Missione FOCAL: viaggio ai fuochi gravitazionali del Sole e dei Pianeti
La prima dimostrazione sperimentale della Teoria della Relatività Generale fu eseguita da Arthur Eddington nel 1919, quando riuscì a misurare gli effetti del campo, o meglio del pozzo gravitazionale del Sole sulla luce delle stelle ad esso vicine. La massa del Sole, infatti, genera una distorsione del tessuto dello spaziotempo in grado di deflettere le onde elettromagnetiche provenienti da una “sorgente”astronomica di qualsiasi tipo (esopianeti, stelle, galassie, o altro), e farle convergere in un punto detto “fuoco”, dove l’informazione da esse veicolata risulta intensificata, amplificata, ingrandita. Per le evidenti analogie con le lenti ottiche, questo fenomeno è stato chiamato “lente gravitazionale”.
Numeri, esempi e un po’ di storia
L’asse focale è la linea immaginaria che unisce la sorgente, il centro del Sole, e il fuoco, in modo che la sorgente rimanga perfettamente occultata dal disco solare rispetto al fuoco stesso. Il fuoco del “sole nudo”, così chiamato perché la sua posizione è stata calcolata senza tener conto di nessun effetto di distorsione o attenuazione del segnale sorgente, si trova alla bella distanza di 550 Unità Astronomiche (UA), ben oltre i confini del Sistema Solare. Dato che il potere della lente gravitazionale del Sole (GLS) si applica alle onde elettromagnetìche provenienti da tutte le infinite sorgenti dell’Universo, si può immaginare una sfera focale del sole nudo, di raggio pari a 550 UA, composta da un numero infinito di fuochi.
Niente di costruito dall’Uomo è mai arrivato così lontano, nemmeno l’intramontabile Voyager 1, che ha da poco raggiunto le 110 UA. Ma varrebbe davvero la pena di andarci, perchè le prestazioni promesse dalla GLS sono assolutamente terrificanti: si prevede di ottenere un’amplificazione del segnale sorgente dell’ordine di dieci all’ottava potenza, e oltre! La Natura ci offre, a poco più di tre giorni-luce dalla Terra (a tanto equivale, infatti, la distanza di 550 UA) uno strumento d’indagine di ineguagliabile potenza. Anche se con l’attuale tecnologia non siamo in grado di dare il via a una missione al fuoco gravitazionale, è opinione comune tra gli scienziati del settore che tra una ventina d’anni tale missione potrebbe essere effettivamente messa in calendario e portata a termine entro la fine del secolo.
A parte lo stesso Einstein, che nel 1936 pubblicò un lavoro specifico sulle lenti gravitazionali, da allora nella comunità scientifica nessuno si occupò più del problema fino al 1964, quando Sidney Liebes, della Stanford University, promulgò la teoria matematica della lente gravitazionale. Nel 1979 Von Eshleman, anch’egli della Stanford, per primo suggerì la possibilità di lanciare una missione diretta al fuoco della GLS. Nello stesso anno fu pubblicata dal CalTech-JPL la tesi di dottorato di David Sonnabend, intitolata “To the Solar Foci”, che però si occupava di argomenti relativi alle onde gravitazionali e ai neutrini, estranei agli obiettivi di questo articolo. Nel 1987, nel corso della Seconda Conferenza Internazionale di Bioastronomia, Frank Drake, uno dei pionieri del SETI, delineò il profilo della missione suggerita da Von Eshleman, che sarebbe stata più tardi denominata “missione FOCAL”. Tra i presenti c’era anche il fisico-matematico Claudio Maccone, all’epoca ricercatore presso l’Alenia Spazio e oggi Direttore Tecnico per l’Esplorazione Scientifica dello Spazio presso la IAA di Parigi. Nel 1992 Maccone organizzò, presso il Politecnico di Torino, la prima conferenza internazionale interamente dedicata a FOCAL, denominata “Space Missions and Astrodynamics I”. L’anno successivo, a nome di un vasto numero di colleghi europei e americani, propose ufficialmente la missione all’ESA, ricevendo il pubblico encomio del Direttore dei Programmi Scientifici dell’Agenzia, Roger Bonnet, ma nessun finanziamento. Da allora Maccone ha costantemente approfondito e allargato la ricerca sulla GLS, e arricchito il profilo della missione FOCAL. Il volume “Deep Space Flight and Communications: Exploiting the Sun as a Gravitational Lens” (Springer/Praxis, 2009), costituisce la sintesi del lavoro di questi ultimi vent’anni.
