Uscendo da Città del Capo, una delle tre capitali del Sudafrica, si può imboccare l'autostrada N1 nella zona di Foreshore. Guidando circa 250 km, si esce a sinistra prendendo la strada regionale R354. Procedendo per un altro centinaio di km, ci si inoltra nel deserto del Karoo, giungendo infine alla cittadina di Sutherland. Popolata da circa tremila abitanti, si trova a circa 1500 metri sul livello del mare ed è uno dei luoghi più freddi della nazione, con il termometro che scende sotto lo zero nei mesi invernali, in Sudafrica è raro. È un paese piccolo, ma in un certo senso abituato alle visite. In effetti, a qualche km a est di Sutherland, sorge una strana struttura, con una sessantina di antenne paraboliche, ciascuna con un diametro di circa 14 metri, che si muovono sincronizzate. Il complesso si chiama MeerKat, che in inglese significa ‘suricato’ (per capirci, Timon da Il Re Leone) ed è un radiotelescopio o, meglio, un radiointerferometro.
Quando l’unione fa la forza: il radiotelescopio SKA
L’interferometria è una tecnica affascinante: solitamente, con i telescopi ottici, ovvero quelli che osservano la luce visibile, vale la regola che più grande è la lente, meglio riusciamo a vedere l’oggetto. Esiste una relazione semplice che dice che il potere risolutivo di uno strumento, ovvero la sua capacità di distinguere i dettagli, è dato grossomodo dal rapporto tra la lunghezza d’onda della luce che osserviamo e il diametro del telescopio:
θ ∝ λ/D
dove θ è per l’appunto la risoluzione, che rappresenta l’angolo più piccolo che il telescopio può distinguere.
Ma cosa succede se la lunghezza d’onda della radiazione che vogliamo studiare, anziché essere dell’ordine di grandezza dei nanometri come per la luce visibile, arriva fino all’ordine dei millimetri e dei centimetri, crescendo quindi di un milione di volte? La radiazione elettromagnetica si distribuisce in uno spettro, dove le onde radio si posizionano a lunghezze d’onda maggiori della luce ottica o visibile. Per potere osservare una tale emissione con la stessa risoluzione dei telescopi ottici, dovremmo costruire un’antenna radio larga centinaia di chilometri. Non è una sfida ingegneristica facilmente risolvibile, e dopotutto non sembra affatto una buona idea.
Quello che si può invece fare è spezzettare l’informazione tra tante antenne paraboliche, che si muovono sincronizzate, e che si parlano tra loro. Puntano lo stesso oggetto, ne registrano la radiazione e i segnali che le singole antenne ricevono vengono correlati tra loro, considerando tutte le coppie possibili all’interno del gruppo di antenne, per risalire alla struttura dell’oggetto osservato. Più antenne ci sono, più radiazione si raccoglie, più coppie si possono creare, migliore sarà il livello di dettaglio. È come se ciascuna antenna si comportasse come il singolo pixel di una parabola più grande, immaginaria, che sonda il cielo.
Antenne paraboliche (SKA-Mid, Sudafrica) e antenne a dipolo elettrico (SKA-Low, Australia).
©SKAO
Se poi la distanza massima tra una coppia di antenne, che rappresenta virtualmente il diametro di questa parabola immaginaria, è di centinaia di chilometri, come per esempio la distanza che separa Sudafrica e Australia, allora i livelli di risoluzione che possiamo raggiungere sono mai visti prima, perlomeno nell’astronomia radio.
Questa è la grande forza di SKA, che sta per Square Kilometer Array. Il nome viene dal fatto che la superficie totale delle antenne raggiungerà il chilometro quadrato ed è un sistema strumentale che si svilupperà su scala mondiale e che prevede l'installazione di varie antenne radio sparse per il Sudafrica e nella scarsamente abitata contea di Murchinson nell'Australia Occidentale, anch'essa desertica. Il clima desertico è importante: il vapore acqueo che si può trovare nell’aria è uno dei peggiori nemici delle osservazioni radio, in quanto l’acqua può assorbire le emissioni di questo tipo e quindi rubare segnali ai telescopi. Gruppi di antenne paraboliche che si trovano a distanza intercontinentale saranno in connessione costante per osservare gli stessi oggetti astrofisici e per sondare le stesse fette di volta celeste. SKA è ancora in fase di costruzione e punterà il cielo nel prossimo decennio.
