Il Tredicesimo Cavaliere

Scienze dello Spazio e altre storie

eso13 – Arrivano i giganti…

 La ricerca di una traccia biologica nell’atmosfera di un esopianeta è un obiettivo importante e, come spiega Ignas Snellen, le missioni spaziali non sono l’unico modo di procedere. Professore di astronomia all’Università di Leiden nei Paesi Bassi, il Dott.  Ignas  Snellen è convinto che le tecnologie come la spettroscopia ad alta dispersione e l’imaging a contrasto elevato siano più efficaci quando utilizzate in grandi osservatorii a terra. Un gruppo di astronomi da lui guidati ha già usato queste tecniche per determinare la velocità di rotazione di Beta Pictoris b, pari a otto ore. Per studiare quelle regioni dello spettro che sono inaccessibili da terra, avremo bisogno di telescopi spaziali attentamente studiati e in sinergia con la nuova generazione di telescopi terrestri giganti, che si prevede entreranno in funzione negli anni ‘20 del 2000. (Paul Gilster) A seguire l’articolo del dott. Snellen.

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E-ELT – Telescopio Europeo Estremamente Grande

Mentre ero profondamente impegnato nel progetto del mio dottorato di ricerca, studiando i centri attivi di galassie lontane, in un campo molto diverso dell’astronomia si stava compiendo una vera rivoluzione scientifica. A metà degli anni ‘90 si stavano infatti scoprendo i primi pianeti orbitanti intorno a stelle diverse dal nostro Sole. Per alcuni anni riuscii a ignorare queste scoperte. Favorito dalla mia ignoranza in materia, mi univo ai molti scettici che criticavano questi primi risultati. Risultati con i quali invece si dovette presto fare i conti. Quando venne trovato il primo pianeta in transito, seguito poco dopo dal rilevamento della sua atmosfera, cambiai radicalmente campo di ricerca e mi gettai, come molti altri, sugli esopianeti. Dopo oltre un decennio quella rivoluzione è ancora in corso.

DARWIN, TPF e SIM

Negli ultimi venticinque anni non tutte le imprese scientifiche hanno avuto successo. Subito dopo le prime scoperte degli esopianeti sono stati profusi enormi sforzi nella progettazione (e nella ricerca dell’appoggio politico) di una sonda che possa rilevare i potenziali gas marcatori biologici nelle atmosfere dei sistemi planetari vicini. Gli astronomi europei si stavano concentrando su DARWIN. L’idea base della missione prevedeva 4 o 5 sonde spaziali dotate di telescopi con tecnologia di imaging ad alta risoluzione utilizzante l’interferometria ad annullamento. La luce stellare raccolta sarebbe stata combinata in modo tale da annullare la luce in asse, ma lasciando intatta la potenziale luce del pianeta fuori asse. Dopo una serie di studi lunghi oltre un decennio, nel 2007 l’ESA interruppe lo sviluppo di DARWIN, per l’eccessiva difficoltà. Nello stesso periodo furono proposte alla NASA varie versioni del Terrestrial Planet Finder (TPF), compreso un interferometro ad annullamento e un coronografo. Quest’ultimo usa delle ottiche appositamente studiate per ridurre la luce stellare, lasciando passare quella eventuale dei pianeti. Anche questi progetti furono in seguito annullati. Indubbiamente una battuta d’arresto anche peggiore ha interessato la Space Interferometry Mission (SIM), che doveva cercare i pianeti di massa simile alla Terra nelle zone abitabili delle stelle vicine usando l’astrometria. Dopo essere stata rimandata più volte, la missione fu infine annullata nel 2010.

 

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E-ELT

Quanto dovremmo essere pessimisti?

Per questi progetti  sono state spese enormi quantità di tempo ed energia dei ricercatori, oltre a milioni di dollari e di euro. È un vero peccato, considerando tutti gli altri interessanti progetti alternativi che avrebbero potuto essere finanziati. Dovremmo porci degli obiettivi più realistici e imparare dalle missioni di successo, come Kepler della NASA, che fu concepita e sviluppata nello stesso periodo. Un aspetto fondamentale dell’adozione di Kepler da parte della NASA fu la dimostrazione, tramite gli esperimenti a terra (di Bill Borucki e colleghi), del fatto che la tecnologia era pronta. Una missione viene infatti approvata solo se si ritiene che ne sia garantito il successo. È questo aspetto che ha affossato DARWIN e il TPF ed è lo stesso che mi preoccupa quando penso ai nuovi concetti base di sonde molto intelligenti, come il grande occultatore esterno per la missione New Worlds. Forse non sono abbastanza sognatore. In ogni caso, come insegna Kepler, i tempi d’attesa  delle grandi missioni spaziali sono molto lunghi. Ne consegue che per i prossimi 25 anni sarà molto improbabile che venga lanciata una missione spaziale per cercare i gas marcatori biologici nelle atmosfere dei pianeti simili alla Terra. Se sono fortunato riuscirò a vederla prima di morire. Detto questo, la mia idea è: partiamo da terra!

