Infrarossi

Vedere l’Universo freddo e nascosto

L’Universo non brilla solo di luce visibile. Gran parte della sua storia è scritta nell’infrarosso: una radiazione che nasce da oggetti troppo freddi, troppo lontani o troppo nascosti per essere osservati con i telescopi ottici.

L’infrarosso ci permette di:

  • osservare regioni schermate dalla polvere

  • studiare la nascita delle stelle e dei pianeti

  • seguire l’evoluzione delle galassie

  • tracciare l’energia termica del cosmo

Se il visibile racconta ciò che splende, l’infrarosso racconta ciò che vive e cresce nell’ombra.

Crediti: NASA, ESA, CSA, STScI

Cos’è l’emissione infrarossa

La radiazione infrarossa è luce elettromagnetica con lunghezze d’onda maggiori del visibile, tipicamente tra ~0,7 μm e qualche centinaio di μm. È la radiazione associata al calore. Dal punto di vista fisico, l’infrarosso nasce soprattutto da: emissione termica di corpi con temperatura compresa tra poche decine e qualche migliaio di kelvin vibrazioni e rotazioni molecolari polveri cosmiche riscaldate dalla radiazione stellare Non servono processi energetici estremi: basta la temperatura. Ogni oggetto con temperatura superiore allo zero assoluto emette radiazione infrarossa. Anche noi esseri umani lo facciamo. Con una temperatura corporea media di circa 310 K, il nostro corpo emette infrarosso in modo continuo, con un picco attorno ai 10 micrometri. È esattamente per questo che le termocamere riescono a “vederci” anche al buio: non riflettiamo luce, la emettiamo. Questo rende l’infrarosso uno strumento universale in astrofisica: pianeti stelle giovani nubi molecolari polvere interstellare galassie lontane tutti lasciano una firma infrarossa, semplicemente perché esistono e hanno una temperatura. ➡️ Se il visibile racconta ciò che brilla, l’infrarosso racconta ciò che è caldo abbastanza da esistere.


Polvere cosmica: l’ostacolo che diventa rivelatore

Nello studio dell'Universo, la polvere interstellare è stata a lungo considerata il "nemico" degli astronomi. Composta da minuscoli granelli di silicati e carbonio (simili a fumo di sigaretta), nel visibile essa agisce come una fitta nebbia: assorbe e diffonde la luce delle stelle, nascondendo intere regioni della Via Lattea e rendendo il centro della nostra Galassia un luogo oscuro e impenetrabile. Nell’infrarosso, la fisica cambia e la situazione si ribalta completamente. Il meccanismo: da filtro a sorgente La polvere non è solo uno schermo passivo, ma un attivo trasformatore di energia: Assorbimento: I granelli catturano la radiazione ultravioletta e visibile emessa dalle stelle calde vicine. Riscaldamento: Questa energia termica aumenta la temperatura della polvere (spesso solo di poche decine di gradi sopra lo zero assoluto). Riemissione: Per le leggi della termodinamica, la polvere "brilla" riemettendo quell'energia sotto forma di radiazione infrarossa. Cosa riusciamo a vedere oggi? Grazie a questa "trasmutaizone" della luce, l'infrarosso ci permette di "squarciare il velo" e osservare fenomeni altrimenti invisibili: Culle Stellari (Nursery): Possiamo guardare dentro le nebulose dove nascono le stelle, vedendo i protostelle ancora avvolte nei loro bozzoli di gas. Dischi Protoplanetari: Riusciamo a individuare i dischi di detriti attorno a stelle giovani, dove si stanno formando i futuri pianeti. Il Cuore delle Galassie: Possiamo mappare i nuclei galattici attivi e i buchi neri supermassicci, la cui luce è schermata da colossali tori di polvere. L'Universo Primordiale: Le galassie "starburst" lontanissime, che producono migliaia di stelle all'anno, sono spesso così polverose da essere invisibili ai telescopi ottici, ma brillano come fari nei sensori infrarossi (come quelli del James Webb Space Telescope). In sintesi: Ciò che nel visibile è un muro d'ombra, nell'infrarosso diventa una mappa luminosa che ci svela i segreti più nascosti del cosmo.


Nascita delle stelle e dei pianeti: guardare dentro l'utero cosmico

Le stelle non appaiono dal nulla; si formano all'interno di nubi molecolari immense, fredde e dense. Per la luce visibile, queste nubi sono muri neri e impenetrabili. È qui che l'astronomia infrarossa diventa indispensabile: essa agisce come un'ecografia spaziale, permettendoci di vedere oltre la "pelle" della nube. Le fasi della genesi stellare nell'infrarosso Grazie alla capacità dell'infrarosso di penetrare la polvere, possiamo seguire l'intero "film" della creazione: Il Collasso: Individuiamo i nuclei densi di gas che iniziano a comprimersi sotto la propria gravità. La Protostella: Vediamo il primo bagliore di calore emesso da una stella che sta nascendo, ancora avvolta in un bozzolo di polvere che la rende invisibile ai telescopi ottici. Il Disco Protoplanetario: Attorno alla giovane stella appare un disco rotante di materia. È qui che si stanno aggregando i futuri pianeti. L'infrarosso è l'unico modo per rilevare il debole calore emesso da questi granelli di polvere riscaldati. Getti e Accrescimento: Osserviamo spettacolari getti di gas espulsi dai poli della stella, che segnalano che il processo di accrescimento è al culmine. L'archeologia chimica dei mondi L'infrarosso non ci dice solo dove nascono le stelle, ma anche di cosa sono fatti i futuri pianeti. Analizzando lo spettro della luce infrarossa, gli astronomi possono identificare le impronte digitali di molecole essenziali per la vita: Acqua e Ghiaccio: Possiamo mappare la "linea del gelo" nei dischi protoplanetari. Molecole Organiche: Rileviamo monossido di carbonio (CO), silicati e composti complessi del carbonio. Pianeti Giovani: Un pianeta appena formato è ancora caldissimo a causa della sua violenta contrazione. Mentre nel visibile è oscurato dalla luce della sua stella, nell'infrarosso brilla intensamente, permettendoci di scovarlo. ➡️ Senza l’infrarosso, l’astrofisica stellare inizierebbe “a metà storia”: vedremmo solo stelle già formate, perdendo completamente la comprensione di come siamo nati noi e il nostro sistema solare.
Cercare di studiare la nascita di una stella con la luce visibile è come cercare di capire cosa succede dentro un edificio in fiamme guardando solo il fumo che esce dalle finestre. L'infrarosso è la termocamera dei vigili del fuoco che permette di vedere attraverso il fumo e individuare l'origine del fuoco


