L'Universo invisibile: la radioastronomia

Il nostro occhio è sensibile a una limitatissima regione dello spettro elettromagnetico, che sin da tempi antichi abbiamo chiamato luce. Questa rappresenta una minuscola finestra compresa tra le lunghezze d'onda di 400 e 700 nanometri, ovvero tra 0,00004 e 0,00007 centimetri.
Le onde elettromagnetiche, infatti, possiamo immaginarle del tutto simili alle onde del mare, solo che al posto dell'acqua si propagano due quantità, chiamate campo elettrico e campo magnetico, tra loro perpendicolari. Possiamo comunque trascurare queste due grandezze e immaginare un'onda elettromagnetica come se fosse composta di acqua. La lunghezza d'onda rappresenta la distanza tra due massimi, tra due creste della nostra onda marina. Si può parlare anche di frequenza, se preferiamo, e allora questa è definita come il numero di creste d'onda (cioè di massimi) che attraversano una posizione fissa in un secondo. Lunghezza d'onda e frequenza sono tra loro inversamente proporzionali: se una cresce l'altra diminuisce.


Sotto questo nuovo punto di vista, il nostro occhio riesce a percepire come luce solo le onde elettromagnetiche che hanno lunghezze tra un massimo e l'altro comprese tra 400 e 700 nm.
Come possiamo ben immaginare e come ho lasciato già intuire, ci sono davvero infiniti modi di creare un'onda elettromagnetica, proprio come ci possono essere onde di ogni tipo in mare, da quelle a lunghezza d'onda molto breve, generate dalla caduta di una goccia nell'acqua a quelle molto lunghe, create da lontani e tesi venti che spirano nei più grandi oceani del mondo.
Nel caso elettromagnetico si possono generare onde davvero di tutti i tipi: esistono allora quelle con lunghezze d'onda di metri, addirittura chilometri e quelle, infine, con una lunghezza d'onda inferiore alle dimensioni si un atomo.
Al contrario delle onde marine, la lunghezza delle onde elettromagnetiche definisce anche l'energia a loro associata. Ecco allora che le onde più lunghe vengono chiamate onde radio e trasportano con un'energia davvero bassa. Al contrario, le onde più corte che conosciamo prendono il nome di raggi X e raggi gamma e rappresentano la categoria più potente e pericolosa di tutta l'enorme famiglia di onde elettromagnetiche.

Lo spettro elettromagnetico

Tutta questa lunga parentesi sulle onde elettromagnetiche è servita per capire due cose:
1) La nostra visione del mondo così come ci appare è molto, molto limitata;
2) Possiamo sviluppare degli strumenti sensibili a diverse lunghezze d'onda e capire come cambia l'Universo intorno a noi.
Quest'ultimo punto è molto interessante perché potrebbe permetterci di aggirare le forti limitazioni dei nostri sensi per esplorare senza più limiti l'Universo.

Le onde radio, le stesse che utilizziamo da più di un secolo per tutte le comunicazioni, sono la banda per eccellenza che da diversi decenni ci ha aperto un'incredibile finestra su un Universo del tutto invisibile e di cui si ignorava completamente l'esistenza solamente un secolo fa.
Molti corpi e fenomeni del Cosmo emettono onde radio e, sebbene abbiano un segnale molto, molto più debole di quello emesso dal nostro telefono cellulare o dal wifi del computer, possono essere rivelate con degli strumenti chiamati radiotelescopi.

Il funzionamento di un radiotelescopio è identico a quello di un normale telescopio ottico, solo che non si usano lenti ma degli speciali specchi. Le parabole, le stesse che usiamo anche per ricevere la televisione satellitare, sono degli specchi in grado di raccogliere e focalizzare le onde elettromagnetiche nella banda radio. A noi questi specchi sembrano opachi e per nulla utili, ma alle lunghezze d'onda radio questi appaiono lisci e riflettenti come i migliori specchi dei nostri normali telescopi.

Un radiotelescopio.

Fare osservazioni nella banda radio ha tanti vantaggi ma anche un grosso svantaggio, anzi, due. Il primo è che il cielo radio emette poco e il nostro pianeta ormai è ricco, fin troppo, di interferenze. Ecco, possiamo fare un parallelo con l'inquinamento luminoso che affligge le nostre normali osservazioni. Nella banda radio le fonti di "illuminazione" sono ben più forti delle nostre lampade che illuminano, male, le strade. Ripetitori tv, wifi, telefoni cellulari, stazioni radio, sono tutte enormi fonti di emissione; in pratica ognuno di questi dispositivi se potesse essere osservato dai nostri occhi emetterebbe circa come un potente faro di un porto, visibile fino a decine di chilometri di distanza.
Il secondo problema è di natura strumentale e qui spero che mi seguiate tutti. Il potere risolutivo di uno strumento, ovvero la capacità di distinguere due dettagli vicini, è inversamente proporzionale all'apertura dello strumento e direttamente proporzionale alla lunghezza d'onda di osservazione:

PR= 1,22*206265*Lambda/D. 

