Osservare l’Universo attraverso le onde radio

radioastronomia

Un’immagine storica

Se chiedi a un astronomo di scegliere l’immagine più emozionante di tutta l’astronomia, molto probabilmente ti dirà che è un anello arancione. A prima vista questa immagine potrebbe non sembrare molto affascinante – una ciambella sfocata e luminosa – ma in realtà lo è perché si tratta della prima visione di un buco nero, con i colori che indicano l’intensità delle emissioni radio.

L’immagine mostra un buco nero che è 6,5 miliardi di volte più massiccio del Sole e che si trova nel cuore di una galassia distante 55 milioni di anni luce. I piccoli dettagli dell’immagine hanno rivelato che il buco nero ruota in senso orario e consuma l’equivalente di centinaia di masse terrestri ogni anno.

buco nero

Questa immagine senza precedenti di uno degli oggetti più misteriosi di tutta la fisica è l’ultima di una lunga serie di scoperte rese possibili dalla radioastronomia. La scienza contenuta in questa immagine è tantissima e consente di studiare l’Universo in un modo completamente nuovo.

Il campo radio si trova a un estremo dello spettro elettromagnetico, dove le onde luminose hanno basse energie. Le prime onde radio rilevate, prodotte dall’accelerazione di particelle cariche, furono generate artificialmente alla fine del 1800. Facili da realizzare, con lunghezze d’onda lunghe che permettevano loro di percorrere indisturbate grandi distanze, le onde radio furono subito viste come un ottimo strumento di comunicazione.

All’inizio del 20° secolo, i fisici sapevano che le onde potevano essere prodotte anche da fenomeni naturali, come i fulmini, ma bisognava evitare queste fastidiose fonti di ‘rumore’ per migliorare la nitidezza e la potenza della comunicazione radio.

La prima mappa radio del cielo

Karl Jansky stava lavorando proprio a questo obiettivo quando nel 1931 scoprì per caso per la prima volta il “rumore stellare”. Come fisico e ingegnere presso i Bell Labs, progettò un’enorme antenna montata su pneumatici, chiamata “giostra di Jansky”.

Quando Jansky iniziò a usare l’antenna, notò un debole ma costante sibilo nei suoi dati. Approfittando della manovrabilità della giostra, rintracciò la fonte e alla fine ne individuò la posizione. L’antenna non rilevava i temporali vicini o le sorgenti vaganti di radiazioni legate alla Terra, ma rilevava l’energia proveniente dal centro della Via Lattea.

La scoperta di Jansky fu accolta con una lieve curiosità dalla comunità di astronomia. Nel bel mezzo della Grande Depressione, gli osservatori non erano disposti a investire i loro pochi fondi verso nuove tecnologie speculative. Ma un giovane scienziato e ingegnere di nome Grote Reber trovò affascinante la scoperta di Jansky e dedicò la sua carriera allo studio dei segnali radio provenienti dallo spazio.

Dopo che un suo lavoro fu rifiutato dai Bell Labs, decise di costruire un radiotelescopio nel cortile della sua abitazione nell’Illinois: si trattava di un’antenna parabolica di 10 metri con un ricevitore radio montato direttamente sopra di essa.

I suoi sforzi ebbero un enorme successo e le osservazioni di Jansky furono alla base della creazione della prima mappa radio del cielo. Furono scoperte macchie di emissione radio brillante che sarebbero state successivamente identificate come galassie lontane e detriti lasciati dalle recenti supernove.

Una nuova finestra sul Cosmo

L’osservazione effettuata con le onde radio ha aperto agli astronomi una finestra completamente nuova sull’Universo, consentendo loro di rilevare l’emissione radio prodotta dal bagliore di deboli sorgenti di calore lontane e dalla fisica esotica in grado di accelerare le particelle cariche in modi estremi e inaspettati.

I radiotelescopi sono stati i primi a individuare i resti compatti in rapida rotazione di stelle massicce morte conosciute come pulsar, il fondo cosmico a microonde (ossia la luce che porta le impronte del Big Bang) e le prime tracce di buchi neri supermassicci al centro di galassie, tra cui la Via Lattea. Questi fenomeni sono invisibili se osservati soltanto con la luce visibile.

La radioastronomia è affascinante, ma i radiotelescopi utilizzati per le osservazioni sembrano decisamente strani a chi è abituato a pensare soltanto agli usuali telescopi a specchio lucido attraverso i quali hanno magari sbirciato. Ma anche alle lunghezze d’onda della luce radio le parabole dei radiotelescopi sono lucenti, perché riflettono le onde radio in arrivo dal cielo verso un ricevitore, proprio come la luce visibile si riflette dallo specchio di un telescopio e in un oculare.

