Perché le stelle scintillano ed i pianeti no?

In queste settimane noterete sicuramente una stella molto brillante sorgere in primissima serata e transitare molto alta verso la mezzanotte.
In realtà non si tratta di una stella qualsiasi, e ce ne possiamo accorgere con le nostre forze analizzando la sua luce poco dopo che è sorta.

Le stelle scintillano ed i pianeti no. Perché?

Tutte le stelle, quando sono basse sull'orizzonte, manifestano un effetto detto scintillazione: la loro luce sembra pulsare nel tempo e cambiare colore. Potete accorgevene osservando verso nord estm sempre nelle medesime ore, una stella giallo/arancio, la quale vi sembrerà quasi viva soprattutto nelle giornate ventose.

Come abbiamo avuto modo di dimostrare, questo effetto è da imputare alla turbolenza dell'atmosfera della Terra, al cui interno si sviluppano ingenti moti di masse d'aria eterogenee (diverse temperature e densità), con il risultato che quando osserviamo un oggetto presso l'orizzonte, esso appare come se fosse visto attraverso il calore proveniente da un termosifone caldo.

Tutto molto interessante (forse), se non per un piccolo dettaglio: la stella molto brillante che vi ho detto di osservare non mostra mai questo effetto di scintillazione e cambio di colore.
Perché?
Perché al contrario delle stelle che appaiono puntiformi a causa dell'immensa distanza alle quali si trovano, questo oggetto, pur sembrando un punto ad occhio nudo, ha invece un diametro apparente di tutto rispetto.
Non stiamo in effetti osservando una stella, ma un pianeta, in particolare Giove, il più grande del Sistema Solare. Volete la prova? Puntateci un binocolo o meglio un piccolo telescopio per apprezzarne il disco.

I pianeti, benché appaiono dei punti ad occhio nudo, possiedono un diametro apparente circa 1000 volte maggiore di quello sotteso dalle stelle più grandi e vicine che possiamo osservare.
Di conseguenza, se per disturbare la luce di una stella è sufficiente anche una leggerissima agitazione atmosferica, per disturbare quella dei pianeti, che si espande su un cono dal diametro diversi secondi d'arco, servono masse d'aria che alla distanza alle quali le osserviamo abbiano questo diametro.

Il discorso sembra un po' contorto, spero di spiegarlo meglio.
Ricapitoliamo il nostro obiettivo: capire in modo oggettivo, senza ricorrere a fantasiose teorie, perché la luce delle stelle stintilla e quella dei pianeti no.
La luce che proviene da una stella la possiamo immaginare come un cono infinitamente lungo e largo quanto il diametro apparente che la stella ci mostra, attorno ad 1/1000 di secondo d'arco.
La turbolenza atmosferica si sviluppa nella troposfera, quindi entro 12 km dalla superficie.
Supponiamo, per semplicità, che l'origine è a 10 km dalla superficie.
Per far scintillare la luce stellare, è necessario che le diverse masse o bolle d'aria, che si frappongono tra noi e la sua luce, abbiano un diametro paragonabile a quello del fascio luminoso della stella, ovvero circa 1/1000 di secondo d'arco.
Se le masse d'aria turbolente distano da noi circa 10 km, 1/1000 di secondo d'arco (lo stesso diametro apparente della stella) corrisponde ad una dimensione tipica di 5 micron (abbiamo applicato un po' di trigonometria). Questo significa che anche minuscole increspature o disomogeneità di questo diametro riescono a distrubare la luce della stella.

Per i pianeti il modo di procedere è lo stesso, ma cambiano le dimensioni.
Giove ha un diametro tipico di 40", quindi serviranno bolle atmosferiche di queste dimensioni per disturbare la sua luce, che altrimenti non produrrà l'effetto di scintillazione. Alla quota di 10 km, 40" corrispondono a circa 20 centimetri: solo celle atmosferiche di questo diametro, che possiedono temperature diverse e si susseguono in sequenza, possono produrre un cambiamento significativo della luce che osserviamo.

A questo punto, nei dati è scritto in modo chiaro perché la luce delle stelle scintilla e quella dei pianeti no (o molto raramente): bastano disuniformità su scala piccolissima per modificare la luce stellare, mentre per quella dei pianeti servono disomogeneità di circa 20 centimetri, estremamente rare.
 