In pratica, un telescopio più grande fa vedere dettagli più piccoli, ma posso tenere fissa l'apertura e cambiare la lunghezza d'onda per variare la risoluzione. Le osservazioni migliori in banda radio si effettuano tra 5 e 25 centimetri. Prendiamo per semplicità una lunghezza d'onda di 10 centimetri e supponiamo di voler osservare con un radiotelescopio da 10 metri di diametro, che praticamente equivale, al momento, al diametro più grande raggiunto dai telescopi ottici. Inserendo i dati nella formula sopra, otteniamo un potere risolutivo di 2500 secondi d'arco, ovvero 42 minuti d'arco. In pratica, non riusciremo a risolvere nemmeno il disco della Luna!
Per aggirare questo enorme problema, legato alle proprietà delle onde elettromagnetiche, si è ricorsi a una tecnica ingegnosa e spettacolare: l'interferometria. In pratica, in modo più o meno casuale, si è scoperto che se si combina in modo opportuno il segnale raccolto da due radiotelescopi posti a qualche chilometro di distanza, la risoluzione raggiungibile dipende dalla distanza che separa le antenne, non più dalle loro dimensioni. Questa è una scoperta epocale, che permette alle osservazioni radio di raggiungere risoluzioni che attualmente nessun altro telescopio è in grado di fornire, neanche il telescopio spaziale Hubble.

Disponendo in modo opportuno tanti radiotelescopi lungo tutto il globo, è possibile fare osservazioni come se si avesse uno strumento di migliaia di chilometri di apertura. Addirittura, se si pone qualche radiotelescopio nello spazio, è posssibile estendere l'apertura fino a centinaia di migliaia o milioni di chilometri!
Attualmente il record è detenuto dalla rete VLBI (Very Long Baseline Interferometer), una griglia di decine di telescopi sparsi tra la Terra e lo spazio, in grado di arrivare a una risoluzione inferiore al millesimo di secondo d'arco, diverse volte migliore di quella di Hubble e di tutti gli altri telescopi del mondo.

Abbiamo forse capito la portata del più grande vantaggio della radioastronomia: l'interferometria. Sebbene questa tecnica si possa applicare in linea di principo a tutte le altre lunghezze d'onda, attualmente le precisioni necessarie per combinare i segnali delle diverse antenne per formare l'immagine finale si riescono a raggiungere solo per le lunghezze d'onda radio e al limite del millimetro.
Ci sono anche altri fattori che impediscono di usare l'interferometria con i telescopi ottici, primo tra tutti la turbolenza atmosferica. Nella banda radio, infatti, un altro grande vantaggio è rappresentato dal fatto che il seeing praticamente non esiste. Non ci sono immagini deformate dalla nostra atmosfera e addirittura si può osservare sia di giorno che con le nuvole: un altro mondo rispetto alle osservazioni in luce visibile!

Un supertelescopio fatto fa tanti piccoli telesocopi: questa è, in pratica, l'interferometria.

E allora, dopo tutto questo sproloquiare su tecniche e risoluzione, arriviamo alla domanda più interessante: cosa si può osservare con i radiotelescopi? E' qui che viene il bello. Le stelle, che nel visibile dominano qualsiasi immagine, nel radio diventano invisibili. E allora, se non possiamo osservare le stelle, tranne rarissime eccezioni di oggetti molto esotici come le pulsar, che cosa possiamo vedere? La radioastronomia, sebbene cerchi di rivelare le onde elettromagnetiche meno energetiche che esistano, ci fa osservare in dettaglio i fenomeni più violenti dell'Universo, come l'attività nel centro di alcune galassie dovuta alla presenza di un gigantesco buco nero che fagocita enormi quantità di gas.
Queste galassie, dette galassie attive, sono una famiglia di oggetti che nel visibile non mostra particolari dettagli rispetto alle altre, ma nel radio è capace di rivelare qualcosa di questo tipo:

Confronto tra immagine radio (lunghezza d'onda di 6 cm) e visibile, alla stessa scala.