I radiotelescopi e l’interferometria

I radiotelescopi seguono gli stessi principi fondamentali dei telescopi a luce visibile: ma affinché siano efficaci devono essere posizionati in un luogo buio, per eliminare le sorgenti di luce che possono disturbare le osservazioni; inoltre, più grandi sono, meglio è.

Mentre un’ampia area del telescopio ci consente di raccogliere più luce e osservare oggetti più deboli (si pensi alle pupille che si dilatano in una stanza buia), un grande diametro del telescopio aiuta a scattare foto più nitide (si pensi agli enormi teleobiettivi usati dai fotografi sportivi per fotografare un’azione nitida ai margine dello stadio).

Questa nitidezza è spesso un obiettivo importante che si cerca di raggiungere in astronomia, poiché ci consente di individuare singole stelle in galassie lontane o mappare la forma precisa di una nebulosa, e le elevate lunghezze d’onda della radioastronomia offrono un modo diverso di costruire grandi telescopi.

I radiotelescopi possono raggiungere diametri incredibilmente grandi grazie a una tecnica nota come interferometria, che combina i dati di una serie di singole parabole più piccole, consentendo loro di agire come un gigantesco telescopio che produce un’unica immagine nitida.

La tecnica delll’interferometria produce risultati incredibili: è stata proprio questa tecnica che ha permesso all’Event Horizon Telescope di unire otto osservatori radio da tutto il mondo in un unico telescopio di dimensioni planetarie e catturare la famosa immagine del buco nero.

Cercare il ‘buio radio’

Le osservazioni effettuate con i radiotelescopi devono essere fatte senza che vengano disturbate da altre emissioni radio che si trovano nelle vicinanze, naturali o artificiali che siano. Si ha bisogno, cioè, di un buio radio intorno.

Se gli occhi potessero vedere la luce della radio, una stanza diventerebbe un groviglio accecante di segnali radio: una nuvola di reti Wi-Fi, lampi sporadici di luce dai telefoni cellulari, e persino lampi dai piccoli fulmini generati dalle candele nelle auto di passaggio.

Per cercare di limitare questi segnali radio artificiali di disturbo, il Green Bank Observatory, nel West Virginia, si trova nel profondo della cosiddetta National Radio Quiet Zone, dove è ridotta al minimo la tecnologia che produce rumore radio: Wi-Fi, telefoni cellulari e microonde sono vietati, e tutti i veicoli funzionano con motori diesel.

I singoli osservatori che compongono l’Event Horizon Telescope sono sparsi in tutto il mondo, ma ogni luogo, dal Polo Sud al Deserto di Atacama fino alla montagna più alta delle Hawaii, è decisamente remoto, il più isolato possibile dal rumore inesauribile dell’umanità.

Segnali alieni?

Con la radioastronomia è possibile prendere in considerazione una possibilità allettante: un giorno potremo osservare onde radio artificiali non di nostra produzione?

La radioastronomia è stata a lungo considerata un ottimo modo per cercare segnali da altri mondi. In effetti, il primo esperimento di radioastronomia può essere fatto risalire a prima di Jansky, e precisamente all’agosto del 1924, quando Marte durante il suo viaggio attorno al Sole fece il suo passaggio più vicino alla Terra del secolo.

Gli astronomi negli Stati Uniti pubblicarono un National Radio Silence Day, incoraggiando le persone a smettere di usare le radio a intervalli regolari nella speranza che un segnale dai marziani vicini potesse farlo passare. L’Osservatorio navale degli Stati Uniti ha persino dotato un dirigibile di un ricevitore radio, per captare un potenziale messaggio marziano, con un crittografo a disposizione nel caso fossero state necessarie traduzioni.

Oggi la ricerca dell’intelligenza extraterrestre è un serio sforzo scientifico. Guidati da rinomati scienziati come Frank Drake e Jill Tarter, e utilizzando strutture come l’Allen Telescope Array, in California, i ricercatori del progetto SETI sfruttano le possibilità offerte dal campo radio. Dopotutto, qui sulla Terra le stesse onde radio utilizzate per le comunicazioni a lunga distanza viaggiano anche verso l’esterno, trasmettendo segni che rivelano la nostra abilità tecnologica a osservare il Cosmo.

È del tutto possibile che civiltà lontane inviino segnali simili, o addirittura provino a trasmettere appositamente messaggi, dal momento che hanno a che fare con lo stesso spettro elettromagnetico che utilizziamo noi.

La radioastronomia offre immense possibilità: la capacità di vedere l’invisibile in un buco nero lontano, di svelare nuove eccitanti leggi della fisica e, potenzialmente, anche di trovare la prima prova di un’intelligenza extraterrestre. Per quanto possano sembrare strani a chi non li conosce bene, i radiotelescopi sono uno strumento importantissimo per l’astronomia, che sicuramente continuerà a svelare nuovi misteri dell’Universo.

Fonte: https://www.quantamagazine.org

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