Inedite riflessioni sulle Onde Gravitazionali

Non  è stato  semplice  trovare qualcosa di non banale da pubblicare sulle onde gravitazionali, dopo che tutta la stampa mondiale se n’era occupata estesamente per giorni e giorni. Noi speriamo di esserci riusciti traducendo questo articolo di Paul Gilster, a  mio avviso uno dei più grandi divulgatori e commentatori scientifici del nostro tempo. Articolo che abbiamo intenzione di arricchire nei giorni successivi con alcune schede tecniche.

Nella foto sono riprodotte le registrazioni dell’evento che ha generato le onde gravitazionali captate dal LIGO. Come si può vedere i primi due tracciati riportano il tracciato dello stesso evento percepito nei due impianti. La terza registrazione è la sovrapposizione delle prime due.

I letttori noteranno quanto frequentemente nell’articolo è citato Kip Thorne: lo è perché, come Gilster, lo stesso  Thorne è tra quelli che da una vita cercano una nuova scienza che possa condurre un giorno l’Uomo  alle stelle. Fisica “esotica” l’hanno chiamata quelli del 100YSS, il movimento interstellare la cui nascita è stata formalizzata nel 2011, nel corso di uno storico meeting. E un’altra delle idee cardine del movimento interstellare, che accomuna Thorne e Gilster, è il riconoscimento alla fantascienza di ricoprire un ruolo che va oltre quello usuale di mera  predizione di eventi futuri, ma che riguarda la creazione di nuove idee e scenari di carattere scientifico, tecnologico, sociale, filosofico.  Non a caso Thorne è stato il principale consulente scientifico del regista Christopher Nolan sul set di Interstellar, e il motto del blog di Gilster suona come “Immaginare e pianificare l’esplorazione interstellare“. Sarà la scoperta delle onde gravitazionali il primo mattone del nuovo edificio della Fisica “esotica”? Nessuno lo sa. Di certo la previsione, o meglio l’augurio, del 100YSS che aveva fissato tra cento anni la data ultima per ottenere un completo business-plan dellla prima nave interstellare, ora appare meno difficile da realizzare.(RF)

“Einstein sarebbe raggiante“

Così ha detto France Córdova, direttrice della National Science Foundation, mentre dava inizio alla conferenza stampa sulla scoperta delle onde gravitazionali. E non potrei non essere d’accordo, dal momento che questa scoperta ci fornisce l’ennesima conferma dell’attendibilità della Relatività Generale. Kip Thorne del Caltech (California Institute of Technology ndr.), che ha parlato di fusione di buchi neri già nel lontano 1994 nel suo libro Buchi Neri e salti temporali. L’eredità di Einstein  ha detto nella stessa conferenza stampa che Einstein doveva essersi sentito frustrato dalla mancanza di tecnologie disponibili in grado di rilevare le onde gravitazionali ipotizzate nella sua teoria, una mancanza colmata dopo un secolo grazie al contributo di LIGO.

Thorne è convinto che se Einstein avesse avuto a disposizione gli strumenti giusti avrebbe fatto egli stesso la rilevazione. Ma naturalmente gli strumenti non c’erano! Comunque sia, quel pensiero ha prodotto una strana risonanza per molti decenni dalla comparsa della Relatività Generale (RG), fatto che mostra quanto essa abbia cambiato la natura della nostra visione dell’universo. Nel 1911, appena quattro anni prima che Einstein pubblicasse la RG, Hugo Gernsback iniziò a parlare di onde gravitazionali. Questi, futuro direttore della prima vera rivista di fantascienza Amazing Stories, pubblicò il suo romanzo Ralph 124C 41+ proprio nel 1911, in una rivista chiamata Modern Electrics.

Ecco come, nel periodo di poco antecedente la pubblicazione della Relatività Generale, Gernsback ha parlato delle onde gravitazionali, mentre l’eroe del romanzo, Ralph, rifletteva sul suo ultimo dispositivo:

Si sapeva che alcune correnti ad alta frequenza originerebbero un’interferenza con le onde gravitazionali, poiché nella prima parte di questo secolo era stato provato che la gravitazione era effettivamente una forma d’onda, come quelle luminose o radio. Quando questa interferenza tra i due tipi di onde, ovvero le gravitazionali e le elettriche, è stata scoperta, si è riscontrato che uno schermo metallico caricato da onde elettriche ad alta frequenza in effetti annullerebbe in una certa misura la gravitazione…

E così via. Gernsback fece del suo meglio (e forse perfino troppo), ma come avrebbero potuto i suoi poteri di previsione far fronte alle onde gravitazionali? Dopo tutto, la sua epoca era abituata a trattare i fenomeni elettromagnetici. La Relatività Generale avrebbe presupposto una radiazione gravitazionale che, come le onde elettriche da lui menzionate, viaggiasse attraverso lo spazio alla velocità della luce. Ma le onde gravitazionali sono esse stesse distorsioni, increspature, nello stesso spazio-tempo. Aver rilevato onde gravitazionali, quindi, significa che abbiamo avuto un’altra prova a favore della Relatività Generale in una sorta di radiazione diversa da qualsiasi altra Gernsback avrebbe potuto immaginare.

