3/09/17

Un metro di 450 milioni di anni**

Il Very Long Baseline Array, noto come VLBA, è troppo spesso poco pubblicizzato (da me, per primo) malgrado sia forse altrettanto meraviglioso del più celebre Space Telescope. Sicuramente è il più potente strumento per osservare il cielo esistente al mondo. La sua “disgrazia” è probabilmente dovuta al fatto che studia le onde radio e non può produrre le fantastiche immagini del suo compagno spaziale. Ma i dati che elabora sono insuperabili!

Già le sue dimensioni sono quasi fantascientifiche: 8600 km di diametro! Non stupitevi. Il suo diametro non è realmente quello, ma essendo composto da dieci radio telescopi da 25 metri ciascuno, dislocati su un territorio che va dalle Hawaii alle Isole Vergini americane, il diametro effettivo è proprio superiore agli 8000 km. Quanto meno per quanto riguarda il suo potere risolutivo, ossia la capacità di separare due oggetti vicini o le dimensioni di uno solo. Il “nostro” VLBA sarebbe capace di leggere perfettamente un giornale nelle mani di un cittadino di Los Angeles, pur trovandosi a New York. Il suo potere risolutivo è centinaia di volte superiore a quello dello Space Telescope.

 

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Figura 1. Foto e posizione dei “magnifici” dieci radiotelescopi che compongono il VLBA. Con i suoi 8600 km di diametro effettivo è il più potente strumento astronomico a disposizione dell’uomo. Rispetto a lui, anche lo Space Telescope sembra “cieco”…

Tutto ciò comunque passa in secondo piano, rispetto a quanto si legge a volte in varie riviste (quasi) scientifiche. Spesso, infatti, si confuta la sua capacità di misurare le distanze cosmiche o, meglio, si fa un’enorme confusione sul metodo che utilizza. Vale allora la pena di prendere le sue difese e “dare a Cesare quel che è di Cesare”! Tempo fa ho letto che lui sarebbe solo capace di vedere meglio certi oggetti e quindi aiutare ad applicare i soliti metodi ben conosciuti. Non è assolutamente vero e cercherò di spiegarvelo, anche perché per capire il sistema che usa è in fondo sufficiente sapere un po’ di trigonometria. Vedrete che meraviglia.

Prima di cominciare, però, fatemi dare la notizia di pochi giorni fa: il VLBA è riuscito a misurare con un errore di solo il 9% la distanza di una galassia che dista da noi 450 milioni di anni luce (la NGC 6264). Un risultato fantastico che permetterà (e ne parleremo alla fine) di rivoluzionare la nostra conoscenza delle distanze anche superiori e molte altre cose. Sicuramente ha creato un “metro” formidabile per le successive misure, un metro quasi perfetto di 450 milioni di anni luce. Il record precedente risale al 2009 con 160 milioni: il VLBA ha fatto tre volte meglio.

Vediamo, allora, come può il mostruoso telescopio misurare così bene distanze altrettanto mostruose.

Prendiamo, come esempio, il caso di NGC 4258, ma è estendibile a molti altri oggetti, come l’ultimo arrivato. Nella galassia in questione vi è sicuramente un buco nero supermassiccio centrale. Il gas che gli ruota intorno forma un disco di circa due anni luce di diametro. In esso è contenuto, tra l’altro, del vapor d’acqua che agisce come amplificatore naturale delle emissioni nelle microonde radio. Le regioni in cui questo avviene vengono chiamate “maser”, acronimo di Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation (maser). Esse agiscono in modo simile a come un laser amplifica le emissioni luminose. IL VLBA è capace di misurare il piccolissimo spostamento della posizione dei maser durante la loro rotazione attorno al buco nero; in altre parole, il loro moto proprio. Esso è stato ottenuto attraverso tre anni di osservazioni, intervallate da 4 a 8 mesi una dall’altra.

Questo equivale a misurare un angolo pari a dieci millesimi dello spessore di capello umano visto alla distanza di un braccio. Contemporaneamente il VLBA è stato anche capace di misurare la velocità “intrinseca” alla quale il gas orbitava attorno al buco nero, circa 39 milioni di volte più massiccio del Sole. Questa misura è stata ottenuta dall’effetto Doppler nella lunghezza d’onda radio. La velocità è dell’ordine di oltre tre milioni di chilometri l’ora. Il disco orbitante è visto quasi di taglio dalla Terra (bisogna approfittare delle condizioni migliori…) e quindi è possibile ricavare la velocità quando il maser punta dritto verso di noi (avvicinamento, spostamento verso il blu delle righe spettrali) e quando va in senso opposto (allontanamento, spostamento verso il rosso). Per inciso, questa serie di misure ha anche permesso di calcolare accuratamente la massa del buco nero centrale (QUI abbiamo parlato di un altro metodo per stimare la massa di un buco nero galattico).

Attenzione, adesso! Il moto proprio dei maser è misurato come variazione angolare e quindi non riconducibile alla effettiva distanza, la velocità dovuta all’effetto Doppler è, invece, in km/sec, ossia legata alla effettiva distanza.
A questo punto, basta un po’ di trigonometria piana per determinare la distanza assoluta. Vediamo come si può fare in Fig. 2.

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Figura 2. Il moto proprio viene misurato seguendo lo spostamento dei maser durante la rotazione del disco attorno al buco nero galattico. Esso è però espresso in secondi d’arco e niente può dire sulla reale distanza della galassia. La velocità V è invece una grandezza misurata in termini assoluti (km/sec) e deriva dallo spostamento dello spettro radio verso il rosso o verso il blu (effetto Doppler). A questo punto basta disegnare il triangolo curvilineo TAA’, usare una formula di banale trigonometria e ottenere la distanza D in km (o meglio in anni luce…). Un risultato semplice e stupefacente.

 

Semplicissimo e fantastico! Basta avere come strumento il VLBA. Non dicano quindi “panzane”. Il metodo è veramente una misurazione diretta, come quella legata alla parallasse. Solo che si può utilizzare su distanze enormi, grazie al potere separatore eccezionale di VLBA.

Le ricadute sono impressionanti. Innanzitutto, permette di “tarare” le distanze delle galassie, che sembrano essere anche piuttosto dubbie alla luce dei primi risultati di VLBA. Una misura “diretta” permette anche di calibrare le cefeidi e gli altri metodi indiretti di misurazione. Prima poteva lavorare solo relativamente vicino, ma oggi si è potuto spingere a distanze tali da poter essere usato come “metro” cosmico. Potrà verificare la costante di Hubble e rivedere i modelli di espansione. Niente da fare: il VLBA è una meraviglia troppo poco conosciuta!

 

NEWS! Misurata, finalmente e direttamente grazie al VLBA, attraverso la parallasse annua, la distanza tra due punti periferici della Via Lattea: la Terra e la zona di nascite stellari denominata G007.47+00.05.

NEWS!! Collegando dei radiotelescopi terrestri ad uno in orbita, si è riusciti ad ottenere una risoluzione pari a quella di un'unica antenna di diametro apri a circa la distana Terra-Luna!

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