Perché l’astronomia radio è così interessante
Ma cos’è, nell’universo, che emette onde radio? Si tratta di una pletora dei più disparati oggetti astrofisici. Uno dei più noti obiettivi di osservazioni radio è l’idrogeno neutro, che oltre alle più conosciute linee di emissione nell’ottico, ne possiede una, rara e flebile, con una lunghezza d’onda di 21 cm, in pieno regime radio. In effetti, l’universo non è fatto solo di stelle, ma per la maggior parte di gas: aloni di atomi di idrogeno circondano molte galassie e costituiscono il carburante che le alimenta e che da un momento all’altro potrebbe dare vita a nuove generazioni di stelle. Quando e come questo idrogeno ha cominciato a bruciare per la prima volta, dentro le prime galassie, all’origine dell’universo, 14 miliardi di anni fa? E ancora, questa emissione dell’atomo di idrogeno può essere usata per mappare il movimento di queste prime galassie e tramite di esso la velocità di espansione dell’Universo? Sì, perché l’Universo si espande e una misteriosa energia causa questa espansione: l’Energia Oscura, di cui sappiamo solo che costituisce circa il 70% del budget energetico dell’Universo. SKA sarà in grado di aiutarci a identificarla, a renderla un po’ meno oscura.
Un altro esempio interessante di sorgente radio sono le pulsar, stelle di neutroni che ruotano vorticosamente con una periodicità molto ben definita, tanto da essere sfruttate dagli scienziati come cronometri naturali. Una minima perturbazione nella periodicità di questi impulsi può essere il segno del passaggio di un’onda gravitazionale, cioè delle perturbazioni dello spazio-tempo che si propagano come onde previste dalle teorie di Einstein[1].
Con la luce radio si arriva a esplorare anche un fronte dell’astrofisica che sta (tristemente) diventando popolare: la ricerca di pianeti abitabili. Per essere definito tale, un esopianeta (ovvero un pianeta fuori dal nostro Sistema solare) deve possedere un’atmosfera che sia stabile e che mantenga condizioni adatte alla vita sul suolo planetario. Perché sia stabile, un’atmosfera deve essere protetta da un campo magnetico, che faccia da scudo contro i venti stellari (getti di particelle cariche elettricamente e ad altissima velocità che possono facilmente disgregare un’atmosfera planetaria). Fortunatamente, i campi magnetici intorno ai pianeti lasciano un segno tangibile: avete presente le aurore boreali? Non ci sono solo sulla Terra, ma anche su Giove e Saturno, presso i poli di qualsiasi pianeta che sia protetto da un campo magnetico. Le aurore vanno a braccetto con brillanti emissioni radio ed eccoci tornati a SKA, che può catturare questo segnale per capire se ci sia un’atmosfera stabile e adatta a proteggere la vita. Inoltre, una nota per gli amanti dell’ufologia: tutta l’attività antropica lascia impronte radio. Ci sono buone speranze che, se esistono altre civiltà intelligenti nella nostra galassia, SKA potrà captarne il rumore tecnologico.
Rappresentazione artistica delle line di campo magnetico intorno a Giove.
© NASA's Goddard Space Flight Center Images courtesy of NASA/JPL/SwRI
Le sfide di SKA
Ancor prima di aprire nuove frontiere scientifiche, SKA ci pone davanti a un'importantissima sfida ingegneristica e di gestione dati. Come immagazzinare e selezionare il gigantesco flusso di informazioni registrato dalle parabole? Si parla di terabyte al secondo, non esattamente una questione di chiavetta USB. Per prepararsi a una tale mole di dati, gli astronomi devono farsi anche un po’ data scientists imparando a selezionare le informazioni e ottimizzando i processi di immagazzinamento e analisi. Dei supercomputer saranno predisposti appositamente per ridurre il più possibile i pacchetti di dati elaborati dalle antenne e poi distribuirli su scala intercontinentale a tutti gli SKA Regional Centres, presenti in ciascuno degli stati membri e finanziatori di SKA. Lì, i prodotti finali saranno resi accessibili alle comunità astrofisiche nazionali perché possano condurre le proprie ricerche. L’Italia è uno dei sei Paesi fondatori dello SKAO (SKA Observatory), sotto la leadership dell’INAF[2] (istituto Nazionale di Astrofisica).
Per quelli che sono meno convinti dell’utilità diretta e pratica della ricerca in campo astrofisico, SKA rappresenta l’ennesima situazione in cui il caso scientifico è mezzo di progresso per l’umanità intera. È anche grazie all’evoluzione nel campo dei telescopi che oggi gli smartphone possiedono tecnologie così avanzate per scattare fotografie. L’ammontare di hardware e software elaborato intorno a SKA già oggi consiste in soluzioni tecnologiche all’avanguardia, in continua trasformazione, soprattutto nell’ambito dell’elaborazione e dello storage di dati. Sapremo sfruttare appieno tutte le potenzialità di SKA? La costruzione procede, soggetta a un programma serrato: quando le antenne punteranno finalmente il cielo tutte insieme, saremo pronti? Quel giorno ricordatevi di spegnere le radio: non vorrete mica dare un falso rivelamento di un’onda gravitazionale!
Referenze iconografiche: Foto cover (file Centaurus A.jpg): Galassia avvolta da nube di gas e polvere.
© European Southern Observatory (ESO)