L'Hubble Space Telescope

Nel 1923 l'Astronomo statunitense Edwin Hubble scoprì la prima variabile Cefeide nella galassia Andromeda (M31). All'epoca si pensava che M31 fosse una stella appartenente alla nostra galassia, quindi relativamente vicina a noi. Le variabili Cefeidi hanno una luminosità nota, dalla quale si può ricavare la distanza, sapendo come varia la luminosità di una sorgente con la sua lontananza. Essendo molto brillanti e quindi visibili fino a grandi distanze, permettono di ricavare la distanza di diverse galassie. Grazie alla variabile Cefeide osservata, Hubble riuscì a stabilire la distanza di M31 e la sua natura di galassia esterna alla nostra (le distanze cosmiche sono affrontate in Cosa e come si fa nell'Astronomia oggi).
Passano quasi 70 anni...
Nel 1990 viene messo in orbita il primo telescopio spaziale, l'Hubble Space Telescope, così chiamato proprio in onore del grande astronomo.
Costruito dalla Nasa con la collaborazione dell'Agenzia Spaziale Europea, l'Hubble orbita attorno alla Terra a un'altezza di 612 Km dal suolo. Possiede uno specchio di 2,4 metri di diametro e altri cinque strumenti che analizzano la luce raccolta. Il tutto è contenuto in un cilindro di 13 metri di lunghezza per 4,5 metri di diametro e 11 tonnellate di peso.Il telescopio, orbitando al di fuori dell'atmosfera terrestre che disturba l'osservazione del cielo, riesce a vedere sorgenti fino a 30 volte meno luminose di quelle osservate da terra.
Le immagini ad altissima risoluzione fornite dallo strumento (almeno dieci volte maggiore di quella raggiungibile dai migliori telescopi terrestri) svelano un Universo inedito, animato da buchi neri, stelle che stanno nascendo e galassie lontanissime. Hubble è il primo osservatorio spaziale permanente, progettato per essere riparato e periodicamente “rimodernato” dagli astronauti in orbita.

13 anni di scoperte sconvolgenti: sappiamo molto di più ma capiamo di meno!

Sembra una contraddizione ma non lo è: come già detto nella seconda parte di questa trattazione, l'Astronomia è una scienza osservativa, non sperimentale. Sappiamo di più perchè vediamo molte più cose ma dobbiamo anche spiegarle. Non possiamo toccarle con mano, possiamo solo fare ipotesi, modelli da cui trarre delle conclusioni che dobbiamo poi verificate con ulteriori osservazioni. Ecco perchè si costruiscono telescopi sempre più potenti e sofisticati

UNA IMMAGINE COME "MACCHINA DEL TEMPO"

Tra i tanti programmi di ricerca dell'Hubble, uno in particolare ha fornito dei risultati sensazionali. Si tratta dell'immagine chiamata "Hubble Deep Field (HDF)", ottenuta nel dicembre 1995, la quale ha fornito il quadro finora più dettagliato della parte di Universo più lontano mai osservato dall'uomo. L'Hubble Deep Field, oltre alle stelle, mostra circa 1500 galassie, vicine e lontane, giovani ed evolute, tutte proiettate sullo stesso piano celeste. In Astronomia, il termine "deep" (= profondo) viene utilizzato ogniqualvolta si riesce ad osservare oggetti molto deboli (ossia poco luminosi) presenti nell'Universo. Anche se il telescopio è stato puntato su una piccola zona di cielo, quello fotografato è considerato comunque un campione rappresentativo della distribuzione delle galassie nello spazio, poiché l'Universo appare sostanzialmente identico in tutte le direzioni lo si osservi. Guardando in questo piccolo scorcio di cielo, Hubble ha messo in luce una gran varietà di oggetti, per forme e colori, alcuni dei quali cosi deboli (circa 1 miliardo di volte meno luminosi di quanto occorrerebbe per vederli a occhio nudo) da non essere mai stati osservati prima da terra con i telescopi più potenti.
Poiché la luce ha una velocità finita, anche se altissima (nel vuoto essa si propaga a circa 300.000 Km al secondo e non esiste nulla di più veloce della luce nel mondo fisico) quella che noi vediamo, in un certo istante, provenire da una stella o da una galassia è stata emessa dalla sorgente in un istante precedente, cioè quand'era più "giovane". Per gli oggetti più distanti quindi, che sono anche tra i meno luminosi, l'immagine "profonda" ottenuta dal telescopio Hubble funziona da ... "macchina del tempo", permettendoci di guardare indietro nel tempo, all'epoca in cui cominciarono a formarsi le prime galassie, appena un miliardo di anni dopo la nascita dell'Universo.