Si fa fatica a capire che le due immagini riguardino lo stesso soggetto e abbiano circa la stessa scala, vero? L'immagine radio, con quei lobi estesi, intricati e un getto che parte dalla sorgente puntiforme al centro, è diretta testimone della grande attività del buco nero centrale, nascosto alla nostra vista, ma i cui effetti sono davvero esplosivi.

I buchi neri, per definizione, sarebbero del tutto invisibili. Tuttavia, quando nelle loro vicinanze si trova a passare una grande quantità di gas, questo viene accelerato a velocità prossime a quelle della luce dalla sua immensa forza di gravità, prima di scomparire per sempre dentro il buco nero. Quest'enorme accelerazione produce due effetti macroscopici: 1) il gas si scalda e inizia a emettere grandi quantità di radiazione e 2) parte di questo viene deviato dall'enorme campo magnetico del buco nero, che lo convoglia dapprima verso i poli e poi lo spara a velocità quasi identiche a quelle della luce verso lo spazio aperto, a distanza di decine di milioni di anni luce.

Questo è quello che osserviamo nel radio. Al centro, la sorgente puntiforme rappresenta la posizione del buco nero, nascosta dal gas che gli orbita intorno a enormi velocità e che emette grandi quantità di energia. Il getto, che si vede nella parte destra, è il gas che ha raccolto il campo magnetico del buco nero e che ha sparato, come un enorme fucile, verso lo spazio aperto. La luminosità diffusa che forma quelli che vengono chiamati radio lobi rappresenta il gas del getto che viene rallentato e deformato dal mezzo intergalattico e si espande su un'area immensa. L'effetto è simile a quello di un getto espulso da una macchina del fumo. All'inizio parte a grande velocità ed è molto stretto e collimato ma poi, interagendo con l'aria, il fumo si allarga e inizia a disperdersi, rallentando la sua corsa, su un'area molto più vasta.
Come possiamo vedere, la Natura ama ripetere i piani ben riusciti, non importa se su scala umana o su una scala di milioni di anni luce!

Le immagini radio ci permettono quindi di osservare un Universo che fino agli anni 50 del secolo scorso poteva essere solo immaginato dalle menti più fantasiose e creative del pianeta, un Universo ben più esteso di quanto i nostri occhi possano percepire e di certo sempre entusiasmante e sorprendente!

Il segnale wow!: il primo segnale di origine extraterrestre?

15 Agosto 1977.
Il grande radiotelescopio denominato Big Ear (grande orecchio) sta scandagliando il cielo nell'ambito del progetto SETI (Search for Extra-Terrestrial Intelligence) alla ricerca di un qualsiasi segnale radio di natura extraterrestre.
Il progetto SETI, nato sulla base di idee sviluppate negli anni 50 e 60, si pone in effetti un obiettivo ambizioso: cercare di captare delle trasmissioni radio di eventuali civiltà intelligenti che potrebbero popolare le miliardi di stelle appartenenti alla nostra galassia.

Quella giornata di mezza estate stava andando avanti come le altre precedenti.
Il radiotelescopio stava scandagliando porzioni di cielo a ridosso del centro della Via Lattea.
Nei tabulati compariva molto rumore, qualche sorgente stellare, ma nulla che faceva pensare a trasmissioni da parte di esseri in grado di manipolare le onde elettromagnetiche. D'altra parte non poteva essere altrimenti: ammesso che di civiltà intelligenti esistano là fuori, la probabilità di captare una loro trasmissione radio (ammesso che usino questa tecnologia per comunicare) sono bassissime, se non altro perché il cielo è davvero enorme!

Il segnale captato dal radiotelescopio Big Ear nel 1977

Che l'attenzione sulle scansioni del grande radiotelescopio fosse comunque bassa, lo testimonia il fatto che i dati venivano immagazzinati automaticamente ed analizzati con calma dagli astronomi solamente qualche giorno dopo.

Qualche giorno più tardi quindi, l'astronomo Jerry Ehman, coordinatore del progetto, si trovò ad esaminare i tabulati cartacei risalenti al 15 Agosto, e fu in questa circostanza che ebbe probabilmente la sorpresa più bella della sua vita professionale. A ridosso della costellazione del Sagittario il radiotelescopio aveva captato un forte segnale radio centrato su una frequenza molto stretta, della durata di 72 secondi.
Tenete in mente questo numero perché è molto importante.

