Rosso Idrogeno

Altro che Profondo Rosso, altro che Rosso Relativo, altro che Rosso Valentino. L’unico rosso per cui gli astrofisici vanno pazzi è il Rosso Idrogeno.
No, non sono andato fuori di testa a causa della tesi di dottorato (o almeno, non ancora…), sto parlando di un fenomeno fisico molto interessante e che spero di potervi fare apprezzare, se riesco. Vado a spiegarmi. Date un’occhiata a questa magnifica galassia catalogata come NGC 2403:

Le parti centrali sono rosse, oh sì, sono rosse idrogeno, come piace agli astrofisici. Prima di far prendere al post una piega feticista, procediamo con ordine.

L’idrogeno è l’elemento più abbondante dell’universo. Vuol dire che dove ti giri ti giri trovi un atomo di idrogeno e quando fa davvero freddo trovi due atomi di idrogeno abbracciati, cioè una molecola di idrogeno. Mentre dove magari fa più caldino trovi solo il nucleo dell’atomo di idrogeno, cioè un protone, senza l’elettrone causal che tanto va di moda tra gli atomi neutri. Insomma, è vero che la temperatura gioca un ruolo importante nello spazio interstellare, ma comunque dobbiamo fare i conti con l’idrogeno in qualche modo.
Ora, l’idrogeno non è tipo da farsi notare mettendo le bandierine come a Risiko!® ma ha quella simpatica attitudine, tipica dei gas, di farsi vedere tramite la radiazione che emette: benedetta luce, direbbero in ambienti ecclesiastici.
Prendete ad esempio l’idrogeno neutro, quello con la famiglia al completo, con l’elettrone che ronza nei pressi del protone. Ecco, può capitare che elettrone e protone siano entrambi con lo stesso spin (una cosa quantistica che non ci interessa al momento, non vi preoccupate poi ne riparleremo un giorno); tuttavia, come per le figlie dei mercanti nella canzone Mercanti e Servi dei Nomadi, la noia è in agguato ed ecco che magari ad un certo punto elettrone e protone nell’atomo di idrogeno neutro si ritrovano ad avere spin completamente opposti e in quel momento un fotone con lunghezza d’onda pari a circa 21 centimetri (praticamente un’onda radio) viene emesso. La cosa da sapere qui è che la possibilità che avvenga questo cambio di spin è davvero, ma davvero molto piccola (si può calcolare precisamente con la meccanica quantistica, sempre lei). Eppure ci sono davvero, ma davvero tanti atomi di idrogeno che la radiazione a 21 centimentri la vediamo “davvero”. E ne vediamo pure tanta. Questo giusto per dire che l’idrogeno nell’universo è sempre lì, dove ti giri ti giri.
Sì, ma il Rosso Idrogeno? Non è un marchio registrato (per ora). E non viene fuori dall’idrogeno neutro. Il rosso spunta dall’idrogeno ionizzato, cioè quello a cui hanno strappato il fedele elettrone come in un film strappalacrime. Se voi foste degli indomabili geni del male che progettano di strappare elettroni da indifesi atomi di idrogeno, la domanda da fare a questo punto sarebbe: è difficile strappare via l’elettrone dall’atomo di idrogeno neutro? No, se avete a disposizione circa 10mila gradi di temperatura. Infatti a quel punto l’elettrone perde il guinzaglio e se ne va.

Come mai 10mila gradi? Eh, è (ancora una volta) una cosa di meccanica quantistica. Praticamente ogni elettrone, in ogni atomo, ha una sorta di energia personale che è necessaria per liberarlo dalle grinfie del nucleo atomico. Se un fotone, per esempio, con esattamente quel valore di energia (o anche con un’energia superiore) va a beccare l’atomo, ecco che l’elettrone si libera e vola via. Se l’energia è più bassa, l’elettrone potrebbe eccitarsi un attimo, annusare un po’ di libertà, ma in realtà sarebbe ancora legato all’atomo anche se meno di prima che il fotone colpisse.