Finalmente la scoperta

Come per le fluttuazioni di espansione e contrazione dello spazio-tempo, possiamo pensare alle onde gravitazionali come un movimento di compressione e stiramento dello spazio. L’accelerazione dei corpi dovrebbe produrre queste increspature, ma solo gli eventi più vasti – l’esplosione di una supernova, una coppia di stelle di neutroni in fusione, o addirittura la collisione tra due buchi neri – sarebbero sufficienti a produrre onde che siamo in grado di rilevare. L’esperimento condotto presso il Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) è stato finalizzato alla ricerca di queste onde per più di un decennio, con un Advanced LIGO più aggiornato in uso dallo scorso settembre e di gran lunga più sensibile rispetto al suo predecessore.

LIGO è impegnato dal 2002 nella ricerca delle onde gravitazionali e ha coinvolto nel lavoro circa 1000 scienziati. L’apparato laser interferometrico, installato presso gli osservatori di Hanford nello Stato di Washington e Livingston in Louisiana, si basa sul fatto che il passaggio di un’onda gravitazionale dovrebbe modificare lo stesso dispositivo, riducendo o ampliando lo spazio tra i due oggetti.

Un singolo fascio laser viene separato in due fasci gemelli, inviati su percorsi diversi perpendicolari tra loro dentro canali sotto vuoto lunghi quattro chilometri, fatti rimbalzare su specchi lungo il percorso e alla fine fatti ricombinare, di nuovo allineati. Il passaggio di un’onda gravitazionale attraverso l’esperimento dovrebbe essere in grado di variare la distanza dei due percorsi, il che significa che i fasci non sarebbero più in allineamento, in breve non si annullerebbero più a vicenda. Le variazioni risultano essere poco più di una piccola frazione dell’ampiezza di un nucleo atomico, ma si sono dimostrate rilevabili.

Una data da ricordare

Ora sappiamo che le prime onde gravitazionali sono state rilevate il 14 settembre 2015 alle 5:51 ora legale orientale (09:51 secondo l’ ora universale, quella del meridiano di Greenwich) in entrambi i siti LIGO. La fusione di un buco nero di 36 masse solari ed un altro di 29 volte la massa del Sole ha creato evidentemente un buco nero di Kerr (buco nero rotante) di 62 masse solari. Si pensa che le tre masse solari perse siano state convertite in energia e rilasciate sotto forma di onde gravitazionali in una frazione di secondo, con un picco di potenza, secondo questo comunicato stampa della National Science Foundation, circa 50 volte superiore a quello di tutto l’universo visibile. Il rivelatore di Livingston ha registrato l’evento 7 millisecondi prima di Hanford.

I due buchi neri si sono scontrati circa 1,3 miliardi di anni fa, in una zona del cielo che può essere determinata solo in modo impreciso, perché abbiamo solo due siti di rilevamento. Ciò nonostante, Gabriela Gonzalez (della Luisiana State University), una portavoce per la partnership LIGO, è stata in grado di indicare il cielo del sud nella regione della Grande Nube di Magellano. C’è da tenere presente che ci sono altri aiuti in arrivo – l’interferometro italiano VIRGO, che sarà vicino alla sensibilità di rilevazione di LIGO entro la fine dell’anno, i rivelatori in preparazione al Japanese Kamioka Gravitational Wave Detector (Kagra) e un altro rivelatore in via di realizzazione a LIGO- India (che potrebbe essere operativo entro il 2022). È da ricordare, inoltre, il satellite LISA Pathfinder (Laser Interferometer Space Antenna) che, lanciato nel mese di dicembre, ha ormai raggiunto il punto di Lagrange L1 Sole – Terra.

Nell’immagine: simulazione di due buchi neri che si stanno fondendo davanti alla Via Lattea. nel suo insieme. Credit: SXS Collaboration.

Verso una nuova astronomia

In altre parole, stiamo per entrate nell’era dell’astronomia delle onde gravitazionali. A partire da questa rilevazione di LIGO, abbiamo già imparato che esistono i buchi neri binari e che essi possono fondersi. Un metodo verificato per rilevare le onde gravitazionali dovrebbe portarci a comprendere le basi di diversi fenomeni astronomici. È difficile accertare quanto diversi perché, come spesso il paragone con il primo strumento di Galileo ci ricorda, cose inaspettate saltano fuori ogni volta che si comincia a osservare con nuovi strumenti. Le onde gravitazionali ci forniscono un modo di vedere nei primissimi momenti dell’universo. E ci offrono sicuramente la via d’accesso dentro processi violenti quali le fusioni tra buchi neri e tra stelle di neutroni, e le esplosioni delle supernove. Così ci muoviamo al di là delle lunghezze d’onda elettromagnetiche – luce visibile, raggi X, raggi infrarossi – in una nuova era.

Ha detto Kip Thorne alla conferenza stampa:

Alla lunghezza d’onda del visibile siamo in grado di vedere l’universo come un luogo tranquillo, come guardare l’oceano in una giornata di bonaccia. Ma il 14 settembre tutto è cambiato. Ora vediamo un oceano di onde che si infrangono nella violenta tempesta creata dai buchi nel tessuto dello spazio e del tempo.

Thorne ha continuato parlando del tipo di scoperte che saranno possibili con i progressi nell’astronomia delle onde gravitazionali, non solo i buchi neri, le stelle di neutroni e le supernove precedentemente menzionati, ma anche la possibile individuazione di stringhe cosmiche provenienti attraverso le diverse parti del cosmo, create dal processo d’inflazione nei primi momenti dell’universo.

