Il fotografo per esopianeti

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Quando hanno progettato e costruito SPHERE - acronimo per Spectro-Polarimetric High-contrast Exoplanet Research - gli scienziati avevano in mente un obiettivo ben preciso: annullare la luce della stella e isolare la luce proveniente dal pianeta in modo da poterne ottenere direttamente una vera e propria immagine. Una sfida davvero incredibile, sia per l'enorme divario di luminosità tra la stella e il pianeta, sia per la ridottissima distanza angolare che separa i due oggetti celesti. Due elementi che fanno sì che il pianeta risulti praticamente immerso nell'alone luminoso generato dalla turbolenza dell'atmosfera.

La sfida ha reso ancor più determinati i numerosi scienziati (il Consorzio che ha progettato e realizzato SPHERE è composto da12 istituti astronomici europei) che hanno collaborato al progetto sotto la guida di Jean-Luc Beuzit (IPAG Grenoble) e il risultato finale è uno strumento di autentica eccellenza. Davvero notevole la complessità di SPHERE, che riunisce in un unico sistema tre differenti e sofisticate tecniche astronomiche. Troviamo anzitutto un sistema di ottiche adattive estreme (SAXO), il cui compito, rimediando alla degradazione del segnale luminoso che ci giunge dallo spazio causata dalla turbolenza atmosferica, è quello di permettere la migliore risoluzione angolare possibile. In secondo luogo troviamo un coronografo, cioè un sistema che permette di mascherare l'invadente luce della stella diminuendo al massimo possibile le inevitabili frange di interferenza generate dal telescopio e consentire così di scorgere il tenue riflesso del pianeta che le orbita intorno. Abbiamo infine una complessa apparecchiatura che si incarica di analizzare la radiazione raccolta cercando di distinguere con tecniche sofisticate le immagini di compagni estremamente deboli dal rumore rimasto dopo la cancellazione del segnale della stella nonché di spremere da quella preziosa radiazione il maggior numero di informazioni possibili. E' un po' il cuore di SPHERE e comprende tre innovativi strumenti, ciascuno su un canale ottico riservato: ZIMPOL (destinato allo studio della polarizzazione della radiazione), IRDIS (per ottenere immagini infrarosse differenziali) e IFS (per analisi spettroscopica a campo intero).

SPHERE appartiene alla cosiddetta seconda generazione di strumenti del VLT e nei giorni scorsi è stato montato sul Melipal, l'unità osservativa numero 3 dell'Osservatorio del Paranal (Cile), iniziando il definitivo periodo di test. A detta dei tecnici, i risultati della prima luce sono eccellenti. Tra le prime immagini raccolte vi è quella che ritrae il disco di polveri intorno alla stella HR 4796A, un astro distante 240 anni luce nella costellazione del Centauro. E' la prova concreta non solo che SPHERE permette di riprendere quel tenue anello di polveri, ma soprattutto che riesce ottimamente a mascherare il bagliore della stella.

Per saperne di più abbiamo coinvolto Raffaele Gratton, astronomo presso l'Osservatorio di Padova, che ha direttamente contribuito alla realizzazione di SPHERE occupandosi dello spettrografo IFS, strumento del quale è responsabile scientifico.

Dottor Gratton, siamo ancora in fase di test, ma già si respira un notevole ottimismo sulle potenzialità di SPHERE. Cosa ci può dire in proposito? Siamo davvero a una svolta nella strumentazione per la ricerca di pianeti extrasolari?
Benché immagini di alcuni pianeti extrasolari siano già state ottenute, SPHERE - come il suo competitore GPI, sul telescopio americano GEMINI - sono i primi strumenti specificamente progettati per acquisire immagini di pianeti extrasolari: sono cioè i primi strumenti a combinare tra loro in modo ottimizzato le diverse tecniche descritte sopra. In base alle simulazioni, la loro capacità di rivelare compagni deboli espressa come contrasto limite, cioè rapporto tra luminosità del pianeta più debole rivelabile e luce della stella, è circa cento volte superiore a quella di strumenti precedenti. Entrambi non hanno ancora raggiunto pienamente le prestazioni; quando questo sarà ottenuto, non solo potremo rivelare molti più pianeti, ma soprattutto potremo studiarli molto meglio. Questo significa, per esempio, che potremo ottenere spettri di alta qualità di pianeti giganti giovani (sono più luminosi di quelli vecchi), riuscendo così a identificare le molecole presenti nella loro atmosfera.