L'atmosfera della Terra la possiamo infatti considerare come un largo fiume in scorrimento. Se osserviamo da vicino, noteremo le inevitabili increspature dell'acqua, che però si presentano su una scala millimetrica o inferiore. Se lo osserviamo abbastanza lontano da non riuscire ad osservare dettagli inferiori ai 20 centimetri, le piccole increspature sembrano scomparse e il fiume ci appare perfettamente piatto ed omogeneo.

Se sotto il pelo dell'acqua immergiamo un laser che produce una luce con un fascio strettissimo e la facciamo incidere su uno schermo fuori dall'acqua, noteremo un forte effetto di scintillazione, mentre se immergiamo un lampione opaco grande quanto una palla da calcio, sullo schermo non noteremo significativi cambiamenti di luce, proprio perché su questa scala l'effetto delle piccole increspature di fatto si annulla.

Non importa se nelle nostre osservazioni tutti gli oggetti stellari o planetari ci sembrano dei punti; quello che conta non è il potere risolutivo del nostro occhio, ma le proprietà degli oggetti, che restano le stesse anche se i nostri sensi non riescono a percepirle.

Ufo nel cielo? Forse solo stelle brillanti

Tra gli avvistamenti più frequenti di presunti ufo, si posiziona un effetto ottico che inganna molte persone non esperte: la scintillazione dell’atmosfera terrestre.

Quando una stella particolarmente brillante si trova prossima all’orizzonte, sembra pulsare, variando la sua luminosità in brevissimi intervalli di tempo e cambiando spesso colore.

Non si tratta chiaramente di un oggetto non identificato dotato di un’intelligenza propria e non è neanche un satellite artificiale, è semplicemente l’effetto dell’atmosfera terrestre sulla luce stellare.

Per capire questo strano e curioso meccanismo, che a volte è artefice di alcuni interessanti spettacoli (soprattutto quando coinvolge Sirio, la stella più brillante del cielo), dobbiamo capire come si comporta la nostra atmosfera e quali sono gli effetti che può causare.

Purtroppo, e lo dico davvero a malincuore, quando si assiste ad uno spettacolo del genere le persone, manipolate dal pensiero di molti mass-media, subito pensano a qualche evento biblico, come l’arrivo di navicelle aliene, la fine del mondo e chi più ne ha ne metta.

Per capire che non si tratta di nulla di ciò, basterebbe osservare per una mezz’oretta, fare qualche semplice ricerca, oppure porsi delle domande, invece di credere ciecamente agli scenari apocalittici che ogni giorno certi mezzi di comunicazione ci propongono con insistenza.

Facciamo insieme una prova del genere.

A novembre, in prima serata, verso l’orizzonte sud-est, possiamo ammirare un oggetto piuttosto particolare e strano: un punto piuttosto luminoso che pulsa ed è scomposto nei colori dell’iride. Questo punto sembra fermo e ci incuriosisce molto: cosa sarà?

Prima di trarre conclusioni affrettate, dobbiamo raccogliere più informazioni, altrimenti potrebbe essere anche una mosca cosparsa di benzina che sta prendendo fuoco in lontananza.

La prima cosa da fare è osservare e capire, ad esempio, se quel punto si muove; se si, in quale direzione e con quale velocità. 

Poi possiamo capire se il fenomeno di pulsazione e cambiamento dei colori si mantiene costante nel tempo, o dipende da qualche variabile (ad esempio la posizione nel cielo). 

Sarebbe anche utile capire se può trattarsi di un lampione difettoso o di qualcosa molto più distante. Per fare questo basta confrontare la sua posizione con riferimenti vicini del nostro orizzonte ed eventualmente spostarci di qualche metro per capire se l’oggetto cambia posizione (allora è vicino) oppure no (allora è lontano almeno qualche centinaio di km).

Se sappiamo già che in quella zona non può esserci un lampione, allora c’è l’ipotesi, forte, che questo oggetto si possa trovare molto lontano. 

Escludiamo che si tratti di una meteora lenta, un satellite o un aeroplano che ci viene incontro.

Per fare questo basta osservare per 4-5 minuti e capire se esso ha cambiato posizione. Se non è così, allora si tratta probabilmente di un oggetto addirittura fuori dalla nostra atmosfera. Per averne la conferma possiamo chiamare un amico distante almeno cento km e farci dire se lui lo vede e se si trova nella stessa identica posizione.

Egli vi confermerà il comportamento e la posizione che state osservando.

A questo punto è evidente che questo oggetto deve essere lontano almeno qualche milione di km, altrimenti si noterebbe uno spostamento tra le posizioni dei due osservatori.

