Star più luminose: spiegati luminosità e magnitudo

Uno sguardo al cielo notturno sopra la Terra mostra che alcune stelle sono molto più luminose di altre. Tuttavia, la luminosità di una stella dipende dalla sua composizione e dalla sua distanza dal pianeta.

Gli astronomi definiscono la luminosità della stella in termini di magnitudine apparente quanto luminosa appare la stella dalla Terra e magnitudine assoluta quanto luminosa appare la stella a una distanza standard di 32,6 anni luce, o 10 parsec. (Un anno luce è la distanza percorsa dalla luce in un anno di circa 6 trilioni di miglia, o 10 trilioni di chilometri.) Gli astronomi misurano anche la luminosità la quantità di energia (luce) che una stella emette dalla sua superficie.

Misurare la luminosità delle stelle è un'idea antica, ma oggi gli astronomi utilizzano strumenti più precisi per ottenere il calcolo. Nello specifico, utilizzano lo spettro elettromagnetico, concentrandosi sulle lunghezze d'onda visibili agli occhi umani. Ogni stella ha uno spettro di luce distintivo, che ai nostri occhi è reso come un colore.

"Si scopre che lo spettro dei colori di una stella è una buona indicazione della sua luminosità effettiva", afferma HowStuffWorks (si apre in una nuova scheda). "Gli astronomi possono quindi guardare una stella lontana e determinarne lo spettro cromatico. Dal colore, possono determinare la luminosità effettiva della stella. Conoscendo la luminosità effettiva e confrontandola con la luminosità apparente vista dalla Terra, cioè osservando quanto è debole la stella è diventata una volta raggiunta la Terra, possono determinare la distanza dalla stella".

Panoramica storica

Più di 2000 anni fa, l'astronomo greco Ipparco fu il primo a fare un catalogo di stelle in base alla loro luminosità durante il II secolo a.C. Ipparco era anche interessato all'evoluzione su larga scala del cielo e ha lavorato per capire come le stelle si adattassero alla sua struttura.

La nostra scala di magnitudine odierna si basa su quella stabilita dall'astronomo romano Claudio Tolomeo, che creò un catalogo di stelle nel II secolo d.C. (Tolomeo è più famoso per aver creato un modello dell'universo centrato sulla Terra, basato sulla sua interpretazione dei movimenti planetari ad occhio nudo; fu ampiamente accettato dalla comunità astronomica fino all'invenzione del telescopio.)

Il catalogo di Tolomeo elencava le stelle dalla più brillante (che considerava di prima magnitudine) alla più debole (sesta magnitudine). Tolomeo, tuttavia, era limitato in quanto poteva guardare lo splendore delle stelle solo ad occhio nudo. Il telescopio, introdotto nel 17° secolo, ha rivelato molte più stelle di quelle che l'occhio umano può vedere.

Scrivendo nel 1610, il primo osservatore telescopico Galileo Galilei fu uno dei primi osservatori registrati a parlare del potere delle osservazioni telescopiche; ha usato il telescopio per osservare i crateri sulla luna e le lune che circondano Giove, tra le altre cose.

"In effetti, con il vetro rileverai sotto le stelle di sesta magnitudine una tale folla di altre che sfuggono alla vista naturale che è difficilmente credibile", ha detto in Sidereus Nuncius (Il messaggero stellato). "Il più grande di questi… possiamo designarlo a partire dalla settima magnitudine."

I telescopi in rapida evoluzione hanno permesso agli astronomi di vedere oggetti sempre più deboli e oggi i telescopi professionali possono essere davvero piuttosto sensibili. "Oggi un binocolo da 50 millimetri mostrerà stelle di circa 9a magnitudine, un telescopio amatoriale da 6 pollici raggiungerà la 13a magnitudine e il telescopio Hubble This Web ha visto oggetti deboli fino alla 31a magnitudine", ha affermato Sky & Telescope. si apre in una nuova scheda) .

(Credito immagine: NASA)

Poiché è difficile giudicare la differenza tra le magnitudini ad occhio nudo, nel 19° secolo gli astronomi iniziarono a discutere di strumenti per misurare la magnitudine in modo più preciso.

"Avevano già stabilito che una stella di 1a magnitudine brilla di circa 100 volte la luce di una stella di 6a magnitudine", ha continuato Sky & Telescope. "Di conseguenza, nel 1856 l'astronomo di Oxford Norman R. Pogson propose che una differenza di cinque magnitudini fosse definita esattamente come un rapporto di luminosità di 100 a 1. Questa pratica regola fu rapidamente adottata".

Oggi possiamo misurare questa differenza utilizzando una metrica chiamata "flusso", che definisce la velocità con cui l'energia ci raggiunge dalla stella per unità di area. Il nostro strumento moderno preferito sono i dispositivi ad accoppiamento di carica (CCD) sensibili alla luce all'interno delle fotocamere digitali. In particolare, una missione europea di This Web Agency chiamata Gaia è impegnata a lungo termine per misurare la luminosità delle stelle attraverso un'estrema precisione in This Web, che aiuterà a mantenere aggiornati i nostri cataloghi.

