L’osservazione dell’Universo è sicuramente il modo più diretto per comprenderlo e studiarlo e soprattutto per capire quanto i modelli fisici e le leggi elaborate nel corso della storia dell’uomo siano vicini o meno alla rappresentazione della realtà. Tuttavia non tutti i fenomeni presenti nell’Universo possono essere osservati attraverso lo studio della luce visibile, la quale occupa un intervallo molto ridotto dello spettro elettromagnetico. Uscendo da questo intervallo e sconfinando per esempio nell’infrarosso oppure nell’ultravioletto, fino all’utilizzo di raggi X e Gamma, è possibile andare oltre e studiare non solo fenomeni di alto contenuto energetico, ma anche spingersi nelle profondità dello spazio e del tempo. La radioastronomia è uno dei mezzi più potenti a disposizione della scienza per poter “guardare” quell’Universo invisibile che pure esiste e nasconde le risposte alle domande più importanti sulla sua nascita, il suo sviluppo e sul perché esso è fatto così e non diversamente.

Ilc_9yr_moll_medium.

Saturn_VR54_hi_medium.

I radiotelescopi

Per studiare le onde elettromagnetiche provenienti dagli angoli più remoti dell’Universo si usano i radiotelescopi. Questi telescopi molto speciali sono in grado di osservare le lunghezze d’onda più alte dello spettro. Essi possono essere realizzati in forme diverse ma constano tutti sostanzialmente di alcuni elementi fondamentali: un’antenna e un certo numero di elementi ricevitori per rilevare il segnale. Sono anche i telescopi più grandi esistenti sulla Terra, in quanto devono essere in grado di captare e amplificare i segnali debolissimi provenienti dall’Universo. Tuttavia, essendo particolarmente sensibili, risentono delle interferenze radio dovute alle apparecchiature elettroniche.

Come funziona un radiotelescopio

Il cuore pulsante di un radiotelescopio è certamente l’antenna. Essa è costituita da un dipolo metallico che reagisce ogni volta che un’onda urta contro la sua superficie: non appena l’onda colpisce il corpo metallico, in esso gli elettroni si muovono e generano una corrente molto debole. Successivamente un ricevitore attaccato al conduttore converte questa debole corrente in un segnale.

La massima lunghezza d’onda che può essere captata dipende dalle dimensioni dell’antenna. La tipologia di antenna più versatile è quella costituita da un piatto parabolico, poiché la parabola ha la caratteristica di concentrare le onde in un unico punto, chiamato fuoco. Queste antenne sono in grado di captare diversi tipi di lunghezze d’onda alla volta e perciò c’è bisogno di diversi ricevitori per sintonizzarsi con le frequenze che si vuole indagare.

MagStreamonMW_medium.

Ma quanto è in grado un radiotelescopio di distinguere i suoni del Cosmo?

Per rispondere bisogna partire da due casi. Se le lunghezze delle onde radio che si vogliono studiare sono molto piccole, la precisione del disco del telescopio diventa critica. Ogni vibrazione o perturbazione della parabola potrebbe far slittare queste flebili onde lontane dal fuoco principale, con conseguente perdita d’informazione. Se al contrario le lunghezze d’onda sono molto grandi, allora il livello di precisione della parabola non è così critico.

In definitiva si può dire che la capacità di un radiotelescopio di distinguere dettagli provenienti dall’Universo, detta risoluzione angolare, dipende dal rapporto tra la lunghezza d’onda di osservazione e la dimensione dell’antenna. In altre parole, per acquisire immagini più dettagliate questo rapporto deve essere molto basso. Tuttavia, anche considerando il rapporto fra la più piccola lunghezza d’onda e l’antenna di dimensione massima, si otterrebbe una risoluzione angolare paragonabile a quella di un semplice occhio umano! Per avere quindi una risoluzione paragonabile a quella di un telescopio ottico, le dimensioni delle antenne dovrebbero essere parecchio più grandi.

Schiere di radiotelescopi

Proprio per quanto detto finora, i radiotelescopi vengono organizzati in schiere e disposti a una certa distanza gli uni dagli altri. Combinando le immagini provenienti da diverse antenne dislocate su una certa superficie si ottiene il risultato che si otterrebbe usando un gigantesco radiotelescopio, impossibile da costruire. Come si può applicare questo principio è presto detto: avendo due radiotelescopi posizionati a una distanza nota l’uno dall’altro, il segnale verrà acquisito da entrambi ma con un certo ritardo di tempo nella fase dell’onda, ossia le due onde (che rappresentano lo stesso segnale) sono leggermente sfasate. Quindi esse non combaciano perfettamente. Inoltre a causa della rotazione terrestre i radiotelescopi non ricevono sempre un segnale costante. Più a lungo si osserva, più variazioni d’onda ci sono, quindi aumentano le prospettive della sorgente osservata. Più distanti sono posti i radiotelescopi fra loro, più nitida diventa la vista. Fortunatamente l’elettronica e i calcolatori risolvono questi problemi: dei programmi appositi consentono di assemblare le centinaia di immagini provenienti dai diversi radiotelescopi.

Come detto prima, più le antenne sono poste lontane tra loro, più diventa grande l’ipotetico radiotelescopio unico di cui esse riproducono l’effetto. In queste configurazioni, gli sfasamenti delle onde sono maggiori e questo fornisce una vista più dettagliata dell’Universo osservato. Con un tale livello di precisione è possibile determinare la posizione esatta degli oggetti osservati e la loro distanza dalla Terra. Questo tipo di sistema è chiamato VLBI (Very Long Baseline Interferometry).

