I due radiotelescopi protagonisti della misura da primato: in alto, il satellite russo RadioAstron, in basso, l’antenna di Medicina dell’Inaf di Bologna
Otto micro arcosecondi. È la misura d’un angolo. Un angolo dannatamente piccolo. La Luna piena, per dire, vista dalla Terra ha un diametro di circa mezzo grado, pari a un angolo di 1800 secondi d’arco. Il telescopio spaziale Hubble, stringendo gli occhi al massimo, riesce ad arrivare a fatica a qualche centesimo di secondo d’arco. Ebbene, scendere ai micro arcosecondi – vale a dire, milionesimi di secondo d’arco – significa avere una capacità di “risolvere” i dettagli circa diecimila volte superiore. Una risoluzione angolare record della quale si è avuta conferma solo in questi giorni, a causa della complessità dell’elaborazione dei dati dovuta al rumore presente nel segnale, ma raggiunta con un’osservazione risalente a tre anni fa, all’alba del 10 febbraio 2014. Osservazione compiuta, lavorando in tandem, da due radiotelescopi situati – all’epoca – a 340mila km di distanza l’uno dall’altro, uno in cielo e l’altro qui sulla Terra: rispettivamente, il satellite russo RadioAstron (noto anche come Spektr-R) e l’antenna da 32 metri della Stazione radioastronomica di Medicina dell’Inaf, in provincia di Bologna.
La tecnica adottata è stata quella detta Vlbi, o più esattamente space-Vlbi, coinvolgendo un radiotelescopio spaziale. Vlbi è l’acronimo di Very-long-baseline interferometry, dove la “linea di base very long” – in questi caso, appunto, 340mila km, corrispondenti a 26.7 volte il diametro terrestre – è quella che separa i due radiotelescopi, mentre l’interferometria è un metodo di misura basato sulla rilevazione dello sfasamento fra onde elettromagnetiche, analogo per certi aspetti a quello utilizzato da Ligo per intercettare le onde gravitazionali. Nel mirino della coppia di radiotelescopi, il megamaser che alberga nella galassia Ngc 4258, a 21 milioni di anni luce dalla Terra.
Come ci siano riusciti, e quale implicazione possa avere per l’astrofisica una risoluzione così spinta, lo abbiamo chiesto a uno dei ricercatori dell’Istituto di radioastronomia dell’Inaf di Bologna coinvolti nel progetto, Andrea Orlati.
Otto micro arcosecondi, dicevamo: record mondiale di risoluzione angolare. Orlati, conferma?
Andrea Orlati e, sullo sfondo, l’antenna di Medicina
«Confermo. Si tratta della prima osservazione radioastronomica realizzata con questo livello di dettaglio. Questa risoluzione migliora il record precedente di 11 micro arcosecondi ottenuti dal satellite RadioAstron in sinergia col Green Bank Telescope».
Prima di spiegare come l’avete ottenuto, può aiutarci a capire a cosa corrispondono, otto micro arcosecondi?
«Se il nostro occhio potesse vedere con una risoluzione di 8 micro arcosecondi potrebbe distinguere un oggetto di un centimetro ad una distanza di 260mila km. Diciamo che potremmo scorgere una monetina da un centesimo di euro sulla Luna».
E voi, cosa avete osservato?
«Abbiamo osservato una regione nel nucleo della galassia Ngc 4258. Questa regione è ricca di molecole di acqua, le quali amplificano l’emissione radio in un processo chiamato maser, simile al modo in cui i laser amplificano la luce visibile. Ngc 4258 è una galassia a spirale che si trova a circa 21 milioni di anni luce da noi. È una galassia molto importante perché, proprio grazie alla presenza di questi megamaser di acqua, è stato il primo sistema in cui si è avuta la prova dell’esistenza dei buchi neri supermassicci. È anche uno degli oggetti più distanti per i quali sia stato possibile determinare la distanza con grandissima precisione, di nuovo grazie alla presenza di megamaser dell’acqua, e questo è fondamentale per calibrare tutte le relazioni che ci forniscono la distanza degli oggetti molto, molto più remoti».
Per arrivare a una risoluzione così spinta avete usato il sistema Vlbi: due radiotelescopi posti lontanissimo fra loro che lavorano come se fossero un unico radiotelescopio. Perché è così importante che siano lontani?
«La tecnica utilizzata è quella dell’interferometria a lunghissima base, conosciuta appunto come Vlbi. Questo tipo di tecnica prevede l’osservazione contemporanea di una radiosorgente da parte di due o più radiotelescopi. L’elaborazione dei dati raccolti consente di ottenere un’immagine con una risoluzione enorme, perché è come se fosse stata ottenuta da un singolo radiotelescopio le cui dimensioni corrispondono alle distanze tra le antenne coinvolte. In altre parole, maggiore è la distanza tra le antenne, migliore è il dettaglio con cui è possibile studiare gli oggetti celesti. Potremmo dire che otteniamo immagini con pixel sempre più piccoli. La costruzione del satellite russo RadioAstron ha, perciò, segnato un grosso passo avanti dal punto di vista tecnologico, e consentito di ottenere immagini con un livello di dettaglio mai raggiunto. RadioAstron è un satellite in orbita ellittica che, dal 2011, ruota attorno al nostro pianeta con periodo di 8-9 giorni. Il satellite è equipaggiato con un’antenna da 10 metri che consente osservazioni radioastronomiche alle lunghezze d’onda di 1.3 cm, 6.2 cm, 21 cm e 92 cm».