Ora prendete (in maniera figurata ovviamente) il Sole, per esempio. Esso ha una temperatura superficiale di circa 5500 gradi. Caldo eh, per carità, ma non caldissimo per gli standard di prima classe delle stelle. Infatti ci sono stelle che arrivano anche a 10mila gradi e stelle ancora più calde. Per esempio stelle a 10mila gradi emettono un sacco di fotoni con lunghezza d’onda nell’ultravioletto.
Si dà il caso che fotoni ultravioletti facciano proprio al caso vostro di diabolici geni del male che volete liberare l’elettrone dalle grinfie del nucleo di idrogeno neutro. Quindi, dove ci sono stelle di almeno 10mila gradi, inevitabilmente là attorno troveremo dell’idrogeno ionizzato, cioè privo di elettrone.

Ma la vita non è tutta ultravioletti e fiori. Se da una parte l’idrogeno viene ionizzato, dall’altra ci sarà anche dell’idrogeno già ionizzato che sta lì senza fare niente e magari, nella noia più totale, ecco che riacchiappia un elettrone: kaboom! Che succede quando un atomo ionizzato riacquista un elettrone? Viene emesso un fotone, lo dice la meccanica quantistica. Pensateci, ha senso. Per liberare un elettrone ci vuole una certa energia che viene fornita, per esempio, da un fotone che colpisce l’atomo. Per liberare un fotone invece ci vuole un elettrone che si incontra di nuovo con un nucleo atomico. Giochetti tra vecchi amici.

Ma torniamo all’idrogeno ionizzato. Abbiamo detto che per strappare l’elettrone abbiamo bisogno di un fotone ultravioletto che bombarda l’atomo. Viene più che naturale pensare che quando un elettrone viene catturato allora ecco che stavolta sarà l’atomo ad emettere un fotone ultravioletto. Ehm, no, non è così.

Non è così perché quando il fotone ultravioletto bombarda, boom, l’elettrone si ritrova improvvisamente da fortemente legato al nucleo allo stare senza manette e va via. Quando invece poi l’elettrone torna all’ovile, non è detto che si leghi subito fortemente al nucleo. Piuttosto, l’elettrone pian piano acquista energia di legame con il nucleo di idrogeno (che, ricordo, è un singolo protone). Insomma, il riavvicinamento avviene gradualmente. Quindi capirete che è normale che in questa fase, l’atomo, invece di emettere un singolo super fotone ultravioletto ultra energetico, alla fine emetta una serie di fotoni meno energetici. L’energia di un fotone dipende dalla sua lunghezza d’onda: più essa è piccola, più energia avrà il fotone.

Ed eccoci arrivati: vengono emessi dei fotoni rossi, poco energetici. Beh, si certo, mangari non solo rossi, anche verdi, per esempio. Ma prevalentemente rossi.

E quindi ecco il bellissimo Rosso Idrogeno.

Un esempio iper-mega famoso di queste regioni di idrogeno ionizzato è la celeberrima Nebulosa di Orione, visibile molto bene già con un binocolo di inverno alle nostre latitudini. Metto una foto perché è davvero molto bella:

Ecco, voglio dire, la foto è bella già di suo. Incute quasi rispetto, ma anche meraviglia per la bellezza che c’è in giro nell’universo. Ma ora, ora che sapete anche cos’è che accade da quelle parti, con tutto quell’idrogeno che perde e acquista elettroni, non è tutto ancora più emozionante?
Semplicemente incredbile cosa riusciamo a capire grazie alla scienza.

LETTURE CONSIGLIATE: Se masticate l’inglese potete leggere questo, le regioni di idrogeno ionizzato sono chiamate HII (si legge “H secondo”).

  • Quindi , se ho ben capito, le zone dell'universo che ci appaiono rosse significa che ci sn stelle ad alta temperatura?

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