Al doilea mare domeniu al fizicii, necesar pentru abordarea universului, este lumina, sau radiatia electromagnetica. Lumina vizibila este banda de frecventa relativ ingusta a undelor electromagnetice la care ochii nostri sunt sensibili. Lungimile de unda sunt masurate de obicei in unitati de nanometri (1 nm = 10-9m) sau in unitati de angstromi (1 A = 10-10m). Culorile spectrului vizibil se intind de la violet (cu lungimea de unda cea mai scurta) pana la rosu (cu lungimea de unda cea mai lunga). Cu toate acestea, radiatia electromagnetica nu este formata doar din lumina vizibila – aceasta include si radiatia gamma, razele x, radiatia ultravioleta, infrarosie, microunde si undele radio. Toate aceste forme de lumina au caracteristici electrice si magnetice.
Proprietatile luminii ne permit sa construim dispozitive cu care putem observa universul si cu ajutorul carora putem deduce natura fizica a surselor care emit radiatia primita in timpul acestor observatii. Cu toate acestea, aceleasi proprietati inseamna ca lumina interactioneaza cu alte materiale inainte de a ajunge la observator, iar acest lucru complica de multe ori capacitatea noastra de a observa alte obiecte in univers. Tineti minte ca termenul “radiatie” se poate referi la orice fenomen care radiaza (se misca) spre exterior dintr-o sursa. Termenul nu trebuie sa fie confundat cu o sursa radioactiva, adica radiatii nucleare.
Proprietatile particulelor de lumina
Lumina este un fenomen atat de complicat, incat niciun model nu poate fi conceput pentru a-i explica natura. Desi, in general, se considera ca lumina se comporta ca o unda electrica oscilanta in spatiu, insotita de o unda magnetica oscilanta, aceasta se poate comporta si ca o particula. O “particula” de lumina se numeste foton, sau un pachet discret de energie electromagnetica. Majoritatea obiectelor vizibile sunt vazute de lumina reflectata. Exista cateva surse naturale de lumina, cum ar fi soarele, stelele si o flacara. Alte surse sunt artificiale, cum ar fi lumina electrica. Pentru ca un obiect intunecat sa fie vizibil, lumina provenita de la o sursa este reflectata de pe acesta in ochiul nostru. Proprietatea reflectiei (lumina poate fi reflectata de suprafete adecvate) poate fi inteleasa cel mai usor din punctul de vedere al proprietatii unei particule, in acelasi sens in care o minge ricoseaza de pe o suprafata. Un exemplu comun de reflectie este reprezentat de oglinda, in special de oglinda unui telescop care utilizeaza suprafate curbate pentru a redirectiona lumina primita intr-o zona mai mica pentru detectare si inregistrare.
Atunci cand apare reflectia in interactiunile dintre particule, fenomenul care are loc se numeste imprastiere – lumina este imprastiata (reflectata) de pe moleculele si particulele de praf care au dimensiuni comparabile cu lungimile de unda ale radiatiilor. Ca o consecinta, lumina care provine de la un obiect vazut in spatele prafului este mai palida decat ar fi daca nu ar exista acel praf. Acest fenomen este numit “extinctie”. Extinctia poate fi vazuta la soarele nostru, acesta devenind mai palid pe masura ce lumina sa trece printr-o atmosfera mai prafuita atunci cand apune. In mod similar, stelele vazute de pe Pamant par mai slab iluminate, decat ar fi daca nu ar exista atmosfera. In plus, lumina albastra este imprastiata in mod preferential, astfel obiectele par a fi mai rosii – acest lucru se intampla deoarece lungimea de unda a luminii albastre este foarte apropiata de marimea particulelor care cauzeaza imprastierea. Soarele pare a fi mult mai rosu atunci cand apune. Lumina stelelor deasemenea se inroseste atunci cand sunt observate prin atmosfera. Puteti vedea imprastierea luminii daca priviti in directii departe de sursa de lumina.
Extinctia si inrosirea luminii stelelor nu sunt cauzate doar de atmosfera. O distributie extrem de subtire de praf pluteste intre stele si afecteaza lumina pe care o primim. Astronomii trebuie sa ia in considerare efectul prafului asupra observatiilor lor pentru a descrie in mod corect conditiile obiectelor care emit lumina. In zonele unde praful interstelar este deosebit de gros, lumina nu poate trece prin acesta. In zonele unde norii de praf reflecta lumina stelelor inapoi in directia noastra, observatorul poate vedea firisoare interstelare albastre, ca nori subtiri in jurul unor stele (sau o nebuloasa). O nebuloasa formata din imprastierea luminii albastre se numeste nebuloasa de reflectie.
Proprietatile de unda ale luminii – refractia, dispersia, interferenta si difractia
Cele mai multe proprietati ale luminii legate de utilizarea si efectele astronomice au aceleasi proprietati ca si valurile. Folosind o analogie a valurilor de apa, orice unda poate fi caracterizata prin doi factori aferenti. Primul factor este lungimea de unda, distanta in metri intre pozitii similare in cicluri succesive ale valului (de exemplu, distanta de la un varf la altul). Cel de-al doilea factor este frecventa, care reprezinta numarul de cicluri care se misca printr-un punct fix in fiecare secunda. Caracteristica fundamentala a unei unde este faptul ca multiplicarea lungimii sale de unda cu frecventa sa are ca rezultat viteza cu care unda se misca inainte. In cazul radiatiei electromagnetice, viteza luminii este: c = 3 x 108 m/sec = 300 000 km/sec.
