo è un altro discorso…
3°- i Buchi neri rappresentano la fine di una stella, mentre all’opposto le nubi molecolari il potenziale inizio

“Ok, interessante”, penserà qualcuno di voi, “ma è tutto qui?”

Ah, non è mica finita qui, questo è solo l’inizio, vi rispondo.

“Cosa rende queste nebulose così oscure?”

Qualche energia particolare, qualche effetto speciale, un evento incredibile?
No, semplicemente la polvere!

Affascinante polvere interstellare di cui si sente tanto parlare, ma sappiamo com’è fatta, noi comuni mortali non “addetti ai lavori”?

Attenzione, a questo proposito:
“non è esattamente come la fuliggine, il terreno e i frammenti di peluria e cute che compongono la polvere o pulviscolo che si trova nel soggiorno di casa”.

Piuttosto si tratta di “minuscole particelle di:
– silicati,
grafite
ghiaccio
ognuna di diametro inferiore al millesimo di millimetro” (quindi inferiore al micrometro µm).

Praticamente miliardi e miliardi di oggetti microscopici e quindi invisibili riescono a “togliere” tutta la luce che vi arriva dall’esterno.

Vediamo che succede quando un fotone incontra tale polvere:

“quando un raggio di luce stellare incontra un simile granello di polvere, viene assorbito dalla particella oppure deviato lungo un’altra direzione completamente a caso”

Un po’ come, ricordate, la luce solare di componente azzurra viene diffusa in tutte le direzioni dalle molecole dell’atmosfera, rendendo il nostro cielo azzurro-blu (fenomeno conosciuto come “scattering di Rayleigh”.

In questo caso, invece, atmosfera non ce n’è ma il processo è lo stesso, diffusione quasi totale, ed ha un altro nome, “Reddening” (da “red” = rosso, quindi arrossare):
il Dipartimento di Fisica ed Astronomia dell’Università degli Studi di Padova, progetto “Il Cielo come Laboratorio”, ci viene in aiuto con 2 slide proprio sul tema delle nebulose e della polvere interstellare
– “la componente blu delle stelle più vicine viene estinta, mentre più gas c’è nella nube e più reddening avviene;
le stelle più lontane appaiono arrossate rispetto a quelle più vicine.

La polvere assorbe preferenzialmente la luce blu ed invece arrossa la luce che la attraversa”

L’Osservatorio di Arcetri invece contribuisce con questa bella slide a farci capire come, se la luce stellare attraversa uno strato di polvere, più lo strato è spesso più la luce viene assorbita e quella (pochissima) che riesce ad uscire è arrossata

“Mettete insieme miliardi di granelli di polvere di questo tipo, e alla fine solo pochissima luce riuscirà a passare”. Chiaramente se noi però cambiamo frequenza d’onda nel nostro telescopio, agli Infrarossi riusciremo a penetrare la nube, come vedete nei due riquadri sottostanti di quest’altra bella slide dell’Università di Padova.

Estinzione

la luce delle stelle viene:

  • assorbita dai grani, che si riscaldano
  • oppure deviata dalla linea di vista
    questo, nella nebulosa ma anche in generale nello spazio interstellare, causa una riduzione dell’intensità della luce stellare
    che arriva fino a noi

Arrossamento

l’estinzione preferenziale della luce blu/UV influenza i colori delle stelle, spostandone l’aspetto complessivo verso il rosso
(attenzione, non è però lo spostamento Doppler, ma il far variare gli indici di colore)

Tanto per dare i numeri, Diodati ci fornisce una cifra sbalorditiva:

“La materia della nube diventa sempre più concentrata andando verso il centro – dai calcoli la luminosità effettiva di una stella dello sfondo subisce al centro una attenuazione di:

quasi 16.000 miliardi di volte (!)

“Le nebulose oscure sono particolarmente ricche di polvere, e quindi impediscono a quasi tutta la luce che proviene dalle altre parti dell’Universo, di penetrare al loro interno.

Potrebbe effettivamente spaventare quest’idea – considera Gaensler – che:

  • alcuni posti siano tagliati fuori dal resto dell’Universo
  • regni un’oscurità assoluta ed impenetrabile
  • il resto del Cosmo sia nascosto per sempre alla vista”

Guardate la bellissima immagine della Nebulosa Barnard 68 qui sotto, ma non fatevi ingannare dal fatto che la nostra mente corre facilmente da un estremo all’altro; come avete letto prima, essa occupa un centinaio di Sistemi Solari, quindi è tutt’altro che “piccola” e per attraversarla tutta ci vogliono altro che secoli….. come vedremo nel prossimo post.

nella foto è distinguibile l’arrossamento (reddening)
delle stelle al bordo della nube di polvere

Ciò che però bisogna considerare, a difesa di tali nebulose, è che
“senza queste nebulose oscure e cariche di polvere,
forse non sarebbe mai apparsa la vita sulla Terra.

