L'astrofisica: una nuova frontiera

Baso Giacomo

Tesina di maturità

L’astrofisica, una nuova frontiera nell’avanguardia della scienza

«Lo sforzo di capire l’universo è tra le pochissime cose che innalzano la vita umana al di sopra del livello di farsa, conferendole un po’ della dignità di una tragedia»

Steven Weinberg

L’astrofisica: storia, scopi e strumenti

Nel 1830 il filosofo francese Auguste Comte scrisse, nel Corso di Filosofia Positiva, che l’astronomia fu la prima scienza ad entrare nello stadio positivo negli anni tra il XVI e il XVII secolo, grazie al genio di figure quali Copernico, Keplero e Galileo Galilei.

Tale svolta segnò il cambio di un’era, e la spinta necessaria all’evoluzione positiva delle scienze applicative.

Tuttavia, tale scienza si limitava ad osservare i moti dei corpi, prevalentemente appartenenti al sistema solare, e a descriverne la traiettoria tramite formule e leggi più o meno empiriche.

Una svolta ben maggiore, che condusse ad uno studio profondo delle caratteristiche fisico-chimiche dell’universo, quali densità, temperatura, luminosità e composizione, oltre che l’analisi delle strutture cosmiche e i rapporti, gravitazionali e non, tra esse, fu possibile solo molto più recentemente.

L’inizio di tali studi è datato verso l’inizio del XX secolo, ma la vera rivoluzione risale all’anno 1933, quando Karl Jansky annunciò che una sua antenna aveva, per puro caso, captato frequenze radio provenienti dalla Via Lattea, e al 1964, quando i premi Nobel Arno Penzias e Robert Woodrow Wilson scoprirono la CMB.

In entrambi i casi, i ricercatori lavoravano ai Laboratori Bell, ed in entrambi i casi stavano sperimentando un nuovo tipo di antenna, totalmente ignari di quello che stavano per scoprire.

Tali scoperte, frutto della capacità di saper cogliere quello che il caso forniva loro e trasformarlo in scoperte innovative, portarono alla nascita della moderna Radioastronomia e a tutte le discipline ad essa collegate, riguardanti lo studio delle emissioni elettromagnetiche dei corpi celesti.

In particolare, la scoperta di Penzias e Wilson, interpretata tramite la legge di Hubble, fu una delle maggiori prove della teoria espansionistica dell’universo, nota oggi come teoria del Big Bang.

Tale teoria, a tutt’oggi estremamente ma non universalmente condivisa, spiega la nascita dell’universo a partire da un singolo punto, chiamato Singolarità Gravitazionale o Atomo Primordiale; dalla “deflagrazione” di tale singolarità si è generata tutta la materia esistente.

L’energia dello scoppio era talmente alta che la materia, originariamente di densità elevatissima e di volume infinitesimo, cominciò ad espandersi e a perdere energia, raffreddandosi.

Grazie a tale processo di raffreddamento l’energia libera, sotto forma di fotoni, dopo un periodo durato circa 300.000 anni perse la capacità di rompere i legami atomici che si venivano a creare per collisioni spontanee di particelle elementari, e subì quello che viene chiamato “ultimo scattering” o disaccoppiamento: in breve, la materia era diventata trasparente alla radiazione.

Tale radiazione si propagò quindi praticamente indisturbata ed in modo quasi isotropo fino ad oggi, raffreddandosi e diminuendo di frequenza, relazione prevista dalla legge di Wien: noi oggi la rileviamo come CMB.

Analizzandola, è possibile ottenere molte informazioni riguardo alle condizioni dell’universo al momento del disaccoppiamento: con lo scopo di ottenere una conoscenza sempre più vasta di tale argomento, anche grazie ai contributi della Relatività Generale, è nata la Cosmologia moderna, scienza che studia l’universo nel suo processo di evoluzione dal Big Bang ad oggi.

L’Astrofisica nel suo complesso venne dunque a configurarsi come una scienza che studia l’universo intero, unendo le conoscenze dell’infinitamente grande date dall’osservazione telescopica e dalle teorie derivanti dalla Relatività Generale, e dell’infinitamente piccolo date dallo studio fotometrico e dalle teorie della Meccanica Quantistica.

Le radiazioni elettromagnetiche e le discipline astrofisiche

Le radiazioni elettromagnetiche, emesse dai corpi celesti e studiate per ottenere informazioni su questi ultimi, sono caratterizzate da una specifica lunghezza d’onda che ne determina le proprietà; per questo, lo studio astronomico è differenziato a seconda della lunghezza d’onda della radiazione analizzata, e necessita di differenti tecniche e differenti strumenti.

Così, l’astrofisica si suddivide in varie discipline, dalla radioastronomia, lunghezze d’onda dell’ordine dei millimetri, all’astronomia ottica, 400-700 nm-1 pm, all’astronomia X e gamma, 10 nm.

I telescopi ottici

Per studiare la banda ottica, detta anche banda del visibile, ci si serve di grandi telescopi dotati di uno specchio concavo paraboloide che concentra tutti i raggi ricevuti nel punto focale, dove è situato uno strumento di ricezione; solitamente, una telecamera collegata ad un dispositivo Charge Coupled Device (CCD) mantenuto ad una temperatura di circa -80 °C, per evitare il più possibile il “rumore termico”.

Tali dispositivi permettono una risoluzione molto elevata, dando la possibilità di studiare oggetti anche molto lontani.

Ovviamente, maggiore è il diametro dello specchio e maggiore sarà il potere risolutore**; tuttavia, vi sono numerose difficoltà tecniche nel produrre specchi sempre più grandi, dal peso sempre crescente dello specchio e della struttura del telescopio, che deve essere sempre più grande e lungo per adattarsi proporzionalmente al diametro, al problema, forse il maggiore, di mantenere costante in ogni punto la temperatura dello schermo, per evitare alterazioni impreviste dei dati.

La radioastronomia

Una risoluzione certamente maggiore e con minor sforzo si può ottenere nella Radioastronomia, dove lo strumento di ricezione delle onde elettromagnetiche è una grossa antenna, il radiotelescopio, puntata nella direzione del segnale.

Grazie alle tecniche interferometriche, poco usate in ottica ma largamente utilizzate nell’ambito di lunghezze d’onda più elevate, è possibile sfruttare un complesso di antenne per aumentare il potere risolutore dell’apparato, come se invece di molte grandi antenne ci fosse un’enorme antenna di diametro pari alla distanza tra le due antenne agli estremi, pur senza la necessità di creare tale enorme antenna, di altrettanta enorme difficoltà pratica a costruirsi.

L’utilizzo di interferometri, però, se da un lato migliora di molto il potere risolutore, dall’altro aumenta enormemente la pesantezza dell’elaborazione dei dati, necessaria per ricondurre i dati osservativi ad un’immagine analizzabile.

A tutt’oggi, il più potente gruppo di radiotelescopi esistente è il Very Long Baseline Array, negli USA, composto da dieci radiotelescopi disposti lungo tutta la superficie dell’America settentrionale, per un diametro totale di 8000 km.

L’astronomia X e gamma

Nel caso di radiazioni più energetiche, caratterizzate da una lunghezza d’onda più piccola, come i raggi X e i raggi Gamma, le cose si complicano assai.

L’atmosfera terrestre infatti filtra tali radiazioni, in misura sempre maggiore quanto più piccola è la lunghezza d’onda, rendendo molto arduo, se non impossibile, analizzare tali radiazioni da terra.

Pertanto si è visto necessario il lancio nello spazio di telescopi in grado di rilevare tali radiazioni, cosa che è stata possibile solo negli ultimi vent’anni.