Davvero notevole la complessità dello strumento, prova tangibile di un impegnativo e difficile lavoro. Qual è stata la sfida più complicata nella realizzazione di SPHERE? Qual è stato - e qual tutt'ora è - il ruolo dei ricercatori italiani in questo avvincente progetto?
SPHERE è particolarmente innovativo sotto almeno quattro aspetti: il sistema di ottica adattivo estremo SAXO - che è la parte più costosa e delicata dello strumento - realizzato in Francia; lo spettrografo a campo integrale per il vicino infrarosso, che utilizza un nuovo tipo di microlenti e che è stato ideato e realizzato in Italia; l'analizzatore di polarizzazione, che utilizza una tecnica molto particolare sviluppata presso l'ETH di Zurigo ed è stato realizzato tra Svizzera e Olanda; infine un banco ottico molto complesso, che permette di ottenere un'estrema stabilità del sistema ottico, realizzato in Francia. In aggiunta - si tratta davvero di un progetto complesso - abbiamo il sistema di coronografi realizzato a Parigi, uno strumento per immagini differenziali realizzato a Marsiglia, il software di controllo dello strumento preparato in Italia e quello di analisi dei dati realizzato dall'MPIA in Germania. Il ruolo italiano è importante non solo nelle componenti realizzate, ma anche in un forte contributo alla progettazione scientifica. Con SPHERE verrà infatti svolta una grande campagna di osservazione la cui progettazione vede gli astronomi italiani protagonisti.

SPHERE appartiene alla cosiddetta seconda generazione degli strumenti per il VLT. Sappiamo però che gli astronomi sono abituati a guardare sempre avanti. Cosa ci potrà riservare la successiva generazione?
La terza generazione di strumenti per VLT include per il momento due strumenti già approvati: uno spettrografo ad alta risoluzione estremamente stabile, ESPRESSO, che cercherà il segnale di velocità radiale dovuto a pianeti di massa simile alla Terra; ed ERIS, uno strumento che utilizzerà il nuovo specchio secondario adattivo di UT4 per avere immagini a contrasto moderatamente elevato - anche se non come SPHERE - ma per sorgenti molto più deboli di quelle osservabili con SPHERE. Inoltre, altri strumenti sono in progetto. In tutti questi strumenti l'Italia è fortemente presente: ad esempio, il nuovo specchio adattivo di UT4 è realizzato in Italia, da ADS e Microgate, che in collaborazione con INAF stanno realizzando specchi di questo tipo per molti fra i maggiori telescopi del mondo.

La sfida più grande per la comunità astronomica europea e l'ESO in particolare è comunque la realizzazione di E-ELT, il nuovo gigantesco telescopio ottico da 39 metri che dovrebbe essere realizzato nel prossimo decennio. Uno degli scopi di E-ELT è permettere di visualizzare pianeti non molto diversi dalla Terra e possibilmente di ottenere il loro spettro, in modo da comprendere la composizione della loro atmosfera. Questo dovrebbe essere ottenuto da uno strumento successore di SPHERE, PCS. Si tratta di una sfida tecnica eccezionale: basti pensare, per esempio, che lo specchio adattivo di SPHERE - che rappresenta la frontiera attuale in questo campo - ha 1400 attuatori, mentre lo specchio adattivo di PCS, se vogliamo poter vedere pianeti simili alla Terra, dovrà averne 25 volte di più! Per rendersi conto di cosa significa, si può fare un esempio. Le capacità di SPHERE equivalgono al poter osservare da Roma una falena che vola a 50 cm da un lampione posto a Milano (stiamo naturalmente trascurando il fatto che la Terra non è piana). Ebbene, per vedere pianeti simili alla Terra PCS deve essere in grado di vedere la polvere che si stacca dalle ali della falena!

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