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I telescopi vedono più lontano
Gli astronomi hanno individuato la galassia più lontana e antica che abbiano mai visto, usando trucchi ottici sia celesti che artificiali. Sebbene l'osservazione della galassia così com'è esistita appena due miliardi di anni dopo il Big Bang sia di per sé scientificamente significativa, serve anche come una prima occhiata a ciò che verrà mentre gli astronomi adottano una tecnica sofisticata chiamata ottica adattiva per scrutare molto più in profondità il cielo notturno.
Specchio specchio: All'interno del telescopio Keck II, uno specchio largo 10 metri (in basso) raccoglie la luce delle stelle e la riflette su uno specchio secondario più piccolo (in alto), che a sua volta la dirige verso altri strumenti, incluso il sistema di ottica adattiva.
Il team di astronomi, della Caltech e della Durham University, in Inghilterra, ha annunciato la scorsa settimana i risultati sulla rivista Nature. Usando il telescopio Keck alle Hawaii, hanno esaminato una galassia a 11 miliardi di anni luce dalla Terra. In precedenza, gli astronomi erano stati in grado di vedere non più lontano di sette o otto miliardi di anni luce. Poiché guardare attraverso distanze astronomiche equivale a guardare indietro nel tempo, l'osservazione avvicina gli astronomi molto alla nascita dell'universo, circa 13 miliardi di anni fa.
Per individuare una galassia a una distanza così grande, gli astronomi hanno usato due trucchi ottici. Uno è un fenomeno naturale chiamato lente cosmica, che sfrutta la capacità della gravità di piegare la luce. Una galassia allineata con precisione tra gli astronomi e l'oggetto che vogliono guardare piegherà la luce dall'oggetto intorno a sé, rifocalizzandola verso gli astronomi. Ciò fornisce loro un'immagine circa otto volte più nitida che se avessero provato a guardare da soli l'oggetto lontano.
Ma quando l'oggetto è una galassia di poche migliaia di anni luce di diametro (in contrasto con il diametro di 100.000 anni luce della Via Lattea) e di 11 miliardi di anni luce di distanza, otto volte la nitidezza produce ancora poco più di un punto luce. Gli astronomi usano l'ottica adattiva per rendere l'immagine abbastanza chiara da ottenere alcune informazioni utili.
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Guarda un video sull'ottica adattiva e guarda un'animazione dell'Osservatorio dei trenta metri.
La luce può essere pensata come un'onda, con una serie di fronti d'onda che si muovono nello spazio, proprio come i fronti delle onde dell'oceano che si infrangono sulla riva. Normalmente, la parte anteriore di un'onda luminosa è piatta. Ma mentre attraversa l'atmosfera turbolenta della Terra, diventa distorta, più simile a un cartone ondulato in modo non uniforme. Questa turbolenza è ciò che fa brillare le stelle e riduce la risoluzione di un telescopio. Quindi il Keck utilizza un sistema di ottica adattiva che misura quella turbolenza e la corregge.
Per effettuare la misurazione, un laser a terra spara un raggio di luce nell'aria, dove colpisce un sottile strato di sodio depositato dalle meteore che bruciano nell'atmosfera, a circa 90 chilometri di altezza. Il sodio riflette la luce laser verso lo specchio principale del telescopio, che la dirige verso una serie di sensori del fronte d'onda che misurano quanto l'atmosfera ha distorto l'onda luminosa. Sulla base di queste misurazioni, un computer fa sì che una serie di bracci attuatori spingano e tirino una serie di piccoli specchi deformabili. Gli attuatori piegano gli specchi all'incirca di un micrometro (circa un centesimo dello spessore di un capello umano) molte volte al secondo, annullando la turbolenza dell'atmosfera. Il fronte d'onda corretto viene quindi registrato da una telecamera. L'astronomo del Caltech Richard Ellis afferma che il risultato è un'immagine di qualità superiore rispetto a quella ottenuta dagli astronomi con il telescopio spaziale Hubble, che non ha distorsioni atmosferiche con cui fare i conti.
occhi spalancati: Il rendering di un artista mostra lo specchio del telescopio da trenta metri proposto all'interno della cupola dell'osservatorio.
Gli scienziati hanno scoperto che la lontana galassia ruotava, proprio come le galassie ruotano oggi, ma che non aveva ancora formato i bracci a spirale mostrati dalla nostra galassia, la Via Lattea. Per Ellis, che sta cercando di capire come si è evoluto l'universo ed è uno degli autori dell'articolo, l'osservazione è significativa. Ci dice che l'universo era davvero abbastanza organizzato quando aveva solo il 10-15 percento della sua età attuale, dice.
Sebbene il concetto di ottica adattiva sia in circolazione da decenni, è solo negli ultimi anni che è diventato abbastanza sofisticato e abbastanza facile da usare per diventare una parte di routine dell'astronomia. Il sistema è stato installato sul telescopio Keck II nel 2004 ed è stato il primo per un telescopio così grande. Da allora è stato utilizzato per fornire viste più chiare di oggetti astronomici, ma niente di così distante come la galassia vista la scorsa settimana. Il sistema di ottica adattiva del Keck II, tuttavia, impallidisce rispetto a quanto previsto per il nuovo Thirty-Meter Telescope (TMT), che un team statunitense-canadese che include Caltech, l'Università della California e l'Associazione delle università canadesi per la ricerca in Astronomia costruirà nel prossimo decennio. La decisione se posizionarlo sul Mauna Kea, alle Hawaii, dove si trova il Keck, o in Cile, è attesa per il prossimo anno.
Il TMT avrà nove volte l'area di raccolta della luce del Keck II, il cui specchio primario è di 10 metri di diametro. E secondo Brent Ellerbroek, il leader del gruppo di ottica adattiva per il TMT, il sistema ottico del nuovo telescopio sarà molto più sofisticato. Utilizzerà circa sei laser per misurare la turbolenza atmosferica. Mentre un singolo laser misura la turbolenza in un solo piccolo punto nella linea di vista del telescopio, una serie di laser può fornire un'immagine tridimensionale delle distorsioni su un'area più ampia e a diverse altezze nell'atmosfera. I sensori del fronte d'onda avranno anche aperture più piccole, per effettuare misurazioni più precise, e ci saranno migliaia di attuatori, fino a centinaia nel Keck, per controllare il maggior numero di specchi. Tutto ciò che misura e si sposta rappresenta una sfida informatica. Dobbiamo usare algoritmi più complessi, dice Ellerbroek.
È una grande sfida ingegneristica, afferma Scott Uebelhart, un associato post-dottorato che studia la politica spaziale nel programma del MIT in Scienza, Tecnologia e Società. Ma pensa che lo sforzo valga la pena. TMT fa vergognare praticamente tutto il resto, dice Uebelhart.
Con il sistema avanzato nel TMT, dice Ellis, gli astronomi non dovranno essere fortunati e trovare una lente cosmica per vedere lontano. Quanto si avvicineranno esattamente alla nascita dell'universo è una domanda a cui non è ancora stata data una risposta, dice. Siamo quasi all'inizio.