Aggiunge Thorne:

Con questa scoperta noi esseri umani ci stiamo imbarcando in un nuovo viaggio meraviglioso, che si propone di esplorare l’aspetto curvo dell’universo, oggetti e fenomeni generati dallo spazio-tempo curvo. La collisione tra i buchi neri e le onde gravitazionali sono i nostri primi bellissimi esempi. 

La distanza temporale tra il primo racconto di Gernsback e la Relatività Generale di Einstein era di quattro anni. Quella tra la rilevazione delle onde gravitazionali e la RG è stata di un secolo, un arco di tempo in cui i fondamenti della Relatività Generale sono entrati a far parte del tessuto della cultura scientifica di base. È utile, come esperimento mentale, proiettarci di nuovo in quell’epoca pre-RG e riflettere su quanto drammatico debba essere stato il cambiamento concettuale provocato da Einstein.

 

Immagine: Ritratto dell’editore di riviste Hugo Gernsback (1884-1967), di Fabian Bachrach (1917-2010). Credit: Wikimedia Commons

Un  esperimento mentale antico

L’esperimento mentale è un modo per vedere come i preconcetti possono essere ribaltati in modo drammatico, che è il motivo per cui a volte ritorno a vecchie storie fuori moda come Ralph 124C 41+ di Gernsback. Si tratta di un romanzo famoso negli annali della fantascienza, ma di lettura ampollosa. Brian Aldiss una volta lo descrisse come un “racconto di cattivo gusto per analfabeti” e il suo autore considerava evidentemente la sua trama come poco più di un trampolino per il suo vero scopo, la descrizione di meraviglie tec iche futuristiche. Gernsback non era un Einstein, ma poi, chi era costui? Era un inventore, un editore con un’ampia gamma di riviste, i cui contributi alla fantascienza furono così grandi da far intitolare il Premio Hugo annuale a suo nome. Era inoltre famoso per pagare ai suoi autori compensi molto bassi (Howard Phillips Lovecraft lo chiamava ‘Hugo il Ratto’). Pochi appassionati di fantascienza oggi hanno letto Ralph 124C 41+, ma quel gusto degli inizi del XX secolo per le previsioni straordinarie di stampo tecnologico trasse impulso da quel libro, stimolando un genere emergente e vivace.

La fantascienza attuale, con tutti i suoi sottogeneri, prende la Relatività Generale come punto di partenza per il futuro, continuando a impicciarsi di come la teoria potrebbe essere estesa in modo utile sia per la scienza che per la trama. È anche possibile che, entro i prossimi cento anni, attraverso l’astronomia delle onde gravitazionali potremmo trovare qualcosa che è profondamente difforme dal pensiero corrente quanto la Relatività Generale lo è stata ai suoi tempi. Quando abbiamo progredito verso la RG non abbiamo abbandonato la fisica newtoniana, l’abbiamo semplicemente messa in un contesto più ampio. Apri una nuova porta sull’universo e le cose accadono. Possiamo solo chiederci che aspetto avranno la scienza, e la fantascienza, tra un secolo a partire da oggi.

L’articolo di riferimento è “Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger,” Physical Review Letters 116 (11 febbraio 2016) 061102. Si veda anche questo utile riferimento dalla rivista online Physics, dell’American Physical Society: Berti, “Viewpoint: The First Sounds of Merging Black Holes”.

Traduzione di Simonetta Ercoli

Editing di Donatella Levi

 

Titolo originale: “Pondering Gravitational Waves” di Paul Gilster, pubblicaato l’11 febbraio 2016 su Centauri  Dreams

WFIRST – una visione più ampia

La NASA sta lavorando alacremente alla preparazione del lancio nel 2018 del telescopio spaziale James Webb (JWST), successore dell’onorato telescopio spaziale Hubble (HST), che ha celebrato il suo 25° compleanno in aprile. Guardando oltre a JWST, la NASA ha indicato in WFIRST (Wide Field Infrared Survey Telescope) il suo prossimo e ambizioso telescopio spaziale di punta.

Se nel 2016 verrà approvato, WFIRST potrà essere pronto per il lancio nel 2024, in una missione per studiare l’energia oscura, eseguire ampie osservazioni nell’infrarosso della galassia e del cielo extragalattico, rivoluzionare la nostra conoscenza della demografia dei sistemi planetari e fare un grande passo in avanti nella tecnologia necessaria alla scoperta e allo studio di un altro “pianeta azzurro” intorno ad una stella vicina.

L’origine di WFIRST

WFIRST è nato nel corso dell’indagine che l’Osservatorio Decennale di Astronomia ed Astrofisica del Consiglio Nazionale per la Ricerca ha svolto nel 2010, un evento che ha luogo ogni dieci anni in cui la comunità astrofisica statunitense studia i concept di missione e le questioni scientifiche fondamentali, per poi emanare raccomandazioni alle diverse agenzie governative che supportano la ricerca astrofisica (la NASA, la National Science Foundation e il Dipartimento dell’Energia).

