Il mezzo interstellare, composto da una componente gassosa e da una componente solida, gioca un ruolo determinante nell’evoluzione della nostra galassia. Nonostante soltanto l’1% della massa del mezzo interstellare sia contenuta nei grani di polvere, questi rivestono un ruolo di rilievo in molti processi fisici e chimici. La polvere domina il bilancio energetico per mezzo dell’assorbimento e della emissione di radiazione, inoltre interagisce fortemente con la componente gassosa. Essa favorisce la formazione di molecole ed influenza la formazione delle stelle.

Il rapporto O/C (ossigeno/carbonio) nelle regioni di formazione determina due regimi chimici diversi, responsabili della formazione di grani di silicati (O/C> 1) o carboniosi (O/C< 1) che rappresentano le due principali popolazioni di polvere interstellare. Durante la sua vita un grano di polvere interstellare subisce cambiamenti chimici, morfologici e strutturali che determinano variazioni delle proprietà ottiche e influenzano la distribuzione di dimensione e di forma. Infine, questi diventano i mattoni della nuova generazione di stelle e di sistemi planetari. Il problema della natura della polvere cosmica nei vari ambienti interstellari è quindi fortemente legato alla possibilità di riconciliare tutti i cambiamenti osservati attraverso uno schema evolutivo fisico-chimico dei grani. Sebbene inizialmente la polvere interstellare sia stata considerata un ostacolo alle osservazioni di oggetti distanti, oggi è ritenuta un tassello essenziale dell’enorme mosaico che descrive l’evoluzione dell’Universo.
Il Laboratorio di Fisica Cosmica e Planetologia dell’Osservatorio Astronomico di Capodimonte, gestito in collaborazione con l’Università degli Studi di Napoli Parthenope, ha sviluppato da diversi anni una linea di ricerca che si inserisce nell’ambito dell’astrofisica dello stato solido di laboratorio. In essa confluiscono diverse discipline: astrofisica, struttura della materia e fisica dello stato solido.
Il personale del laboratorio ha acquisito negli anni una profonda conoscenza e abilità sperimentale nell’ambito di tecniche di analisi di spettroscopia e microscopia elettronica di materiali che simulano la materia solida presente nello spazio. Sono stati progettati e realizzati diversi apparati sperimentali per studiare i processi che trasformano le proprietà chimico-fisiche della polvere in diversi ambienti astrofisici.

Ricerca

Obiettivo principale della ricerca è la simulazione in laboratorio dei processi di formazione dei grani di polvere e lo studio della loro evoluzione. Le fasi principali della ricerca prevedono:

• Produzione di materiali analoghi
  I campioni sono prodotti con diverse tecniche (scarica ad arco voltaico, ablazione laser di un target) che prevedono la vaporizzazione di target macroscopici e la successiva condensazione sotto forma di grani. In altri casi la produzione dei grani si effettua triturando rocce o minerali.
• Caratterizzazione dei campioni
  I campioni sono analizzati mediante tecniche di microscopia elettronica, spettroscopia e spettroscopia Raman.
• Trasformazione dei campioni
  I campioni sono sottoposti a processi, simili a quelli attivi nello spazio (riscaldamento termico in condizioni di atmosfera controllata, irraggiamento ultravioletto e bombardamento con atomi di idrogeno e ioni) che inducono cambiamenti chimico-fisici nei grani.

ambienti ricchi di polvere della nebulosa di Orione, dove si stanno formando nuove stelle, in infrarosso (camera NICMOS) e come appare nel visibile (camera WFPC2).

Attraverso l’approccio di laboratorio è stato possibile contribuire al dibattito scientifico su alcuni degli argomenti di maggiore interesse nell’ambito delle attuali problematiche riguardanti i composti cosmici:

• interpretazione del bump a 220 nm nelle curve di estinzione interstellare;
• interpretazione dell’enigmatica dicotomia tra lo spettro di regioni diffuse, in cui la banda di assorbimento a 3.4 cm è presente, e quello di nubi molecolari caratterizzato dall’assenza della banda;
• evoluzione amorfo-cristallino e cristallino-amorfo della struttura dei silicati nelle comete e mezzo interstellare;
• caratterizzazione dell’emissività di analoghi cosmici a lunghezze d’onda sub-millimetriche e millimetriche e studio della sua dipendenza dalla temperatura;
• influenza della natura dei grani sull’evoluzione della composizione chimica dei mantelli di ghiaccio presenti sui grani nelle nubi molecolari.