RadioAstron dallo spazio, dunque, e l’antenna di Medicina – il vostro radiotelescopio – qui sulla Terra, giusto?
«Sì. Durante l’osservazione, l’antenna di Medicina, il satellite RadioAstron e gli altri radiotelescopi coinvolti nell’esperimento sono stati orientati verso la galassia Ngc 4258, tentando la detenzione della radiosorgente per diversi minuti. Sfruttando la direttrice Medicina-RadioAstron, che al momento erano separati da circa 340mila km, si è ottenuto lo straordinario risultato di cui stiamo parlando».
Il team di Medicina che si occupa di Vlbi (cliccare per ingrandire). Dall’alto a destra, in senso orario: Sergio Mariotti (con il casco giallo), Andrea Mattana, Marco Morsiani, Alessandro Orfei, Andrea Orlati (con il casco bianco), Juri Roda, Mauro Roma, Alessandro Scalambra, Gianpaolo Zacchiroli, Claudio Bortolotti, Alessandro Cattani, Andrea Maccaferri e Giuseppe Maccaferri. Nella collaborazione fra Medicina e RadioAstron sono coinvolti anche i ricercatori Marcello Giroletti e Gabriele Giovannini. Crediti: Simona Righini/Inaf
Perché proprio l’antenna di Medicina? Voglio dire, di radiotelescopi operativi nello spazio al momento c’è solo RadioAstron, ma sulla Terra ce ne sono a dozzine…
«Questo tipo di esperimenti è frutto di collaborazioni e accordi internazionali in cui l’Inaf, grazie ai suoi tre radiotelescopi [Medicina, Noto e Srt, il Sardinia Radio Telescope, ndr], interpreta un ruolo di primo piano. L’antenna di Medicina, in particolare, partecipa in media a 24 esperimenti di questo genere ogni mese, contribuendo in modo significativo a questa attività. Secondo questi accordi, gli scienziati propongono i propri progetti scientifici. Sono loro a decidere cosa e come osservare. Se il progetto è accettato, le corrispondenti osservazioni sono studiate e preparate nei minimi dettagli. Solo alla fine di questo processo le stazioni si prendono cura di realizzare l’esperimento. La risoluzione ottenuta è stata possibile grazie alla rara concomitanza di fattori come la disponibilità del telescopio, la corrispondenza della frequenza osservativa, la giusta sensibilità della strumentazione, il giusto intervallo di visibilità della sorgente e la massima distanza dal satellite RadioAstron. Medicina soddisfaceva tutti questi criteri e ha condotto l’esperimento con successo».
Secondo lei, quanto a lungo reggerà, questo primato? Ci sono già altri radiotelescopi, in lista per osservazioni a braccetto con RadioAstron, che potrebbero insidiarlo?
«Le osservazioni con Radiostron coinvolgono a rotazione moltissimi radiotelescopi, dislocati in diversi paesi del mondo. Per citarne alcuni: Effelsberg (Germania), Yebes (Spagna), Torun (Polonia), Westerbork (Olanda), Green Bank Telescope (Usa), nonché le tre antenne italiane. Non è quindi escluso che la rara concomitanza di fattori possa ripetersi, e che il record possa essere ulteriormente ritoccato. In ogni caso siamo molto vicini al limite dei 7 micro arcosecondi, dato dall’orbita del satellite e dalla massima frequenza osservativa. Per fare molto meglio bisognerà attendere nuove missioni ancora non in programma».
Il segnale, in gergo “frangia”, del megamaser di Ngc 4258 ricostruito dalla collaborazione fra i radioastronomi russi e quelli dell’Inaf. Crediti. Lebedev Physical Institute
Cosa rappresenta, questo primato? È solo virtuosismo, una dimostrazione di capacità tecnologica? O fornisce anche informazioni d’interesse scientifico?
«Ngc 4258 è un oggetto fondamentale per lo studio dei nuclei galattici attivi, i complessi sistemi incentrati sui buchi neri supermassicci presenti al centro delle galassie. Aver raggiunto questa straordinaria risoluzione spaziale sarà fondamentale per migliorare la nostra comprensione del funzionamento di questi complessi e affascinanti oggetti. E non dimentichiamo che Ngc 4258 è un perno fondamentale della determinazione delle distanze nell’universo, quindi questa misura potrebbe avere ripercussioni anche in campo cosmologico, ad esempio tramite una più precisa determinazione della costante di Hubble».