2/06/18

MISSIONE GAIA - Storia dell'Astrometria (2) - Il telescopio

Continuiamo a ripercorrere l'evoluzione della mappatura del cielo nella storia della scienza, grazie agli splendidi articoli dell'ESA che stiamo traducendo. Questa volta parleremo di come l'invenzione del telescopio abbia impartito a tale evoluzione un ritmo senza precedenti.

Tutto cominciò così, era il 1609... "e prima di tutto mi preparai un tubo di piombo, alle cui estremità applicai due lenti, ambedue piane da una parte, dall’altra invece una convessa ed una concava; accostando poi l’occhio alla concava, scorsi gli oggetti abbastanza grandi e vicini" (Galileo Galilei)

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Progetto del cannocchiale di Galileo (da lui denominato "perspicillo"), descritto nel "Sidereus Nuncius", pubblicato nel 1610 subito dopo la scoperta dei quattro maggiori satelliti di Giove

 

Il telescopio infiamma la corsa per misurare le distanze stellari

Antica rappresentazione di un telescopio olandese, dal lavoro "Emblemata of zinne-werck" (Middelburg, 1624)
Antica rappresentazione di un telescopio olandese, dal lavoro "Emblemata of zinne-werck" (Middelburg, 1624)

Il diciassettesimo secolo vide una rivoluzione epocale nell'astronomia. L'invenzione del telescopio e il riconoscimento del sistema eliocentrico innescarono una corsa tra gli astronomi per misurare la parallasse delle stelle, ovvero lo spostamento annuale delle posizioni stellari dovuto al moto della Terra attorno al Sole. Alla fine del 1830 queste misurazioni permisero agli astronomi di determinare per la prima volta le distanze della terra da un piccolo gruppo di stelle. Dal 1850 in poi, l'applicazione della fotografia alle osservazioni astronomiche trasformò la pratica di mappare il cielo, permettendo la compilazione di sempre più vasti cataloghi di posizioni e distanze stellari.

Era un'epoca di esplorazione e scoperta in Europa. Mentre marinai e mercanti partivano per attraversare gli oceani e mappare il globo, gli scienziati avevano intrapreso il loro entusiasmante viaggio per esplorare l'infinitamente grande e invisibilmente piccolo. Queste indagini divennero possibili alla fine del diciassettesimo secolo con l'invenzione del telescopio e del microscopio, entrambi attribuiti ai produttori di lenti olandesi.

L'eliocentrismo

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Il cannocchiale di Galileo. Credito: © Istituto e Museo di Storia della Scienza / Franca Principe.

Poco dopo l'invenzione del cannocchiale, l'astronomo italiano Galileo Galilei ne costruì la sua versione e fu il primo ad osservare il cielo con un occhio "potenziato" nel 1609. Questo inaugurò una nuova era nell'astronomia osservativa e favorì lo sviluppo della scienza moderna, di tipo sperimentale. Questo strumento consentì agli astronomi di raccogliere ampie prove a sostegno della visione eliocentrica dell'Universo, che era stata proposta alcuni decenni prima dall'astronomo polacco Nicolaus Copernicus.

Le osservazioni fatte da Galileo aprirono la strada a scoperte fondamentali. Insieme alle leggi del moto planetario formulate dall'astronomo tedesco Johannes Kepler, il lavoro di Galileo pose le basi per la teoria della gravitazione universale. Questa teoria, sviluppata dal fisico e matematico inglese Isaac Newton e pubblicata nel 1687, rimosse ogni dubbio residuo sul fatto che la Terra ruotasse attorno al Sole.

 

La parallasse

Il metodo della parallasse per misurare la distanza di una stella. Credito: ESA / ATG medialab
Il metodo della parallasse per misurare la distanza di una stella. Credito: ESA / ATG medialab

 

La disponibilità di strumenti perfezionati e l'accettazione del sistema eliocentrico diedero agli astronomi una rinnovata motivazione alla ricerca della parallasse stellare, un effetto naturale del moto annuale della Terra attorno al Sole. La parallasse è un movimento apparente di un oggetto in primo piano rispetto al suo sfondo a causa di un cambiamento nella posizione dell'osservatore. Gli astronomi pensavano che l'orbita terrestre avrebbe fornito una linea di base ragionevolmente lunga per rilevare le parallassi stellari e sfruttare queste misurazioni per determinare la distanza dalle stelle.

 

 

Nuovi cataloghi

L'astronomia non era solo per divertimento o curiosità: l'espansione della navigazione marittima richiedeva mappe precise del cielo. Questo problema spinse i governi di alcuni stati europei a sostenere e finanziare i primi grandi osservatori astronomici.

L'osservatorio di Parigi. Credit: Julia Kostelnyk (da un dipinto originale)
L'osservatorio di Parigi. Credit: Julia Kostelnyk (da un dipinto originale)

Alla fine del diciassettesimo secolo furono istituiti due importanti istituti che avrebbero promosso la mappatura dei cieli: l'Osservatorio di Parigi e il Royal Greenwich Observatory. Al Royal Greenwich Observatory di Londra, l'astronomo inglese John Flamsteed compilò il primo catalogo stellare con l'aiuto di un telescopio. Pubblicato nel 1725, il catalogo di Flamsteed elencava le posizioni di quasi 3000 stelle con una precisione di 10-20 secondi d'arco: si trattava di un netto miglioramento rispetto a quello compilato due secoli prima dall'astronomo danese Tycho Brahe.

