u Perchè gli astronomi adoperano i telescopi?

Per migliaia di anni l'uomo dovette contentarsi di guardare il cielo ad occhio nudo. Così registrò la presenza in cielo di qualche migliaio di stelle e di sette astri erranti tra le stelle (i pianeti): Sole, Luna, Marte, Mercurio, Giove, Venere e Saturno, sui quali modellò il ciclo della settimana. Per noi oggi Sole e Luna non sono più pianeti, perchè abbiamo imparato che il Sole è il centro di tutto il sistema e riserviamo il nome di pianeta solo a ciò che ruota attorno al Sole. Di quando in quando una cometa veniva a rompere la ciclica ripetitività di tale eterno spettacolo dei cieli.

La nuova astronomia nacque quando Galileo puntò al cielo al cielo il suo cannocchiale, vedendo cose mai viste da occhio umano: le macchie solari, le fasi di Venere, i satelliti di Giove, gli anelli di Saturno...Iniziava così la grande avventura dei telescopi, strumenti in grado di spingere l'osservazione dell'Universo enormemente al di là di quanto permesso dalla semplice vista. Ma perchè un telescopio rende visibili oggetti celesti altrimenti invisibili? Per rispondere a questa domanda ricordiamo innanzitutto il significato di "vedere": vedere significa raccogliere su un opportuno rivelatore (la retina, nel caso dell'occhio) i fotoni che, focalizzati da un opportuno sistema ottico, ricompongono sul rivelatore l'immagine della sorgente.

Riusciamo a vedere qualcosa se il numero di fotoni che giungono al rivelatore è sufficiente a formare l'immagine. Il numero di fotoni raccolti dipende peraltro dall'apertura che li raccoglie. Nel caso dell'occhio questa è la pupilla, con una dimensione che possiamo valutare in pochi millimetri quadrati. Il telescopio è uno strumento con cui "allarghiamo" l'occhio, raccogliendo i fotoni che cadono entro dimensioni enormemente più grandi: una sorta di grande "pentola" per raccogliere fotoni. Per comprendere la potenzialità di tale approccio, basta osservare come un modesto telescopio di 1 metro di diametro, che è poca cosa a fronte dei giganti moderni, abbia una superficie di circa 800.000 mm2. Di conseguenza, nello stesso tempo di osservazione è in grado di "catturare" centinaia di migliaia di fotoni più dell'occhio.

Ma oltre a raccogliere i fotoni occorre anche "registrarli". Per lungo tempo gli astronomi hanno usato per questo le lastre fotografiche. Ma ormai da alcuni decenni usano moderni rivelatori elettronici (CCD), come quelli installati anche in molte camere per le riprese video, che sono molto più sensibili dell'occhio umano. I dati raccolti, registrati in forma numerica su opportuni supporti (nastri magnetici, compact disc, eccetera) vengono infine analizzati tramite calcolatori e opportuni programmi di analisi di immagine. Il compito principale di un telescopio non è quindi, come talora si pensa, di "ingrandire", ma di permettere l'osservazione di sorgenti luminose debolissime.

u I telescopi nel mondo

I primi telescopi, come quello di Galileo, utilizzavano delle lenti ed erano perciò dei rifrattori. Il cannocchiale di Galileo aveva una lente di solo 16 millimetri di diametro, ma ben presto si riuscì a aumentare molto queste dimensioni. Il più grande rifrattore del mondo, con una lente del diametro di 102 centimetri, fu costruito nel 1897 per l'osservatorio di Yerkes, negli Stati Uniti, ove è attualmente ancora in funzione. Ma già dalla seconda metà del '600 Isaac Newton aveva proposto di sostituire le lenti con specchi di opportuna curvatura per riflettere la luce formando immagini delle sorgenti luminose osservate. Tali telescopi riflettori hanno gradualmente sostituito i vecchi rifrattori presentando numerosissimi vantaggi e nella costruzione e nell'utilizzo.

Per lunghi anni - a partire dal 1946 - il più grande telescopio del mondo fu quello di Monte Palomar, di poco più di 5 metri di diametro (508 centimetri), che ha perciò acquistato una notevole notorietà nell'immaginario comune. Negli ultimi decenni si è avuto un grande sviluppo dei telescopi esistenti e oggi ci sono telescopi ben più potenti di quello del Palomar. Tra i maggiori ricordiamo il riflettore di 6 metri entrato in servizio nel 1976 all'Osservatorio del Caucaso, nell'ex Unione Sovietica, il telescopio MMT, in Arizona, con uno specchio di 6.5 metri di diametro e il telescopio giapponese alle isole Hawaii di 8,2 metri di diametro, questi ultimi due entrati in funzione sul finire del secolo scorso.

