Righe spettrali: formazione, shift, allargamento

Nel 1814, J. Fraunhofer, osservando lo spettro solare identificò centinaia di righe scure, assegnando a molte di esse delle lettere maiuscole, senza tuttavia conoscere gli elementi responsabili della loro formazione. Gli studi di Fraunhofer e di molti altri scienziati rappresentano l’inizio della spettroscopia moderna. Ad oggi, l’uso delle righe spettrali è fondamentale per l’osservazione di stelle, pianeti e galassie, con unica differenza l’uso di CCD al posto delle più tradizionali lastre fotografiche. Nella seguente trattazione, partendo da una caratterizzazione delle righe spettrali, si discuterà delle proprietà fisiche e chimiche associate alla loro osservazione, riportando anche alcuni esempi specifici associati ai diversi fenomeni che ne modificano il profilo. Per descrivere la formazione delle righe spettrali si esamineranno le strutture atomiche e molecolari in un approccio semi-classico, sviluppando le probabilità e le regole di selezione associate alle transizioni; l'analisi è resa possibile dal fatto che le righe non sono altro che transizioni elettroniche, le quali, avendo una maggioranza di elementi in emissione o in assorbimento, variano lo stato del continuo, nel quale invece l’emissione e l’assorbimento risultano equiparate. Inoltre, attraverso l’equazione del trasporto radiativo sarà possibile comprendere la risposta di un mezzo alla radiazione che lo attraversa. Esaminando invece i fenomeni di shift e di allargamento si procederà a delineare il profilo di riga, evidenziando come le variazioni riscontrate su di esso possano permettere l’ottenimento di informazioni sulla composizione e sulle abbondanze chimiche del mezzo in studio. La seguente panoramica, svolta sulle caratteristiche delle righe spettrali, verrà infine utilizzata per esplorare la loro applicabilità nel campo delle scienze planetarie, con particolare enfasi sull’analisi delle atmosfere planetarie e sulla ricerca di biosignatures, discutendo il caso specifico della fosfina su Venere.