Turbolenza atmosferica, l'incubo degli astronomi

Non si vede e non si tocca eppure è lei, la turbolenza dell'atmosfera terrestre, l’incubo e il nemico numero uno per l’astronomia e i grandi telescopi al suolo di generazione presente e futura che ci permetteranno di portare a termine i più ambiziosi progetti scientifici e di spingere  oltre il nostro sapere. Ma cosa ha a che fare la turbolenza dell'atmosfera terrestre con l’astrofisica e perché l’uomo ha convenienza ad osservare da terra nelle lunghezze d’onda dove l’atmosfera terrestre lo consente?

Innanzi tutto per un aspetto economico e pratico: i telescopi da terra costano molto meno e vivono molto più a lungo dei telescopi spaziali. Se guardiamo ai telescopi spaziali e terrestri che vedranno la luce prossimamente i guadagni sono evidenti. Il James Webb Space Telescope (diametro 6,5 m) che sará messo in orbita nel 2014, ha un costo previsto di circa 4 miliardi di euro e avrà una vita di 5-10 anni contro un costo di circa 1 miliardo di euro e una vita media di circa 50 anni per lo European Extremely Large Telescope (diametro 42 m), il telescopio da terra di nuova generazione che si vorrebbe operativo per il 2018. Tra i motivi scientifici principali che rendono oggi ancora competitivi i telescopi da terra rispetto a quelli spaziali c’è, senza dubbio, il fatto che i primi possono raggiungere risoluzioni angolari ben migliori di quelle ottenute con i secondi. La risoluzione angolare misura la capacità di un telescopio di distinguere oggetti molto vicini tra loro, in parole semplici nell’ottenere immagini nitide. Se vogliamo, ad esempio, individuare un pianeta extrasolare in orbita attorno alla sua stella usando l’immagine diretta, dobbiamo avere  risoluzioni  estreme per distinguere due oggetti non solo molto vicini ma anche caratterizzati da un contrasto luminoso molto grande. Le leggi fisiche ci dicono che la risoluzione è proporzionale a l/D (dove l é la lunghezza d’onda e D il diametro dello specchio del telescopio). Se ne conclude che il guadagno di un telescopio terrestre rispetto a uno spaziale, a parità di lunghezza d’onda, è pari al rapporto tra i diametri degli specchi che, nel caso descritto precedentemente (42m/6,5 m), sarebbe un fattore 6.

Quanto appena detto è però vero in assenza di atmosfera, nel vuoto. Purtroppo la presenza della turbolenza atmosferica fa sì  che la risoluzione di un telescopio a terra, di qualunque taglia, sia equivalente a quella di un telescopio di 10 cm.

La turbolenza introduce, infatti, delle fluttuazioni di temperatura e quindi dell’indice di rifrazione dell’aria e il fronte d’onda proveniente dall’oggetto che stiamo osservando, viene quindi perturbato.  Di conseguenza, la luce, invece di focalizzarsi in un’immagine nitida, risulta distribuita su una superficie piú ampia e irregolare in cui i dettagli e l’informazione che cerchiamo sono in gran parte persi. 

E' quindi fondamentale cercare di correggere e possibilmente  eliminare gli effetti che la turbolenza atmosferica introduce sui fronti d’onda per poter sfruttare le grandi potenzialità che i telescopi di nuova generazione da terra offrono. Ma per combattere i nemici bisogna conoscerli. Questo è il motivo per il quale, negli ultimi decenni, una rosa di discipline  investigative assolutamente cruciali per l’astrofisica, che vanno sotto il nome di Ricerche in Tecniche di Alta Risoluzione Angolare, si sono sviluppate accanto all’astrofisica piú classica. Queste discipline si prefiggono di studiare la natura della turbolenza ottica, come questa agisce sui fronti d’onda, come misurare le perturbazioni dei fronti d’onda e come correggerle. Le tecniche che misurano e correggono le perturbazioni dei fronti d’onda in tempo reale sono chiamate "ottiche adattive" e si basano sulla misura, con appositi sensori, delle perturbazioni del fronte d’onda che arriva al telescopio e imponendo al fronte d’onda deformazioni uguali e contrarie al fine di ricostituirne la forma originaria. L’impatto che tali tecniche possono avere sulle osservazioni astronomiche è impressionante. 