Alcuni decenni più tardi, nel 1801, l'astronomo francese Jérome Lalande dell'Osservatorio di Parigi pubblicò un catalogo ancora più grande di 50.000 stelle e una precisione di circa tre secondi d'arco.

Ma la parallasse delle stelle continuava a rimanere ostinatamente inosservata. Il fallimento degli astronomi nel misurare le parallassi stellari andava a sostenere una delle convinzioni di Newton - che le stelle si trovassero a distanze enormi da noi. Tuttavia, gli astronomi stavano iniziando finalmente a comprendere l'ordine di grandezza delle scale cosmiche, misurando le distanze all'interno del Sistema Solare.

 

Misurare il sistema solare (*)

Nel 1672, l'astronomo italo-francese Giovanni Cassini stimò la distanza tra Marte e la Terra. Come direttore dell'Osservatorio di Parigi, Cassini osservò Marte da Parigi mentre un suo collega, l'astronomo francese Jean Richer, eseguiva la stessa misurazione da Cayenne, nella Guyana francese. Confrontando queste misurazioni simultanee, stimarono la parallasse di Marte usando la trigonometria di base per dedurre la sua distanza: il valore cha calcolarono si discosta di appena il sette per cento del valore moderno. Queste misurazioni fornirono una prima stima attendibile delle dimensioni del Sistema Solare, che era venti volte più grande di quanto ipotizzato dagli astronomi della Grecia antica quasi 2000 anni prima.

Il transito di Venere di giugno 2012. Credito: ESA
Il transito di Venere di giugno 2012. Credito: ESA

Un esperimento simile, proposto nel 1716 dall'astronomo inglese Edmond Halley, suggeriva di sfruttare il transito di Venere attraverso il Sole per determinare le dimensioni del Sistema Solare. Halley non visse abbastanza a lungo per prendere le misurazioni, ma la sua idea ispirò una delle più grandi imprese scientifiche internazionali raggiunte fino a quel momento. Numerosi astronomi viaggiarono in diverse località del mondo - tra cui l'isola polinesiana di Tahiti e il Capo di Buona Speranza in Sud Africa - per osservare i transiti di Venere del 1761 e 1769. Dall'analisi combinata di questi dati, Jérome Lalande dedusse per primo una stima attendibile della distanza tra la Terra e il Sole. Questa stima, pubblicata nel 1771, era di poco superiore al valore moderno di 149 597 870.700 km.

Halley è stato anche il primo a scoprire che le stelle non sono fisse, ma si stanno effettivamente muovendo attraverso lo spazio. Lo comprese nel 1718 mentre paragonava le posizioni delle stelle dei cataloghi contemporanei con quelle registrate nell'Almagesto di Tolomeo, un'opera astronomica del II secolo d.C. che include un catalogo di posizioni stellari comunemente attribuito all'astronomo greco Ipparco quasi 2000 anni prima. Halley notò che la posizione di alcune stelle luminose nel cielo era cambiata in modo sostanziale, e spiegava questi spostamenti imputandone la causa a ciò che è noto come moto proprio: la proiezione della velocità di una stella nel piano del cielo.

 

Alla conquista della parallasse

Telescopi ancora più precisi si stavano sviluppando all'inizio del XIX secolo, ma nonostante il grande progresso tecnico, gli astronomi non erano ancora riusciti a misurare la parallasse delle stelle. Un interessante conseguenza di questa ricerca fu la scoperta dell'aberrazione della luce, attribuita all'astronomo inglese James Bradley nel 1725. Questo fenomeno, causato dal moto della Terra attraverso lo spazio, consiste nel moto apparente di sorgenti luminose nel cielo, che appaiono leggermente spostate verso la direzione del moto della Terra.

Mentre la ricerca di parallassi stellari continuava, l'astronomo tedesco Wilhelm Struve, che lavorava a Dorpat in Russia (ora Tartu, Estonia), sviluppò un criterio per renderlo più semplice. Suggerì di concentrarsi sulle stelle che, sulla base di indizi indiretti come la loro luminosità apparente o il proprio movimento, erano probabilmente localizzate a distanze relativamente piccole. Sosteneva che, se queste stelle fossero vicine, avrebbero dovuto mostrare una parallasse più ampia, quindi più facile da rilevare.

Struve continuò a misurare con successo la parallasse di una stella, ma non è considerato il primo a pubblicare questo risultato. Questo onore è andato al suo connazionale, Friedrich Bessel. Astronomo e matematico, Bessel fu il primo a pubblicare una misurazione affidabile della parallasse, nel 1838. Rilevò un cambiamento annuale nella posizione della stella 61 Cygni pari a 0,314 secondi d'arco, ponendo, così, la stella ad una distanza di circa dieci anni luce. Al giorno d'oggi, 61 Cygni è noto per essere un sistema binario a stella, con valori di parallasse di 0,287 e 0,286 secondi d'arco per le due stelle.

