Come si fa a dire che ci sono Geyser su Europa?
"A... A... Abbronzatissima sotto i raggi del Sole" così cantava Edoardo Vianello negli anni '60 descrivendo quel legame tra esposizione al Sole e abbronzatura. Il motivo per cui ci si abbronza è un misto tra Astronomia, Fisica e Medicina. Il Sole è una stella che, attraverso le reazioni nucleari che avvengono al suo interno, produce radiazione elettromagnetica che va dalle Onde Radio ai Raggi Gamma, passando per la Luce (Visibile), i raggi Infrarossi e i raggi Ultravioletti. Gran parte di questa radiazione elettromagnetica non raggiunge la superficie terrestre per la presenza e le caratteristiche della nostra atmosfera.
Solo le Onde Radio, la Luce Visibile, una parte dei raggi Infrarossi e dei raggi Ultravioletti riescono ad arrivare a terra. Mentre la Luce Visibile che arriva dal Sole ci permette di vedere e i raggi Infrarossi ci danno quella sensazione di calore che percepiamo sulla pelle, i raggi Ultravioletti sono i "responsabili" dell'abbronzatura1.
Prima di tutto la radiazione elettromagnetica è un fenomeno originato dalla reciproca "stimolazione" di un campo elettrico e un campo magnetico.
Possiamo descriverla sotto forma di particella (detta fotone) oppure di onda (detta onda elettromagnetica o radiazione elettromagnetica).
Prendiamo in considerazione il caso dell'onda. Le onde sono principalmente caratterizzate da una lunghezza, detta lunghezza d'onda, e da una velocità di propagazione. Per le onde elettromagnetiche la velocità di propagazione nel vuoto è quella che chiamiamo "velocità della luce" e vale circa 300.000 km/s (circa 1 miliardo di km/h). Sarebbe corretto chiamarla velocità nel vuoto della radiazione elettromagnetica.
Ora, immaginiamo di raccogliere tutta la radiazione prodotta dal Sole e di metterla in ordine di lunghezza d'onda (le onde più lunghe le mettiamo a sinistra e andando verso destra mettiamo quelle sempre più corte) otterremo quello che i fisici chiamano "spettro elettromagnetico".
Cosa vediamo, noi umani, di tutto questo spettro elettromagnetico?
Pochissimo... solo una piccolissima regione all'interno della quale distingueremmo un arcobaleno. Questa banda (così si chiamano le varie zone dello spettro elettromagnetico) è quella che chiamiamo Luce Visibile. A lunghezze d'onda minori della luce visibile - cioè al di là del viola dell'arcobaleno -, si trova la regione dell'Ultravioletto.
Una caratteristica generale e importantissima della radiazione elettromagnetica è il fatto che interagisce con la materia.
Ogni onda elettromagnetica interagisce a modo suo con la materia, in funzione della sua lunghezza d'onda, perché l'onda elettromagnetica trasporta energia e l'energia trasportata è tanto maggiore quanto minore è la lunghezza d'onda.
Questa interazione avviene con le componenti degli atomi (elettroni, protoni e neutroni) e tale interazione dipende anche dalle caratteristiche dell'atomo stesso.
In generale possiamo dire che le onde lunghe (quindi meno energetiche) "disturbano" gli elettroni legati al nucleo con meno forza, mentre onde elettromagnetiche corte (quindi più energetiche) riescono ad infastidire gli elettroni maggiormente legati2.
Quanto detto ha un effetto importante. Infatti, se ogni atomo reagisce a modo suo alla radiazione elettromagnetica che lo colpisce, vuol dire che esso lascerà una "firma" univoca nello spettro elettromagnetico. Tali firme sono chiamate righe spettrali.
L'astronomia è una scienza particolare perché studia gli oggetti di suo interesse quasi esclusivamente osservandoli: raccogliendo, cioè, radiazione elettromagnetica.
Le prime immagini ravvicinate di questo satellite gioviano arrivarono con le sonde Pioneer, nella prima metà degli anni '70, ma quelle di maggiore qualità si ebbero solo con le sonde Voyager, verso la fine dello stesso decennio. Bisognò aspettare la metà degli anni '90 perché la sonda Galileo studiasse in dettaglio il satellite e i planetologi riuscissero a creare un modello dell'interno di Europa così strutturato: un nucleo solido di ferro e nickel al centro, circondato da un mantello roccioso che a sua volta è sovrastato da un'oceano di acqua (Kivelson et al. 2000) spesso circa 100 km, ricoperto da una crosta di ghiaccio di acqua di alcune decine di chilometri.
