Abstract
La radioastronomia iniziò nel 1933 quando un ingegnere di nome Karl Jansky scoprì accidentalmente che le onde radio non provengono solo dalle invenzioni che creiamo ma anche da cose naturali nello spazio. Da allora, gli astronomi hanno costruito telescopi sempre migliori per trovare queste onde radio cosmiche e imparare di più sulla loro provenienza e su quello che possono dirci sull’universo. Mentre gli scienziati possono imparare molto dalla luce visibile che rilevano con i normali telescopi, possono rilevare diversi oggetti ed eventi – come buchi neri, stelle in formazione, pianeti in procinto di nascere, stelle morenti e altro – usando i radiotelescopi. Insieme, i telescopi che possono vedere diversi tipi di onde – dalle onde radio alle onde di luce visibile ai raggi gamma – danno un quadro più completo dell’universo di quanto qualsiasi tipo di telescopio possa fare da solo.
Quando guardi il cielo di notte, vedi le luci brillanti delle stelle. Se vivi in un luogo buio, lontano dalle città, puoi vederne migliaia. Ma i singoli punti che vedi sono tutte stelle vicine. Circa 100 miliardi di altre stelle esistono solo nella nostra galassia, che si chiama Via Lattea. Oltre la Via Lattea, gli astronomi pensano che esistano circa altri 100 miliardi di galassie (ognuna con i suoi 100 miliardi di stelle). Quasi tutte queste stelle sono invisibili ai tuoi occhi, che non possono vedere la luce fioca delle stelle lontane. Ai tuoi occhi mancano anche altre cose. La luce visibile che i tuoi occhi possono vedere è solo una piccola parte di quello che gli astronomi chiamano lo “spettro elettromagnetico”, l’intera gamma delle diverse onde luminose esistenti. Lo spettro elettromagnetico comprende anche i raggi gamma, i raggi X, la radiazione ultravioletta, la radiazione infrarossa, le microonde e le onde radio. Poiché gli occhi umani possono vedere solo la luce visibile, dobbiamo costruire telescopi speciali per captare il resto dello “spettro” – e poi trasformarli in immagini e grafici che possiamo vedere.
Cos’è un’onda radio?
La luce è fatta di piccole particelle chiamate “fotoni”. I fotoni nella luce visibile hanno una media quantità di energia. Quando i fotoni hanno un po’ più di energia, diventano radiazioni ultraviolette, che non puoi vedere ma che possono darti una scottatura. Con più energia di quella, i fotoni diventano raggi X, che ti attraversano. Se i fotoni possiedono ancora più energia, diventano raggi gamma, che escono dalle stelle quando esplodono.
Ma quando i fotoni hanno un po’ meno energia dei fotoni della luce visibile, sono conosciuti come radiazione infrarossa. Si possono sentire come calore. Infine, chiamiamo i fotoni con meno energia “onde radio”. Le onde radio provengono da strani punti dello spazio – i luoghi più freddi e antichi e le stelle con più materiale stipato in un piccolo spazio. Le onde radio ci parlano di parti dell’universo che non sapremmo nemmeno che esistono se usassimo solo i nostri occhi o i telescopi che vedono i fotoni visibili.
Lunghezza d’onda e frequenza
I radioastronomi usano questi fotoni radio per conoscere l’universo invisibile. I fotoni viaggiano in onde, come se fossero su un ottovolante che usa sempre gli stessi due pezzi di pista. La dimensione dell’onda di un fotone – la sua lunghezza d’onda – ti dice della sua energia. La figura 1 mostra onde con due diverse lunghezze d’onda. Se l’onda è lunga, non ha molta energia; se è corta, ha molta energia. Le onde radio non hanno molta energia, e questo significa che viaggiano in grandi onde con lunghezze d’onda. Le onde radio possono essere lunghe centinaia di metri o solo pochi centimetri.
- Figura 1 – I fotoni viaggiano in onde. La lunghezza di ogni onda è chiamata lunghezza d’onda.
Gli astronomi parlano anche di quante di queste onde passano per un punto ogni secondo – la “frequenza” dell’onda radio. Si può pensare alla frequenza immaginando uno stagno d’acqua. Se lanci un sasso nell’acqua, le increspature attraversano lo stagno. Se stai in acqua, le onde colpiscono le tue caviglie. Il numero di onde che ti colpiscono in un secondo ti dice la frequenza delle onde. Un’onda al secondo si chiama 1 Hertz. Un milione di onde al secondo è 1 MHz. Se le onde sono lunghe, meno di loro ti colpiscono ogni secondo, quindi le onde lunghe hanno frequenze più piccole. Le onde radio hanno lunghezze d’onda lunghe e piccole frequenze.
