Il Tredicesimo Cavaliere

Scienze dello Spazio e altre storie

Lenti gravitazionali nel Sistema Solare

GL Pianeti

Immagine: la fascia completa delle sfere focali comprese fra 550 e 17.000 UA dal Sole, creata dall’effetto di lente gravitazionale del Sole e di ciascun  pianeta, mostrata in scala. La scoperta di questa fascia di sfere focali è il principale risultato esposto in questo lavoro, insieme al calcolo dei relativi guadagni di antenna. Fonte: C. Maccone.

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 (pianeti extra-solari, 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”. 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 ben addentro alla Nube di Oort alla bella distanza di 550 <UA>.

Dato che abbiamo parlato del fuoco gravitazionale del Sole, è interessante riflettere sulla storia di questo studio. Il pensiero di Albert Einstein sulle lenti gravitazionali in astronomia fu affrontato esplicitamente in un documento del 1936, ma per le formule matematiche alla base del fenomeno su vasta scala si dovette aspettare fino al 1964, quando Sydney Liebes dell’Università di Stanford lavorò con la lente prodotta da una galassia interposta fra la Terra e una quasar lontana. In questo modo nel 1978 l’astronomo britannico Dennis Walsh ottenne la prima “immagine” di una quasar, seguita l’anno successivo dallo studio di Von Eshleman sulla lente del Sole, comprendente l’idea di inviare un telescopio al fuoco del Sole nudo.

Riflettendo su come utilizzare la lunghezza d’onda di 21 cm Eshleman pensò al SETI, il cui concetto fu poi esposto da Frank Drake nel 1987. Se si ha a portata di mano una buona biblioteca accademica, la sua raccolta del Journal of the British Interplanetary Society del 1994 dovrebbe includere i risultati della Conferenza su Missioni Spaziali e Astrodinamica che Claudio Maccone organizzò due anni dopo. Si pensò quindi al telescopio spaziale FOCAL nell’ambito della missione SETISAIL, anche se il SETI sarebbe stato solo uno dei tanti aspetti delle sue indagini scientifiche.(n.d.e.)

FOCAL oltre le stelle

Per cercare un modo di sfruttare la lente gravitazionale del Sole dobbiamo tenere conto della corona solare, un problema che venne presto affrontato sia da Eshleman (Stanford) sia da Slava Turyshev (JPL). Per evitare le distorsioni della corona bisognerebbe inviare un telescopio non a 550 UA di distanza ma ben più lontano, approfittando del fatto che non abbiamo a che fare con un punto focale ma con una linea focale. A tale proposito riportiamo il pensiero di Claudio Maccone:

“una conseguenza semplice ma molto importante della discussione di cui sopra è che anche tutti i punti su una retta oltre questa distanza focale minima sono dei fuochi, perché i raggi luminosi passanti accanto al Sole a una distanza superiore a quella minima hanno un angolo di deflessione più piccolo e pertanto si uniscono a una distanza ancora maggiore dal Sole.”

Abbiamo quindi la possibilità di spostarci oltre le 550 UA, anzi non abbiamo scelta. La corona solare crea quello che Maccone definisce un “effetto di lente divergente”, che si oppone all’effetto convergente associato a una lente gravitazionale. Parafrasando il documento si può dire che la distanza minima che la sonda FOCAL deve raggiungere è maggiore per le frequenze più basse (delle onde elettromagnetiche che attraversano la corona) e minore per le frequenze più alte. Quindi, a 500 GHz il fuoco si trova a circa 650 UA. A 160 GHz, si trova a 763 UA.

Ma nel caso volessimo realizzare ponti radio interstellari, dovremmo forse limitarci all’utilizzo della lente gravitazionale del Sole e di quelle delle stelle vicine, in realtà anche i pianeti possono essere usati a questo scopo. Nel suo studio del 2011 riguardante quest’idea, pubblicato su Acta Astronautica, Maccone produce le equazioni necessarie, notando che il rapporto fra il quadrato del raggio di un pianeta e la sua massa ci permette di calcolare la distanza che una sonda deve raggiungere per poter sfruttare la lente del pianeta stesso. Di conseguenza abbiamo definito il concetto di “sfera focale” di un pianeta.

La lente si sposta nella Nube di Oort .

