Studiare le stelle: luminosità/magnitudo

L’inganno della luminosità o magnitudine “apparente”

Se ti intendi poco di astronomia, questo tipo di articolo potrebbe esserti utile: vorrei presentare, in distinti post brevi, 5 tra gli argomenti importanti per lo studio delle stelle, di cui avrai probabilmente sentito parlare:

– luce “propria”, luce riflessa
scintillazione: stelle

scintillazione: pianeti e Luna
luminosità/magnitudo
interdipendenza luminosità/distanza/temperatura/superficie
riconosci l’inganno!
spettro

02/07/2020, Via Lattea dall’area del rifugio Cimon della Bagozza (Campelli di Schilpario, Bergamo), credit Roberto Ciri, Emozione Natura GAEingrandisci, enlarge

Parto da un dato intuitivo e semplice:
quando la sera vedi in cielo una stella brillare molto intensamente, essa può essere in effetti molto vicina; così come quando ne vedi un’altra molto molto pallida, può trovarsi molto molto lontana rispetto alla Terra.

19/03/2021, Luna, Pleiadi, Marte, Aldebaran, località Capo Murro di Porco Lightouse (Siracusa), credit Kevin Saragozzaingrandisci, enlarge

Ma spesso la realtà astronomica non è così come appare! Quindi fa attenzione, l’Universo è pieno di inganni, di tranelli, in cui puoi facilmente cadere se non sei preparato! L’apparenza spesso inganna! Serve tanto allenamento, tanto studio, tanta pratica e restare sempre aggiornati per non cascarci come polli.

Per evitare quindi di cadere in questi tranelli, o almeno per ridurre la confusione, ti voglio accompagnare in questo brevissimo viaggio per fissare dei mattoncini importanti.

Questa volta mi ritaglio un minuscolo spazio narrativo introduttivo, perché voglio raccontarti una brevissima storia, credo ti sarà d’aiuto.

Luminosità “assoluta” ed “apparente”: mini-storia del viaggio della luce da una stella fino ai tuoi occhi in una notte serena stellata

Una stella è un’enorme sfera rotante di plasma incandescente e magnetico, che ha raggiunto un equilibrio idrostatico tra le reazioni termonucleari che avvengono costantemente nel nucleo (e provocano una forte pressione verso l’esterno, pressione di radiazione) e la forza di gravità di quell’enorme massa rotante che vorrebbe far collassare la stella (e spinge e schiaccia verso l’interno), e per questo la forma che risulta è quella di una sfera rotante.
Tali reazioni termonucleari costanti trasformano quantità enormi di atomi leggeri in atomi più pesanti e così facendo producono colossali quantità di energia tra cui anche quella luminosa (luminosità assoluta o intrinseca). Questa energia impiega tempi biblici per arrivare alla superficie della stella, ma quando finalmente viene liberata o emessa o ancora meglio “persa” all’esterno, sfuggendo all’infinita battaglia epica tra pressione e gravità, essa è proiettata nello spazio nella stessa quantità e in ogni direzione.
Rispetto a quell’enorme incredibile quantità di energia emessa con costanza, di conseguenza, solo una minuscola frazione raggiunge effettivamente i tuoi occhi pieni di meraviglia e di incanto, dopo un viaggio lungo migliaia, milioni o miliardi di anni luce, sulla superficie di questo Pallido Puntino Blu che è la Terra.

Così è come ti appare la stella ad occhio nudo, e quella luminosità che percepisci scintillante e spesso così flebile anche se determinata, è detta luminosità “apparente“.
Ora ti spiego meglio cosa si intende.

Luminosità e Magnitùdo

È uno di quegli argomenti su cui si fa spesso confusione, se non si è del mestiere, allora provo a far chiarezza.
Prima la presentazione.

