Φάσματα – χρώματα – νεφελώματα

Βρισκόμαστε στα πρόθυρα των πανελληνίων και το υλικό έχει πάρει φωτιά με σπουδαία διαγωνίσματα που μπορούν να οφελήσουν τα μέγιστα τους μαθητές. Για ένα απαραίτητο διάλειμμα – ξεκούραση προτείνω ένα χαλαρό θεματάκι ενδιαφέρον γιά όλους και εκ των ουκ άνευ για αστροπαρατήρηση και αστροφωτογράφιση.

Η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία σε όλα τα μήκη κύματος που εκπέμπουν τα ουράνια αντικείμενα είναι η μοναδική πηγή πληροφοριών που έχουμε απο αυτά. Πρόσφατα προστέθηκε μία ακόμα πηγή που έχει να κάνει με τα βαρυτικά κύματα τα οποία όμως είναι απείρως ασθενέστερα των Η/Μ και μόνο απο πολύ βίαια γεγονότα (πχ συγχώνευση μελανών οπών) μπορούμε να ανιχνεύσουμε τις απειροελάχιστες πτυχώσεις του χωρόχρονου.

Στο άτομο του υδρογόνου το ηλεκτρόνιο ευρησκόμενο στη θεμελιώδη στιβάδα n = 1 ενδεχόμενα να απορροφήσει κατάλληλη ενέργεια απο προσπίπτουσα ακτινοβολία και να διεγερθεί σε ανώτερη στιβάδα ή να ιονιστεί. Στη διηγερμένη ή ιονισμένη μορφή το υδρογόνο μένει ελάχιστα(10^-8 s) και αποδιεγείρεται με ένα και περισσότερα άλματα ή επαναπροσλαμβάνει το ηλεκτρόνιο. Αν Ε_Δ η ενέργεια της διηγερμένης κατάστασης και Ε_Τ της τελικής τότε το άτομο εκπέμπει ένα φωτόνιο συχνότητας f ώστε Ε_Δ – Ε_Τ = hf .

Το δακτυλικό αποτύπωμα των χημικών στοιχείων που βρίσκονται στα ουράνια αντικείμενα είναι το φάσμα τους. Τα θερμά αέρια χημικά στοιχεία εκπέμπουν σε ένα ή περισότερα συγκεκριμένα μήκη κύματος  και μία ή περισσότερες φωτεινές γραμμές – χρώματα αποτυπώνονται στο φάσμα τους(γραμμικό φάσμα εκπομπής) σε μαύρο φόντο. π.χ το αέριο Na εμφανίζει δύο κίτρινες γραμμές πολύ κοντά στα 589,6  και 589 nm.  Το φάσμα της φωτόσφαιρας όλων των αστέρων είναι συνεχές, όταν όμως το φως περνά απο την αραιή διαφανή ατμόσφαιρα τα θερμά αέρια χημικά στοιχεία απορροφούν τα ίδια μήκη κύματος που εκπέμπουν οπότε προκύπτει ένα συνεχές φάσμα που διακόπτεται απο σκοτεινές γραμμές(γραμμικό φάσμα απορρόφησης). Στην εικόνα κάτω βλέπουμε τις γραμμές εκπομπής και απορρόφησης του υδρογόνου στο ορατό (σειρά Balmer με τελική στιβάδα τη n = 2). Η συντριπτική πλειοψηφία των φασμάτων απο ουράνια αντικείμενα είναι φάσματα απορρόφησης.

Oι πυκνές περιοχές (πάντως πιό αραιές από το καλύτερο τεχνητό κενό που μπορούμε να πετύχουμε στα γήινα εργαστήρια) της μεσοαστρικής ήλης αποτελούνται απο ψυχρά μοριακά νέφη περιεκτικότητας: 93 % μοριακό υδρογόνο, 6 % He καθώς και ατομικό υδρογόνο , σκόνη , αλλά και σύνθετες οργανικές ενώσεις. Τα μοριακά νέφη εκτείνονται απο λίγα  έτη φωτός έως χιλιάδες έτη φωτός. Το μοριακό υδρογόνο δεν ανιχνεύεται και η ύπαρξή του διαπιστώνεται απο την ανίχνευση του CO ή με ταυτοποίηση απο ραδιοτηλεσκόπια της γραμμής μικρής ενέργειας του ατομικού υδρογόνου στα 21 cm.

A)Αύξηση της πυκνότητας σε μία περιοχή ενός μοριακού νέφους προκαλεί βαρυτική κατάρρευση αυτής της περιοχής και σχηματισμό άστρων. Τα ογκώδη και υπέρθερμα νεαρά αστέρια εκπέμπουν ισχυρά στο υπεριώδες μεγάλης συχνότητας(κοντά στις ακτίνες Χ). Η μεγάλης συχνότητας υπεριώδης είναι ιονίζουσα ακτινοβολία και ιονίζει το υδρογόνο Η ή ΗΙ σε Η⁺ ή ΗΙΙ καθώς και άλλα χημικά στοιχεία( HeI σε HeII, NI σε NII ή NIII , OΙ σε ΟΙΙΙ). Η επαναπρόσληψη του ηλεκτρονίου συνοδεύεται απο εκπομπή ακτινοβολίας σε διάφορα μήκη κύματος – χρώματα. Τα νεφελώματα αυτά είναι γνωστά σαν νεφελώματα εκπομπής ή περιοχές ΗΙΙ ή περιοχές αστρογέννεσης. Κυρίαρχο χρώμα στα νεφελώματα εκπομπής είναι το κόκκινο της γραμμής Η_α του υδρογόνου στα 656,3 nm. Ακολουθούν το πράσινο του ΟΙΙΙ στα 500,7 nm και το πρασινογάλαζο του ΟΙΙΙ στα 495,9 nm.  Ισχυρή υπεριώδης ακτινοβολία μπορεί να προκαλέσει ιονισμό βαρύτερων στοιχείων όπως Ν και S που μαζί με την αποδιέγερση του ΟΙΙΙ είναι απαγορευμένες μεταπτώσεις σε γήινα εργαστήρια.