Vista la luminosità, può essere solo un pianeta o una stella.

Bene, abbiamo escluso la natura terrestre, sebbene non abbiamo ancora dato spiegazione dello scintillio e dei colori visibili.

Per avere la conferma che si tratti di una stella o un pianeta, aspettiamo una mezz’ora per vedere cosa succede.

L’oggetto si è spostato, ora è più alto sull’orizzonte e scintilla un po’ meno. I colori, soprattutto, sembrano molto meno accesi di prima.

Se abbiamo avuto l’accortezza di confrontare la sua posizione con quella di qualche stella, possiamo notare come, benché si sia spostato, esso abbia mantenuto la stessa posizione rispetto alle stelle, le quali si sono spostate per effetto della rotazione terrestre. 

Bene, sicuramente questa è la pistola fumante: l’oggetto peculiare è una stella o un pianeta, perché segue il verso e l’intensità della rotazione della Terra.

A questo punto possiamo andare a consultare qualche mappa del cielo per capire se in quella posizione si può trovare un pianeta o una stella, e intanto essere sicuri che anche dopo una pausa di un’ora esso si troverà ancora nel cielo, sebbene in una posizione diversa e più alto sull’orizzonte.

Se lo osserviamo di nuovo dopo questo intervallo di tempo, notiamo che qualcosa è cambiato: le dimensioni sembrano più piccole, la pulsazione si è drasticamente ridotta e non sono più visibili quei giochi di colore di prima. 

A cosa era dovuto allora quell’effetto? Perché ora che è più alto non si comporta più come prima?

Non siamo in grado di dare una spiegazione ancora. Per il momento cerchiamo di identificare l’oggetto su una carta celeste, scoprendo che si tratta della stella Sirio. Rimandiamo al giorno dopo, alla stessa ora, la conclusione sul perché Sirio inizialmente scintillava.

La sera dopo, alla stessa ora, si ripresenta lo stesso fenomeno: quando Sirio è bassa e sta sorgendo mostra pulsazioni irregolari e i colori, che si attenuano mano a mano che sale sull’orizzonte.

Se facciamo un po’ di attenzione e ci aiutiamo con un binocolo o un piccolo telescopio, potremmo riconoscere questo comportamento in ogni stella che si trova bassa sull’orizzonte, mentre quelle alte non presentano questo fenomeno, almeno non su questa scala. 

Lo stesso copione si ripete sera dopo sera, tutte le sere in cui c’è sereno, sebbene con alcune variazioni. Quando il cielo è terso e spazzato da vento di tramontana l’effetto di scintillio è più marcato; viceversa, quando l’atmosfera è calma e c’è anche un po’ di foschia, è meno evidente.

Bene, a questo punto, quali sono le vostre conclusioni?

L’unica conclusione è che il fenomeno, che riguarda tutte le stelle, è causato dalla nostra atmosfera, dall’aria che noi stessi respiriamo.

In effetti l'atmosfera terrestre non è per niente calma. In essa si concentrano moti di masse d’aria, sia in orizzontale che in verticale.

Il moto di masse d’aria causa una distorsione delle immagini degli oggetti posti fuori dall’atmosfera terrestre, in particolare delle stelle.

L’effetto è lo stesso che si può osservare guardando un panorama posto poco sopra un termosifone caldo, oppure quando d’estate osserviamo lungo una strada rovente e notiamo le immagini in lontananza distorte.

Minore è l’altezza sull’orizzonte dell’oggetto, maggiore è lo strato atmosferico che la sua luce attraversa, maggiori saranno le distorsioni della luce. 

La scomposizione dei colori è da imputare a due effetti: da una parte l’entità della turbolenza dipende criticamente dalla lunghezza d’onda della luce, quindi la parte blu dello spettro viene disturbata in modo diverso dalla parte rossa. Dall’altra parte c’è da notare che la nostra atmosfera si comporta anche come un prisma, scomponendo le immagini di ogni oggetto basso sull’orizzonte. Anche in questo caso l’entità della dispersione è legata all’altezza dell’oggetto sull’orizzonte.

Abbiamo imparato una cosa nuova: le luci fisse che pulsano e appaiono colorate vicino all’orizzonte sono in realtà stelle la cui immagine è distorta dalla nostra atmosfera; niente oggetti peculiari, niente ufo, solo un effetto curioso e affascinante per le persone comuni, un dramma per astrofili e astronomi. La turbolenza atmosferica, infatti, distrugge le osservazioni in alta risoluzione.