The Big Eye In The Sky

Da che l’uomo è presente sulla terra, ha sempre guardato al cielo con un misto di ammirazione, curiosità, mistero e perché no, riverenza. Nelle varie intepretazioni che le stelle hanno assunto in differenti epoche presso differenti culture, il loro fascino sembra essere uno dei pochi denominatori comuni. Oggi sappiamo bene o male vita, morte e miracoli degli astri, grazie agli studi che gli astrofisici hanno condotto sin dal primo telescopio ottico di Galilei, arrivando a impianti come il VLA (Very Large Array, il sistema di radiotelescopi che si può anche ammirare alla fine del film “Contact”). Il continuo avanzamento tecnologico ha portato alla costruzione di telescopi e radio telescopi sempre più grandi e dalle prestazioni sempre migliori, in grado di captare anche il più debole segnale in arrivo sulla Terra. Tuttavia i telescopi ottici terrestri hanno sempre sofferto la presenza dell’atmosfera, che per quanto possa essere considerata trasparente o quasi dall’occhio umano, altrettanto non si può dire per gli occhi elettronici che scrutano il cielo alla ricerca di informazioni che noi non saremmo mai in grado di percepire senza gli strumenti adeguati. Gli effetti dell’atmosfera sono principalmente due: da un lato lo strato d’aria che circonda la terra attenua la luce che giunge sino a noi, assorbendone una parte. La luce che viene trasmessa poi viene modificata dalle proprietà ottiche dell’atmosfera stessa, cosicché la luce che percepiamo presenta componenti di provenienza terrestre, difficili da discriminare. Si può porre rimedio ad entrambi i problemi, aumentando la dimensione degli specchi, costruendo i telescopi in altitudine e migliorandone l’elettronica di acquisizione. Tuttavia se fosse possibile bypassare del tutto l’atmosfera, sarebbe possibile vedere più lontano, meglio e con uno specchio più piccolo.

HST

Nell’aprile del 1990 viene immesso in orbita stabile l’Hubble Space Telescope (d’ora innanzi, HST), a circa 600km di altitudine. All’epoca non si trattava del primo telescopio spaziale, ma era di gran lunga il più avanzato mai costruito. Oltre ad operare nello spettro ottico, l’HST sfrutta appieno la sua condizione “siderale”, ottenendo immagini sia negli infrarossi che negli ultravioletti, radiazioni non osservabili dalla terra a causa della succitata presenza dell’atmosfera. Sebbene sul telescopio siano installati una vasta gamma di strumenti dedicati alle osservazioni e alle analisi spettrografiche di varie porzioni dello spettro elettromagnetico, il principale impianto ottico è composto da un telescopio riflettore il cui specchio principale ha un diametro di 2,4 metri. Il design del sistema ottico determina le performance finali del telescopio. Per potersi avvantaggiare appieno dell’ambiente spaziale, l’HST è stato progettato come sistema diffraction limited: in pratica la capacità di un sistema ottico di distinguere due punti vicini l’uno rispetto all’altro (la risoluzione) viene solitamente limitata da fattori quali imperfezioni nelle lenti, errori di allineamento e la presenza o meno di un mezzo in cui la luce si propaga (come l’atmosfera). Tuttavia c’è un limite massimo alla risoluzione di qualunque sistema ottico, dovuto al fenomeno della diffrazione, che si manifesta come una variazione di traiettoria dell’onda elettromagnetica quando questa incontra un ostacolo. Questo effetto è tanto maggiore quanto le dimensioni dell’ostacolo e la lunghezza d’onda della luce incidente coincidono. Stando così le cose, se per ipotesi potessimo avere una sorgente di luce perfettamente puntiforme, la sua immagine presenterà comunque una leggera sfocatura ai lati. Essendo limitato solo dalla fisica delle onde elettromagnetiche, l’HST permette di raggiungere risoluzioni anche 10 volte maggiori rispetto ai normali telescopi terrestri. Ovviamente per raggiungere queste prestazioni è stato necessario limitare le imperfezioni presenti sulla superficie dello specchio con un’accuratezza mai raggiunta prima, riducendo tutte le possibili asperità ad un massimo di 10 nanometri. Alla quasi perfezione ottica è abbinato un altrettanto perfezionato sistema di puntamento e controllo dell’assetto, in grado di individuare e orientare di conseguenza lo strumento con una precisione di 0,0003 arcosecondi (per darvi un’idea, un grado angolare è composto da 3600 arcosecondi).

