Come la radioastronomia rivela l’universo
Le onde radio, più lunghe e meno energetiche della luce visibile, danno agli astronomi l’accesso ad alcune delle più oscure fisiche del cosmo.
Il post How Radio Astronomy Reveals the Universe è apparso per la prima volta su Quanta Magazine .
Il post How Radio Astronomy Reveals the Universe è apparso per la prima volta su Quanta Magazine
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Se chiedi a un astronomo di scegliere l'immagine più emozionante di tutta l'astronomia, molti di noi indicheranno un anello arancione familiare . A prima vista potrebbe non sembrare molto – una ciambella sfocata e luminosa, leggermente sporgente nella parte inferiore e, a partire dal mese scorso , striata di linee curve – ma in realtà questo cerchio senza pretese è il primo assaggio dell'umanità di un buco nero, con i colori scelto per non imitare il realismo, ma per indicare l'intensità delle emissioni radio.
Catturata in un'immagine così nitida che era come leggere la data di un quarto a Los Angeles mentre ci si trovava a Washington, DC, l'immagine ha rivelato un buco nero 6,5 miliardi di volte più massiccio del nostro sole nel cuore di una galassia di 55 milioni di luce -anni di distanza. 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. Anche le linee appena tagliate rappresentano le firme rivelatrici di un forte campo magnetico.
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 nella famosa immagine può essere strabiliante, ma la scienza che l'ha resa possibile è impressionante di per sé, consentendo ai ricercatori che lavorano di concerto in tutto il pianeta un modo completamente nuovo di studiare il cosmo.
Il regime 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 XX secolo, i fisici sapevano che le onde potevano essere prodotte anche da fenomeni naturali, come i fulmini, ma volevano principalmente evitare queste fastidiose fonti di "rumore" per migliorare la chiarezza, la potenza e la portata della tecnologia di comunicazione radio.
Karl Jansky stava lavorando proprio su questo obiettivo quando scoprì per la prima volta il "rumore stellare" per caso nel 1931. Come fisico e ingegnere presso i Bell Labs, progettò un'enorme antenna di 100 piedi di diametro e 20 piedi di altezza montata su un set di pneumatici Modello T quindi potrebbe ruotare e puntare in qualsiasi direzione. I suoi colleghi hanno soprannominato l'aggeggio "la giostra di Jansky".
Quando Jansky iniziò a usare l'antenna, notò un debole ma costante sibilo nei suoi dati. Approfittando della manovrabilità della giostra, ha rintracciato la fonte e alla fine ne ha individuato la posizione. L'antenna non stava rilevando temporali vicini o sorgenti vaganti di radiazioni legate alla Terra, ma stava rilevando energia proveniente dal centro della Via Lattea.
La scoperta di Jansky è stata accolta principalmente con una lieve curiosità dalla comunità di astronomia. Nel bel mezzo della Grande Depressione, gli osservatori non erano disposti a investire i loro fondi limitati verso nuove tecnologie speculative. Ma un giovane scienziato e ingegnere di nome Grote Reber ha trovato affascinante la scoperta di Jansky e ha giurato di dedicare la sua carriera allo studio dei segnali radio dallo spazio. Dopo essere stato rifiutato per un lavoro ai Bell Labs, ha deciso di costruire il suo radiotelescopio nel suo cortile dell'Illinois: un'antenna parabolica di 31 piedi con un ricevitore radio montato direttamente sopra di esso.
I suoi sforzi hanno avuto un enorme successo, riproducendo le osservazioni di Jansky e quindi creando la prima mappa radio del cielo. Ha trovato macchie di emissione radio brillante che sarebbero state successivamente identificate come galassie lontane e detriti lasciati dalle recenti supernove. Nel 1940, Reber pubblicava su The Astrophysical Journal e il suo lavoro generò un più ampio interesse per le osservazioni radio tra la comunità astronomica.
L'osservazione di queste lunghezze d'onda maggiori ha offerto 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, lo sfondo cosmico a microonde (luce che porta le impronte digitali del Big Bang stesso) ei primi segni di buchi neri supermassicci al centro di galassie tra cui la nostra – la fonte sospetta della scoperta originale di Jansky. Questi fenomeni sono semplicemente invisibili se guardi solo la luce visibile.
La scienza della radioastronomia è entusiasmante, ma i telescopi sembrano decisamente strani a chiunque sia abituato ai telescopi a specchio lucido attraverso cui hanno sbirciato. Tuttavia, alle lunghe lunghezze d'onda della luce radio, anche le parabole dei radiotelescopi sono lucenti, riflettendo le onde radio dal cielo fino a un ricevitore, proprio come la luce visibile si riflette dallo specchio di un telescopio e in un oculare. I radiotelescopi seguono anche gli stessi principi fondamentali dei telescopi a luce visibile: quelli più efficaci dovrebbero essere in un luogo buio (per eliminare le sorgenti di luce concorrenti), e più grandi sono, meglio è.