La missione FOCAL in tre tappe: 550 UA, 1000 UA, 17000 UA
Nella lente gravitazionale, la deflessione subita dalle onde elettromagnetiche non è uniforme, ma dipende dalla loro distanza dal Sole: quelle che passano radenti al disco solare vengono deflesse più intensamente di quelle che passano più lontano, ma andranno tutte a concentrarsi lungo l’asse, seppure a distanze diverse, creando infiniti nuovi fuochi, ognuno corrispondente a una frequenza d’onda via via più bassa. Alla sfera di fuochi del sole nudo, si aggiunge quindi un numero infinito di nuove sfere focali concentriche. In pratica, a partire da 550 UA in avanti, qualsiasi punto dello spazio è un fuoco gravitazionale e quindi la sonda FOCAL dovrà essere progettata ed equipaggiata considerando la sfera focale del sole nudo non come l’obiettivo, ma come la prima tappa di un viaggio di ricerca che potrebbe concludersi ben più lontano.
La missione FOCAL
Infatti, a complicare le cose ci si mette la Corona solare, la zona più calda e turbolenta dell’atmosfera del Sole, composta essenzialmente da plasma, le cui fluttuazioni creano sulla luce in arrivo dalla sorgente un effetto divergente che si oppone a quello convergente esercitato dalla GLS. Il risultato è che tutto il sistema delle sfere focali concentriche slitta allontanandosi dal Sole: così a 650 UA troviamo il fuoco per la frequenza di 500 GHz; a 763 UA il fuoco per i 160 GHz del CMB, la cosidetta “radiazione cosmica di fondo”; e infine a 1000 UA il fuoco per i 60 GHz. Va precisato, comunque, che non esiste ancora un modello matematico pienamente soddisfacente della Corona solare, quindi con l’aumentare delle conoscenze i dati potrebbero cambiare.
Nell’ultimo studio di Maccone, presentato a Praga pochi mesi orsono, nel corso dell’annuale Congresso Internazionale di Astronautica, si prospetta l’estensione della missione fino a 17000 UA. Questa dilatazione delle distanze è dovuta al fatto che Maccone, accogliendo un suggerimento proveniente dai lettori di Centauri Dreams (vedi blogroll), ha allargato l’analisi anche alle lenti gravitazionali dei pianeti del Sistema Solare. I suoi calcoli indicano che la sfera focale di Giove, situata a 6100 UA, sarà la prima ad essere raggiunta dalla nostra sonda nel prolungarsi del suo viaggio di allontanamento dal Sole. A 13525 UA incontriamo la sfera focale di Nettuno, prima di quella di Saturno (14425 UA), poi quella della Terra (15375 UA), prima di quella di Urano e Venere, fino a 17000 UA.
Le lenti planetarie sono ovviamente molto meno potenti della GLS, ma presentano alcune caratteristiche che le rendono degne di indagini più approfondite. Prima di tutto muoversi tra 1000 e 17000 UA significa operare ben addentro la cosidetta Nube di Oort, vastissima zona inesplorata, da dove si dice provengano le cosidette comete “esterne”, di lungo periodo. Una prima esplorazione della Nube, anche se parziale e sommaria, avrebbe un grande valore scientifico. Secondo, le lenti planetarie non risentono di effetti distorsivi simili a quelli della Corona solare. Infine, se il Sole può considerarsi immobile nel sistema delle sfere focali, i pianeti invece si muovono lungo le loro orbite. E con essi si muovono anche le lenti loro associate dando vita, agli occhi dell’osservatore, a un vero e proprio carosello di immagini fortemente ingrandite di oggetti astronomici d’ogni genere.
Ma lasciamo che sia lo stesso Maccone a concludere: ”ripensando al lavoro svolto finora sulle possibilità di un vero volo interstellare, semba lecito dire che gli studiosi delle missioni dirette ad Alpha Centauri, nello sforzo di coprire in un sol balzo quei 4,37 anni-luce, saltano a pie’ pari tutto quello che si trova a soli tre mesi-luce, come la sfera focale della Terra.”