Atunci cand lumina trece dintr-un mediu in altul (de exemplu, din apa in aer, din regiuni mai calde si mai putin dense in regiuni mai reci si mai dense, etc.) directia in care calatoreste se schimba, proprietate care se numeste “refractie”. Rezultatul este o distorsiune vizuala, asa cum un bat pare a fi indoit atunci cand il bagam in apa. Refractia i-a permis naturii sa produca lentila ochiului pentru a concentra lumina care trece prin pupila, astfel incat aceasta sa fie proiectata pe retina. Refractia le permite oamenilor sa construiasca lentile care sa schimbe calea luminii dupa cum doresc (de exemplu, sa produca ochelari pentru a corecta deficientele de vedere). De asemenea, astronomii pot construi telescoape de reflectie pentru a colecta lumina de pe suprafete mari, pe care sa o concentreze apoi intr-un punct comun. Refractia din atmosfera neuniforma este responsabila pentru miraje, straluciri atmosferice si clipitul stelelor. Imaginile obiectelor vazute prin atmosfera sunt neclare. Refractia inseamna ca pozitiile stelelor de pe cer se poate schimba, daca acestea sunt observate aproape de orizont.
Dispersia este legata de refractie – efectul producerii de culori, atunci cand este refractata lumina alba. Deoarece cantitatea de refractie este dependenta de lungimea de unda, cantitatea de indoire a luminii rosii este diferita de cantitatea de indoire a luminii albastre – astfel, lumina alba refractata este dispersata in culorile sale componente. Dispersia luminii formeaza un spectru din care putem obtine informatii legate de natura fizica a sursei de lumina. Pe de alta parte, dispersia luminii in atmosfera face ca stelele sa para a fi niste mici spectre in apropierea orizontului. Dispersia este deasemenea responsabila pentru aberatia cromatica din telescoape – lumina de culori diferite nu este adusa in acelasi punct focal. Daca lumina rosie este focalizata in mod corespunzator, lumina albastra nu va fi focalizata insa va forma un halou albastru in jurul unei imagini rosii. Pentru a reduce aberatia cromatica este nevoie de construirea unor lentile de telescop cu elemente multiple.
Atunci cand doua unde se intersecteaza si, astfel, interactioneaza una cu alta, apar interferentele. Utilizand valurile de apa ca analogie, doua creste in acelasi loc interfereaza in mod constructiv, formand impreuna o creasta mai mare. Insa, acolo unde creasta unui val intalneste partea inferioara a altui val, are loc o interferenta distructiva (o anulare reciproca). Astronomii utilizeaza interferenta ca un alt mijloc de a dispersa lumina alba in culorile sale componente. Un grilaj de transport format din mai multe fante produce interferente constructive ale diferitelor culori, in functie de unghi. Un grilaj de reflectie care foloseste suprafete reflectorizante multiple poate face acelasi lucru, cu avantajul ca poate fi utilizata toata lumina si ca cea mai mare parte a energiei poate fi aruncata intr-o anumita regiune de interferenta constructiva. Datorita acestei eficiente sporite, toate spectrografele astronomice moderne utilizeaza grilaje de reflectie.
Din aplicarea acestor fenomene rezulta o serie de tehnici de observare de specialitate, cea mai importanta dintre acestea fiind interferometria radio. Semnalele digitale radio de la retelele de telescoape pot fi combinate (cu ajutorul unui computer) pentru a produce imagini de inalta rezolutie ale obiectelor astronomice. Aceasta rezolutie este mult mai buna decat cea obtinuta de un telescop optic si, prin urmare, astronomia radio a devenit o componenta majora in observatiile astronomice moderne.
Difractia luminii
Difractia este proprietatea undelor care le face sa para ca se indoaie dupa colturi, lucru cel mai evident in cazul valurilor de apa. Undele de lumina sunt, de asemenea, afectate de difractie, care face ca marginile umbrelor sa nu fie perfecte, ci neclare. Marginile tuturor obiectelor vazute cu ajutorul luminii sunt estompate de difractie. Un telescop se comporta ca o deschidere circulara prin care patrunde lumina si, prin urmare, produce un model intrinsec de difractie care consta intr-un disc central si o serie de inele de difractie mai estompate. Cantitatea de estompare masurata prin latimea acestui disc central de difractie depinde in mod invers proportional de marimea instrumentului care vizualizeaza sursa de lumina. Pupila ochiului uman produce o estompare mai mare de un minut de arc in marime unghiulara – cu alte cuvinte, ochiul uman nu poate vizualiza caracteristicile mai mici de-atat.
Telescopul Spatial Hubble (un instrument cu diametrul de 228 de centrimetri care orbiteaza Pamantul deasupra atmosferei) are un disc de difractie cu diametrul de numai 0,1 secunde de arc, care permite observarea detaliilor in obiectele ceresti indepartate. Cauza fizica a difractiei este faptul ca lumina care trece printr-o parte a unei deschideri va interfera cu lumina care trece prin celelalte parti ale deschiderii. Aceste auto-interferente implica atat interferenta constructiva, cat si pe cea distructiva, pentru a produce modelul de difractie.