Il loro ruolo infatti, essendo uno dei pochi luoghi nell’Universo in cui possono formarsi molecole complesse, è quello di crogiòlo“.

Come fa della polvere a favorire la formazione di molecole?

Domanda:
considerato che una molecola si forma dalla combinazione di 2 o + atomi,
nel vuoto dell’Universo è facile per 2 atomi riunirsi in molecola?

Per niente!

Prendiamo la molecola più diffusa nell’Universo, H2 cioè Idrogeno molecolare,
formato da 2 atomi di Idrogeno (H) legati insieme.

L’Universo è pieno di singoli atomi di H, eppure questi singoli atomi non si combinano quasi mai per formare l’H2. Come mai?

Ecco perché:
1 – il gas nello spazio interstellare è estremamente rarefatto, quindi la probabilità che 2 atomi singoli entrino in collisione e si combinino è incredibilmente bassa
2 – se anche accadesse incredibilmente che i 2 atomi entrano in collisione, serve tempo perché formino un legame diventando una molecola, esattamente come quando, per far sì che due superfici si incollino tra loro, occorre del tempo tenendole premute assieme.
Nella realtà cosmica, invece, i 2 atomi di H che si scontrano in modo del tutto casuale rimbalzeranno immediatamente come palle da biliardo.

Quindi come fanno a formarsi molecole di H2 ?

L’incredibile risposta è:
grazie alla polvere!

Come sono fatti i granelli di polvere delle nebulose oscure?

Noi ce li immaginiamo magari come delle minuscole sfere completamente indeformabili. Non è così! Sono invece:

piccolissimi grumi informi, tutti bucherellati e pieni di solchi

che un po’ ricordano delle minuscole pepite d’oro (ricordano anche i micro-meteoriti).

In un granello di polvere vi sono quindi numerose cavità e rientranze, che sono l’ideale per catturare e trattenere un atomo di Idrogeno.

Così succede che se un atomo d’idrogeno va a sbattere contro un granello di polvere (e spesso è proprio ciò che accade) non rimbalza, ma resta legato alla microparticella di polvere, trattenuto in una cavità o in un solco formatisi naturalmente.

L’atomo adesso si muove insieme al granello di polvere, e talvolta accade che un altro atomo d’H, alla fine, venga catturato nella stessa maniera.

Se i due atomi di H, entrambi attaccati alla particella di polvere, sono abbastanza vicini, possono formare un legame per costituire una nuova molecola di H2!

Ecco, così che la magia è fatta!

“La molecola infine riesce a liberarsi, e così gli atomi di H possono vagare liberamente ancora una volta, ma da questo momento legati insieme”.

Attenzione però, non è finita qui!
La nostra molecola non è ancora al sicuro!

Le nebulose oscure sono essenziali:

  • per la formazione di molecole,
  • ed anche perché impediscono che le stesse vengano separate di nuovo, per dare origine ai singoli atomi di partenza.

Tutte le molecole sono relativamente fragili, e non possono sopravvivere a lungo nelle condizioni estreme dello spazio cosmico.

Pensate, “anche la luce fioca di stelle lontanissime possiede abbastanza energia (radiazione ultravioletta UV) per scindere la maggior parte delle molecole in singoli atomi“.

Nell’immagine sottostante, gentilmente concessa dall’Osservatorio di Arcetri, il testo dice:

  • a sinistra, i fotoni UV provenienti dalle stelle vicine sono diffusi e assorbiti dalla polvere nelle zone più esterne della nube
  • in basso al centro, Nube HI ricca di polvere
  • in basso a destra, Nucleo freddo e denso della nube molecolare

Quindi, non solo le nebulose oscure rappresentano uno dei pochissimi ambienti in cui si formano le molecole, ma sono anche un luogo in cui queste stesse molecole possono combinarsi tra loro in modo lento e graduale, senza il timore di essere scomposte nei loro elementi costituenti dalla luce stellare proveniente dall’esterno.

Ah, dimenticavo, Diodati ci ricorda questa piccola curiosità non proprio trascurabile di quanto sia difficile “vedere” al loro interno:
le masse di H2 (idrogeno molecolare, ricordate 2 atomi di H insieme) hanno la caratteristica poco simpatica di essere difficilissime non solo da penetrare, ma anche semplicemente da individuare, e non solo nella luce visibile, ma anche nell’infrarosso e nelle onde radio.
Per questo motivo, per stabilire l’estensione e i limiti di queste nubi, gli astronomi si servono in genere di marcatori della presenza dell’H2: uno dei marcatori adoperati è il monossido di carbonio (CO), più facilmente osservabile, ma anche molto più raro (in una nube molecolare, una sola molecola di CO ogni 10.000 molecole di H2)”

Come si fa quindi a “vedere” all’interno delle nebulose oscure?