SOLO ALCUNI ESEMPLARI DELLO "ZOO COSMICO"
Questa eccezionale immagine, pur contenendo una quantità notevole di stelle, galassie e quasar, ci presenta solo alcune delle componenti che costituiscono l'Universo. L'Hubble Space Telescope rileva infatti solo la luce visibile mentre l'Universo è permeato da radiazioni diverse prodotte da differenti processi fisici: è come cambiarsi gli occhiali e guardare uno stesso oggetto sotto "luci" diverse...

Ecco perchè uscire dall'atmosfera terrestre

Andare ad osservare il cielo fuori dall'atmosfera è importantissimo perchè si possono rilevare sorgenti luminose estremamente deboli che da terra è impossibile vedere: per quanto si potenzi un telescopio l'atmosfera rappresenta sempre un limite non superabile come uno schermo totale, o meglio un filtro che lascia passare solo alcuni tipi di radiazione mentre ne blocca totalmente degli altri. Voler capire l'Universo guardandolo solo da dentro l'atmosfera è come voler studiare la vita di una persona avendo a disposizione qualche minuto del suo tempo.

Ma anche uscendo dall'atmosfera con un telescopio ottico come l'Hubble l'informazione che si ottiene non è sufficiente per avere un quadro completo

Come già detto nella seconda parte di questo modulo (Come si fa la ricerca astronomica) la vita degli astri ha tempi lunghissimi, molto superiori alla durata della nostra vita e anche all'intera storia dell'Uomo.
Le stesse dimensioni del Cosmo sono talmente grandi che dobbiamo affidarci al messaggero più veloce in natura, la radiazione elettromagnetica, per poterne conoscere una minima parte. Ciò che possiamo studiare del cielo, quindi, è veramente poco: solo qualche indizio, grazie al quale poter ricostruire un modello dell'Universo il più possibile consistente con le osservazioni, quelle esistenti e quelle future, dunque un modello in continua evoluzione.

Le nuove astronomie

Abbiamo accennato, nella prima parte, anche al fatto che i progressi tecnologici e la possibilità di inviare telescopi nello spazio, hanno permesso di far luce su un Universo prima quasi sconosciuto, nel quale avvengono una serie di fenomeni che non si manifestano, o si manifestano solo parzialmente, nella banda della radiazione visibile e ne è risultato che esso è formato da componenti molto diverse tra loro per ognuna delle quali si sono sviluppate diverse branche dell'Astrofisica.

Quello che vediamo nell'hubble deep field è solo lo 0,5% dell'intero Universo!

Di cosa è composto l'Universo: il diagramma a torta qui sotto mostra quella che si pensa possa essere la suddivisione tra i vari tipi di materia-energia che formano l'universo.

0,03% formato per lo più dalla stessa materia ordinaria di cui sono composti pianeti, satelliti, asteroidi e comete. Le branche dell'Astronomia che si occupano di studiare questa componente vanno dalla "classica" PLANETOLOGIA, per quanto riguarda i corpi del nostro Sistema Solare, alla molto più recente ASTROBIOLOGIA. Iniziata poco meno di 20 anni fa l'Astrobiologia ha tra le sue priorità ha la ricerca di pianeti extrasolari simili alla Terra e in grado di ospitare la vita.