I radiotelescopi quindi possono essere suddivisi in base alle filosofie costruttive (antenna singola o a schiera) e, di conseguenza, in base alle frequenze (o lunghezze d’onda) di utilizzo. Tra i principali radiotelescopi al mondo rientrano i tre proposti di seguito, realizzati e gestiti dall’ente statunitense NRAO, National Radio Astronomy Organization.

Gbt.

GBT: Green Bank Telescope

Situato nella Virginia Occidentale, è il radiotelescopio orientabile più grande al mondo. Con una parabola che copre un’area di quasi un ettaro, riesce infatti a raccogliere immagini da circa l’85% del cielo durante il corso dell’anno. Grazie al suo elevato livello di accuratezza e alla sua copertura che spazia dai 100 MHz ai 100 GHz, gli scienziati di tutto il mondo lo usano per le loro ricerche in diversi campi, dallo studio delle pulsar, stelle collassate che emettono radiazioni ad alta frequenza, alla mappatura della superficie di pianeti, lune, asteroidi fino ad arrivare agli studi di natura cosmologica: infatti alcuni ricevitori specifici consentono al GBT di misurare la “deriva verso il rosso”, il cosiddetto “redshift” introdotto da Hubble, che indica la velocità di allontanamento delle galassie e quindi quella dell’espansione dell’Universo. Il GBT quindi potrebbe permettere di creare una mappa delle galassie dell’Universo, il che significherebbe avere un diagramma strutturale dell’Universo stesso.

Hs-2012-47-a-xlarge.

VLBA: Very Long Baseline Array

Comprende 10 antenne sparse su una superficie di circa 8000 chilometri, dalle Hawaii alle Isole Vergini. Le antenne del VLBA sono in grado di osservare l’Universo  in un intervallo di lunghezze d’onda comprese tra 3 millimetri e 90 centimetri. Questo radiotelescopio viene principalmente utilizzato quindi per osservare oggetti che emettono onde radio molto potenti, come ad esempio quasar, buchi neri, stelle in ogni fase del loro ciclo vitale, compreso il collasso di quelle più massicce e la conseguente nascita di una pulsar. Grazie all’occhio infallibile del VLBA, gli scienziati sono in grado di aggiornare le teorie relative alla crescita e lo sviluppo dei giganteschi buchi neri situati nel nucleo delle galassie attive, andare a caccia di sistemi planetari orbitanti intorno a stelle lontanissime, valutare l’esplosione e l’espansione delle supernove, raccogliere dati sulla presenza di energia oscura nell’Universo, studiare i moti delle galassie e predire quando essere potrebbero venire a collidere, fornire distanze molto più accurate dei corpi celesti dalla Terra. Inoltre il VLBA è in grado di determinare la posizione della Terra nell’Universo con precisione elevatissima puntando lo sguardo verso gli oggetti più distanti nel tempo e nello spazio: i quasar. Infine, il radiotelescopio svolge anche una funzione di monitoraggio degli asteroidi per determinarne e tenere sotto controllo la traiettoria, in modo analogo al funzionamento di un radar: le antenne inviano un segnale radio pulsante in direzione dell’asteroide; il VLBA raccoglie in dati che ritornano indietro e da questi ne ricava posizione, traiettoria e velocità d’avanzamento.

Alma.

ALMA: Atacama Large Millimeter/submillimeter Array

E’ sicuramente il più interessante e complesso osservatorio astronomico esistente sulla Terra. Situato nel nord del Cile, ALMA è costituito da 66 antenne paraboliche ad alta precisione ed è un radiotelescopio in grado di lavorare con le onde radio a frequenze più alte, cioè quelle emesse da una gran quantità di corpi celesti. Esso è lo strumento principale attraverso il qual poter studiare l’Universo nascosto e quello lontano, sia nel tempo che nello spazio, a cominciare dalle prime galassie e stelle che formatesi miliardi di anni fa. Infatti esse si trovano a distanze cosmiche elevatissime e le loro radiazioni si riducono a lunghezze d’onda all’ordine del millimetro o addirittura sub millimetriche, a causa della continua espansione dell’Universo. Tra gli altri compiti svolti da questo straordinario telescopio si annoverano la mappatura dei gas e delle polveri nella Via Lattea e nelle altre galassie, fondamentale per comprendere i meccanismi di interazione atomica e molecolare che hanno portato alla formazione dell’Universo come lo conosciamo, l’analisi di stelle e pianeti, lo studio di diversi fenomeni connessi al nostro Sole, come le origini del vento solare, le violente variazioni di temperatura nella corona esterna che lo avvolge, i buchi coronali e le zone attive della sua superficie incandescente. Insomma, ALMA, il più importante e rivoluzionario telescopio costruito da quando Galileo ha puntato il suo cannocchiale verso il cielo stellato, può svelarci dettagli a cui finora siamo stati ciechi, grazie all’occhio più grande che l’uomo abbia mai aperto sul Cosmo, che nel silenzio di Atacama continua a osservare e ad ascoltare l’Universo intorno a noi.

di Michele Mione

Linkografia:

Sito ufficiale dell’Organizzazione Nazionale di Radio Astronomia statunitense:

https://public.nrao.edu/