Se in un globulo di Bok (la nostra nube oscura Barnard 68) è già in atto la formazione di una protostella, un telescopio sensibile all’IR riesce a coglierla, perché è una sorgente che emette calore.

Al contrario, se non c’è una stella in formazione, come si fa a vedere all’interno?

Normalmente non si può – ci ricorda Diodati – a meno che non si verifichino condizioni particolari riguardanti:

  • forma
  • posizione
  • dimensione

È proprio il caso di Barnard 68:

  • oggetto relativamente vicino poiché non c’è alcuna stella in primo piano interposta sulla nostra visuale (la luce di eventuali stelle avrebbe falsato i risultati)
  • forma compatta e dai confini definiti
  • favorevole posizione rispetto allo sfondo (in direzione del centro galattico): dietro di essa c’è una ricchissima collezione di stelle di distanza nota
  • molte stelle di sfondo nascoste sono giganti rosse con emissioni nell’IR ben note e confrontabili con stelle dello stesso tipo visibili all’esterno del globulo

E’ stato solo nel 1999 grazie al
Very Large Telescope (dell’European Southern Observatory) e al
New Technology Telescope (dell’ESO in Cile),
che si è potuto penetrare l’oscurità della nebulosa, e più aumentava la lunghezza d’onda ai Raggi Infrarossi IR, più stelle apparivano. Nell’immagine sottostante, leggendo dall’alto in senso orario, all’aumentare della lunghezza d’onda si notano comparire sempre più stelle dallo sfondo prima oscurato.

Grazie allo studio di João Alves, Charles Lada ed Elizabeth Lada, e tramite tali telescopi, i risultati hanno permesso di
contare le stelle che erano nascoste:

  • 3.708 stelle visibili nelle bande H e K dell’IR,
  • di cui 1.000 totalmente invisibili nelle frequenze ottiche!

Attenzione, non confondete l’arrossamento (reddening) delle stelle ancora visibili ai bordi della nube (quindi nella luce Visibile), con il rosso della visione alla frequenza d’onda degli infrarossi (quindi agli IR, non più luce visibile).

Voi magari ora penserete che si trovino poche molecole al loro interno…
Non è così!

Gli astronomi hanno dimostrato che le nebulose oscure abbondano di tutti i tipi di molecole.

Le più comuni sono le molecole di:

Idrogeno molecolare H2

monossido di Carbonio CO

Incredibilmente, nell’ampia gamma di molecole più complesse scoperte, si trovano anche:

protossido d’azoto N2O (il gas esilarante)

n2o molecule, nitrous oxide

acetone CH3COCH3 (principale componente del solvente usato per rimuovere lo smalto delle unghie)

etanolo C2H6O
(o alcol etilico, nelle bevande alcoliche)

acetaldeide C2H4O
(la sostanza chimica responsabile del malessere del dopo-sbornia)

Per finire, nessuno sa come è iniziata la vita sulla Terra, però le nebulose oscure conservano gelosamente un segreto…

Così potrebbe essere iniziata la vita sul nostro pianeta:

  • le nebulose oscure hanno assemblato e protetto queste molecole vitali
  • una pioggia di asteroidi se ne è fatto carico trasportandole fin sulla Terra in formazione
  • tali molecole hanno costituito quella famosa specie di “brodo primordiale”

Quindi l’ambiente privo di stelle e quasi completamente buio di queste nebulose molto dense è presumibilmente una delle cause della nostra esistenza.

E’ stato un piacere accompagnarvi in questo viaggio.
Spero vi sia divertiti e per sperimentare cosa significherebbe entrare dentro la nebulosa, scopritelo cliccando qui.
Ciao.

Ringraziamenti:
Professor Bryan Gaensler
http://dunlap.utoronto.ca/~bgaensler/

Particolare ringraziamento al Dottor Michele Diodati per il prezioso contributo integrativo al post
https://spazio-tempo-luce-energia.it/barnard-68-una-macchia-nera-nel-cielo-43a14370f9b6

Astronomitaly
https://www.astronomitaly.com/blog/apod-astronomitaly-picture-of-the-day/nebulosa-oscura-barnard-68

Il Cielo come Laboratorio – Veneto
Dipartimento di Fisica ed Astronomia dell’Università degli Studi di Padova

http://www.astro.unipd.it/progettoeducativo/materiale.html

Gli astrofotografi eccezionali
Maurizio Cabibbo di Astroinfinity
http://www.astroinfinity.it/Home.htm
Tommaso Rubechi
https://www.tommasorubechi.it/

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