Figura 1 | Omega Centauri

 Immagine a 2,2 micron della zona centrale di Omega 
Centauri. A sinistra senza correzioni (risoluzione angolare 
di 0,6 arcosecondi), a destra con il sistema di ottica adattiva 
multi-coniugata MAD con ottica adattiva  
(risoluzione angolare di 0,1 arcosecondi). 

In Figura 1 è riportato un recente risultato ottenuto con uno strumento di ottica adattiva multi-coniugata MAD (Marchetti 2008) osservando l’ammasso globulare Omega Centauri. Nel pannello a sinistra è visibile l’immagine così come ottenuta attraverso la turbolenza atmosferica, senza correzione. Nel pannello a destra è mostrata l’immagine come appare dopo la correzione.  Il miglioramento é impressionante (il dettaglio più piccolo osservabile migliora da 0,6 a 0,1 arcosecondi)  e permette di vedere molte stelle deboli totalmente invisibili nell’immagine di sinistra.

Come conseguenza anche le tecniche per osservare in presenza di turbolenza atmosferica si sono fatte sempre piú sofisticate per poter estrarre dalle osservazioni astronomiche l’informazione che cerchiamo. Negli ultimi decenni si è sviluppata l’interferometria ottica che permette di raggiungere risoluzioni del milli-arcosecondo  e negli ultimi anni si sono sperimentate tecniche di immagine diretta ad alto contrasto per la rivelazione dei pianeti extrasolari come, ad esempio, la "Simultaneous Differential Imaging" (SDI) che necessita naturalmente dei sistemi di ottica adattiva durante le osservazioni.

Sia i sistemi di ottica adattiva che le tecniche di osservazione però dipendono fortemente dalla stato della turbolenza atmosferica. Se questa è troppo forte l’ottica adattiva è pressoché inefficace e i risultati migliori si ottengono ovviamente in condizioni di turbolenza debole. E' perciò fondamentale studiare e conoscere come la turbolenza nasce, si sviluppa e muore in prossimità di un sito astronomico, saperla quantificare ed ancor più saperne prevedere lo stato in modo da poter scegliere il tipo di osservazione da programmare (immagine diretta, spettroscopia, interferometria ...) per utilizzare al meglio il telescopio. Una tra le tecniche più promettenti è certamente la modellistica realizzata con modelli atmosferici a mesoscala in cui il nostro gruppo di ricerca (ForOT) in Arcetri è attivamente impegnato (http://forot.arcetri.astro.it). Bisogna sapere che molti dei programmi astrofisici più ambiziosi richiedono condizioni atmosferiche eccellenti (e turbolenza molto debole). Senza una previsione dello stato della turbolenza è altamente improbabile che questi programmi possano essere portati a termine. La sfida su cui ci giocheremo il successo dell’astronomia al suolo di nuova generazione dipenderà, quindi, fortemente dal successo di questi studi e sarà basato principalmente sulla nostra abilità nell’individuare in anticipo queste finestre temporali di turbolenza eccellente. Solo in questo modo l’astronomia da terra potrà tradurre in fatti il suo potenziale punto di forza e mantenere la sua competitività rispetto all’astronomia spaziale.

Questo scenario ci dice che l’astronomia del nuovo millennnio ha una nuova pelle e la ricerca astrofisica ai massimi livelli non si ottiene più ponendo l’occhio dietro a un cannocchiale come ai tempi di Galileo ma si ottiene solo lavorando in grossi team che abbiano competenze diversificate e solo con ricerche specifiche in molte discipline distinte che vanno dall’astrofisica pura all’ottica, alla fisica applicata fino all’ingegneria. La grande scommessa dell’astrofisica del futuro è certamente saper lavorare con uno spirito fondamentalmente multidisciplinare.

Marchetti et al. Adaptive optics widens its view. SPIE 2008; 7015: 70150F (link).