Il sodio della cometa Neowise

Il recente periodo di visibilità, prima mattutina e poi serale, della cometa Neowise (C/2020 F3) ha mostrato in modo evidente il ruolo che può giocare il sodio neutro nell’aspetto di una cometa. Dopo il passaggio al perielio, avvenuto il 3 luglio 2020 a circa 44 milioni di km dal Sole (0,29 AU), l’aspetto mattutino della cometa era dominato da una coma e una coda di polveri di colore marcatamente giallastro. Le code di polveri appaiono di questo colore perché riflettono la luce del Sole, ma stavolta c’era anche il contributo del sodio neutro in emissione che emette radiazione proprio nella regione gialla dello spettro.

Qualche giorno dopo, durante il periodo di visibilità serale, la chioma della cometa è passata dal colore giallo al verde in modo piuttosto repentino segnando la fine dell’emissione del sodio. Per un confronto fra questi due aspetti vedi Fig. 1. Anche se il sodio neutro è molto più scarso di altre specie molecolari presenti in una cometa, ha un’elevata efficienza di scattering della radiazione solare, quindi è ben visibile e può essere usato come “tracciante” per monitorare i processi fisici che avvengono nel nucleo.

Figura 1 – A sinistra la cometa Neowise all’alba del 10 luglio, a destra la sera del 20 luglio 2020. Il cambiamento più radicale si è avuto nella chioma: il 10 luglio è dominata dall’emissione di polveri e dalla fluorescenza del sodio che le conferiva il caratteristico colore giallo; il 20 luglio invece appare del tipico colore verde dovuto alla fluorescenza della molecola di C2 (Crediti: Albino Carbognani).

Struttura elettronica del sodio

Vediamo l’origine della radiazione ottica emessa dal sodio. L’atomo di sodio neutro è circondato da 11 elettroni che annullano la carica elettrica del nucleo contenente 11 protoni così che, globalmente, l’atomo è elettricamente neutro. L’11-esimo elettrone, quello più esterno, può compiere transizioni fra livelli energetici che causano l’emissione di due righe molto vicine fra di loro, a 588,995 e a 589,592 nm, nella zona gialla dello spettro. Queste transizioni, ad esempio, sono all’origine della luce gialla che emettono le lampade al sodio usate per l’illuminazione stradale. Nella transizione che dà origine al doppietto, l’elettrone più esterno del sodio (noto anche come “elettrone ottico“), dopo essere stato eccitato compie una transizione dal livello 3p al livello 3s, emettendo un fotone pari alla differenza di energia fra i due livelli. L’emissione avviene in una qualsiasi direzione dello spazio. Le righe emesse sono due perché lo spin dell’elettrone interagisce magneticamente con il campo magnetico generato dalla corrente che lui stesso provoca, quindi il livello energetico 3p è composto in realtà da due livelli energetici molto vicini fra di loro: si tratta di un esempio di quella che i fisici chiamano interazione spin-orbita (vedi Fig. 2).

Normalmente l’elettrone esterno dell’atomo di sodio si trova nel livello energetico 3s, quindi affinché avvenga l’emissione del doppietto l’elettrone deve essere eccitato e portato al livello energetico superiore, il 3p. L’eccitazione può avvenire per urto oppure per assorbimento di radiazione che deve fornire esattamente l’energia necessaria per passare dal 3s al 3p. Come per tutte le transizioni quantistiche, la radiazione in grado di eccitare l’elettrone ottico del sodio è la stessa che l’atomo emette quando l’elettrone torna al livello 3s. Tuttavia, anche nel Sole ci sono atomi di sodio neutro che assorbono e riemettono in tutte le direzioni la radiazione a 588,995 e a 589,592 nm, quindi la radiazione giusta per eccitare gli atomi di sodio che si trovano nelle comete nello spettro solare non è così abbondante come nel continuo. Per fortuna le comete, specie quelle radenti il Sole, si muovono a grande velocità radiale rispetto alla nostra stella e – a causa dell’effetto Doppler che può provocare un blue shift o un red shift dell’ordine di 0,1 nm – la radiazione non assorbita dal sodio solare può avere la giusta energia per eccitare il sodio cometario.

Figura 2 – La struttura elettronica esterna di un atomo di sodio neutro con indicata la possibile doppia transizione fra i livelli energetici 3p e 3s (Crediti: hyperphysics).