LUMINOSITA’
“assoluta” o “apparente”

Con luminosità si intende la quantità di energia prodotta da una stella, che può essere:

  • la quantità totale emessa al secondo a tutte le lunghezze d’onda (luminosità assoluta, intrinseca)
21/09/2020, fotosfera solare, credit Gabriel Corbaningrandisci, enlarge

oppure

  • la quantità minuscola che raggiunge una data area ogni secondo qui sulla Terra e colpisce il tuo occhio (luminosità apparente)
ricorda che la luce del Sole che stai guardando ora (con protezioni adeguate mi raccomando!) è vecchia di 8 minuti

MAGNITÙDO
“assoluta” o “apparente”

Con magnitùdo (o magnitùdine) si intende la scala di misurazione di tale luminosità (scala logaritmica, roba complessa quindi), basata sulla capacità dell’occhio umano di percepire la luminosità delle stelle, scala che può essere:

  • la scala della quantità totale irradiata dalla stella ogni secondo (magnitudine assoluta)

oppure

  • la scala della luminosità apparente (magnitudine apparente)

Ora spiego meglio.
Per facilitare il riconoscimento visivo, metterò:
l’apparente con sfondo azzurro
mentre l’assoluta con sfondo rosso.

Luminosità APPARENTE

Quando vedi una stella in cielo essa ti “appare” quindi con una certa luminosità, questa luminosità viene perciò detta “apparente” e misurata come “MAGNITUDINE APPARENTE”, cioè l’energia luminosa ricevuta sulla Terra e registrata nel tuo sistema visivo. Fotometrìa è il processo di misurazione della luminosità apparente delle stelle. Questa luminosità apparente non considera però la reale luminosità della stella e la diminuzione di luminosità dovuta alla distanza.

22/07/2020, cielo stellato con Mary Antonino che indica una cometa. Da notare che l’ombra del braccio crea una stranissima illusione come di fondo finto, ma non è assolutamente così, è l’effetto di una luce manuale a un paio di metri dal telefono, che ha scattato con un’esposizione di venti secondi, credit Ciro Russoingrandisci, enlarge

Come hai capito se hai letto i post precedenti di questa mini-serie, e come puoi immaginare anche da solo/sola però, ciò che il tuo occhio vede non rispecchia sempre fedelmente la realtà effettiva, a volte è una vera e propria illusione, un inganno!

20/05/2020, Saragozza (Spagna): Venere che scintilla bassa all’orizzonte può essere facilmente confusa con una stella, ad occhio inesperto, credit Iargo Spatium

Prendi ad esempio i colori nelle ore serali-notturne: alcune tonalità di colore sono quasi impercettibili all’occhio umano, che ha sviluppato la massima sensibilità al verde, leggermente meno al giallo e addirittura solo 1/10 al rosso…

gran parte della sensibilità del nostro sistema visivo è concentrata sul verde-giallo e molto meno al rosso o al violetto

A questo proposito la tecnologia aiuta a compensare i limiti del nostro sistema visivo, esempio eccellente sono le Aurore (sai che ho preparato una serie di 26 post veloci per spiegarle, partendo dal Sole, passando per il campo magnetico e l’atmosfera terrestri e arrivando fino a quelle extraterrestri? Eccoti una panoramica)

L’Aurora come si presenta in foto anche tramite correzioni tramite Photoshop (sinistra), e come si presenta nella realtà ad occhio nudo, credit Bob King

Tutto il cielo che vedi ad occhio nudo è infatti sempre filtrato dalla nostra amata atmosfera

atmosfera e relativi strati, credit NASA

… la quale influenza quindi il risultato finale perché:

  • sottrae frequenze elettromagnetiche (parte degli Infrarossi e degli Ultravioletti, e totalmente X e Gamma)
  • devìa i raggi modificando la traiettoria (a causa delle diverse densità dei gas nei cinque strati)
  • essendo costantemente animata da turbolenza (che disturba in modi anche pesanti la visuale perfetta che si avrebbe invece dallo spazio)
  • inoltre separa tutti noi dal vuoto cosmico
    (come sai nel vuoto la luce sfreccia a circa 300.000 km/sec in linea retta all’infinito finché non incontra un ostacolo che la assorbe o la devìa appunto, come l’atmosfera terrestre che si comporta come un fluido)
12/01/2013, credit Expedition 34 – ISS/NASA

Luminosità ASSOLUTA

Le stelle come detto producono luce “propria essendo fornaci termonucleari: a differenza della luce riflessa di pianeti, lune, comete e asteroidi, tale luminosità intrinseca delle stelle viene misurata, per contrapporla a quella apparente, come “MAGNITUDINE ASSOLUTA”.