Bessel usò un tipo speciale di telescopio, l'eliometro, fabbricato dal fisico tedesco Joseph Metz Fraunhofer.

Disegno eliometro Immagine per gentile concessione di Specula astronomica minima (© Specula astronomica minima)
Disegno di un eliometro. Immagine per gentile concessione di Specula astronomica minima (© Specula astronomica minima)

Originariamente sviluppato per osservare il Sole e misurare il suo diametro angolare, l'eliometro è costituito da una lente tagliata a metà: le due metà possono scorrere l'una rispetto all'altra, producendo due immagini della stessa sorgente la cui separazione può essere regolata ruotando una vite a testa zigrinata. Ciò ha permesso a Bessel di quantificare le minime differenze nelle posizioni relative delle stelle, portando infine alla sua misurazione della parallasse di 61 Cygni.

Struve era stato battuto per poco. Mentre i suoi primi dati sulla parallasse della stella Vega pubblicati nel 1837 non erano considerati altamente affidabili, continuò le sue osservazioni e nel 1840 pubblicò una nuova misurazione di 0,261 secondi d'arco. Il suo valore era doppio rispetto al valore moderno di 0.130 secondi d'arco (corrispondente a una distanza di circa 26 anni luce) misurato dalla missione Hipparcos dell'ESA. Struve usò anche un telescopio rifrattore fabbricato da Fraunhofer e impiegò due fili paralleli e sottili per localizzare le stelle vicine nello stesso campo.

Ma c'è un altro astronomo che potrebbe rivendicare il primato nella misura della parallasse: l'astronomo inglese Thomas Henderson, che osservò il cielo meridionale al Capo di Buona Speranza in Sud Africa, condusse le sue misurazioni all'inizio del 1830, ma pubblicò solo i risultati nel 1839. Riferì di una parallasse di un secondo d'arco per la stella Alpha Centauri. Ora noto per essere un sistema binario, le migliori stime attuali delle parallassi delle due stelle sono 0,755 e 0,797 secondi d'arco. A distanza di poco più di quattro anni luce, il sistema binario di Alpha Centauri, insieme alla compagna Proxima Centauri, sono le stelle più vicine al Sole.

Le misure erano un trionfo. La conoscenza delle distanze astronomiche ha permesso agli astronomi di calibrare le loro osservazioni e di stimare per la prima volta i parametri fisici delle stelle, come la loro luminosità e dimensione. La vera immensità del cosmo stava finalmente diventando evidente e il futuro grande sviluppo nella misurazione delle posizioni stellari era dietro l'angolo.

 

Fotografia

L'invenzione della fotografia ha rivoluzionato la pratica dell'astronomia. Le prime fotografie della Luna e del Sole apparvero nel 1840 e la prima immagine fotografica di una stella - Vega - fu ottenuta dagli astronomi americani William Cranch Bond e John Adams Whipple nel 1850.

Ora gli astronomi potevano catturare direttamente una mappa del cielo su una lastra fotografica piuttosto che guardare attraverso un telescopio e trascrivere le loro osservazioni. Questo portò alla produzione di cataloghi stellari che erano molto più grandi e precisi di quanto fosse mai stato possibile.

Nel 1901, l'astronomo olandese Jacobus Kapteyn usò osservazioni fotografiche per assemblare un catalogo con la posizione e le distanze (ottenute dalla parallasse) di 58 stelle; il catalogo crebbe rapidamente fino a comprendere 365 stelle nel 1910. A quel tempo, altri astronomi eseguivano indagini fotografiche ancora più grandi, tra cui la famosa Carte du Ciel, che riportava le posizioni di milioni di stelle, sebbene con minore precisione.

Molte altre indagini stellari basate su osservazioni fotografiche, spesso prese con telescopi Schmidt grandangolari dedicati basati su entrambi gli emisferi, furono assemblate nel corso del ventesimo secolo, fornendo una mappa sempre più precisa di tutto il cielo. Questi notevoli insiemi di dati sono il risultato della lunga storia della astrometria che, iniziata migliaia di anni prima, ha subito un'impennata fenomenale nel XIX secolo.

All'alba del XX secolo, la misurazione delle distanze stellari ha gettato le basi per future scoperte sempre più importanti, che vanno dalla struttura e natura della nostra galassia, la Via Lattea, all'origine e all'evoluzione dell'intero Universo.

articolo originale

 

Non perdetevi la prossima puntata: con la missione Hipparcos (che passerà il testimone a Gaia) l'astrometria si trasferisce nello spazio e prende letteralmente il volo!

 

(*) QUI la storia del calcolo della distanza Terra-Sole

QUI l'approfondimento dedicato all'ottica nel quale si parla anche dei principali tipi di telescopi e delle loro caratteristiche e QUI scoprirete come costruire un telescopio fai-da-te

 

QUI potete trovare tutti gli articoli dedicati alla missione Gaia finora pubblicati

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