Un telescopio planetario utilizzerebbe l'atmosfera terrestre come una lente gigante

Dalla figura 12 dell'articolo - Esempi di mappe nuvolose ricavate dai dati della frazione di nuvolosità effettiva, in funzione dell'altitudine Il 'Terrascopio': sulla possibilità di utilizzare la Terra come lente atmosferica

I telescopi sono dispositivi costosi. Il Giant Magellan Telescope, attualmente in costruzione nel deserto di Atacama in Cile, avrà uno specchio di 25 metri per un costo di circa 1 miliardo di dollari. Il proposto telescopio dei trenta metri sul Mauna Kea alle Hawaii costerà circa 2 miliardi di dollari.

I telescopi spaziali sono ancora più costosi. Il tanto ritardato telescopio spaziale James Webb che sostituirà Hubble nel 2021, che ha uno specchio di 6,5 metri, costa oltre $ 10 miliardi.

Quindi gli astronomi sono alla ricerca di nuovi modi innovativi per immaginare i cieli che non costino la Terra.

Entra in David Kipping della Columbia University di New York, che oggi propone di utilizzare l'atmosfera terrestre per mettere a fuoco la luce astronomica. La sua idea è quella di utilizzare l'intero pianeta come una specie di lente gigante e posizionare un telescopio spaziale nel punto focale per scattare le immagini. Questo telescopio, il terrascopio, avrebbe la capacità di raccogliere la luce di un telescopio di 150 metri sulla Terra a una frazione del costo.

Prima un po' di background. Gli astronomi sanno da tempo che l'atmosfera piega la luce che la attraversa. Un sole al tramonto è poco più di mezzo grado più basso di quanto appaia come risultato di questo effetto, scrive Kipping.

La sua idea è di sfruttare questo effetto su scala planetaria. Un osservatore a una distanza approssimativamente pari o superiore alla separazione Terra-Luna sarebbe in grado di sfruttare la Terra come lente rifrattiva, scrive.

Una lente del genere sarebbe complessa. Quindi Kipping ha trascorso del tempo a studiare e simulare le sue proprietà e come potrebbero essere sfruttate in un gigantesco terrascopio. Le sfide sono tante.

Per cominciare, l'atmosfera piega, o rifrange, la luce delle stelle mentre la attraversa. Ma la quantità di rifrazione dipende dalla densità dell'atmosfera, che varia con l'altitudine sopra la superficie. Quindi la luce che sfiora l'atmosfera superiore viene rifratta meno della luce che passa più in profondità nell'atmosfera.

Ma vari fattori limitano la profondità con cui la luce può immergersi nell'atmosfera. La cosa più ovvia è che la luce deve evitare la Terra stessa. Ma anche le nuvole assorbono la luce, quindi qualsiasi luce rifratta deve essere sufficientemente alta sopra la superficie per evitarle.

Un altro fattore importante è che l'atmosfera, gli aerosol e così via che contiene, assorbono la luce a frequenze specifiche. Quindi Kipping ha dovuto capire quanto potrebbe essere perso in questo processo.

Anche l'atmosfera brilla debolmente, il che potrebbe soffocare la luce proveniente da lontane sorgenti astrofisiche. Questo bagliore d'aria, il risultato di processi come la ricombinazione di molecole dissociate dalla luce solare, significa che il cielo notturno non è mai completamente buio.

Ma Kipping sottolinea che la maggior parte di questa luce potrebbe essere bloccata da un coronografo, essenzialmente un piccolo disco sul terrascopio che blocca la luce dal corpo della Terra e persino dai tratti più bassi dell'atmosfera, dove non si verificano utili lenti.

Un'altra variabile è che l'atmosfera si espande o si contrae quando è più calda o più fredda. Ciò cambierebbe la lunghezza focale del terrascopio. Quindi trovare l'orbita ottimale per il dispositivo sarebbe importante.

Kipping studia tutti questi effetti e altro ancora. I suoi calcoli suggeriscono che un telescopio spaziale di un metro in orbita a una distanza di 360.000 chilometri, un po' più vicino della luna, sarebbe ottimale. Un tale dispositivo dovrebbe raccogliere la luce che non si è immersa per più di 14 chilometri nell'atmosfera terrestre e quindi rimanere ben al di sopra delle nuvole.

Con il pianeta che funge da lente, la luce focalizzata verrebbe amplificata di un fattore 45.000 durante un tempo di esposizione di 20 ore. Equivale all'amplificazione ottenuta da un telescopio terrestre con un diametro di 150 metri.

Kipping conclude che un terrascopio ha un potenziale significativo. Sebbene non calcoli il costo di una macchina del genere, suggerisce che un telescopio di 100 metri sulla Terra costerebbe circa 35 miliardi di dollari, un importo che supera il budget combinato della NASA e della National Science Foundation.

Sarebbe possibile costruire, lanciare e far funzionare un telescopio di un metro a una distanza di 360.000 chilometri per meno?

Probabilmente. Uno degli osservatori di maggior successo negli ultimi anni è stato il telescopio spaziale Kepler, che ha cercato e trovato numerosi pianeti simili alla Terra in orbita attorno ad altre stelle. Questo orbitava attorno al sole piuttosto che alla Terra, a oltre 150 milioni di chilometri da casa. La missione è durata nove anni, fino a quando non ha esaurito il carburante ed è costata solo 550 milioni di dollari.

Se questi numeri sono qualcosa su cui basarsi, un terrascopio potrebbe offrire un notevole rapporto qualità-prezzo.

Rif: arxiv.org/abs/1908.00490 : Il 'Terrascopio': Sulla possibilità di utilizzare la Terra come lente atmosferica

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