05/12/2020, Sirius A m apparente=-1,47 (assoluta +1,45) , Sirius B apparente=8,44. Sistema binario con una stella bianca di Sequenza Principale tipo spettrale A1V e una compagna debole nana bianca tipo spettrale DA2; la distanza che separa la coppia oscilla tra 8,2 e 31,5 Unità Astronomiche. Credit composizione Giuseppe Donatiello per RA/Dec AstronomyFlickringrandisci, enlarge

Il problema emerge proprio quando si decide di misurare questa luminosità intrinseca, perché le stelle:

  • si trovano a tutte le distanze possibili immaginabili
  • hanno dimensioni temperature e luminosità incredibilmente diverse
11/02/2020, Via Lattea, Atacama, credit Daniele Gasparri, ingrandisci, enlarge

Per questi motivi risulta impossibile confrontarne la luminosità, a meno che non si ricorra ad uno stratagemma che le ponga tutte su un piano comune, eliminando la variabile “distanza”. Se infatti potessimo piazzarle virtualmente tutte ad una stessa distanza da noi osservatori, sarebbe facile vederle tutte con una luminosità che rispecchia quella assoluta e stabilire una graduatoria di luminosità, dalla più brillante alla più pallida.

10 parsec – 32 anni luce

Bene, in effetti è proprio questo che è stato fatto, stabilendo come distanza convenzionale 10 parsec (parallasse al secondo): un parsec sono 3,26 Anni Luce, quindi moltiplicato per 10 = 32,6 Anni Luce.

Quindi la magnitudine “assoluta” corrisponde alla magnitudine apparente che la stella avrebbe se fosse posta a 10 parsec da noi!

Ecco dove si pone la magnitudine assoluta per convenzione ingrandisci, enlarge

Se fossimo nel vuoto, senza il filtro dell’atmosfera, potremmo godere della luce stellare senza disturbo alcuno! In effetti nel vuoto senza filtro atmosferico, la visuale è assai diversa e stupefacente!

07/03/2014, m assoluta=-6,7, credit Giuseppe Donatiello per RA/Dec AstronomyFlickringrandisci, enlarge

Magnitudo APPARENTE:
istruzioni d’uso!

Attenzione però: la scala di misura della Magnitudine mette un po’ in difficoltà all’inizio, perché è contro-intuitiva! Essa va infatti al contrario, devi inizialmente ragionarci un po’ su per comprendere finalmente come funziona. I valori indicati lungo la linea segmentata sono quelli della Magnitudine appunto, che dallo zero centrale vanno in negativo (-) verso sinistra e in positivo (+) verso destra.
Un sospetto, una lampadina d’allarme ti si dovrebbe accendere nell’osservare dove è posizionato il Sole…

Quello che ti verrebbe intuitivamente da dedurre è che più vai verso destra, quindi più il valore aumenta, e più la magnitudine è alta, cioè la stella è luminosa.

Dolente, è esattamente l’opposto di così!

Futurama

Più il valore va verso sinistra, quindi più diminuisce e più la stella appare luminosa! “Appare”, mi raccomando, perché questa scala è di luminosità apparente. La luminosità assoluta o intrinseca è tutt’altro, trovi qualche indicazione più sotto e comunque si basa come detto sul posizionare tutte le stelle a 10 parsec, quindi non c’entra con questa scala.

Allénati a leggere la magnitùdine (m)

Back to the Future

Il concetto importante da ricordare quando si usa la magnitudine è che
il sistema va all’indietro
le stelle più luminose hanno m = +1, quelle più deboli m = +6, ma considera la complicazione che i valori possono andare anche in negativo, quindi te lo spiego da diverse prospettive:

  • maggiore è la magnitudine (il valore), più debole è l’oggetto che si sta osservando
    m = +6 risulta più debole di m = +3
    ma anche, m = -2 risulta più debole di m = -5
  • gli oggetti più luminosi (luminosità apparente) hanno magnitudini inferiori rispetto agli oggetti più deboli
    m = +1 risulta più luminoso di m = +5
    ma anche, m = -10 risulta più luminoso di m = -5
  • il numero che indica la magnitudo aumenta con il decrescere della luminosità che si osserva (quindi apparente)
    m = -5 risulta più luminoso di m = 0 che risulta più luminoso di m = +7
  • le stelle meno luminose hanno magnitudine maggiore
    m = +20 risulta più debole di m = +15
    ma anche, m = -3 risulta più debole di m = -8
  • le stelle più luminose hanno magnitudine inferiore
    m = -20 risulta più luminosa di m = -10
    ma anche, m = +3 risulta più luminosa di m = +7
  • il valore della magnitudine è inversamente proporzionale alla luminosità apparente
    se m aumenta, la luminosità apparente diminuisce
    se m diminuisce, la luminosità apparente aumenta
“La Scala delle Magnitudini apparenti”, verso l’alto in aumento – Astronomia, lezione 15/10/2014, Alessandro Melchiorri
  • una stella di magnitudine 1 è 100 volte più luminosa di una stella di magnitudine 6
  • al contrario, una stella di magnitudine 6 è 100 volte più debole di una stella di magnitudine 1
  • quindi una differenza di 1 magnitudine corrisponde a un fattore di luminosità di circa 2.512 volte