Il telescopio miope

Due immagini che mostrano la correzione del problema ottico iniziale (click per ingrandire)

Le prime immagini che arrivarono dal telescopio gettarono tuttavia nello sconforto i tecnici che per anni avevano lavorato al HST, nella speranza di ottenere risoluzioni notevolmente maggiori rispetto alle osservazioni terrestri. Le immagini erano sì migliori delle loro controparti terrestri, ma non si avvicinavano nemmeno lontanamente al limite di diffrazione tanto agognato. Come è possibile che un progetto sulla carta tanto valido restituisse risultati tanto scadenti? Si capì in seguito che ad essere sbagliata era la forma dello specchio, troppo “piatto” di circa 2,2 micron ai lati. Questa apparente minuscola imperfezione, dovuta ad un errata calibrazione degli strumenti responsabili del controllo della forma dello specchio, introduceva in realtà moltissimi problemi di aberrazione ottica, impedendo un fuoco accurato degli oggetti che si andavano ad osservare, e dimostrando una volta di più la supremazia dei fisici (che non hanno sbagliato nulla a livello progettuale) sugli ingegneri preposti al controllo di qualità del sistema (non se la prendano i piccoli humpa-lumpa della scienza… Servono anche loro a qualcosa). Cambiare lo specchio in orbita sarebbe stato impossibile, e altrettanto difficoltoso sarebbe stato riportare il telescopio a terra per effettuare le riparazioni. Si decise quindi di apporre un sistema ottico correttivo, similmente a quanto si fa con un paio di occhiali per gli esseri umani. Nell’immagine qui in alto dovreste poter notare il notevolissimo miglioramento che ne è risultato.

I risultati

L’HST ha aiutato a risolvere molti problemi astrofisici di lunga data, e ha messo in evidenza risultati che hanno richiesto nuove teorie per la loro spiegazione. In particolare, grazie a misurazioni di un accuratezza finora mai raggiunta, ha migliorato grandemente la stima della costante con cui condivide il nome (Edwin Hubble fu il primo a ipotizzare che la velocità di allontanamento delle galassie da noi fosse proporzionale alla loro distanza tramite una costante che prende il suo nome). Di conseguenza è stato possibile migliorare la stima dell‘età dell’universo (sapendo a che rateo esso si sta espandendo). Inoltre ulteriori osservazioni hanno suggerito che effettivamente l’espansione dell’universo stia accelerando, più di quanto non dovrebbe fare secondo la teoria dello stesso Hubble, e molti interpretano questi risultati come una delle prove indirette della presenza di energia oscura (che non c’entra niente con le forze demoniache. Si tratta di una forma ancora piuttosto misteriosa di energia, che sembra comporre niente meno che il 70% circa dell’Universo, ndR). Inoltre sembra oramai assodato che al centro delle maggior parte delle galassie vi sia un buco nero, anche grazie alle osservazioni di Hubble. Le immagini delle regioni più lontane mai osservate (Hubble Ultra Deep Field) ci permettono realmente di osservare l’Universo indietro nel tempo di 13 miliardi di anni, e le immagini di meravigliose nebulose in espansione, dei resti delle supernove, di stelle binarie e supergiganti blu hanno iniziato ad affollare internet e ad essere usate anche in altri ambiti rispetto a quello astronomico, come ben sanno ad esempio i fan dei Pearl Jam, che hanno riempito il loro album “Binaural” con le immagini delle nebulose Clessidra, Elica e Aquila. Ma Hubble non significa esclusivamente osservazioni di oggetti lontani: nel 1994 la cometa Shoemaker-Levy 9 impattò contro Giove, e le osservazioni tramite l’HST permisero di studiare con estrema accuratezza le dinamiche dell’impatto di una cometa con Giove, che si ritiene sia un evento che accada con la frequenza di uno ogni parecchie centinia di anni.

LINK UTILI
- Sito ufficiale del telescopio Hubble
- Galleria immagini catturate dal telescopio

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