Tre delle più affascinanti proposte presentate per la valutazione avevano obiettivi scientifici molto diversi ma analogie nelle implementazioni del loro hardware, quali uno specchio primario di circa 1,3 metri di diametro e una grande camera ad infrarosso. Il Decadal Survey concluse che gli obiettivi scientifici delle tre proposte potevano essere realizzati da un unico telescopio spaziale. Fu dunque raccomandato che, per quanto riguardava i grandi progetti astronomici spaziali (superiori a 1 miliardo di dollari), la NASA perseguisse prioritariamente questa missione.

Alla fine del 2010 l’agenzia aveva dunque riunito un gruppo di scienziati e ingegneri allo scopo di iniziare la programmazione di WFIRST. Mentre il team iniziava a elaborare il progetto dettagliato del telescopio, in un’altra sezione dell’Agenzia si stavano svolgendo negoziati che promettevano di cambiare profondamente la configurazione di WFIRST. Infatti, agli inizi del 2011 il National Reconnaissance Office (NRO), un’agenzia di ricerca statunitense, donò alla NASA due telescopi spaziali inutilizzati che erano stati costruiti una decina di anni prima, ma che non erano mai stati messi in orbita. Questi telescopi avanzati avevano specchi di 2,4 metri di diametro, la stessa dimensione dell’HST e quasi il doppio del diametro programmato inizialmente per WFIRST. La NASA accettò i telescopi ma non rivelò la loro esistenza al pubblico (nemmeno al team di WFIRST!) fino al giugno 2012. Quest’elevata tecnologia incrementò enormemente le capacità di WFIRST, permettendo un’area di raccolta della luce quattro volte più ampia di quella programmata e una capacità di risoluzione doppia. Il primo telescopio donato dall’NRO fu chiamato AFTA (Astrophysics Focused Telescope Assat) e l’incarnazione di WFIRST che utilizza questo gradito regalo viene spesso chiamato WFIRST-AFTA. Il secondo telescopio sarà messo da parte fino a quando la NASA non troverà un’altra applicazione idonea e il finanziamento necessario per utilizzarlo al meglio.

UN TELESCOPIO AVANZATO, QUATTRO OBIETTIVI

Considerati i 25 anni di servizio dell’HST, ci si potrebbe chiedere quale sia il vantaggio di un altro telescopio spaziale delle stesse dimensioni. La risposta sta nell’incredibile campo visivo di WFIRST, ovvero quanta parte di cielo può vedere in una sola volta. Per le lunghezze d’onda vicine all’infrarosso, che sono scientificamente interessanti ma relativamente difficili da osservare utilizzando telescopi terrestri, HST ha una camera da 1 megapixel, ma WFIRST avrà uno schieramento di sensori che lo porteranno ad un colossale 288 megapixel! Nei suoi 25 anni HST ha osservato alcune decine di gradi quadrati di cielo (sugli oltre 40.000 gradi quadrati di cielo); WFIRST, invece, sarà in grado di scrutare migliaia di gradi quadrati all’anno. Sebbene JWST, successore dell’HST, avrà uno specchio molto più grande (6,5 metri), il suo campo visivo rimarrà simile a quello dell’HST, mentre quello, davvero stupefacente, di WFIRST lo porterà ad osservare ampie aree di cielo, un requisito indispensabile per tre dei suoi quattro obiettivi fondamentali.

Primo obiettivo : comprendere l’energia oscura

Nel 1998 due squadre di astronomi scoprirono contemporaneamente che l’espansione dell’universo sta accelerando, invece che rallentare come si pensava in precedenza. La scoperta di questa espansione accelerata fece loro guadagnare il Premio Nobel per la fisica 2011 a pari merito. “Energia oscura” è il nome onnicomprensivo che gli scienziati danno a qualunque forza o proprietà dello spazio-tempo stia causando l’accelerazione dell’espansione. Mentre conosciamo molto poco riguardo a questa misteriosa energia oscura, gli astronomi ora ritengono che possa essere la componente prevalente del rapporto totale massa/energia dell’universo.

WFIRST userà tre tecniche per studiare gli effetti dell’energia oscura. La prima consiste nell’esaminare le esplosioni stellari, o supernovae, che oscurano per breve tempo la luce dei circa 100 miliardi di altre stelle nelle loro galassie ospiti. Studiando queste esplosioni, possiamo vedere attraverso grandi distanze: in pratica, scrutando indietro per due terzi del percorso verso il Big Bang, possiamo vedere come l’universo si sia espanso sotto l’influenza dell’energia oscura. WFIRST esaminerà anche le posizioni delle galassie nello spazio, dal momento che l’energia oscura lascia una firma rivelatrice sul raggruppamento spaziale delle galassie. Infine, WFIRST utilizzerà l’effetto lente gravitazionale debole, in cui la presenza della materia curva il percorso della luce (un effetto molto simile al microlensing). La lente debole si riferisce alle piccole distorsioni nelle forme di galassie lontane causate dalla massa presente tra noi e quelle galassie, dandoci informazioni sulla massa stessa e sugli effetti che ha su di essa l’energia oscura.