Guardando l'immagine di Europa si nota che la superficie è solcata da lunghe strutture lineari (dette "lineae") di colore marrone scuro, che si estendono per chilometri. Si sarebbero formate da eruzioni di acqua: dei geyser generati dalle forze mareali di Giove che causano la frattura della crosta ghiacciata e spingono l'acqua dell'oceano sottostante verso l'esterno.
Wow, fico! Ma come hanno fatto gli astronomi a capire e/o a vedere tutto ciò?
Come hanno fatto ?
Prima di tutto il meccanismo fisco/astronomico è questo: la radiazione elettromagnetica che emette il Sole viaggia nello spazio fino a che non incontra qualcosa che la assorbe, riflette o diffonde. Nel caso di Europa (studiato da Roth et al.) quando tale radiazione colpisce la superficie viene in parte riflessa; mentre, attraversando l'atmosfera viene diffusa dagli atomi di che la compongono. In più gli impatti tra elettroni e alcune specie atomiche (atomi e molecole di ossigeno e molecole di acqua) dell'atmosfera possono eccitare gli atomi stessi, che ritornando nelle condizioni iniziali generano le famose righe (di emissione), cioè producono radiazione.
Complicato? Un pochino ma il concetto importante da capire adesso è che una parte di questa radiazione (in particolare ci occupiamo di quella ultravioletta) che viene riflessa, diffusa o prodotta dalla dis-eccitazione degli atomi, viaggia verso la Terra e può essere osservata con strumenti montati su telescopi sensibili alla banda ultravioletta se su Europa se ne trova una quantità rilevante.
Hubble ha uno strumento adatto a questo: si chiama STiS ed è uno spettrografo (uno strumento che permette anche di ricavare immagini entro intervalli precisi di lunghezze d'onda) che osserva anche nell'Ultravioletto.
Il risultato che hanno ottenuto gli astronomi, dopo un'attenta elaborazione dei dati, è riportato nell'immagine qui sopra dove si vedono i geyger fuoriuscire dalla superficie del satellite.
E dove sarebbero questi geyser?
Sono quelle macchie bianche vicine al polo sud di Europa, presenti solo nella colonna di destra. Per facilitarne l'identificazione, ho ritagliato uno dei quadrati e l'ho riportato qui a fianco per far notare la presenza di quell'area chiara esterna al contorno del satellite (indicato con un cerchio bianco). Ecco questo è un geyser di Europa: una struttura che si espande sopra la superficie, che non si osserva in modo costante nel tempo, di dimensioni rilevanti rispetto alle dimensioni del satellite (circa 1500 km di raggio) e che è stata osservata nelle bande corrispondenti all'ossigeno e all'idrogeno.
In questi giorni è uscito un altro articolo che riguarda i geyser su Europa. È stato pubblicato su The Astrophysical Journal Letter (una rivista scientifica di grande valore in ambito astronomico) da Sparks e colleghi che hanno utilizzato STiS, lo spettrografo di Hubble, per ottenere le immagini dei geyser di Europa. Gli autori pubblicarono già uno studio simile nel 2016 dove descrissero il metodo utilizzato.
Il punto principale del loro approccio è quello di "fotografare" Europa quando transita di fronte a Giove (rispetto alla visuale di HST).
Il concetto astrofisico che sta dietro il metodo di Sparks e colleghi è quello delle occultazioni: nel quale si usa una sorgente di radiazione elettromagnetica (Ultravioletta nello specifico) che viene "oscurata" dall'oggetto in esame per studiare le proprietà di quest'ultimo, soprattutto quelle riguardanti l'atmosfera sui bordi. La configurazione è la seguente:
Giove è la "sorgente" che riflette i raggi Ultravioletti del Sole, quando Europa si trova lunga la linea che congiunge il suo pianeta con la Terra, i raggi UV ne attraversano l'atmosfera portando a noi informazioni su di essa.
Osservando Europa durante diversi transiti su Giove, gli astronomi hanno notato la presenza di alcuni fenomeni transitori ricollegabili a "geyser" alti diverse centinaia di metri sulla sua superficie. La presenza delle "piume" nell'atmosfera di Europa è associata alle lineae di colore marrone sulla superficie, infatti gli autori dell'ultimo articolo posizionano il "geyser" osservato nella stessa regione di Europa dove le osservazione della sonda Galileo avevano mostrato anomalie termiche.
Per ora è tutto, anzi, credo che sia troppo. Se siete interessati ai dettagli (metodi, significatività, modellizzazione) trovate qui sotto i link agli articoli scientifici di cui ho parlato in questo post.