Mentre una vasta area del telescopio ci consente di raccogliere più luce e osservare oggetti più deboli (pensa alle tue pupille che si dilatano in una stanza buia), un grande diametro del telescopio ci aiuta a scattare foto più nitide (pensa agli enormi teleobiettivi usati dai fotografi sportivi per catturare un'azione nitida foto a margine dello stadio). Questa nitidezza è spesso un obiettivo chiave in astronomia, poiché ci consente di individuare singole stelle in galassie lontane o mappare la forma precisa di una nebulosa, e le lunghe lunghezze d'onda della radioastronomia offrono un modo diverso di costruire grandi telescopi. I radiotelescopi possono raggiungere diametri effettivi 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 scienza dell'interferometria è scoraggiante, ma produce risultati incredibili: è stata proprio questa tecnica che ha permesso all'Event Horizon Telescope di fondere otto radio-osservatori da tutto il mondo in un unico telescopio di dimensioni planetarie e catturare la sua famosa immagine di un buco nero.
Quindi "grande" è chiaramente possibile per i radiotelescopi. E il "buio"? Ciò rappresenta una sfida molto più grande. Ironia della sorte, l'obiettivo originale di Jansky – filtrare le sorgenti naturali di onde radio e far posto alla tecnologia di comunicazione – è ora invertito per i radioastronomi che cercano di studiare l'universo nell'era dell'elettronica moderna. Se i tuoi occhi potessero vedere alla luce della radio, la stanza intorno a te diventerebbe un groviglio accecante di segnali radio: una nuvola di reti Wi-Fi, lampi sporadici di luce dai telefoni cellulari vicini, persino lampi dai minuscoli fulmini generati dalle candele in auto di passaggio.
Un modo per impedire a questo caos di travolgere i dati cosmici è limitare i segnali radio artificiali nelle vicinanze, come fa il Green Bank Observatory nel West Virginia. Questa struttura si trova nel profondo della National Radio Quiet Zone, che limita la tecnologia per ridurre al minimo il rumore radio: Wi-Fi, telefoni cellulari e microonde sono vietati e tutti i veicoli funzionano con motori diesel. (Anche così, i ricercatori qui una volta hanno perso il tempo di osservazione a causa del rumore, tra tutte le cose, degli scoiattoli volanti, dopo che uno studio di conservazione nelle vicinanze ha adattato i roditori con collari GPS per studiare le loro abitudini di migrazione.) I singoli osservatori che compongono l'Event Horizon Telescope potrebbero essere sparsi in tutto il mondo, ma ogni luogo – dal Polo Sud al deserto di Atacama alla montagna più alta delle Hawai'i – è decisamente remoto, il più isolato possibile dal rumore sempre più invadente dell'umanità.
Per quanto frustrante sia il fatto che la nuova tecnologia possa aumentare la proliferazione del rumore radio, solleva anche una possibilità allettante: un giorno potremmo 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 prima di Jansky all'agosto del 1924, quando Marte fece il suo passaggio più vicino alla Terra in quasi un secolo. Gli astronomi negli Stati Uniti hanno pubblicizzato un "National Radio Silence Day", incoraggiando le persone a smettere di usare le radio a intervalli regolari nella speranza che un segnale dai vicini marziani potesse farlo passare. L'Osservatorio navale degli Stati Uniti ha persino inviato un ricevitore radio in alto su un dirigibile per captare un potenziale messaggio marziano, con un crittografo a disposizione nel caso fossero necessarie traduzioni.
Oggi la ricerca dell'intelligenza extraterrestre, o SETI, è un serio sforzo scientifico. Guidati da rinomati scienziati come Frank Drake e Jill Tarter, e utilizzando strutture conquistate a fatica come l'Allen Telescope Array in California, i ricercatori SETI abbracciano le entusiasmanti possibilità di scoperta offerte dal regime radiofonico. Dopotutto, le stesse onde radio utilizzate per le comunicazioni a lunga distanza qui sulla Terra viaggiano anche verso l'esterno, trasmettendo segni rivelatori della nostra abilità tecnologica nel cosmo. È del tutto possibile che civiltà lontane inviino segnali simili, o addirittura provino a trasmettere messaggi apposta, poiché avranno a che fare con lo stesso spettro elettromagnetico che siamo noi.
Chiaramente, la radioastronomia ci offre immense possibilità: la capacità di vedere l'invisibile in un buco nero lontano, di svelare nuove entusiasmanti fisica e potenzialmente anche di trovare la nostra prima prova di intelligenza extraterrestre. Per quanto possano sembrare divertenti a chi non lo sapesse, i radiotelescopi sono uno strumento inestimabile di astronomia e uno che continuerà a rivelare nuove parti dell'universo da esplorare.
Il post How Radio Astronomy Reveals the Universe è apparso per la prima volta su Quanta Magazine .
Questa è la traduzione automatica di un articolo pubblicato su Quanta Magazine all’URL https://www.quantamagazine.org/how-radio-astronomy-reveals-the-universe-20210413/ in data Tue, 13 Apr 2021 15:02:38 +0000.