L'astronomo comprese subito che quel segnale così particolare era completamente diverso quanto a forma e potenza rispetto alle sorgenti radio naturali (stelle, buchi neri, centro galattico) ed era quasi certamente di natura artificiale. La sorpresa fu così grande che con una penna rossa lo cerchiò, identificandolo con l'esclamazione tipicamente anglofona : "wow!".
Questa serie di numeri incomprensibili ai non addetti ai lavori, sarebbe diventato in in breve tempo il segnale più discusso della storia della radioastronomia, il famoso "segnale wow".

Cosa rappresentava quella breve trasmissione?
Proveniva veramente da una civiltà aliena, oppure era qualcosa di terrestre?
Per avere le idee chiare, ben presto i radiotelescopi di tutto il mondo puntarono le coordinate di origine del segnale per ascoltarlo di nuovo e capire di cosa poteva trattarsi.
E qui il fato, che tanto aveva dato nella scoperta di questa sorgente, si riprese tutto con gli interessi: tutti i tentativi effettuati nel corso degli anni seguenti non diedero alcun esito: quel segnale non è mai più stato rilevato.

Mentre i tentativi per riascoltare quel messaggio procedevano infruottuosi, Jerry Ehman continuò a lavorare sulla registrazione del Big Ear, cercando di comprendere la possibile natura di quel segnale. Vista la carenza di altre osservazioni, si potevano fare solamente supposizioni basate su probabilità e buon senso.

Per prima cosa si pensò ad un segnale di origine terrestre.
Questa ipotesi venne scartata quasi subito, per due motivi:
1) la banda nella quale è stato ricevuto il segnale era (ed è ancora) proibita per tutte le trasmissioni terrestri, quindi nessuno sulla Terra avrebbe dovuto fare quella trasmissione. Ma si sa, le leggi spesso vengono disattese, quindi questo punto non può costituire una prova certa. Tuttavia:
2) Il radiotelescopio Big Ear è costruito sul  terreno, quindi fisso. Il grande ricevitore quindi non segue il movimento delle stelle. La scansione del cielo viene eseguita sfruttando il movimento della Terra: il radiotelescopio ascolta una sorgente per qualche secondo e poi passa alla successiva grazie al movimento della sfera celeste.

Il radiotelescopio Big Ear dell' Ohio State University

Combinando la risoluzione dell'antenna con il moto di rotazione terrestre, si scopre che il radiotelescopio può osservare una certa sorgente per esattamente 72 secondi, il tempo necessario affinché le onde elettromagnetiche entrano e poi escono dal campo di vista dell'antenna. In questi 72 secondi la forma del segnale ricevuto ha un andamento particolare. Parte da zero, raggiunge la massima intensita dopo 36 secondi, quando si trova al centro del campo inquadrato, poi decresce fino a scomparire dopo altri 36 secondi, perché ormai fuori dal campo di vista del radiotelescopio.

Bene, il segnale captato è durato esattamente 72 secondi ed ha un andamento uguale a quelo descritto: la sorgente, quindi, non poteva trovarsi sulla superficie della Terra, ma doveva ruotare con un periodo molto simile a quello dellla sfera celeste.

Poteva trattarsi di un pianeta o un asteroide, quindi corpi celesti vicini che avrebbero potuto emettere un segnale così forte? 
No, in quella zona di cielo non c'erano asteroidi o pianeti, e se anche fosse stato, non ci sono motivi fisici adeguati a spiegare un segnale con una frequenza così stretta. Le sorgenti radio naturali emettono tutte su una banda estremamente più larga.


Avrebbe potuto essere un satellite artificiale?
Un satellite in lento moto attorno alla Terra (quindi su un'orbita molto alta o osservato da una particolare prospettiva) avrebbe potuto provocare un segnale di durata simile e, se avesse violato gli accordi internazionali (siamo in periodo di guerra fredda, quindi non è da escludere) avrebbe potuto trasmettere questo segnale a banda stretta di natura tipicamente artificiale.
Le conclusioni di Jerry Ehman erano però chiare: in quella zona di cielo, nell'ora di rilevazione del segnale wow, non c'erano satelliti cononsciuti (ma è probabile che alcuni satelliti fossero tenuti segreti dai due paesi che cercavano di controllare il mondo: Russia e Stati Uniti).

Senza scendere nei dettagli, che sono invece analizzati in modo rigoroso dalo scopritore del segnale stesso in questo interessantissimo report, tutte le ipotesi sulla natura del segnale non sembravano essere plausibili e/o convincenti. Ne restava ancora un'altra, che per quando improbabile appariva comunque verosimile e non in contraddizione con tutte le analisi: il segnale proveniva effettivamente da una civiltà extraterrestre intelligente.