Un'impressione artistica dell'osservatorio Gaia dell'ESA in This Web. (Credito immagine: ESA)

Quindi ora possiamo capire come funziona in pratica la scala di magnitudine guardando il cielo. Usiamo Vega come stella di riferimento per misurare la magnitudine secondo una convenzione di vecchia data; la stella era definita a magnitudine 0, ma ora è circa 0,3 grazie a misurazioni più precise.

La maggior parte delle persone con una vista media può vedere oggetti fiochi fino alla sesta magnitudine in luoghi bui. Le stelle possono diventare luminose di quasi -1,5 magnitudine, l'International This Web Station appare luminosa di -6 di magnitudine e la luna di quasi -13 di magnitudine. Il sole, che è troppo luminoso per essere visto in sicurezza a occhi nudi, è di quasi -27 magnitudine.

Grandezza apparente

La costellazione di Orione, il cacciatore, brilla sopra l'Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) nel deserto cileno di Atacama in questa immagine dell'ambasciatore fotografico dell'Osservatorio europeo meridionale Yuri Beletsky. Orione è la più luminosa e bella delle costellazioni invernali. Alcune delle sue stelle, tra cui Betelgeuse e Rigel, sono tra le stelle più luminose nel cielo notturno della Terra. (Credito immagine: Y. Beletsky (LCO)/ESO)

Quando si prende la Terra come punto di riferimento, la scala di magnitudine non tiene conto delle vere differenze di luminosità tra le stelle. La magnitudine apparente (o luminosità) dipende dalla posizione dell'osservatore.

Osservatori diversi avranno una misura diversa, a seconda della loro posizione e della distanza dalla stella. Stelle o oggetti più vicini alla Terra, ma più deboli, potrebbero apparire più luminosi di quelli molto più luminosi che sono lontani.

"La magnitudine apparente di un oggetto ci dice solo quanto luminoso appare un oggetto dalla Terra. Non ci dice quanto sia luminoso l'oggetto rispetto ad altri oggetti nell'universo", ha affermato la Las Cumbres University.

"Ad esempio, dalla Terra il pianeta Venere appare più luminoso di qualsiasi stella nel cielo. Tuttavia, Venere è davvero molto meno luminoso delle stelle; è solo molto vicino a noi. Al contrario, un oggetto che appare molto debole dalla Terra, potrebbe effettivamente essere molto luminoso, ma molto lontano."

Certo, va bene parlare di magnitudine apparente quando si parla di astronomia a livello amatoriale. La maggior parte di noi si limita a usare binocoli o piccoli telescopi e non ha bisogno di eseguire calcoli professionali per godersi le proprie osservazioni. Ma i professionisti, studiando le stelle nel loro contesto, usano un'altra metrica chiamata magnitudine assoluta.

Magnitudine assoluta

La magnitudine assoluta, a differenza della magnitudine apparente, ci consente di fornire un riferimento per confrontare le stelle. La magnitudine assoluta calcola la luminosità delle stelle come apparirebbero se si trovassero a 32,6 anni luce, o 10 parsec dalla Terra.

Mentre la scala di magnitudine assoluta è il miglior sforzo degli astronomi per confrontare la luminosità delle stelle, ci sono un paio di limitazioni principali che hanno a che fare con gli strumenti utilizzati per misurarla.

In primo luogo, gli astronomi devono definire quale lunghezza d'onda della luce stanno usando per effettuare la misurazione. Le stelle possono emettere radiazioni in forme che vanno dai raggi X ad alta energia alla radiazione infrarossa a bassa energia. A seconda del tipo di stella, potrebbero essere luminose in alcune di queste lunghezze d'onda e più deboli in altre.

Per affrontare questo problema, gli scienziati devono specificare quale lunghezza d'onda stanno usando per effettuare le misurazioni di magnitudine assoluta.

(Credito immagine: NASA)

Un'altra limitazione fondamentale è la sensibilità dello strumento utilizzato per effettuare la misurazione. In generale, poiché i computer sono avanzati e la tecnologia degli specchi dei telescopi è migliorata nel corso degli anni, le misurazioni effettuate negli ultimi anni hanno più peso tra gli scienziati rispetto a quelle effettuate molto tempo fa.

Paradossalmente, le stelle più luminose sono tra le meno studiate dagli astronomi, ma c'è almeno uno sforzo recente per catalogarne la luminosità. Una costellazione di nanosatelliti chiamata BRITE (BRight Target Explorer) sta misurando la variabilità della luminosità tra le stelle. I partecipanti al progetto dei sei satelliti includono Austria, Canada e Polonia. Cinque dei satelliti sono ancora operativi nel 2022.