Sodio di origine cometaria

L’emissione da parte del sodio neutro è già stata osservata in diverse comete, specie in quelle a lungo periodo che si vengono a trovare ad una distanza eliocentrica minore di 1,4 UA, ma il caso più eclatante è stato sicuramente quello della Hale-Bopp (C/1995 O1). Infatti, osservazioni a grande campo della Grande Cometa del 1997, hanno messo in evidenza la presenza di una coda formata da atomi di sodio neutri, della lunghezza di circa 50 milioni di km. Questa coda era visibile solamente usando filtri interferenziali a banda stretta, centrati alle lunghezze d’onda del doppietto del sodio. La posizione della coda di sodio della Hale-Bopp era intermedia fra quella di ioni e quella di polveri. Questo dato indica che gli atomi di sodio neutro sono soggetti alla pressione della radiazione solare: quando la radiazione solare viene assorbita dall’elettrone ottico che passa dal livello 3s al 3p (Fig. 2), l’assorbimento fa sì che l’atomo di sodio riceva la quantità di moto del fotone assorbito che tende a farlo allontanare dal Sole in senso radiale. Successivamente l’elettrone torna al livello energetico di partenza emettendo un fotone simile a quello assorbito, ma in direzione casuale così che il movimento di allontanamento radiale non viene compensato. Di conseguenza l’atomo di sodio neutro riceve una spinta complessiva che lo allontana dal Sole e va a formare una coda indipendente.

Anche se il sodio era già stato identificato nello spettro delle comete decenni prima del passaggio della Hale-Bopp, solo per un’altra cometa era stata osservata una coda di sodio neutro distinta da quella di ioni e polveri: la Mrkos nel 1957 (C/1957 P1). La coda di sodio della Hale-Bopp era inoltre immersa in un background diffuso di atomi di sodio provenienti dalla coda di polveri della cometa. L’esistenza della coda di sodio in una cometa così notevole come la Hale-Bopp ha dato il via a diversi studi per cercare di capire dove si trovi esattamente la sorgente del sodio. Anche se è noto che ci sono almeno due sorgenti di sodio, una vicino al nucleo e un’altra nella coda di polveri, ad oggi non è ancora ben chiaro quale sia la sorgente del sodio neutro rilasciato nello spazio dalle comete. Infatti solo se l’atomo di sodio è libero nello spazio, ossia non legato in altri composti, può assorbire e riemettere la radiazione solare. Probabilmente gli atomi di sodio vengono emessi nello spazio dai granelli di polvere appena emessi dal nucleo che si trovano nella chioma, sia per collisione diretta fra granelli sia per estrazione del sodio grazie alla radiazione UV del Sole.

Il sodio della Neowise

Fin dai primi giorni di luglio 2020, quando la Neowise era visibile all’alba, era evidente il colore giallo oro della coma e della coda di polveri. Spettri della zona attorno al nucleo ripresi il 10 e l’11 luglio dal KenTing e dal Lulin observatory (ATel #13886), mostrano come dominanti le intense righe di emissione del doppietto del sodio neutro. Anche dall’Italia gli spettri del nucleo e della coda ripresi da l’Aquila da Umberto Sollecchia  l’11 luglio mostrano le intense righe di emissione del sodio neutro (Fig. 4).  Spettri ripresi con lo stesso setup il giorno 18 non mostrano più l’emissione del sodio neutro dal nucleo, restano le bande di Swan del C2 con la caratteristica emissione nel verde-blu dello spettro (Fig. 5). In effetti, già nelle immagini fotografiche a grande campo riprese la sera del 17 luglio il cambiamento di colore della coma della Neowise era evidente. Si è quindi passati da una coma dominata dalle polveri a una coma dominata dal gas in circa 10 giorni durante i quali la distanza eliocentrica della cometa è passata da 0,35 UA a 0,56 UA, ossia è aumentata di appena 30 milioni di km.

Spettri ottici della Neowise ripresi il 22 e il 23 luglio da astrofisici indiani (ATel#13897), confermano la sparizione dell’emissione del sodio, sia nella coma sia nella coda mentre sono presenti le usuali bande del CN e della molecola di C2 che conferiscono il caratteristico colore verde, come abbiamo avuto occasione di scrivere per la cometa ATLAS (C/2019 Y4). L’emissione del sodio nella Neowise è quindi stata episodica: resta da capire il perché di questo comportamento. Nel nucleo della cometa esisteva una sorgente di granelli di polveri ricchi di sodio che si è esaurita oppure il sodio è ancora presente ma non viene più espulso nello spazio dai granelli di polvere ed eccitato dalla radiazione solare perché la Neowise si è allontanata troppo dal Sole? La seconda ipotesi sembra improbabile, considerato che il sodio neutro è generalmente visibile entro distanze di 1,4 UA dal Sole e fra il 10 e il 20 luglio 2020 la Neowise era ancora ben al di sotto di questa distanza.

Figura 3 – Immagini della cometa NEOWISE riprese dal Planetary Science Institute l’8 luglio 2020 (rappresentazione in falsi colori). Sinistra: luce riflessa dalla coda di polveri della cometa. A destra: luce emessa dagli atomi di sodio (Crediti: Jeffrey Morgenthaler, Carl Schmidt).

 

Figura 4 – Spettro della coma della Neowise ripreso al mattino dell’11 luglio 2020 (Crediti: Umberto Sollecchia).

 

Figura 5 – Lo spettro della coma della cometa Neowise all’alba del 18 luglio 2020, l’emissione del sodio è completamente sparita (Crediti: Umberto Sollecchia).

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