Perche’ Hubble?

Continua con la terza parte, il racconto di Francesco Paresce. Questa volta ci ha inviato come resoconto della sua avventura, una risposta ad una domanda che gli viene posta da tutte quelle persone che hanno la fortuna di conoscerlo.

Questa domanda me la fanno in molti sopratutto adesso che siamo in dirittura d’arrivo per il lancio della SM4, missione per rinnovare l’HST in orbita (l’ultima notizia su questo lancio è che potrebbe essere addirittura anticipato all’11 Maggio, cosa inusuale a dire poco in questo settore). Sottointese sono le domande tipo come mai un telescopio di solo 2.5 m di diametro che, oggi come oggi, e da considerare come un telescopietto da niente in paragone ai 10m e 8m dei due giganti a terra (a Paranal in Cile e a Mauna Kea nelle Hawaii) può ancora essere considerato uno dei più importanti strumenti dell’astronomia moderna? E perché spendere tanti soldi per metterlo in orbita quando si potrebbe risparmiare tanto mettendolo in cima ad una montagna sulla terra? Sopratutto quando stiamo progettando (e pagando) dei nuovi telescopi a terra di 20, 30, 40 m di diametro?

Bene, la risposta a queste legittime domande sta tutta nel fatto che il telescopio HST, anche se relativamente piccolo, è però posto ben al di sopra dell’atmosfera terrestre a circa 500 km di altezza. Un’altezza particolare: alta abbastanza da eliminare completamente gli effetti nocivi dell’atmosfera ma bassa abbastanza da essere facilmente raggiungibile da una navetta spaziale per i necessari avvicendamenti di servizio. Benchè sembri a prima vista strano, questo vantaggio permette all’HST di competere con, e anzi anche a battere, telescopi molto più grandi. Vediamo come.

Prima di tutto viene il fatto molto semplice che l’HST può vedere e misurare accuratamente oggetti in delle bande dello spettro elettromagnetico che non si vedono affatto a terra come l’ultravioletto (UV) e certe zone dell’infrarosso (IR). Queste radiazioni vengono assorbite dall’atmosfera (per fortuna per noi che altrimenti non resisteremo a lungo sotto l’effetto micidiale dei raggi UV del sole). Ma, d’altro canto, sono bande molto importanti per comprendere, per fare uno dei tanti esempi, la fisica degli oggetti molto caldi che emettono sopratutto nell’ultravioletto come le stelle massicce e le supernove che ne possono derivare e nell’infrarosso gli oggetti molto giovani in via di formazione e spesso oscurati dal gas e polvere dai quali stanno nascendo. Oggi, queste sono aree di ricerca particolarmente cruciali che non possono o solo difficilmente possono essere studiate da terra.

Poi c’è un’altro fenomeno importante in questa faccenda che riguarda l’azione sfocalizzante dell’atmosfera sul fascio in entrata. Questo fenomeno è dovuto alle colonne d’aria che salgono e scendono nell’atmosfera che trasferiscono calore dal basso verso l’alto come nell’acqua in una pentola che bolle. Ogni colonna agisce come una lente che devia il fascio di luce di una stella in una direzione e poi in un’altra in modo casuale. L’immagine originariamente puntiforme quindi di una stella vista da un telescopio viene continuamente mossa avanti indietro (jitter in inglese) ogni qualche millisecondo in modo che integrando l’immagine su tempi lunghi tipici di una esposizione astronomica, l’effetto cumulativo di questi spostamenti è un’immagine non più puntiforme ma sfocata e confusa.

L’abilità fondamentale del telescopio di risolvere nettamente due oggetti lontani viene così seriamente compromessa. Questo fenomeno si chiama “seeing” in gergo astronomico dalla parola inglese vedendo.

Il seeing è un limite invalicabile per un telescopio a terra senza un sistema di compensazione. Questo significa che benchè la risoluzione angolare teorica di un telescopio è tanto più grande quanto più grande è lo specchio, in realtà la risoluzione vera è determinata dal seeing che può essere molto più grande della risoluzione limite dello specchio (la risoluzione limite è il più piccolo angolo di separazione risolvibile tra due stelle vicine misurato in secondi d’arco). In alter parole, puoi mettere un telescopio di 100m di diametro a terra sperando di avere una risoluzione effettiva incredibile di 0.001 secondi d’arco ma invece trovi solo una risoluzione effettiva di 1 secondo d’arco dovuta al seeing: cento volte peggiore di quello che ti aspettavi!

E questo seeing dipende in modo molto complesso e, ahimè, imprevedibile dal posto sulla terra dove metti il tuo telescopio. In genere, dove c’è più turbolenza nell’atmosfera sopra il telescopio e peggio è ovviamente. Questo spiega perchè sono pochissimi i posti adatti ai grandi telescopi moderni a terra e uno dei problemi più difficili per i progettisti di un telescopio è trovare il luogo adatto dove metterlo. Comunque sia, non esiste credo un posto sulla nostra terra dove il seeing sia migliore di circa 0.2 secondi d’arco e questo in media solo per qualche decina di giorni all’anno.

Altri fattori minori che limitano l’efficienza di un telescopio a terra sono ovviamente il maltempo, le luci di città vicine, terremoti e vibrazioni varie etc. L’HST è immune a tutto questo: può operare tranquillamente sempre nelle stesse condizioni di risoluzione angolare limitata quest’ultima solo dal diametro dello specchio a circa 0.04 secondi d’arco nel visibile e molto meglio nell’UV. Questo è essenzialmente l’enorme vantaggio di vivere a 500 km di altezza e la ragione fondamentale per la sua incredibile efficienza. Per vedere questo vantaggio in modo diretto e visivo guardate la foto sopra. Queste due immagini dello stesso campo pieno di stelle in un ammasso globulare sono state riprese da un telescopio a terra di 4m di diametro e cioè quasi il doppio del HST a sinistra e dal HST stesso a destra. Il paragone è impressionante: poche stelle confuse dal seeing a sinistra contro le migliaia di stelle che saltano fuori a destra. Sembra un’altro campo quello del HST ma è veramente lo stesso.

Ci sarà qualcuno di voi che obbietterà che a terra si può oggi correggere l’effetto del seeing mediante una tecnica che si chiama ottica adattiva dove un sistema di feedback segue il jitter di una stella brillante in tempo reale e corregge lo specchio in modo da riportare l’immagine dell’oggetto da studiare al suo posto centrale 1000 volte al secondo. Sì, questo è possible e ormai ben sperimentato su vari telescopi ma la tecnica non è ancora in grado di produrre delle immagini stabili nel tempo su grandi campi da rivaleggiare in alcun modo quelli prodotti dal HST. Oltretutto questa tecnica funziona per adesso bene solo per oggetti molto vicini a stelle brillanti e solo nell’infrarosso mentre l’HST può coprire tutto il cielo senza difficoltà in tutto lo spettro dall’UV all’IR.

Questo non vuol dire affatto che l’HST sia superiore in tutti i campi di applicazione astronomica. Benchè può compensare in parte la mancanza di superficie dello specchio con la maggiore risoluzione angolare, ad un certo punto, se si vuole massimizzare la sensibilità a sorgenti molto deboli , non c’è altra soluzione che quella di usare uno specchio più grande. In questo senso dunque le due tecniche di osservazione da terra e dallo spazio si complementano perfettamente ed ecco perchè si continua a progettare enormi telescopi a terra e a costruire un nuovo HST per lo spazio. Il tutto per spingere il più possible in avanti il limite delle nostre conoscenze del cosmo.