Pionieri della radio
Il primo radioastronomo non voleva essere il primo radioastronomo. Nel 1933, un uomo di nome Karl Jansky stava lavorando ad un progetto per i Bell Laboratories, un laboratorio nel New Jersey che prendeva il nome da Alexander Graham Bell, che inventò il telefono. Gli ingegneri stavano sviluppando il primo sistema telefonico che funzionava attraverso l’Oceano Atlantico. Quando le persone provarono per la prima volta a telefonare con quel sistema, sentirono un sibilo in sottofondo in certi momenti della giornata. I Bell Labs pensavano che quel rumore fosse un male per gli affari, così mandarono Karl Jansky a scoprire cosa lo stesse causando. Ben presto notò che il sibilo iniziava quando il centro della nostra galassia si alzava nel cielo e finiva quando tramontava (tutto nel cielo si alza e tramonta proprio come fanno il Sole e la Luna). Capì che le onde radio provenienti dal centro della galassia stavano disturbando la connessione del telefono e causando il sibilo. Lui – e il telefono – avevano rilevato onde radio dallo spazio. Jansky aprì un nuovo universo invisibile. Puoi vedere una foto dell’antenna usata da Karl Jansky per rilevare le onde radio dallo spazio nella Figura 2.
- Figura 2 – Il fondatore della radioastronomia, Karl Jansky, sta con l’antenna da lui costruita che ha rilevato le prime onde radio identificate come provenienti dallo spazio. Fonte: NRAO.
Ispirato dalle ricerche di Janksy, un uomo di nome Grote Reber costruì un radiotelescopio nel suo cortile in Illinois. Finì il telescopio, che era largo 31 piedi, nel 1937 e lo usò per guardare tutto il cielo e vedere da dove venivano le onde radio. Poi, dai dati che ha raccolto dal suo radiotelescopio, ha fatto la prima mappa del “cielo radio”.
Discorso sul radiotelescopio
Puoi vedere la luce visibile perché i fotoni della luce visibile viaggiano in piccole onde, e il tuo occhio è piccolo. Ma poiché le onde radio sono grandi, il tuo occhio dovrebbe essere grande per rilevarle. Così, mentre i normali telescopi hanno un diametro di pochi pollici o piedi, i radiotelescopi sono molto più grandi. Il Green Bank Telescope in West Virginia è largo più di 300 piedi e può essere visto nella Figura 3. Il telescopio di Arecibo nella giungla di Porto Rico ha un diametro di quasi 1.000 piedi. Sembrano versioni gigantesche delle antenne televisive satellitari, ma funzionano come normali telescopi.
- Figura 3 – Mentre strumenti come il Green Bank Telescope, qui raffigurato, possono non sembrare telescopi tradizionali, funzionano più o meno allo stesso modo ma rilevano onde radio invece della luce visibile. Poi trasformano quelle onde radio, che gli occhi umani non possono vedere, in immagini e grafici che gli scienziati possono interpretare. Fonte: NRAO.
Per usare un normale telescopio, lo si punta verso un oggetto nello spazio. La luce proveniente da quell’oggetto colpisce uno specchio o una lente, che fa rimbalzare la luce su un altro specchio o lente, che poi fa rimbalzare di nuovo la luce e la invia al tuo occhio o a una macchina fotografica.
Quando un astronomo punta un radiotelescopio verso qualcosa nello spazio, le onde radio dallo spazio colpiscono la superficie del telescopio. La superficie – che può essere di metallo con dei fori, chiamata rete, o di metallo solido, come l’alluminio – agisce come uno specchio per le onde radio. Le fa rimbalzare fino a un secondo “specchio radio”, che poi le fa rimbalzare in quello che gli astronomi chiamano “ricevitore”. Il ricevitore fa quello che fa una macchina fotografica: trasforma le onde radio in un’immagine. Questa immagine mostra quanto sono forti le onde radio e da dove vengono nel cielo.
Radiovisione
Quando gli astronomi cercano le onde radio, vedono oggetti ed eventi diversi da quelli che vedono quando cercano la luce visibile. Luoghi che sembrano scuri ai nostri occhi, o ai normali telescopi, si illuminano nelle onde radio. I luoghi dove si formano le stelle, per esempio, sono pieni di polvere. Quella polvere blocca la luce per arrivare a noi, quindi l’intera area sembra un blob nero. Ma quando gli astronomi puntano i radiotelescopi su quel punto, possono vedere direttamente attraverso la polvere: possono vedere una stella che sta nascendo.
Le stelle nascono in nubi giganti di gas nello spazio. Per prima cosa, quel gas si raggruppa. Poi, a causa della gravità, sempre più gas è attratto dall’ammasso. L’ammasso diventa sempre più grande e sempre più caldo. Quando è abbastanza grande e caldo, inizia a frantumare insieme gli atomi di idrogeno, gli atomi più piccoli che esistono. Quando gli atomi di idrogeno si scontrano tra loro, creano l’elio, un atomo leggermente più grande. Poi, questo ammasso di gas diventa una stella ufficiale. I radiotelescopi scattano foto di queste piccole stelle.
I radiotelescopi mostrano anche i segreti della stella più vicina. La luce che vediamo dal Sole proviene da vicino alla superficie, che è circa 9.000oF. Ma sopra la superficie, la temperatura raggiunge i 100.000oF. I radiotelescopi ci aiutano a saperne di più su queste parti calde, che inviano onde radio.