L’illustrazione a inizio articolo contiene delle sorprese. Ci aspetteremmo Giove in cima all’elenco di lenti planetarie e, in effetti, la sua sfera focale è la prima fuori dal Sole a 6100 UA. È un numero utile da ricordare, perché potremmo scoprire che gli effetti della corona solare sono insormontabili per la produzione delle immagini necessarie. In tal caso, dovremmo usare una posizione a metà strada verso la Nube di Oort interna.

Dato che ha un rapporto elevato fra quadrato del raggio e massa, dopo Giove troviamo Nettuno a 13.525 UA. La sfera focale di Saturno si trova a 14.425 UA, dopodiché troviamo quella della Terra a 15.375 UA. Il nostro pianeta è un miglior candidato di Urano come lente perché è il corpo con la maggiore densità (rapporto fra massa e volume) nel Sistema Solare. Maccone lo sottolinea particolarmente perché conosciamo la superficie e l’atmosfera della Terra meglio di quelle di qualsiasi altro pianeta. Una missione FOCAL utilizzante la Terra come lente partirebbe in netto vantaggio per aggiustare l’immagine distorta di un oggetto distante.

Come potremmo sfruttare queste sfere focali planetarie, che nel caso di Venere si estendono fino a 17.000 UA? Partendo dal Sistema Solare una sonda veloce potrebbe esaminarle una per una, iniziando le osservazioni al calare degli effetti della corona solare. Sottolineando che una sonda diretta ad Alpha Centauri attraverserebbe tutte queste sfere focali, Maccone riflette sugli eventuali risultati:

“Innanzitutto, anche se il Sole è immobile nel quadro di riferimento eliocentrico del Sistema Solare, i pianeti invece si muovono. Ciò significa che attraversano una certa area del cielo visto dalla sonda, la quale potrebbe trarre vantaggio da questa specie di lente di ingrandimento semovente. Quanti sono i pianeti extrasolari che ricadrebbero all’interno di questa lente? Ovviamente al momento non lo sappiamo, ma gli oltre 400 esopianeti scoperti finora [il documento risale al 2011] promettono bene per il rilevamento di molti altri esopianeti da parte di una sonda adeguatamente equipaggiata, che percorra la distanza compresa fra 550 e 17.000 UA e che usi le lenti gravitazionali dei pianeti.”

Tali scoperte sarebbero del tutto serendipiche, a dir poco, dato che la nostra missione per Alpha Centauri in uscita dal Sistema Solare vedrebbe solo ciò che si troverebbe in linea con il pianeta studiato. Il fatto di avere Giove a 6.100 UA e la Terra a 15.375 AU ci offre dei bersagli utili per sperimentare le tecnologie che ci serviranno per ricavare delle immagini dall’incontro con una sfera focale. Uno dei grossi punti interrogativi della missione Breakthrough Starshot è la costruzione e l’utilizzo dei laser in fase. Ma se verranno realizzati e potremo raggiungere velocità pari a una significativa frazione della velocità della luce, missioni dedicate all’esplorazione delle lenti planetarie sarebbero fattibili.

Chiaramente è il Sole la nostra prima opzione come lente gravitazionale, non solo per la relativa prossimità del suo punto focale minimo (550 UA), ma perché il guadagno effettivo della sua lente è più alto di quello della lente di Giove e molto più elevato di quello della lente della Terra. Maccone calcola i valori numerici del guadagno dalla riga dell’idrogeno fino al picco CMB a 160 GHz, valutando ognuno di essi per la lente gravitazionale del Sole oltre che per le sfere focali dei vari pianeti. Se vogliamo lavorare con il potenziale delle lenti planetarie, abbiamo bisogno di notevoli progressi nelle tecnologie delle antenne e dell’imaging, al fine di leggere le deboli firme inviate dai pianeti.

Il documento è: Maccone,  New Belt Beyond Kuiper’s: A Belt of Focal Spheres Between 550 and 17,000 AU for SETI and Science, Acta Astronautica Vol. 69, Nn. 11-12 (Dicembre 2011), pp. 939-948 (estratto).

traduzione di FAUSTO MESCOLINI

editing ROBERTO FLAIBANI

23 maggio 2016 - Posted by | Astrofisica, Astronautica, News, Planetologia, Radioastronomia, Scienze dello Spazio, Senza categoria, SETI | ,

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