0,3% di neutrini, particelle elementari con carica elettrica nulla e massa molto piccola o nulla. I neutrini sono estremamente diffusi nel cosmo, e vengono emessi in grandi quantità dalle stelle come sottoprodotto delle reazioni nucleari al loro interno. Un flusso di neutrini attraversa costantemente anche la nostra atmosfera, la Terra e anche i nostri corpi, senza interagire con la materia. La Scienza che si occupa dello studio dei neutrini è chiamata FISICA ASTROPARTICELLARE e, fino a pochi anni fa, la ricerca veniva condotti nei laboratori a terra. Ma recentemente gli scienziati si sono resi conto che un ambiente particolarmente ideale per le indagini condotte dalla fisica astroparticellare è anche lo spazio fuori dall'atmosfera terrestre.

0,5% di stelle che si trovano in ogni direzione si guardi, ma tra ciascuna di esse vi sono immense distanze e immensi zone di spazio. Le stelle, la loro disposizione nello spazio, le galassie che esse costituiscono sono tutti campi di indagine non recente anche se in continua evoluzione. L'ASTROFISICA STELLARE si occupa di studiare la nascita, l'evoluzione e il destino delle stelle. Se ne potrebbero poi elencare molte altre come l'Astrofisica delle galassie, l'Astrodinamica e l'Astrometria.

4% di gas, idrogeno ed elio appunto, e polvere che riempie l'immenso spazio intorno alle stelle. La scienza che si occupa di studiare questa componente dell'Universo è la FISICA DEL MEZZO INTERSTELLARE anche chiamata ELETTRODINAMICA COSMICA.

25% di materia di cui non si conosce la natura. Capire quanta sia la materia nell'Universo è fondamentale per conoscere il suo destino ed è pertanto una delle priorità della COSMOLOGIA. L’esistenza di questa materia oscura è nota fin dagli anni Trenta, ma nessuna delle teorie che sono stare formulate è a tutt’oggi in grado di spiegarne la composizione. Potrebbe trattarsi di materia ordinaria (pianeti , asteroidi) ma non si esclude che si tratti di particelle ancora sconosciute, la cui esistenza è prevista dai modelli di fisica teorica, ma che non è ancora stata dimostrata sperimentalmente.

70% Negli ultimi anni del secolo scorso una serie di osservazioni eseguite con strumenti molto sensibili convinse i cosmologi che la materia normale e quella oscura corrispondono a neanche un terzo di tutto quello che dovrebbe esserci nell’Universo. Quello che manca è stato chiamato “energia oscura” e rappresenterebbe una forma di energia, non si sa bene di che natura e originata da cosa, ma con una proprietà piuttosto originale: la sua gravità non attrae ma respinge, con la conseguenza che l’Universo invece che rallentare, come dovrebbe, sta accelerando la sua espansione. E' di nuovo la COSMOLOGIA quindi ad occuparsi di questa componente, a quanto pare preponderante, dell'Universo.

L'hubble deep field ci ha dato la conferma di un modello teorico di Universo che prevede l'esistenza della materia oscura.

Abbiamo visto, nella parte dedicata a cosa e come si fa, che l'Astrofisica procede per modelli. Ecco un esempio di questo modo di procedere rappresentato nella figura sottostante, in cui si sono poste a confronto l'immagine reale di una porzione di cielo osservato, ottenuta con l'Hubble Space Telescope e l'immagine ipotetica di una porzione di cielo che si dovrebbe avere secondo una certa ipotesi teorica.

Tutti gli oggetti dell'hubble deep field appaiono proiettati sulla volta celeste come se fossero vicini tra loro. In realtà essi sono lontanissimi gli uni dagli altri. Alcuni di questi appartengono all'Universo primordiale: la radiazione luminosa da essi emessa ha viaggiato per miliardi di anni prima di arrivare fino a noi e l'informazione che tale radiazione porta con se ci dice come era quell'oggetto miliardi di anni fa, non come è oggi. E' come un'istantanea scattata a un corpo celeste, che ci mostra com'era questo corpo moltissimi anni fa...

Nel modello di Universo sopra rappresentato i raggi di luce dalle galassie distanti viaggiano attraverso un cammino tortuoso in uno spazio riempito con una ragnatela formata da ammassi di materia oscura. Ogni piega o curva che i fasci di luce compiono lungo il cammino stirano e deformano l'immagine delle galassie distanti per produrre infine una immagine non molto diversa da quella reale dell'Hubble.

E la ricerca continua!