Galassie infrarosse e Universo lontano: il motore nascosto del Cosmo

Se guardassimo l’Universo solo attraverso la luce visibile, ignoreremmo quasi la metà dell’energia prodotta dalle galassie nel corso della storia cosmica. Gran parte di questa energia, infatti, subisce un processo di "riciclo" termico: viene emessa dalle stelle e dai buchi neri, assorbita dalla polvere e infine irradiata nuovamente come luce infrarossa. Le "centrali elettriche" dell'Universo: LIRGs e ULIRGs Esistono galassie chiamate LIRGs (Luminous Infrared Galaxies) e ULIRGs (Ultra-Luminous Infrared Galaxies) che sono vere e proprie fabbriche di stelle. Nell'infrarosso, queste galassie brillano migliaia di volte più della nostra Via Lattea. Cosa nascondono questi giganti? Starbust estremi: Una produzione frenetica di stelle, con tassi centinaia di volte superiori a quelli attuali, spesso innescata dalla collisione tra due galassie. Nuclei Galattici Attivi (AGN): Buchi neri supermassicci al centro delle galassie che "mangiano" materia. Questo processo genera una quantità immensa di energia che la polvere trasforma in calore infrarosso. Fusioni Cosmiche: L'infrarosso ci permette di vedere attraverso i detriti di scontri galattici, mostrandoci come le galassie si uniscono per formarne di più grandi. Una macchina del tempo verso l'Universo giovane Osservare l'infrarosso è l'unico modo per tracciare la Storia della Formazione Stellare Cosmica. Man mano che guardiamo più lontano nello spazio, la luce deve viaggiare per miliardi di anni per raggiungerci, mostrandoci l'Universo com'era quando era giovane. In questo viaggio nel tempo, l'infrarosso è essenziale per due motivi: L'Universo primordiale era molto più polveroso: Le prime generazioni di galassie erano avvolte in fumi densi che solo l'infrarosso può penetrare. Il Redshift (Spostamento verso il rosso): A causa dell'espansione dell'Universo, la luce emessa dalle galassie lontane viene "stirata". La luce che è partita come visibile miliardi di anni fa, arriva a noi oggi sotto forma di infrarosso. Senza telescopi IR, le galassie più antiche del cosmo sarebbero per noi letteralmente invisibili. Perché è importante? Studiare queste galassie permette di collegare due pezzi del puzzle: come la crescita dei buchi neri influenzi la crescita delle galassie stesse. È una danza cosmica di feedback energetico che ha dato forma alle strutture che vediamo oggi. ➡️ L’infrarosso è essenziale per capire come l’Universo è diventato quello che osserviamo oggi: è la chiave per decifrare l'epoca d'oro della formazione stellare, avvenuta circa 10 miliardi di anni fa.


James Webb Space Telescope: Il gigante da 10 miliardi di dollari che sta riscrivendo la storia

Per decenni, l’astronomia infrarossa è stata limitata dalle tecnologie terrestri e da telescopi spaziali precursori (come Spitzer) che, sebbene straordinari, avevano "occhi" ancora troppo piccoli per i segreti più profondi del cosmo. Poi è arrivato il James Webb Space Telescope (JWST).

Definito spesso come "l'azzardo tecnologico più costoso della storia dell'umanità", con un costo complessivo che ha sfiorato i 10 miliardi di dollari, il Webb non è solo un telescopio: è una macchina del tempo rivoluzionaria posizionata a 1,5 milioni di chilometri dalla Terra.

Perché è un punto di svolta?

Mentre i telescopi precedenti vedevano solo i contorni delle nubi di polvere, il JWST possiede uno specchio da 6,5 metri placcato in oro e sensori raffreddati quasi allo zero assoluto che gli permettono di:

  • Vedere le prime luci: È l'unico strumento in grado di catturare la debolissima luce infrarossa delle primissime galassie nate dopo il Big Bang.

  • Analizzare atmosfere aliene: Può "annusare" la composizione chimica delle atmosfere dei pianeti extrasolari, cercando vapore acqueo, metano o anidride carbonica.

  • Superare ogni barriera: La sua risoluzione nell'infrarosso è così alta da mostrarci dettagli all'interno dei pilastri di polvere che prima erano semplicemente macchie di calore indistinte.

Un investimento per l'ignoto

Il costo elevato e i lunghi anni di rinvii sono oggi ampiamente giustificati da ogni singola immagine che riceviamo. Il JWST sta confermando teorie, ma soprattutto sta sollevando nuove domande a cui non eravamo pronti.

➡️ Il James Webb è il ponte definitivo tra noi e l'Universo invisibile. Non è solo uno strumento costoso; è l'occhio con cui l'umanità ha finalmente deciso di guardare attraverso l'oscurità per scoprire le proprie origini.

Vuoi vedere le ultime scoperte del Webb? Clicca qui sotto per la galleria fotografica della NASA.