Per realizzare telescopi sempre più grandi superando la difficoltà di costruzione degli specchi si è intanto andata sviluppando la tecnica di telescopi compositi, dove la luce catturata da due o più telescopi normali viene portata con opportuni sistemi ottici su un unico rivelatore. Nel 1996 è entrato in funzione sul vulcano Mauna Kea, alle isole Hawaii, il telescopio Keck, composto da due telescopi ognuno di 10 metri di diametro. Nel settembre 2000 è infine entrato in funzione in Cile, sul Monte Paranal, il Very Large Telescope dell'Osservatorio Australe Europeo (ESO) composto da 4 telescopi di 8.2 metri ognuno di diametro. Questi telescopi sono dotati di sofisticati sistemi elettronici non solo per puntare le stelle e seguirle nel loro moto sulla volta celeste, ma anche per correggere la deformazione delle immagini dovute all'atmosfera terrestre, deformando in tempo reale la forma degli specchi (ottiche attive e ottiche adattive).

u I siti astronomici

Tutti sanno che i moderni osservatori astronomici sono collocati in alta montagna, ma non sempre si conosce il perchè. Si pensa talora che si cerchi in tal modo di minimizzare l'assorbimento dell'atmosfera, ma ciò è vero solo in parte. L'aria è ben trasparente alla luce visibile, ma assorbe radiazioni le radiazioni elettromagnetica a lunghezza d'onda più corta (ultravioletto) o più lunga (infrarosso). Porre gli osservatori a grande altezza procura qualche vantaggio solo quando si voglia osservare la radiazione infrarossa. Ma la vera soluzione per osservare in tali bande assorbite è il ricorso a telescopi nello spazio, ove l'assorbimento atmosferico è inesistente. La collocazione degli osservatori astronomici risponde invece ad altre esigenze. Innanzitutto si cerca di andare così in alto che in caso di tempo nuvoloso ci siano buone probabilità che l'osservatorio resti al di sopra dello strato delle nubi che impedirebbero le osservazioni.

Inoltre, e questa è la cosa più importante, i movimenti turbolenti dell'aria deviano in continuazione, se pur di poco, i raggi di luce. Ne segue che l'immagine di una stella non si forma in un punto ma si allarga su un'areola più o meno grande (figura di seeing), diminuendo la capacita del telescopio di rivelare gli oggetti più deboli (magnitudine limite). Tanto minore è lo spessore di aria attraversato, tanto minore è questo effetto e tanto più il telescopio è in grado di operare al meglio. Per farsene un idea possiamo orientativamente indicare che un telescopio di 1 metro posto in un buon sito astronomico rende meglio di un telescopio di 5 metri posto in un cattivo sito al livello del mare.

Ma l'altezza non è il solo criterio. Si devono prendere in considerazione anche criteri di meteorologia che assicurino che l'aria al di sopra del sito prescelto sia per quanto possibile priva di moti turbolenti. L'esperienza accumulata nel corso di molti decenni ha portato così a selezionare nel mondo alcuni siti privilegiati. Tra questi abbiamo già ricordato la vetta del vulcano Mauna Kea (la Montagna Bianca) a 4200 metri di quota nell'isola di Hawaii, dove sono concentrati alcuni tra i più efficienti telescopi del mondo (il telescopio Franco Canadese, quello del Giappone, il Keck). L'Osservatorio Australe Europeo ha scelto per il Very Large Telescope la vetta del Paranal, nel deserto cileno di Atacama. L'italiano TNG (Telescopio Nazionale "Galileo") è posto infine su una vetta dell'isola di La Palma, nell'arcipelago delle Canarie , ove sono collocati anche molti altri strumenti di varie nazioni.

A tale proposito si noti infine che la collocazione di un telescopio è anche guidata dalla porzione di cielo che si intende investigare. Poichè l'osservazione può al più spingersi sino all'orizzonte (ma per non attraversare troppa atmosfera è di solito limitata ad una zona attorno allo Zenit) la porzione di cielo vista da un particolare sito è limitata. Questo è il motivo per cui noi europei, per osservare il cielo del Sud, abbiamo costruito un osservatorio sulle Ande cilene. Sulla base di tale scenario è facile comprendere come la figura tradizionale dell'astronomo nel suo Osservatorio e col suo telescopio sia ormai tramontata.

La complessità (e il costo) dei moderni telescopi richiedono l'intervento di più istituzioni, sovente anche collaborazioni internazionali. I moderni osservatori sono dei centri di ricerca ove giungono astronomi da tutte le parti del mondo per compiere le loro osservazioni, tornando poi nella loro istituzione per elaborare i dati raccolti e trarne le informazioni necessarie per il progresso delle loro ricerche. In Italia, oltre a centri di ricerca astronomica nelle Università, esistono dodici istituzioni (gli Osservatori Astronomici) dedicate alla ricerca astronomica.

u I radiotelescopi

I telescopi sin qui discussi raccolgono luce, cioè radiazione elettromagnetica nelle bande ottiche. Dall'Universo ci giunge però anche radiazione elettromagnetica a maggiore lunghezza d'onda, nella banda delle onde radio. Per rivelare questi segnali si utilizzano parabole metalliche, come quelle comunemente in uso come antenne video "satellitari". Il funzionamento del radiotelescopio non è dissimile da quello di un normale telescopio a riflessione, ove la parabola funzione da specchio riflettente. Tra questi telescopi ricordiamo quello di Jodrell Bank, in Inghilterra, entrato in funzione nel 1957, con una parabola di 76,2 metri di diametro. Il più grande radiotelescopio del mondo è oggi quello della Cornell University ad Arecibo, in Puerto Rico, con una parabola di 305 metri di diametro ricavata ricoprendo una depressione naturale del suolo. In Italia, a Medicina - nei pressi di Bologna - esiste la Croce del Nord, formato da due serie rettilinee di antenne paraboliche, che si sviluppano rispettivamente per 640 metri in direzione Nord-Sud e per 564 metri in direzione Est-Ovest.