Solo le Onde Radio, la Luce Visibile, una parte dei raggi Infrarossi e dei raggi Ultravioletti riescono ad arrivare a terra. Mentre la Luce Visibile che arriva dal Sole ci permette di vedere e i raggi Infrarossi ci danno quella sensazione di calore che percepiamo sulla pelle, i raggi Ultravioletti sono i "responsabili" dell'abbronzatura1.
Cosa sono i raggi UltraVioletti?
Come dice il nome stesso: Ultra-Violetto è quella regione dello spettro delle onde elettromagnetiche che sta subito al di là del colore viola dell'arcobaleno, invisibili all'occhio umano. Chiarisco subito il significato di questa frase e di quanto descritto sopra.Prima di tutto la radiazione elettromagnetica è un fenomeno originato dalla reciproca "stimolazione" di un campo elettrico e un campo magnetico.
Possiamo descriverla sotto forma di particella (detta fotone) oppure di onda (detta onda elettromagnetica o radiazione elettromagnetica).
Prendiamo in considerazione il caso dell'onda. Le onde sono principalmente caratterizzate da una lunghezza, detta lunghezza d'onda, e da una velocità di propagazione. Per le onde elettromagnetiche la velocità di propagazione nel vuoto è quella che chiamiamo "velocità della luce" e vale circa 300.000 km/s (circa 1 miliardo di km/h). Sarebbe corretto chiamarla velocità nel vuoto della radiazione elettromagnetica.
Ora, immaginiamo di raccogliere tutta la radiazione prodotta dal Sole e di metterla in ordine di lunghezza d'onda (le onde più lunghe le mettiamo a sinistra e andando verso destra mettiamo quelle sempre più corte) otterremo quello che i fisici chiamano "spettro elettromagnetico".
Cosa vediamo, noi umani, di tutto questo spettro elettromagnetico?
Pochissimo... solo una piccolissima regione all'interno della quale distingueremmo un arcobaleno. Questa banda (così si chiamano le varie zone dello spettro elettromagnetico) è quella che chiamiamo Luce Visibile. A lunghezze d'onda minori della luce visibile - cioè al di là del viola dell'arcobaleno -, si trova la regione dell'Ultravioletto.
A cosa serve osservare nell'Ultravioletto?
Il motivo principale è che ogni banda permette di osservare fenomeni fisici differenti.Ogni onda elettromagnetica interagisce a modo suo con la materia, in funzione della sua lunghezza d'onda, perché l'onda elettromagnetica trasporta energia e l'energia trasportata è tanto maggiore quanto minore è la lunghezza d'onda.
Questa interazione avviene con le componenti degli atomi (elettroni, protoni e neutroni) e tale interazione dipende anche dalle caratteristiche dell'atomo stesso.
In generale possiamo dire che le onde lunghe (quindi meno energetiche) "disturbano" gli elettroni legati al nucleo con meno forza, mentre onde elettromagnetiche corte (quindi più energetiche) riescono ad infastidire gli elettroni maggiormente legati2.
Quanto detto ha un effetto importante. Infatti, se ogni atomo reagisce a modo suo alla radiazione elettromagnetica che lo colpisce, vuol dire che esso lascerà una "firma" univoca nello spettro elettromagnetico. Tali firme sono chiamate righe spettrali.
L'astronomia è una scienza particolare perché studia gli oggetti di suo interesse quasi esclusivamente osservandoli: raccogliendo, cioè, radiazione elettromagnetica.
La radiazione elettromagnetica, porta con se la firma dei fenomeni che l'hanno creata e modificata lungo il suo percorso.Osservando la radiazione elettromagnetica di un corpo celeste gli astronomi ricavano informazioni utilissime sui processi che l'hanno prodotta e modificata. Questo discorso vale a qualsiasi lunghezza d'onda. Esistono, infatti, diverse "astronomie"; ognuno si occupa di una banda diversa dello spettro elettromagnetico: c'è la Radio-astronomia, ma anche l'astronomia Infrarossa, quella Visibile, quella ai raggi X, raggi Gamma e l'astronomia che studia gli UltraVioletti.
Nell'ultravioletto cadono alcune righe (le firme) importanti dell'atomo di idrogeno e di ossigeno.Fermiamoci qui per quanto riguarda le questioni fisiche e passiamo alla parte astronomica...