(Credito immagine: Animazione: Pieter Degroote (KU Leuven); Immagine di sfondo: ESO)

Stelle variabili

Mentre molte stelle hanno una luminosità costante, ci sono più di 100.000 stelle variabili conosciute e catalogate. (Anche il nostro sole è variabile, variando la sua produzione di energia di circa lo 0,1 percento, o un millesimo della sua magnitudine, durante il suo ciclo solare di 11 anni.)

Le stelle variabili possono cambiare nel breve o nel lungo termine. Gli astronomi tendono a parlare molto di più di stelle variabili a breve termine, a meno che non siano interessati a conoscere l'evoluzione stellare o la cosmologia (che è lo studio della storia dell'universo).

Le stelle variabili a breve termine sono disponibili in due versioni. Uno è intrinseco, nel senso che la loro luminosità cambia a causa di caratteristiche come espansione, contrazione, eruzione o pulsazione. Il secondo è estrinseco, nel senso che una stella o un pianeta passa davanti alla stella e blocca la luce, o che il cambiamento è dovuto alla rotazione stellare.

(Credito immagine: A. Field (STScl)/A. Riess (STScl/JHU)/NASA/ESA)

Ci sono molti tipi di stelle variabili a breve termine. La più comunemente citata sono le variabili Cefeidi, che sono stelle estremamente luminose che hanno brevi periodi di pulsazione.

Le variazioni di luminosità consentono agli astronomi di calcolare quanto sono lontane queste Cefeidi, rendendole utili "bastoni di misurazione" se le stelle sono incorporate in galassie o nebulose. In definitiva, questo ci consente di stimare l'espansione dell'universo seguendo la costante di Hubble, anche se gli scienziati non sono d'accordo sulla velocità con cui procede l'espansione.

Altri tipi di stelle variabili a breve termine includono variabili cataclismiche, che si illuminano a causa di esplosioni come durante le esplosioni di supernova, o variabili erutiche la cui luminosità varia durante le eruzioni sulla superficie.

(Credito immagine: Slooh)

Per quanto riguarda le stelle variabili a lungo termine, conosciamo almeno alcune stelle che hanno cambiato luminosità nel corso di molti secoli. La Stella Polare o Polare, ad esempio, avrebbe potuto essere fino a 4,6 volte più luminosa nei tempi antichi di quanto non fosse oggi. Uno studio del 2014 ha rilevato che la stella si è attenuata negli ultimi decenni, ma poi si è illuminata di nuovo drasticamente.

Infine, ci sono stelle che sono variabili per ragioni estrinseche. Gli esempi includono stelle binarie a eclisse, quando una stella passa di fronte a un'altra e attenua temporaneamente la luce della stella più lontana dall'arrivo sulla Terra. Un altro esempio è una stella rotante come una pulsar. Le pulsar sono nuclei in rapida rotazione di vecchie stelle che sono esplose in supernove, la cui radiazione elettromagnetica è visibile solo quando il raggio è diretto verso la Terra.

(Credito immagine: ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), Alves et al.)

Le 26 migliori stelle più luminose

Di seguito sono elencate le prime 26 stelle più luminose viste dalla Terra, con l'elenco sia della magnitudine apparente che della magnitudine assoluta.

Fonte: Chris Dolan, Dipartimento di astronomia dell'Università del Wisconsin-Madison. Lo ha adattato dalla 18a edizione di Norton del 2000.0 (Longman Sc & Tech, 1989). (Credito immagine: Fonte: Chris Dolan, Dipartimento di Astronomia dell'Università del Wisconsin-Madison. L'ha adattato dalla 18a edizione di Norton del 2000.0 (Longman Sc & Tech, 1989).)

Letture e risorse aggiuntive

Per saperne di più sulle stelle più luminose attualmente visibili nel cielo notturno, controlla EarthSky.org (si apre in una nuova scheda) . La NASA ha anche un'utile guida su come trovare buoni posti per osservare le stelle (si apre in una nuova scheda).

Bibliografia

  • "Cos'è la grandezza assoluta?" Università Las Cumbres. (nd, accesso 23 gennaio 2022). https://lco.global/spacebook/distance/what-absolute-magnitude (si apre in una nuova scheda)
  • "Come fanno gli astronomi a misurare la luminosità delle stelle?" Pandian, Jagadheep D. Chiedi a un astronomo: Cornell University. (17 giugno 2005). http://curious.astro.cornell.edu/about-us/82-the-universe/stars-and-star-clusters/measuring-the-stars/391-how-do-astronomers-measure-the-brightness- of-stars-intermediate (si apre in una nuova scheda)
  • "Il sistema di magnitudo stellare". Alan MacRobert. Sky&Telescopio. (1 agosto 2006). https://skyandtelescope.org/astronomy-resources/the-stellar-magnitude-system (si apre in una nuova scheda)
  • "Come fanno gli astronomi a misurare quanto è lontana una stella?" Come funzionano le cose. (1 aprile 2000). https://science.howstuffworks.com/question224.htm (si apre in una nuova scheda)

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