Secondo obiettivo: osservazioni del cielo nell’infrarosso

Le prime notizie di stampa riguardanti WFIRST si sono focalizzate soprattutto sull’energia oscura che, se pur entusiasmante, è solo una delle aree in cui si prevede che WFIRST avrà un forte impatto. WFIRST terrà da parte un anno e mezzo di tempo a disposizione di osservatori ospiti. Astronomi di tutto il globo, in competizione fra loro, potranno richiedere del tempo su WFIRST per utilizzare le sue capacità uniche di osservare il cielo nell’infrarosso. Gli esperti valuteranno le richieste e assegneranno il tempo per eseguire le osservazioni più interessanti dal punto di vista scientifico. Favorendo l’implementazione delle idee migliori, WFIRST potrà offrire dei grandi contributi in diverse aree dell’astronomia.

Terzo obiettivo: ricerca di pianeti extra-solari

Il terzo e il quarto aspetto di WFIRST si riferiscono allo studio dei pianeti extra-solari (più brevemente esopianeti). L’indagine di microlensing operato da WFIRST potrà rilevare oltre 2.000 pianeti, inclusi quelli analoghi ai pianeti del nostro sistema solare eccetto Mercurio, che è troppo vicino alla sua stella. WFIRST è complementare alla missione Kepler della NASA, destinata alla scoperta dei pianeti, in cui Kepler si è distinta nel trovare i pianeti caldi (quelli vicini alle loro stelle madri) mentre WFIRST eccelle nel trovare i pianeti freddi (quelli più lontani dalle loro stelle) e persino i cosidetti pianeti nomadi, che non orbitano intorno a nessuna stella. WFIRST completerà pertanto la rilevazione demografica dei pianeti nella nostra galassia iniziata da Kepler e ci dirà quanto siano comuni i diversi pianeti in tutti i loro gradi di dimensioni, temperature e distanze dalle stelle ospiti. Questo favorisce l’obiettivo a lungo termine della NASA di comprendere la frequenza dei pianeti nella zona abitabile, la regione intorno a una stella in cui è possibile la presenza di acqua liquida. Gli scienziati pensano che un pianeta delle dimensioni della Terra nella zona abitabile sia la nostra migliore scommessa per trovare la vita al di fuori del nostro sistema solare.

Quarto obiettivo: osservare gli esopianeti usando il coronografo

Il microlensing, che ci permette di individuare gli esopianeti ma non di vederli direttamente, era il livello di competenza che ci si aspettava da WFIRST per la scoperta degli esopianeti, secondo quanto previsto dalla Decadal Survey nel 2010. Tutto questo è emozionante, ma gli scienziati vorrebbero anche poter essere in grado di avere immagini dirette degli esopianeti per studiarli con maggiore dettaglio. Con la donazione dell’hardware di AFTA, questo è diventato possibile. Il telescopio AFTA, più grande, ha permesso alla NASA di aggiungere a WFIRST un coronografo, per consentire una rappresentazione diretta degli esopianeti più prossimi; fatto tecnicamente impegnativo, perché essi sono molto vicini alle stelle (secondo la scala astronomica) e molto meno luminosi della loro stella. Quindi un coronografo deve bloccare quanta più luce possibile dalla stella centrale, così da permettere agli altri strumenti di catturare quella, relativamente debole, proveniente dal pianeta. Il Decadal Survey ha messo lo sviluppo di una tale tecnologia in cima alle sue priorità per gli investimenti cosiddetti di “media entità” (centinaia di milioni di dollari) per l’astronomia spaziale. L’aggiunta di un coronografo a WFIRST permetterà che questa raccomandazione venga rispettata, non solo sviluppando la tecnologia in laboratorio ma anche facendola volare nello spazio. L’indice di contrasto previsto del coronografo WFIRST è un migliaio di volte superiore a qualsiasi cosa sia già stata realizzata – e negli ultimi due anni sono stati fatti dei grandi progressi nei test di laboratorio verso questo obiettivo. Se ci si riuscirà, grazie a WFIRST saremo in grado di rilevare direttamente pianeti della dimensione di Nettuno o più grandi.

RIPRENDERE LE IMMAGINI DI UN ALTRO PIANETA AZZURRO

Il coronografo di WFIRST è solo il punto di partenza verso una missione ancora più entusiasmante nel futuro. Se l’uso di un coronografo su WFIRST per riprendere immagini di esopianeti avrà successo, apriremo la strada ad una missione successiva con un telescopio e un coronografo più potenti. Una tale missione potrebbe essere in grado di riprendere immagini (e spettri) di pianeti delle dimensioni della Terra nella zona abitabile di stelle vicine. Questo ci permetterebbe di cercare la presenza di acqua e ossigeno – possibili segni di vita – nelle atmosfere di questi pianeti. WFIRST quindi rappresenterà un passo avanti verso la scoperta di un altro “pianeta azzurro” e la comprensione della presenza della vita nell’universo.

Traduzione di SIMONETTA ERCOLI

editing di DONATELLA LEVI

Titolo originale: ” A Wider View” by Jason Rhodes

JASON RHODES è un “cosmologo dell’osservazione” in forza al JPL della NASA, e sta lavorando per comprendere i misteri della materia e dell’energia oscure usando telescopi come WFIRST, oppure come Euclide dell’ESA. Quando non è impegnato a progettare missioni spaziali, dedica il suo tempo alla moglie Alina, sua collega cosmologa al JPL.

L’articolo è stato pubblicato per la prima volta da The Planetary Report 2015 v35, n.02

Galleria Immagini

1.