 

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Thirty Meter Telescope

La sfida a terra

La prima prova di vita extraterrestre verrà dal rilevamento dei marcatori biologici: l’assorbimento derivante da quei gas che ci si aspetta di trovare nell’atmosfera di un esopianeta quando sono prodotti da processi biologici. Gli esempi migliori sono costituiti da ossigeno e ozono, come si vede nell’atmosfera terrestre. L’osservazione di questi gas nelle atmosfere degli esopianeti non sarà la prova definitiva della vita extraterrestre, ma di certo un primo passo. Tali osservazioni richiedono una spettrofotometria di alta precisione, molto difficile da eseguire da terra. Innanzitutto, la nostra atmosfera assorbe e disperde la luce. Si tratta di un problema soprattutto per le osservazioni dei pianeti simili alla Terra, perché i loro spettri mostreranno delle bande di assorbimento nelle stesse lunghezze d’onda dell’atmosfera terrestre. Da parte loro, le turbolenze atmosferiche distorcono la luce che raggiunge i telescopi a terra. La luce quindi non forma dei fronti d’onda perfetti, compromettendo le misurazioni di alta precisione. Inoltre, quando gli oggetti vengono osservati a lungo nel corso di una notte, il percorso della loro luce attraverso l’atmosfera cambia, come cambia la luce stellare che entra nello strumento, rendendo la stabilità un grosso problema. Queste sono le ragioni principali per cui molti appassionati degli esopianeti pensavano fosse impossibile sondarne le atmosfere da terra.

(AVVISO: per chi è interessato a un discorso approfondito sulla spettroscopia ad alta dispersione (HDS) e sulla imaging a contrasto elevato (HCI) abbiamo previsto un  percorso separato. Chi preferisce una lettura facilitata, può continuare senza tener conto di questo avviso).

 

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Giant Magellan Telescope

Per rilevare le caratteristiche di assorbimento delle atmosfere degli esopianeti è ideale la spettroscopia ad alta dispersione (high dispersion spectroscopy, HDS), vale a dire la separazione di un’onda in componenti dello spettro con diverse lunghezze d’onda. L’HDS raggiunge una precisione di un milionesimo della lunghezza d’onda però richiede telescopi di enormi dimensioni, non trasferibili nello spazio. I telescopi spaziali possono raggiungere solo la media dispersione, al massimo di un millesimo della lunghezza d’onda, comportando quindi tempi di osservazione di gran lunga maggiori. Un altro vantaggio dell’alta dispersione è che è sensibile all’effetto doppler dovuto al moto orbitale di un pianeta, il cui segnale può essere così distinto sia da quello della sua stella sia da quello dell’atmosfera terrestre. Due nuovi strumenti nel telescopio VLT permetteranno di estendere la ricerca anche ai pianeti più freddi e più piccoli.
Mentre con l’HDS si analizza la luce della stella filtrata dall’atmosfera dei pianeti più vicini, quelli più distanti possono essere osservati con l’imaging a contrasto elevato (HCI) (anche in combinazione con la coronografia), che riduce la luce della stella. I migliori risultati si ottengono con la combinazione delle due tecniche.

 

