Come studiare una superficie planetaria

“La superficie dell’asteroide è ricca di silicati”, “sulla cometa sono presenti molecole organiche”: quando si osserva la superficie di un oggetto del Sistema Solare, come possiamo capire quali sono i minerali che la compongono? La risposta risiede nella natura della luce e della sua interazione con i minerali che compongono la superficie: in quest’articolo si parlerà di una delle tecniche più utilizzate per determinarla, la spettroscopia a riflettanza.

In generale, con il termine di spettroscopia si intende lo studio della luce al variare della frequenza. Si tratta di uno strumento ampiamente utilizzato nell’ambito delle scienze planetarie, in quanto permette di studiare da remoto le superfici e le atmosfere dei corpi celesti, come asteroidi, pianeti, comete (ma anche stelle o nebulose).

La Spettroscopia

Facciamo un attimo un passo indietro. Pensiamo al classico esempio della scomposizione della luce tramite un prisma. La luce proveniente da un corpo come il Sole è costituita da onde elettromagnetiche a tutte le frequenze, con un’intensità diversa a seconda della frequenza. Il nostro Sole ha un massimo di intensità (ossia emette di più) nelle frequenze cui i nostri occhi si sono adattati a vedere, e che vengono perciò dette frequenze visibili, che vanno dal rosso al violetto. Se si va a frequenze maggiori del visibile (oltre il viola), si trovano altri intervalli di frequenze chiamati ultravioletto, raggi X, raggi gamma. Se andiamo invece a frequenze più basse (prima del rosso), troviamo l’infrarosso e le onde radio.

Non tutte le frequenze provenienti dal Sole arrivano però fino a noi: una porzione di esse infatti viene assorbita dalle particelle atmosferiche, prendendo parte a processi fotochimici: un esempio classico è quello degli ultravioletti che vengono in gran parte assorbiti dalle molecole di ozono della troposfera scindendolo in molecole di ossigeno. Se andiamo a misurare l’intensità della luce che arriva a Terra al variare della frequenza (una cosa che viene chiamata spettro), vedremo quindi che in corrispondenza degli ultravioletti ci sarà una zona, chiamata banda, in cui l’intensità della luce risulta ridotta. In realtà le bande sono più di una, e sono caratteristiche del processo che avviene (ad esempio se la molecola assorbendo la luce viene fatta vibrare, o ruotare) e della molecola che assorbe la luce. Di conseguenza, se osserviamo la luce solare attraverso l’atmosfera possiamo dire che nell’atmosfera è presente l’ozono se osserviamo quella specifica banda nell’ultravioletto. In maniera simile, esistono alcuni processi che aumentano l’intensità misurata a Terra, dovuti all’emissione di radiazione elettromagnetica da parte delle molecole atmosferiche. Studiando questi processi di emissione insieme a quelli di assorbimento sopra descritti, possiamo conoscere la composizione dell’atmosfera in maniera piuttosto precisa.

La riflessione della luce

Ma torniamo ora alla domanda iniziale. Quando la luce colpisce i corpi solidi che costituiscono il terreno invece che le particelle atmosferiche, cosa succede? Consideriamo per semplicità il caso di un asteroide o di un pianeta senza atmosfera (se ci fosse, si avrebbe infatti l’effetto combinato dei processi atmosferici e di quelli superficiali, il che complica la trattazione). Quando la luce solare arriva sulla superficie di tale corpo, può venire riflessa dalla superficie delle particelle che lo compongono, oppure può passarvi attraverso (rifratta) per poi essere riflessa o assorbita. Uno spettro di riflettanza è la porzione di luce solare che viene riflessa dalla superficie per ogni frequenza. Siccome, come abbiamo detto, una parte di tale radiazione viene assorbita dalle particelle, anche in questo caso come in quello atmosferico, lo spettro elettromagnetico presenterà delle bande a determinate frequenze specifiche di ogni minerale che compone la superficie.

Nel microscopico

Andiamo un attimo nel microscopico per capire cosa succede: ogni atomo è caratterizzato da un nucleo di protoni e neutroni attorno al quale orbitano degli elettroni in orbitali (per semplicità non entriamo nella trattazione quantistica, in quanto non occorre per comprendere ciò che serve ai nostri scopi). Se si fornisce sufficiente energia a questi elettroni, questi possono eccitarsi ed andare in orbitali più esterni (e più energetici), oppure separarsi del tutto dall’atomo di cui facevano parte (un processo detto ionizzazione). Questa energia può essere fornita dalla radiazione solare incidente che viene così assorbita dagli elettroni per eseguire questo “salto energetico” e che risulta quindi in una banda nello spettro di riflettanza (ossia, una porzione della radiazione che viene riflessa dalla superficie viene assorbita in questo modo). Questo processo è particolarmente facile per alcuni atomi, come il Ferro o il Cromo, che sono molto frequenti nei minerali che compongono gli oggetti planetari.

I minerali

Se un atomo fosse isolato, la banda associata all’assorbimento da parte del suo elettrone più esterno sarebbe in punto preciso dello spettro elettromagnetico, e ogni banda di assorbimento determinerebbe precisamente la presenza di quell’atomo. Le cose però come al solito sono un po’ più complicate. Questi atomi non sono infatti isolati, ma si trovano all’interno dei reticoli cristallini che compongono i minerali, e la vicinanza con altri atomi e molecole fa sì che la forma degli orbitali degli elettroni ne risulti deformata. Questa deformazione risulta in una variazione dell’energia necessaria ad eccitare l’elettrone legato all’atomo e quindi ad una variazione della frequenza della radiazione che viene assorbita. Anche in questo caso, ogni banda risulta specifica di un singolo processo in atto in uno specifico minerale, e quindi comprendendo a quale minerale appartiene quale banda, possiamo dedurre la composizione mineralogica della superficie.

Generalmente, la cosa più semplice che si può fare, è quella di costruire degli spettri sintetici. Ossia, studiando in laboratorio gli spettri delle varie componenti mineralogiche, si può provare a mescolarli per andare a ricostruire lo spettro che osserviamo guardando l’oggetto. Nel momento in cui questi sono uguali, possiamo ritenere di aver trovato la composizione di quell’oggetto.