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2020/05/24

Storie di Scienza: Come vedere i continenti su mondi di altre stelle

Simulazione di un’immagine di un
esopianeta tramite un telescopio
a lente gravitazionale
(NASA/JPL-Caltech/Slava Turyshev)
Gli esopianeti, ossia i mondi che orbitano intorno alle stelle lontane, sono oggetti incredibilmente difficili da osservare. Non è solo questione di distanze cosmiche inimmaginabili: un esopianeta si perde nel bagliore intensissimo della sua stella. Osservarlo è come tentare di vedere una lucciola mentre abbiamo un fanale d’automobile puntato dritto negli occhi. È così difficile che finora siamo riusciti a fatica a scorgere alcuni di questi esopianeti come vaghi puntini.

Immaginate ora di avere uno strumento che vi consenta di vedere i dettagli di questi esopianeti: non solo le forme dei loro continenti e oceani, se ne hanno, ma anche di scorgere variazioni stagionali o eventuali grandi strutture costruite da entità intelligenti: una città, per esempio. Vedere questi pianeti non più come macchioline indistinte ma come luoghi, che hanno una geografia precisa da esplorare, sarebbe una rivoluzione non solo tecnologica ma anche culturale: ci renderebbe molto chiaro il concetto che la Terra è solo uno di un numero infinito di mondi.

Questo strumento è già realizzabile adesso, con le tecnologie esistenti o con loro affinamenti: si chiama Solar Gravity Lens, e funziona usando una tecnica affascinante. La sua lente primaria, infatti, è una stella intera: specificamente il Sole.

Costruire un telescopio tradizionale con una risoluzione sufficiente a vedere dettagli della superficie di un esopianeta a 100 anni luce dalla Terra è ben al di sopra delle nostre attuali capacità, dato che le inesorabili leggi dell’ottica obbligherebbero a creare uno specchio primario con un diametro di 90 chilometri. Ma possiamo “barare” grazie ad Einstein.

Infatti i campi gravitazionali, per esempio quello prodotto dal nostro Sole, deflettono la luce, come previsto da Einstein nel 1913, dimostrato spettacolarmente durante l’eclissi solare del 29 maggio 1919 e calcolato dal grande fisico in una sua pubblicazione su Science del 1936.

Non è pura teoria: gli astronomi hanno già osservato concretamente questo fenomeno, noto come gravitational lensing o lente gravitazionale, nelle immagini di galassie lontane, il cui aspetto risulta deformato perché la loro luce arriva a noi passando nelle vicinanze di un altro corpo celeste di grande massa (per esempio un’altra galassia relativamente più vicina).

La galassia rossastra al centro distorce la luce proveniente dalla galassia azzurra che le sta “dietro” dal punto di vista della Terra, formando un anello di Einstein. Immagine del telescopio spaziale Hubble, 2011 (ESA/Hubble/NASA).


Questa distorsione può essere sfruttata anche per ingrandire enormemente un oggetto lontanissimo come una galassia ai limiti dell’universo conosciuto (11,7 miliardi di anni luce, grazie ad ALMA) oppure un esopianeta. Secondo gli sviluppatori del progetto SGL, per sfruttare il Sole come “lente d’ingrandimento” occorre piazzare un telescopio da un metro (quindi più piccolo di Hubble) nel “punto focale” del nostro Sole. Un telescopio del genere sarebbe in grado di ottenere immagini di esopianeti situati a 30 parsec (circa 100 anni luce) con una risoluzione di dieci chilometri. Le basi concettuali di questo ipertelescopio furono gettate da Von R. Eshleman e approfondite dall’astronomo italiano Claudio Maccone e altri.

C’è un piccolo problema, però. Per un esopianeta a 100 anni luce, il punto focale del Sole, quello che consentirebbe di usare questo globo termonucleare largo 1,4 milioni di chilometri come il più esagerato dei teleobiettivi, si trova a 97 miliardi di chilometri dalla Terra. Sedici volte più lontano di Plutone. La sonda Voyager 1 ci ha messo 40 anni per arrivare a circa un quinto di quella distanza.

Chiaramente nessuno vuole aspettare duecento anni, per cui bisogna trovare un modo un po’ piu rapido di viaggiare nello spazio. Per fortuna esiste, e sfrutta di nuovo il Sole: al posto di motori a propellente chimico si può usare la gravità solare, lanciando il veicolo verso il Sole (con un vettore convenzionale) ma passandogli vicino in modo da riceverne un impulso di accelerazione, e si possono adottare le vele solari. Si tratta di enormi superfici ultrasottili che ricevono la tenuissima spinta della luce solare (sì, la luce esercita una pressione di radiazione misurabile e misurata da circa cent’anni). Questa spinta è costante, per cui un veicolo spaziale dotato di vele solari continuerebbe ad accelerare per tutto il tempo invece di avere solo il breve spunto iniziale dei razzi tradizionali. Il risultato è che una vela solare che trasportasse un telescopio raggiungerebbe la distanza di 97 miliardi di chilometri in circa venticinque anni.