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James Webb Space Telescope

Arrivano i giganti

Sia gli Stati Uniti sia l’Europa stanno costruendo una nuova generazione di telescopi che possono essere a ragione chiamati giganti. Il Telescopio Gigante Magellano (Giant Magellan Telescope, GMT) consisterà di sei specchi da 8,4 m, equivalenti a un telescopio del diametro di 24,5 m. Il Telescopio da Trenta Metri (Thirty Meter Telescope, TMT) avrà proprio questa dimensione, mentre il Telescopio Europeo Estremamente Grande (European Extremely Large Telescope, E-ELT) sarà quello più ampio con un diametro effettivo di 39 m. Tutti e tre i progetti sono in competizione per essere pienamente operativi intorno al 2025.
In questa partita le dimensioni sono tutto, in particolare per le osservazioni HDS e HDS+HCI. L’HDS trae beneficio dal numero di protoni che si possono raccogliere, proporzionale al quadrato del diametro. Prendendo in considerazione anche altri effetti, l’E-ELT sarà cento volte più sensibile del VLT (in particolare grazie allo strumento della prima luce METIS e a HIRES). Il telescopio ci porterà vicino all’intervallo necessario per cercare l’ossigeno molecolare nelle atmosfere dei pianeti terrestri che transitano vicino alle nane rosse. Se questi sistemi vicini in transito esistono potremo dirci fortunati. Secondo le simulazioni, le stelle più piccole rendono il segnale trasmesso dall’ossigeno molecolare di un pianeta delle dimensioni della Terra simile a quelli del monossido di carbonio, già rilevati nelle atmosfere dei gioviani caldi. È solo che i sistemi saranno molto più tenui di Tau Bootis e pertanto richiederanno dei telescopi molto più grandi. La tecnologia esiste già, ma si tratta di raccogliere fotoni a sufficienza. Se persino i telescopi estremamente grandi dovessero rilevarsi insufficienti, il problema dovrà essere risolto in modo diverso. Le osservazioni HDS delle stelle luminose non richiedono degli specchi di forma precisa, pertanto potrebbero essere possibili disponendo delle serie di raccoglitori di luce a bassa precisione, ma si tratta di un’ipotesi lontana nel futuro.

Ancora più promettenti sono le capacità di imaging a elevato contrasto dei futuri ELT. I telescopi non solo raccolgono più fotoni, ma vedono anche in maniera più nitida. La loro capacità di vedere i pianeti più tenui nel bagliore delle stelle luminose aumenta fino alla quinta potenza all’aumentare delle dimensioni. Ciò rende l’E-ELT 1000 volte più sensibile del VLT. I pianeti rocciosi nelle zone abitabili delle stelle vicine saranno quindi a portata di mano. Anche in questo caso le simulazioni indicano la possibilità di rilevare emissioni termiche intorno alle stelle più vicine, mentre HDS+HCI nelle lunghezze d’onda ottiche può cercarne lo spettro di riflettanza, magari includendo le firme dell’ossigeno molecolare.

 

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JWST

Missioni spaziali realistiche

Qualsiasi cosa accada con la ricerca degli esopianeti dallo spazio, i telescopi a terra si faranno strada nella caratterizzazione dei pianeti simili al nostro. Ciò non toglie la necessità delle missioni spaziali. Innanzitutto non ho reso giustizia ai dati fantastici e rivoluzionari che ci fornirà il JWST. Poi, una serie di missioni dedicate ai transiti, la TESS della NASA (che verrà lanciata nel 2017) e le CHEOPS e PLATO dell’ESA (2018 e 2024), scopriranno tutti i sistemi planetari vicini in transito, un prerequisito fondamentale per gran parte di quanto fin qui abbiamo discusso.
Soprattutto, le misurazioni da terra non potranno darci un quadro completo delle atmosfere dei pianeti, semplicemente perché gran parte degli spettri non sono da qui accessibili. Pertanto la prova definitiva della vita extraterrestre verrà probabilmente da una missione spaziale del genere di DARWIN o TPF. Il rilevamento da terra dell’acqua nell’atmosfera di un pianeta terrestre aprirebbe delle porte presso i politici, ma della massima importanza sarà il giusto tempismo di tali missioni. Puntando troppo in alto e troppo presto si perderebbe molto tempo e denaro, a spese del progresso nella ricerca degli esopianeti. Sognare è bello, ma senza dimenticare di restare realistici.

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Dott. Ignas Snellen

Ulteriori letture

Snellen et al. (2013) Astrophysical Journal 764, 182: Finding Extraterrestrial Life Using Ground-based High-dispersion Spectroscopy

Snellen et al. (2014), Nature 509, 63: Fast spin of the young extrasolar planet beta Pictoris b 

Snellen et al. (2015), Astronomy & Astrophysics 576, 59: Combining high-dispersion spectroscopy with high contrast imaging: Probing rocky planets around our nearest neighbors .

Titolo originale:”Extraterrestrial Life, The Giants are coming” di Ignas Snellen, pubblicato su Centauri Dreams il 11 settembre 2015

 

Traduzione e adattamento di FAUSTO MESCOLINI

4 maggio 2016 - Posted by | Astrofisica, Planetologia, Scienze dello Spazio | , , , , ,

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