Fonti: Centauri Dreams, “Deep Space Flight and Communications: Exploiting the Sun as a Gravitational Lens” (Springer/Praxis, 2009), Wikipedia
Il Sole, una straordinaria lente gravitazionale
Secondo la Legge della Relatività Generale, la luce subisce una deviazione in presenza di un campo gravitazionale. Einstein ipotizzò che il campo gravitazionale perturbante si sarebbe comportato, sotto molti aspetti, come una comune lente ottica mentre, in particolari condizioni di allineamento con l’osservatore, avrebbe dato origine a svariate anomalie come due, tre o anche quattro false immagini della sorgente, forme ad anello e altri “miraggi gravitazionali”. Alla fine degli anni ‘70 , con la scoperta dei quasar, sono state individuate nel cielo le prime lenti gravitazionali, in pieno accordo con la teoria eisteniana. Da allora ne sono state scoperte molte altre, tanto da dar vita ad una nuova disciplina chiamata “ottica gravitazionale”. Consideriamo ora come sorgente luminosa un corpo celeste lontano, per esempio una stella o una galassia, il Sole come generatore del campo gravitazionale perturbante, e posizioniamo un osservatore dall’altra parte del Sole rispetto alla sorgente, in modo che questa risulti completamente occultata e in asse con l’osservatore e il centro del Sole. Date queste condizioni, sarà la nostra stessa stella ad agire come lente gravitazionale. Ogni lente ha un fuoco, e quelle gravitazionali non fanno eccezione. Nel nostro caso, il fuoco si trova approssimativamente alla distanza di 550 unità astronomiche (UA) dal Sole. Per capirsi, 1 UA equivale alla distanza media Terra – Sole, circa 150 milioni di km., mentre Plutone si trova intorno alle 40 UA, e Voyager-1 ha oltrepassato le 108 UA qualche mese fa. Ogni lente provoca un ingrandimento dell’immagine della sorgente, anche quelle gravitazionali. E stato calcolato, e più volte confermato, che la lente gravitazionale del Sole provoca, alla distanza di 550 UA , ingrandimenti teorici assolutamente enormi. In altre parole, la natura ci offre uno strumento d’indagine di potenza mostruosa, che mai saremo in grado di eguagliare artificialmente. Con l’attuale tecnologia non siamo ancora in grado di sfruttare una simile risorsa, ma il ritardo può essere colmato in pochi anni. Intanto il dibatttito prende piede nella comunità scientifica internazionale, dove si fa strada la proposta di uno scienziato spaziale italiano, il dott. Claudio Maccone, 62 anni, PHD in matematica al King’s College di Londra, membro della International Academy of Astronautics, una ventennale esperienza di lavoro presso l’Alenia di Torino. Nel suo ultimo libro “Deep Space Flight and Communications: Exploiting the Sun as a Gravitational Lens” (Springer/Praxis, 2009), il dottor Maccone fa conoscere al pubblico la proposta che da anni ha presentato e sostenuto presso l’ESA e l’ASI, raccogliendo riconoscimenti e applausi, ma non ancora impegni concreti.
Si tratta della cosidetta mssione FOCAL: una volta individuata la sorgente oggetto d’indagine, verrà lanciato un veicolo spaziale di nuova concezione che avrà come primo obiettivo raggiungere il corrispondente fuoco alla distanza di 550 UA, per poi continuare a muoversi lungo l’asse focale prescelto, allontanandosi dal Sole fino a 1000 UA. Oltre all’osservazione della sorgente, la sonda eseguirà durante il volo molte altre misurazioni e indagini che l’autore descrive accuratamente nel libro. Ci sono inoltre capitoli dedicati a problemi di astrodinamica, all’effetto corona, all’Interstellar Probe della NASA, e un’intera sezione dedicata al nuovo algoritmo per le telecomunicazioni denominato KLT. Una missione così ambiziosa richiede un alto livello di collaborazione internazionale, una pianificazione di lungo periodo, e chiare scelte strategiche iniziali. Scegliere la sorgente sarà ovviamente la decisione più importante. Potrebbe essere il buco nero posto al centro della Via Lattea, un oggetto di indubbio interesse scientifico. Oppure Proxima Centauri, se vogliamo vedere la missione FOCAL come propedeutica al primo volo interstellare. Oppure un promettente pianeta extrasolare, un tipico obiettivo SETI.
Comunque vada, i politici non lasceranno certo gli scienziati da soli nell’elaborazione di simili decisioni, e questo non mi sembra un male. Di certo sarebbe un gran bene se anche l’opinione pubblica, o almeno la parte più informata e sensibile di essa, fosse resa più partecipe della politica spaziale. Questo succede già negli Stati Uniti, dove perfino gli astronauti sono spesso in giro per conferenze e manifestazioni, ed esistono enti privati senza scopo di lucro, come la Planetary Society, che non solo fa opera di divulgazione scentifica a un ottimo livello, ma raccoglie fior di quattrini dai propri associati e altri donatori, e li spende finanziando proggettl propri, che vanno a coprire settori di nicchia, immeritatamente dimenticati dall’apparato statale. Basti pensare al settore, sempre più strategico, della propulsione a vela solare: NASA ed ESA sono in ritardo, la JAXA giapponese è più avanti grazie a Ikaros, ma la Planetary Society investirà 1,4 milioni di dollari nel 2010 per il progetto Lightsail. In Italia chissà quanto tempo dovremo aspettare prima di poter trovare in libreria un’edizione a carattere divulgativo, in lingua italiana, del bel libro del dottor Maccone.
Fonte: IAA, “The Sun as a Gravitational Lens : A Target for Space Missions Reaching 550 AU to 1000“, by Claudio Maccone – “New Trends in Astrodynamics and Applications – V” Politecnico di Milano, Milano (Italy), 30 June, 1-2 July 2008