Anche i pianeti del nostro sistema solare hanno personalità radio. I radiotelescopi ci mostrano i gas che turbinano intorno a Urano e Nettuno e come si muovono. I poli nord e sud di Giove si illuminano con le onde radio. Se mandiamo onde radio verso Mercurio, e poi catturiamo le onde radio che rimbalzano indietro usando un radiotelescopio, possiamo fare una mappa buona quasi quanto Google Earth.
Quando guardano molto più lontano, i radiotelescopi ci mostrano alcuni degli oggetti più strani dell’universo. La maggior parte delle galassie hanno buchi neri supermassicci al loro centro. I buchi neri sono oggetti che hanno molta massa schiacciata in uno spazio minuscolo. Questa massa dà loro così tanta gravità che nulla, nemmeno la luce, può sfuggire alla loro attrazione. Questi buchi neri ingoiano stelle, gas e qualsiasi altra cosa che si avvicini troppo. Quando quella roba sfortunata sente la gravità del buco nero, prima si avvolge a spirale intorno al buco nero. Man mano che si avvicina, va sempre più veloce. Enormi getti, o colonne, di radiazione elettromagnetica e di materia che non entra nel buco nero (a volte più alti di un’intera galassia) si formano sopra e sotto il buco nero. I radiotelescopi mostrano questi getti in azione (Figura 4).
- Figura 4 – Le galassie che hanno buchi neri supermassicci al loro centro possono sparare fuori getti di materia e radiazione, come quelli visti qui, che sono più alti della larghezza della galassia. Fonte: NRAO.
Oggetti massicci come questi buchi neri deformano il tessuto dello spazio, chiamato spazio-tempo. Immaginate di mettere una palla da bowling, che pesa molto, su un trampolino. Il trampolino si affloscia. Le cose pesanti nello spazio fanno abbassare lo spazio-tempo proprio come il trampolino. Quando le onde radio provenienti da galassie lontane viaggiano su quel cedimento per arrivare sulla Terra, la forma agisce proprio come la forma di una lente di ingrandimento sulla Terra: i telescopi vedono quindi un’immagine più grande e più luminosa della galassia lontana.
I radiotelescopi aiutano anche a risolvere uno dei più grandi misteri dell’universo: Cos’è l’energia oscura? L’universo si sta ingrandendo ogni secondo. E diventa più grande sempre più velocemente ogni secondo perché l'”energia oscura” è l’opposto della gravità: Invece di riunire tutto, spinge tutto più lontano. Ma quanto è forte l’energia oscura? I radiotelescopi possono aiutare gli scienziati a rispondere a questa domanda osservando i “megamaser” che si verificano naturalmente in alcune parti dello spazio. Un megamaser è un po’ come un laser sulla Terra, ma invia onde radio invece della luce rossa o verde che possiamo vedere. Gli scienziati possono usare i megamaser per individuare i dettagli dell’energia oscura. Se gli scienziati riescono a capire quanto sono lontani questi megamaser, possono dire quanto sono lontane le diverse galassie, e poi possono capire quanto velocemente queste galassie si stanno allontanando da noi.
Una cassetta degli attrezzi completa
Se avessimo solo telescopi che raccolgono la luce visibile, ci perderemmo gran parte dell’azione nell’universo. Immaginate se i medici avessero solo uno stetoscopio come strumento. Potrebbero imparare molto sul battito cardiaco del paziente. Ma potrebbero imparare molto di più se avessero anche una macchina a raggi X, un sonogramma, uno strumento di risonanza magnetica e uno scanner CT. Con questi strumenti, potrebbero ottenere un quadro più completo di ciò che sta accadendo all’interno del corpo del paziente. Gli astronomi usano i radiotelescopi insieme ai telescopi a raggi ultravioletti, infrarossi, ottici, a raggi X e a raggi gamma per lo stesso motivo: per avere un quadro completo di ciò che accade nell’universo.
Glossario
Spettro elettromagnetico: La luce visibile che possiamo vedere è solo una piccola parte dello “spettro elettromagnetico”. La luce visibile è fatta di fotoni con energia media. I fotoni con più energia sono le radiazioni ultraviolette, i raggi X e i raggi gamma (i raggi gamma hanno più energia). I fotoni con meno energia sono gli infrarossi e le onde radio (le onde radio hanno meno energia).
Fotone: La luce è fatta di particelle chiamate fotoni, che viaggiano in onde.
Lunghezza d’onda: La dimensione dell’onda in cui viaggia un fotone.
Frequenza: Il numero di onde luminose che passano da un punto in un secondo.
Hertz: 1 Hz significa che un’onda passa da un punto in un secondo. Un megahertz significa che passano un milione di onde ogni secondo.
Ricevitore: La parte di un radiotelescopio che prende le onde radio e le trasforma in un’immagine.
Energia oscura: L’energia oscura agisce come l’opposto della gravità e spinge tutto nell’universo più lontano.
Megamaser: Un laser naturale nello spazio che invia onde radio, invece di luce rossa o verde come quella che proviene da un puntatore laser.
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