Στη φωτογραφία πάνω η κεντρική περιοχή του περίφημου μεγάλου νεφελώματος του Ωρίωνα. Το νεφέλωμα είναι το πιό κοντινό και πιό καλά μελετημένο μαιευτήριο άστρων του γαλαξία μας. Στην περιοχή βρίσκεται ένα σμήνος νεαρών ζεστών αστεριών που δημιουργήθηκαν μέσα στο νεφέλωμα και το ιονίζουν. Τα πιό λαμπρά αστέρια σχηματίζουν ένα τραπέζιο γι’ αυτό είναι γνωστό σαν “σμήνος τραπέζιο”. Το κυρίως υπεύθυνο για τον ιονισμό του νεφελώματος αστέρι είναι το πιο λαμπρό που φαίνεται στην εικόνα ο θ₁ Orionis C με επιφανειακή θερμοκρασία 40.000 Κ και ισχύ 200.000 φορές μεγαλύτερη απο τον ήλιο μας.

Β) Το φως απο ογκώδη φωτεινά αστέρια καθώς προσπίπτει στη σκόνη μοριακών νεφών και υφίσταται ελαστική σκέδαση Rayleigh διασκορπίζοντας κυρίως μπλέ χρώμα καθότι η σκέδαση Rayleigh είναι πολύ  πιο έντονη στα μικρά μήκη κύματος(μπλέ). Τα νεφελώματα που προκύπτουν ονομάζονται νεφελώματα ανάκλασης.

Η φωτογραφία πάνω είναι απο το μεγαλύτερο οπτικό τηλεσκόπιο στον κόσμο στα Κανάρια νησιά(διάμετρος πρωτεύοντος κατόπτρου 10 m). Είναι το λατρεμένο μου νεφέλωμα ανάκλασης Ring nebula. Στο κέντρο το κλασικό μπλέ χρώμα των νεφελωμάτων ανάκλασης και περιφερειακά μία μίξη των δύο χρωμάτων του υδρογόνου κόκκινο στα 656,3 nm και πρασινομπλέ στα 486 nm , η μήξη είναι γνωστή στην αστροφωτογράφηση ως RGB.

Γ) Τέλος σε περιοχές που τα μοριακά νέφη είναι πολύ πυκνά και εμποδίζουν το φως των άστρων να περάσει, σχηματίζονται σκοτεινά νεφελώματα με κύριο εκπρόσωπο το “νεφέλωμα αλογοκεφαλής” στον Ωρίωνα.

ΟΜΩΣ αυτή την πανδεσία χρωμάτων στα νεφελώματα τη βλέπουμε με τα τηλεσκόπια; Η απάντηση είναι ότι αν κάποιος πάρει τηλεσκόπιο για να δει αυτές τις εικόνες θα απογοητευτεί οικτρά. Πέρα απο το γεγονός ότι τα αντικείμενα αυτά είναι αρκούντως αμυδρά και μικρής διαμέτρου(2΄ 30΄΄ το Ring nebula) , το μάτι μας δεν αντιλαμβάνεται το βασικότερο χρώμα το κόκκινο τη νύχτα. Έτσι ή θα βλέπουμε μαύρη μαυρίλα ή όπου υπάρχει μπλέ και πράσινο. Όλες οι φωτογραφίες που βλέπουμε είναι επεξεργασμένες και την ίδια περιοχή του ουρανού μπορούμε να τη δούμε σε διαφορετικές εκδοχές ανάλογα με τα φίλτρα που χρησιμοποιεί κάποιος.

Η κεντρική εικόνα του άρθρου είναι “οι πυλώνες της δημιουργίας” . Πρόκειται για μία περιοχή με τεράστια μοριακά νέφη(έως 4 ε.φ). Η φωτογραφία αποτελείται από 32 διαφορετικές εικόνες οι οποίες έχουν τραβηχτεί από τέσσερις διαφορετικές κάμερες του Χαμπλ. Το γεγονός ότι στην πάνω δεξιά γωνία της φωτογραφίας λείπει ένα μέρος, οφείλεται στο διαφορετικό τύπο της κάμερας η οποία είναι υπεύθυνη για την περιοχή εκείνη. Συγκεκριμένα, η κάμερα αυτή παρατηρεί μια μεγεθυμένη εκδοχή της συγκεκριμένης περιοχής, επομένως για την τελική εικόνα χρειάστηκε να γίνει σμίκρυνση των φωτογραφιών, με αποτέλεσμα να μην καλύπτουν πλήρως το άνω δεξιό κομμάτι.