Europa
Europa è uno dei quattro satelliti medicei di Giove, scoperti da Galileo Galilei agli inizi del '600. Poco più piccola della Luna, dista dal suo pianeta circa il doppio della distanza Terra-Luna e risente in modo rilevante delle forze mareali del gigante del Sistema Solare, tanto che ne determina l'attività geologica. Impiega circa tre giorni e mezzo a compiere una rivoluzione attorno al suo pianeta lungo un'orbita quasi-circolare. |
| Immagine di Europa vista dalla Sonda Galileo nel 1997 Crediti: NASA JPL |
Guardando l'immagine di Europa si nota che la superficie è solcata da lunghe strutture lineari (dette "lineae") di colore marrone scuro, che si estendono per chilometri. Si sarebbero formate da eruzioni di acqua: dei geyser generati dalle forze mareali di Giove che causano la frattura della crosta ghiacciata e spingono l'acqua dell'oceano sottostante verso l'esterno.
Wow, fico! Ma come hanno fatto gli astronomi a capire e/o a vedere tutto ciò?
Le osservazioni più recenti
Tra il 1999 e la fine del 2012 il Telescopio Spaziale Hubble osservò per tre volte Europa nella banda Ultravioletta in corrispondenza righe che indicano la presenza di idrogeno e ossigeno, i componenti dell'acqua, nell'atmosfera per identificare la presenza di geyser.Come hanno fatto ?
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| Immagine 1 - Crediti: Roth, L. et al. 2014, Sci, 343, 171 |
Complicato? Un pochino ma il concetto importante da capire adesso è che una parte di questa radiazione (in particolare ci occupiamo di quella ultravioletta) che viene riflessa, diffusa o prodotta dalla dis-eccitazione degli atomi, viaggia verso la Terra e può essere osservata con strumenti montati su telescopi sensibili alla banda ultravioletta se su Europa se ne trova una quantità rilevante.
Hubble ha uno strumento adatto a questo: si chiama STiS ed è uno spettrografo (uno strumento che permette anche di ricavare immagini entro intervalli precisi di lunghezze d'onda) che osserva anche nell'Ultravioletto.
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Immagine 2 - Crediti:
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E dove sarebbero questi geyser?
Sono quelle macchie bianche vicine al polo sud di Europa, presenti solo nella colonna di destra. Per facilitarne l'identificazione, ho ritagliato uno dei quadrati e l'ho riportato qui a fianco per far notare la presenza di quell'area chiara esterna al contorno del satellite (indicato con un cerchio bianco). Ecco questo è un geyser di Europa: una struttura che si espande sopra la superficie, che non si osserva in modo costante nel tempo, di dimensioni rilevanti rispetto alle dimensioni del satellite (circa 1500 km di raggio) e che è stata osservata nelle bande corrispondenti all'ossigeno e all'idrogeno.
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| La "piuma" è quello sbuffo che si nota in prossimità dell'equatore sul lato sinistro delle immagini.
Crediti:
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Il punto principale del loro approccio è quello di "fotografare" Europa quando transita di fronte a Giove (rispetto alla visuale di HST).
Il concetto astrofisico che sta dietro il metodo di Sparks e colleghi è quello delle occultazioni: nel quale si usa una sorgente di radiazione elettromagnetica (Ultravioletta nello specifico) che viene "oscurata" dall'oggetto in esame per studiare le proprietà di quest'ultimo, soprattutto quelle riguardanti l'atmosfera sui bordi. La configurazione è la seguente:
Sorgente (UV) -> Oggetto (Europa) -> Osservatore (Terra/HST).
Giove è la "sorgente" che riflette i raggi Ultravioletti del Sole, quando Europa si trova lunga la linea che congiunge il suo pianeta con la Terra, i raggi UV ne attraversano l'atmosfera portando a noi informazioni su di essa.
Osservando Europa durante diversi transiti su Giove, gli astronomi hanno notato la presenza di alcuni fenomeni transitori ricollegabili a "geyser" alti diverse centinaia di metri sulla sua superficie. La presenza delle "piume" nell'atmosfera di Europa è associata alle lineae di colore marrone sulla superficie, infatti gli autori dell'ultimo articolo posizionano il "geyser" osservato nella stessa regione di Europa dove le osservazione della sonda Galileo avevano mostrato anomalie termiche.
Per ora è tutto, anzi, credo che sia troppo. Se siete interessati ai dettagli (metodi, significatività, modellizzazione) trovate qui sotto i link agli articoli scientifici di cui ho parlato in questo post.
Note
- Per maggiori info: WikiEn - Sun Tanning (in Italiano è poco esaustivo)
- Il discorso sulle righe spettrali (la firma degli atomi) generate dall'interazione tra radiazione e materia è molto complesso e richiede conoscenze di fisica atomica che esulano dal compito di questo post.
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