Alla scoperta dei misteriosi fasci luminosi che emergono dalle cupole dei telescopi
Succede spesso di vedere immagini notturne delle cupole dei grandi telescopi da cui fuoriescono strani fasci luminosi diretti su in cielo. Realtà o fotomontaggio? Vediamo di cosa si tratta.
Durante le osservazioni astronomiche la luce dei corpi celesti viene raccolta dallo specchio del telescopio, viene poi registrata sotto forma di immagine (imaging) o di spettro (spettroscopia) per essere successivamente analizzata.
Tuttavia, prima di raggiungere la Terra, la luce dei corpi celesti deve attraversare l’atmosfera terrestre. Questo tratto finale del percorso della luce è estremamente critico. Infatti, la qualità dell'immagine di un qualunque corpo celeste viene degradata dall’attraversamento dell’atmosfera.
Per minimizzare il problema, gli osservatori astronomici vengono generalmente costruiti ad alta quota (sulle montagne) in modo che lo spessore di atmosfera sia minore e, quindi, minori gli effetti di degradamento. Ma non basta!
Perché l’atmosfera degrada le immagini astronomiche
L’atmosfera altera le immagini astronomiche in due diversi modi. Innanzitutto, ne attenua la brillantezza. Le molecole d’aria presenti in atmosfera assorbono (e diffondono) parzialmente la luce del corpo celeste per cui questo appare più debole di quanto lo sia fuori dall’atmosfera. Questa attenuazione costringe ad utilizzare telescopi sempre più grandi per osservare oggetti molto deboli (che per l’assorbimento atmosferico diventano invisibili).
Un esempio di attenuazione della brillantezza è offerto dal Sole. Quando il Sole è basso sull'orizzonte, dove per motivi geometrici lo spessore dell’atmosfera è maggiore, esso appare meno brillante di quanto è alto in cielo. Lo stesso vale per le stelle, che gli astronomi cercano di osservare quando sono più alte in cielo e quindi meno soggette all’attenuazione atmosferica.
Altro effetto dell’atmosfera sulle immagini astronomiche è dovuto alla sua turbolenza.
Per capire la degradazione delle immagini a causa della turbolenza, possiamo ricordare il cosiddetto riverbero che si osserva in estate quando, ad esempio su una caldissima strada asfaltata, si osserva il tremolare delle immagini.
Ciò che succede è un rapido movimento dell’aria più calda che tende ad andare sù e di quella meno calda che tende ad andare giù. In atmosfera esistono questi movimenti di masse d’aria che si spostano in modo più o meno irregolare. Questi spostamenti determinano variazioni locali della densità dell’atmosfera che modificano, su una scala temporale anche inferiore ai millisecondi, l’indice di rifrazione atmosferica.
La conseguenza della turbolenza è che i raggi di luce provenienti dal corpo celeste durante il loro attraversamento dell’atmosfera vengono continuamente deviati (dalla continua variazione della rifrazione atmosferica) come mostrato nel video di sopra.
Utilizzando un’altra terminologia, l’immagine del corpo celeste viene continuamente deformata dall'atmosfera. Maggiore è lo spessore di atmosfera e maggiore è la turbolenza atmosferica maggiore risulta la degradazione delle immagini astronomiche.
L’idea geniale dell’ottica adattiva
Telescopi con specchi sempre più grandi permettono di aumentare la risoluzione angolare e quindi la capacità di osservare maggiori dettagli nelle immagini dei corpi celesti. Tuttavia, questo miglioramento viene in buona parte perso a causa della turbolenza.
Per minimizzare gli effetti della turbolenza è stata ideata l’ottica adattiva. In parole semplici, la luce del corpo celeste che raggiunge il telescopio, dopo essere stata riflessa dai primi due specchi (primario e secondario), viene mandata su un terzo (o quarto) specchio, sottilissimo (quello per il telescopio ELT sarà spesso 2 mm) e deformabile.
Questo specchio viene deformato da una serie di “attuatori magnetici” (nel caso del telescopio ELT saranno 5000 attuatori) che agendo opportunamente riescono a cambiare la forma dello specchio (entro pochissimi micron) fino a 2000 volte al secondo.
Queste deformazioni sono esattamente opposte alle deformazioni che l’atmosfera ha prodotto sull’immagine del corpo celeste (ma anche le deformazioni dovute alla movimentazione della montatura del telescopio e quelle dovute al vento). Quindi, questo movimento dello specchio annulla, o meglio minimizza, la degradazione prodotta dalla turbolenza.
Come funziona
Per sapere in che modo l’atmosfera sta deformando l’immagine del corpo celeste che si sta osservando ci sono due possibilità: osservare una stella di riferimento molto vicina a quella da studiare, in modo che questa soffra delle stesse deformazioni e azionare lo specchio adattivo in modo da compensare le deformazioni. Altra possibilità è quella di creare una stella “artificiale” vicina a quella da studiare.
La stella “artificiale” viene creata con un fascio laser che, prodotto dentro la cupola che ospita il telescopio, viene proiettato in cielo.
Il fascio laser crea in cielo un punto luminoso artificiale. L’immagine di questo punto è anch’essa degradata dalla turbolenza atmosferica. L'informazione sulla deformazione (che varia su tempi dell’ordine dei millisecondi) viene utilizzata per sapere come deformare in modo opposto lo specchio minimizzando l'effetto della turbolenza. Quindi non fotomontaggio né fantascienza, ma una brillante applicazione tecnologica!