Come risultato dell’effetto di microlensing, la luminosità di una stella lontana misurata da un telescopio aumenta e poi diminuisce con il tempo (come si vede dalla curva rossa in alto), quando una stella e/o un pianeta ci passa davanti.

Che cosa è il microlensing gravitazionale?
Il microlensing approfitta del fatto che la materia piega lo spazio e curva il percorso della luce, permettendo a corpi massivi di agire come lenti di ingrandimento. Riprendendo le immagini di molte migliaia di stelle nel nucleo centrale densamente popolato della galassia e misurandone la luminosità, possiamo aspettarci una sovrapposizione di una stella che funge da lente in primo piano su una stella sorgente sullo sfondo. La massa della stella lente ingrandisce l’immagine della stella sorgente passandovi davanti, proprio come farebbe una lente di vetro. Quando questo avviene, noi rileviamo un’apparente maggiore luminosità della stella. Contemporaneamente appaiono due immagini della stella sullo sfondo, troppo vicine tra loro perché noi le si possa distinguere (anche con WFIRST); comunque queste immagini non sono fondamentali per il processo di rilevamento. In qualche caso, la stella in primo piano avrà un pianeta e quel pianeta agirà brevemente come un’altra lente per la stella sorgente, causando una piccola, veloce anomalia nel lento cambiamento della “curva della luce”, o misura della luce totale raccolta dalla stella. Questa piccola anomalia indica la presenza del pianeta, e la relativa forma dell’anomalia, insieme con la curva totale della luce di microlensing, può darci informazioni sul rapporto tra le masse delle stelle ed il pianeta ed anche sulla distanza tra la stella lente ed il pianeta.

2.

Mentre la soda spaziale Kepler è molto più sensibile nel rintracciare i pianeti vicini alle loro stelle madri, WFIRST sarebbe molto più sensibile verso quelli lontani, come mostrato in questo diagramma della distanza dalla stella madre rispetto alla massa degli esopianeti. Le scoperte di pianeti stimate per Kepler sono mostrate come punti arancioni; i punti verdi sono le simulazioni delle future scoperte di WFIRST. Quest’ultimo sarà anche in grado di trovare pianeti non legati a stelle madri. I punti grigio scuro rappresentano esopianeti non rilevati da Kepler. Solo per gioco sono stati aggiunti la Terra e altri pianeti.

3.

Questa simulazione di un’immagine ottenuta con un coronografo illustra come la schermatura della luce brillante di una stella permette l’osservazione della luce relativamente debole dei suoi due pianeti. La donazione dell’Astrophysics Focused Telescope Asset (AFTA) permette di aggiungere un coronografo a WFIRST, permettendo agli scienziati di andare alla ricerca di esopianeti nello spazio.

4.

un coronografo non è il solo modo per bloccare la luce di una stella in modo da consentire un’immagine diretta di un esopianeta. La NASA sta studiando dei concept per un’opzione esterna denominata starshade (ombrello stellare). Questa navicella a volo libero potrebbe essere manovrata posizionandola precisamente in modo da lasciare che la luce di un pianeta oltrepassi il suo bordo esterno, mentre la parte più interna blocca la luce della stella. I “petali” dello starshade creano un bordo più tenue che diminuirebbe la curvatura della luce. Per vedere un’animazione dell’apertura dello starshade, (qui in immagine), e anche un video del test di apertura del prototipo presso lo JPL, andare a planet.ly/starshade

Il planetario: un percorso tra archeologia e tecnologia

Il Planetario, oggi, si presenta come uno strumento di sintesi tra la sfera celeste e la rappresentazione dei principali moti dei corpi celesti che su di essa si spostano. In passato questi due aspetti erano studiati separatamente: per la sfera celeste venivano utilizzati mappe e globi, per il moto dei corpi si utilizzavano le sfere armillari. Nel III secolo a. C., ad Alessandria d’Egitto, Eratostene costruì la prima sfera armillare, costituita da anelli metallici (armillae), ciascuno dei quali rappresentava uno dei cerchi di riferimento per l’orientamento celeste: equatore, orizzonte, eclittica, meridiani e paralleli. Tale strumento, nato come espressione del sistema geocentrico, seguì l’evoluzione delle conoscenze dell’uomo e venne adeguata al sistema eliocentrico, sostenuto da Copernico. Nei musei se ne trovano di varia dimensione e foggia, espressione del valore estetico relativo al periodo di costruzione.
Comunque, l’esigenza di rappresentare un cielo trapunto di stelle (su pareti, mappe, quadri o meglio ancora su di un soffitto, così da simulare proprio la volta celeste) risale alla notte dei tempi…
In epoca sumerica, III millennio a.C., venivano costruiti planisferi in terra cotta su cui erano riportati segmenti con l’iscrizione del nome di un mese dell’anno, associato ad una costellazione e ad un numero. Sul retro, poi, era descritta in cuneiforme la posizione di determinate stelle.