Magnitudine apparente
Qualche esempio
concreto

Ecco qui sotto l’esempio più famigliare di luminosità apparente! Lo riconosci?

23/03/2021, splendido ipnotizzante scatto della nostra magnifica stella, credit Lorenzo Busilacchiingrandisci, enlarge

Ecco alcuni esempi di magnitudine apparente, la quale non tiene conto della distanza e della luminosità reale, mentre ho inserito qualche confronto di magnitudine assoluta:

  • Sole -26,7
    • +4,74
  • Luna piena -12,6
  • Venere (alla massima luminosità) -4,4
  • Giove -2
  • Sirio (la stella più luminosa del cielo notturno) -1,46
    • +1,45
  • Vega 0,00
  • Stella Polare +2,1
    • -3,6
  • limite ad occhio nudo (stella più debole) +6,0
  • Proxima Centauri (sistema triplo) +11,01
    • +15,45
  • quasar più luminoso +12,8
  • limite con un piccolo telescopio +14
  • Plutone +15,1
  • limite telescopio M. Palomar +22
  • limite Hubble +29
  • oggetto più debole +30 a +31

Circa il Sole a 10 pc
Una volta spostate, come deciso, tutte le stelle a 10 parsec, nota come nel caso del Sole il valore della magnitudine assoluta è MAGGIORE (quindi la luminosità più debole) di quella apparente perché il Sole a 10 pc è chiaramente meno luminoso che visto dalla Terra!

Circa le altre stelle a 10 pc
In generale invece il valore della magnitudine assoluta di una stella è sempre MINORE di quella apparente (quindi la luminosità più forte), tranne per quelle stelle più vicine a noi di 10 pc (la maggioranza delle stelle si trova infatti più lontana di quella distanza scelta per convenzione).

il nostro “vicinato” cosmico a sinistra, dove ogni cerchio sono 5 anni luce, mentre a destra stelle più lontane fino a 250 anni luce

Magnitudine assoluta
Due curiosità da brividi!

Questa scala fornisce informazioni sulla reale luminosità dei corpi celesti:

Pensa che molte stelle visibili ad occhio nudo hanno magnitudini assolute tali che sarebbero capaci di formare OMBRE da una distanza di 10 parsec!
Rigel -6,7
Deneb -8,5
Naos -7,3
Betelgeuse -5,6

Astronomia, lezione 15/10/2014, Alessandro Merlchiorri
02/02/2022, winter sky, costellazioni invernali, credit Giuseppe Donatiello, RA/Dec AstronomyFlickringrandisci, enlarge

Le Supernovae hanno magnitudini assolute fino a -19,5 !!! Ciò significa che a 10 parsec (32 anni luce) sarebbero 1.000 volte più luminose della Luna piena, prova ad immaginare, auguri!

Astronomia, lezione 15/10/2014, Alessandro Merlchiorri
Supernova 1994D ai margini della galassia NGC 4526, distante 50 milioni di anni luce: nota come la luce della SN compete con quella del centro della galassia pieno di stelle, credit NASA / ESA , The Hubble Key Project Team e The High-Z Supernova Search Teamingrandisci, enlarge

Spero tu ti stia divertendo, e la mini serie non è ancora finita, infatti nel prossimo episodio parlo di relazioni triangolari importanti tra luminosità assoluta ed apparente, distanza, temperatura e area di superficie (dimensioni). Nell’episodio successivo ti faccio un riassunto degli inganni spiegati finora e poi nell’ultimo ti parlo del famoso “spettro” stellare.

Credit Astrofotografi:

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