A causa dell'impossibilità di ricevere di nuovo questa trasmissione, non ci sono prove che avvalorano questa ipotesi, ma non ci sono prove neanche per confutarla, anzi, al momento forse è tra quelle che ha maggiore probabilità di essere vera.
Il segnale ricevuto il 15 Agosto 1977 potrebbe quindi essere l'unica trasmissiore radio proveniente da una civiltà extraterrestre mai ricevuta in oltre 40 anni di ricerce ed osservazioni attraverso il grandi radiotelescopi del mondo. 

Non si capiscono i motivi per cui quel segnale non è più stato rilevato, ed è questo il grande problema di questa affascinante storia. Non sappiamo neanche per quanto tempo prima della rilevazione era presente e non sappiamo per quanto tempo, dopo quei 72 secondi, è stato ancora rilevabile.
Se Ehman si fosse accorto immediatamente di quel segnale, forse la storia sarebbe stata diversa e ci sarebbe stato tempo per condurre altre osservazioni.
In questo scenario, invece, le interpretazioni potrebbero essere molteplici, ognuna valida e allo stesso tempo indimostrabile: si poteva trattare di un fenomeno astronomico naturale ancora sconosciuto, di un effetto di riflessione da parte di un satellite non conosciuto di un segnale di origine terrestre, oppure, scenario più affascinante, avrebbe potuto essere una trasmissione unica di una civiltà extraterrestre in cerca di risposte.

Probabilmente se avessimo conosciuto altre civiltà extraterrestri che trasmettono segnali radio, la nostra visione su questo segnale sarebbe stata molto più favorevole ad una natura extraterrestre intelligente, ma visto che non conosciamo alcuna civiltà che comunica con noi, questa unica trasmissione non può essere interpretata con certezza in questo modo. Scoperte eccezionali richiedono prove eccezionali, e questo è solamente un piccolissimo indizio.

Possibile poi, che una civiltà aliena che vuole comunicare lo fa inviando un unico messaggio senza trasmettere più nulla nella nostra direzione?
E' mai questo il modo di farsi individuare?
Forse è meglio non alzare troppo la voce: noi esseri umani, appena tre anni prima, dal grande telescopio di Arecibo lanciammo verso l'ammasso globulare di Ercole un'unica trasmissione radio della durata di pochi secondi. Se mai qualcuno riceverà questo segnale, proprio come è successo a noi, non sarà in grado di ascoltarlo mai più, perché quel messaggio dai nostri radiotelescopi non è mai più stato ritrasmesso.

Se volete capire di più di questa controversa vicenda, dovete leggere il report compilato dallo scopritore del segnale: http://www.bigear.org/wow20th.htm



Qualche nota sul progetto SETI
Il progetto SETI, tanto ambiziono quando probabilmente ardito e sotto certi punti di vista pazzo (all'epoca non si conosceva neanche un pianeta extrasolare!) aveva un unico obiettivo: se nella nostra galassia ci sono altre civiltà evolute, esse probabilmente usano o hanno usato per comunicare le onde elettromagnetiche, le stesse che l'uomo sta usando, senza molta parsimonia, da 100 anni a questa parte.


I segnali radio di origine naturale provenienti dall'Universo e dai corpi celesti contenuti sono tutti piuttosto conosciuti ed hanno proprietà simili: sono segnali molto deboli, spesso disturbati e senza periodismi, che hanno durata molto lunga ed una larghezza di banda elevata.

Le onde elettromagnetiche delle trasmissioni artificiali hanno invece potenze e larghezze di banda estremamente diverse.
Se una civiltà aliena abbastanza avanzata emette nello spazio, involontariamente o volontariamente, delle onde elettromagnetiche nella direzione della Terra e noi siamo in grado di rilevarle con potenti radiotelescopi (enormi parabole), potremmo in questo modo provare non solo di non essere soli nell'Universo, ma di non essere neanche gli unici esseri intelligenti.

Questa, in parole estremamante semplici, è l'idea che sta alla base del progetto SETI.
Come in ogni campo della scienza (ma anche della vita pratica), tra avere un'idea e metterla in pratica con risultati positivi ci sono di mezzo difficoltà spesso enormi, che rendono le probabilità di successo davvero minime.
Per sperare di sentire una trasmissione radio proveniente da un altro pianeta, dobbiamo sapere esattamente dove osservare e in quale frequenza. E' questo che rende difficile, al di là delle considerazioni sull'esistenza o meno di altre civiltà avanzate, la ricerca.
Ora, con la scoperta di pianeti extrasolari simili alla Terra, le antenne del SETI possono essere indirizzate con estrema precisione su questi mond. Questo sarà l'argomento di un prossimo post.