(fig.1)

Sempre risalenti al III millennio a.C. sono le incisioni rupestri rinvenute in Armenia, sul monte Gegama non lontano dal lago Sevan; su di esse sono raffigurate le stelle del Leone, dello Scorpione e del Sagittario, così come erano visibili ad occhio nudo. Le stelle sono rappresentate da un cerchio con un punto al centro e di diametro diverso in base alla loro luminosità. Alcuni studiosi sostengono che gli abitanti degli altopiani armeni praticavano la divisione della sfera celeste in costellazioni già molto tempo prima dei Greci e degli Egizi.
Ed ancora, datato 1.600 a.C. è un manufatto, noto come Disco di Nebra, rinvenuto in Germania una ventina  di anni fa, nel quale è rappresentato il cielo notturno.
Tra le mappe una delle più antiche, se non la più antica, è la mappa celeste cinese, risalente al VII secolo d.C., rinvenuta nella grotta di Dunhuang, in Cina, intorno agli anni cinquanta ed ora conservata presso il British Museum di Londra. Lunga circa 2 metri, mostra 1339 stelle rappresentate con tre colori diversi e organizzate in costellazioni, tra le quali sono  riconoscibili forme quali il Grande Carro e Orione.

Sicuramente le rappresentazioni più suggestive del cielo stellato sono quelle che raffigurano la volta celeste su di un soffitto. Diverse erano le motivazioni alla base della loro realizzazione, dalla pura esigenza estetica alla rappresentazione del cielo di un determinato giorno per suggellare un evento particolare.
Una delle testimonianze più antiche di rappresentazione del cielo notturno su di un soffitto è nella tomba di Senenmut, l’architetto di corte e amante della regina-faraone Hatshepsut, figlia legittima del faraone Tuthmosi I nella XVIII dinastia. Per la gloria ultraterrena della regina fu costruito il grande complesso templare di Deir el Bahari, vicino al quale si trova la toma dell’architetto; nella camera A di questa è dipinta una delle più complete rappresentazioni del cielo degli Egizi. Dalla posizione degli astri, gli scienziati sono potuti risalire al periodo della realizzazione individuato intorno al 1463 a.C.. Un altro bellissimo soffitto astronomico si trova nella tomba ipogea della bella regina Nefertari (1295-1255 a.C.), moglie del faraone egizio Ramses II, nella Valle delle Regine. Tutto il soffitto ha come sfondo un cielo stellato di un intenso blu scuro, su cui risaltano i dipinti che illustrano il viaggio verso la notte e il sonno eterni di Nefertari. Presso gli Egizi la notte era simboleggiata dalla dea del cielo Nut, rappresentata come una donna piegata ad arco sopra la terra, nell’atto di inghiottire il Sole al tramonto per partorirlo di nuovo all’alba.

(fig.2)

Le stelle, disseminate su questo soffitto, come su tutte quelle di tombe e templi egizi, sono sempre a cinque punte: un tipo di stella (detta anche pentagramma o stella pitagorica) a figura geometrica, costruita sulla base della sezione aurea. Un altro esempio importante del periodo egizio, ma più tardo, IV-III sec. a.C., si trovava nel Tempio di Hathor a Dendera, ora in esposizione al Louvre di Parigi. Si tratta di un bassorilievo, in pietra arenaria, di forma quadrangolare che racchiude un disco centrale di 155cm. di diametro, costruito presumibilmente tra il 54 e il 21 a.C.. Esso, riconosciuto al momento come la più importante rappresentazione delle costellazioni egizie e la mappa più completa di tutto il cielo antico, si presenta come una sintesi tra le 12 costellazioni zodiacali di origine assiro-babilonese e greca, posizionate al centro, e quelle egizie che le circondano.

(fig.3)

Ampie volte trapunte da mosaici di stelle, generalmente prive di riferimenti astronomici, caratterizzano edifici e chiese di epoca bizantina, come il Mausoleo di Galla Placidia a Ravenna (V secolo d.C.), la cui cupola è ricoperta da ben 570 stelle dorate disposte in cerchi che sembrano creare quasi un effetto di proiezione verso lo spazio infinito. E più tardi le volte affrescate del periodo medioevale, quali la Cappella degli Scrovegni a Padova, la Basilica superiore di San Francesco ad Assisi, la cattedrale di Siena, il Duomo di San Gimignano e molte altre. Un esempio diverso di volta stellata è presente identico in due monumenti fiorentini: la Sagrestia Vecchia nella chiesa di San Lorenzo e la Cappella dei Pazzi in quella di Santa Croce. Gli affreschi riportano la stessa configurazione astronomica del cielo che, dopo accurati studi, è stata identificata in quella visibile su Firenze il 4 luglio 1442, giorno in cui Renato d’Angiò arrivò nella città per chiedere un appoggio militare, per riconquistare il trono del Regno di Napoli sottrattogli da Alfonso d’Aragona.

(fig.4)

Ed ancora, nella prima metà del Cinquecento, in periodo Rinascimentale, il cielo stellato sulla volta dell’Oratorio romanico di Santa Maria in Solario a Brescia. Particolare, invece, è la volta del salone del Collegio del Cambio a Perugia, divisa in sei spicchi triangolari ed una la vela centrale a forma di losanga, che il Perugino affrescò nel 1500. In ciascuno spicchio si trova la personificazione di un dio/pianeta abbinato a segni zodiacali e raffigurato su un carro trionfale trainato da animali. Sono presenti anche il Sole, rappresentato da Apollo, e Diana che simboleggia la Luna.