Arrivato alla distanza giusta e nella posizione corretta, il telescopio SGL punterebbe i suoi sensori in direzione del Sole, schermandone però la luce con un coronografo: una barriera fisica circolare posta davanti al telescopio. È lo stesso principio che usiamo quando copriamo una luce intensa con la mano per poter vedere gli oggetti fiochi nelle vicinanze. In teoria si potrebbe usare al posto del Sole qualunque altro corpo celeste dotato di notevole massa ed eliminare il problema del bagliore della corona solare, ma questa soluzione renderebbe impraticabilmente grande la distanza focale da raggiungere.

Questo permetterebbe al telescopio di captare l’immagine di un esopianeta, distorta in un anello di Einstein, piazzandosi in modo da avere il Sole esattamente allineato con quell’esopianeta. In realtà l’anello sarebbe doppio: uno conterrebbe la luce proveniente da una singola area di circa 10 km di diametro dell’esopianeta, mentre l’altro conterrebbe la luce di tutto il resto del mondo alieno. Spostando leggermente il telescopio di circa un chilometro nelle varie direzioni si cambierebbe la zona dell’esopianeta “inquadrata” dal primo anello e quindi si potrebbe fare una lenta scansione di tutta la sua superficie. Osservando queste distorsioni per sei mesi ed elaborando circa un milione di immagini raccolte, sarebbe possibile escludere la luce della corona solare e ottenere un’immagine simile a quella (simulata) mostrata all’inizio di quest’articolo, eliminando persino le eventuali nuvole.

Oltre all’immagine della superficie, questo telescopio farebbe anche spettroscopia dell’esopianeta, consentendo di conoscere la composizione chimica della sua eventuale atmosfera. Se una civiltà aliena lo facesse con noi, puntando un telescopio a lente gravitazionale solare verso la Terra, potrebbe rilevare il repentino aumento della CO2 atmosferica e di altri inquinanti e dedurne la presenza di attività industriali da parte dei poco lungimiranti abitanti del pianeta.

Costruire un telescopio SGL è insomma una sfida ingegneristica notevolissima e comporta una precisione di navigazione eccezionale (il telescopio va piazzato al centro di un piano che misura 1 km per 1 km, a 90 miliardi di km dalla Terra) e difficoltà di radiocomunicazione senza precedenti, ma non richiede nulla che non sappiamo già.

Una flotta di questi telescopi, piazzati in vari punti e a varie distanze dal Sole, potrebbe osservare tutti i pianeti situati a meno di 100 anni luce dalla Terra (per via della struttura di un telescopio SGL, ne occorre uno dedicato a ogni singolo esopianeta). Nel giro di qualche decennio conosceremmo molto meglio il nostro vicinato e i nostri eventuali vicini.

Strada facendo, inoltre, questa flotta raccoglierebbe anche informazioni sulla natura del nostro sistema solare, analizzando l’eliosfera nella quale si muovono tutti i pianeti e cercando oggetti della Fascia di Kuiper. Permetterebbe inoltre di osservare onde gravitazionali e, grazie alla parallasse, potrebbe misurare la posizione precisa di ogni singola stella della nostra Galassia.

Il progetto attuale propone di usare sonde molto piccole con vele solari di dimensioni realisticamente fattibili (16 pannelli da 1000 metri quadri ciascuno) e di ridurre i costi lanciando queste sonde in ride sharing, ossia come carico aggiuntivo di altre missioni, evitando così il costo di un vettore di lancio dedicato come l’onerosissimo SLS.

Se tutto questo vi sembra troppo fantascientifico, soprattutto in un momento in cui facciamo fatica persino a uscire di casa in sicurezza, considerate che la NASA è interessata a questo concetto abbastanza da finanziarne le ricerche con 2 milioni di dollari dai fondi del programma NIAC (NASA Innovative Advanced Concepts).

E se l’idea di poter vedere i continenti di mondi lontanissimi vi pare irrealizzabile, tenete presente che a molti sembrava impossibile poter ottenere un’immagine di un buco nero. Poi è successo questo, usando un radiotelescopio virtuale grande quanto la Terra.

Credit: Event Horizon Telescope Collaboration.


L’ambizione degli astronomi di costruire strumenti sempre più grandi non conosce limiti. Un telescopio SGL lungo 90 miliardi di chilometri non è certo il limite della loro creatività nel trovare modi nuovi di estrarre informazioni dall’Universo. Che ne dite, per esempio, di un rivelatore di onde gravitazionali grande come una galassia? Ma questa è un’altra storia.


Fonti aggiuntive: Planetary Society; Planetary Science Vision 2050 Workshop 2017; Direct Multipixel Imaging and Spectroscopy of an Exoplanet with a Solar Gravity Lens Mission; Putting gravity to work: Imaging of exoplanets with the solar gravitational lens. Questo articolo fa parte delle Storie di Scienza: una serie libera e gratuita, resa possibile dalle donazioni dei lettori. Se volete saperne di più, leggete qui. Se volete fare una donazione, potete cliccare sul pulsante qui sotto. Grazie!



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