(fig.5)

A tutte queste espressioni di cielo stellato, però, manca un aspetto importante l’effetto tridimensionale, che si ha all’interno della cupola di un planetario. Testimonianza dei primi tentativi di costruzione di globi celesti tridimensionali si ha già nel VI e nel III secolo a.C. ma nessun reperto è giunto fino a noi. Si hanno solo documentazioni indirette, come testi, illustrazioni o addirittura mosaici, quale quello conservato nel Museo Nacional de Arte Romano a Merida, in cui è raffigurato un globo affiancato dal poeta astronomo greco Arato (III secolo a.C.), autore del poema Phoenomena e costruttore di un globo, basato sulle concezioni astronomiche di Eudosso del IV secolo a.C., anche questo andato perduto. Un particolare globo in marmo bianco, inciso da numerosi cerchi e fori, fu rinvenuto nel 1985 nella città di Matelica, mentre venivano eseguiti lavori di restauro del palazzo pretorio. Un accurato studio sia dal punto di vista astronomico che archeologico, ancora peraltro in atto, ha riconosciuto il reperto, databile tra il II e il I secolo a.C., come la sintesi tra due diversi strumenti: una sfera armillare ed un orologio solare sferico. Altro globo astronomico antico è quello in marmo di 65 cm di Ø, portato da Atlante sulle spalle, “Atlante Farnese”, scultura del II sec. d.C. forse riproduzione di un’opera antecedente, che troneggia all’ingresso del Museo Archeologico Nazionale di Napoli. Su di esso è scolpita la posizione occupata dalle costellazioni nel cielo, secondo il catalogo di Ipparco di Nicea del II sec. a.C..

(fig.6)

Bello il globo in legno, conservato presso il museo di Khiva (Uzbekistan) e costruito da Ulugh Bek, sovrano dell’Impero timuride ed importante astronomo e matematico del XV sec.. Su di esso sono raffigurate le principali costellazioni, secondo il catalogo delle Tavole Zig, sempre stilato dal sovrano nel 1437 e usato in Europa fino al XVII sec..

                                                           (fig.7)

Interessante anche quello costruito nel 1589 da Petrus Plancius (Pieter Platevoet) insieme a Jacob Floris van Langren, in cui sono raffigurate, anche se in posizione non precisa, le costellazioni dell’emisfero celeste sud.I globi, comunque, offrono una visione del cielo dall’esterno, e non quella immersiva che si ha nei planetari moderni. Per trovare una struttura concettualmente simile a questi, bisogna aspettare la metà del Seicento, almeno secondo le testimonianze storiche ed archeologiche finora raccolte. Questa si trova presso l’Antico Osservatorio Astronomico di Pechino, costruito nell’epoca delle dinastie Ming e Qing ed uno dei più antichi del mondo. La costruzione dell’osservatorio iniziò nel 1437, in sostituzione di un’antecedente torre astronomica di legno, e fu successivamente implementato prima ad opera dei musulmani e in seguito dei gesuiti; da ricordare tra questi ultimi l’importante figura di padre Matteo Ricci.

(fig.8)

Nelle sale adiacenti al corpo principale dell’osservatorio si trova un museo dedicato all’astronomia cinese; sul tetto, invece, sono collocati gli strumenti in bronzo progettati nel 1674 dai gesuiti su commissione dell’imperatore Kangxi: un’armilla eclittica, un teodolite, un sestante e un quadrante a forma di drago. Questi, decorati in stile cinese, sostituirono le vecchie versioni mongole in uso da secoli. Altri strumenti di diversi materiali e dimensioni sono alloggiati nel piccolo parco che circonda l’osservatorio; in fondo al parco, dalla parte opposta al corpo centrale si trova una costruzione in pietra con una forma leggermente a tronco di piramide, sormontata da un emisfero in metallo. Su di esso sono rappresentate le costellazioni, con incisioni per le linee che ne definiscono il disegno e fori più o meno grandi per la simulazione delle stelle. Una piccola porta dava accesso all’interno di una camera angusta, da cui era possibile vedere l’effetto del cielo stellato guardando sulla volta traforata.

La storia dei planetari moderni era iniziata!

SIMONETTA ERCOLI

 

 

Bibliografia

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2. Descrizione dell’Egitto, pubblicata per ordine di Napoleone Bonaparte, Bibliotheque de L’Imagine;
3. Raccolte, I testi delle piramidi;
4. Antoine Gautier, L’observatoire du prince Ulugh Beg, in L’Astronomie, Octobre 2008, volume 122.
5. http://planet.racine.ra.it/testi/egizi.htm;
6. http://www.starlightgroup.it/index.php/approfondimenti/sotto-il-cielo-di-dendera-di-simonetta-ercoli.html
7. http://www.acacialand.com/Orion.html.
8. http://www.antiqui.it/archeoastronomia/armenia.htm
9. http://planet.racine.ra.it/testi/mesopo.htm
10. http://www.lescienze.it/news/2003/01/26/news/la_piu_antica_mappa_stellare_-588610/
11. http://www.eanweb.com/2012/astronomia-in-cina-una-storia-plurimillenaria/
12. http://it.wikipedia.org/wiki/Planetario
13. http://www.didatticarte.it
14. https://archeologiavocidalpassato.wordpress.com/tag/senenmut
15. http://www.cartigli.it/Graffiti_ed_iscrizioni/Senmut/Tomba%20di%20Senmut.htm
16. http://www.antiqui.it/archeoastronomia/globo.htm