Se usassimo il Sole come telescopio a lente gravitazionale, questo è l’aspetto che avrebbe un pianeta a Proxima Centauri

Se usassimo il Sole come telescopio a lente gravitazionale, questo è l'aspetto che avrebbe un pianeta a Proxima Centauri

Come Einstein aveva originariamente previsto con il suo Teoria generale della relativitàla gravità altera la curvatura dello spazio-tempo. Di conseguenza, il passaggio della luce cambia quando incontra un campo gravitazionale, ed è così che è stata confermata la Relatività Generale! Per decenni, gli astronomi ne hanno approfittato per condurre la Lensing Gravitazionale (GL) – dove una sorgente lontana è focalizzata e amplificata da un oggetto massiccio in primo piano.

In un recente studio, due fisici teorici sostengono che il Sole potrebbe essere usato allo stesso modo per creare un Lente gravitazionale solare (SGL). Questo potente telescopio, sostengono, fornirebbe un’amplificazione della luce sufficiente per consentire lo studio dell’immagine diretta degli esopianeti vicini. Questo potrebbe permettere agli astronomi di determinare se pianeti come Proxima b sono potenzialmente abitabili molto prima di inviare missioni per studiarli.

Lo studio, che recentemente è apparso online ed è in fase di valutazione per la pubblicazione sulla rivista Fisica Recensione Dè stata condotta dal fisico teorico Viktor Toth – in precedenza con il Istituto perimetrale di Fisica Teorica – e Slava G. Turyshev, un fisico del Jet Propulsion Laboratory della NASA che è stato anche il principale investigatore (PI) di Il Test Astrometrico Laser della Relatività (LATOR) missione.

Anelli di Einstein catturati dal telescopio spaziale Hubble durante la sua vita. Credito: NASA/ESA/A.Bolton (CfA)/SLACS Team

Oltre a consentire ogni tipo di ricerca astrofisica profonda, la lente gravitazionale ha anche dato luogo ad alcune delle immagini più spettacolari dell’Universo mai scattate. Queste includono quelle che sono conosciute come “Anelli Einsteinche è l’aspetto che può assumere la luce di un oggetto lontano una volta che incontra un campo gravitazionale tra l’oggetto e l’osservatore.

A seconda dell’allineamento tra l’osservatore, la sorgente e l’obiettivo, la luce proveniente dalla sorgente può anche apparire come un arco, una croce o un’altra forma. Mentre qualsiasi corpo massiccio può essere usato come lente gravitazionale, il Sole è in una posizione vantaggiosa per l’astronomia GL. Per cominciare, è il corpo più massiccio del Sistema Solare, il che lo rende la lente più potente disponibile.

In secondo luogo, la regione focale del suo obiettivo inizia a una distanza di ~550 AU dal Sole, che è una distanza realistica per una futura missione da raggiungere. La regione focale del prossimo oggetto più grande (Giove) inizia ad una distanza di oltre 2.400 AU. In breve, gli astronomi potrebbero progettare un corretto allineamento con il Sole per creare un SGL e utilizzarlo per osservazioni astronomiche – come per dare una buona occhiata agli esopianeti vicini!

Il Direct Imaging è un metodo particolarmente promettente quando si tratta di caratterizzare gli esopianeti, su cui i futuri studi sugli esopianeti si concentreranno come mai prima d’ora (in contrapposizione al rilevamento degli esopianeti). Esaminando la luce riflessa direttamente dall’atmosfera o dalla superficie di un pianeta, gli astronomi possono ottenere spettri che indicano di cosa è composta l’atmosfera di un pianeta e forse anche rilevare segni di vegetazione sulla superficie.

Schema di un SGL in azione. Utilizzando il campo gravitazionale del Sole come lente, le missioni future potrebbero catturare immagini ad alta risoluzione di esopianeti e altri oggetti celesti. Credito: Toth H. & Turyshev, S.G.

Questo metodo è complicato, tuttavia, poiché i telescopi attuali non hanno la risoluzione necessaria per visualizzare direttamente i pianeti più piccoli che orbitano più vicini alle loro stelle (che è dove si trovano i pianeti rocciosi). Da qui il motivo per cui la stragrande maggioranza degli esopianeti a immagine diretta sono stati giganti gassosi, tipicamente con orbite di lungo periodo. Come ha detto Turyshev a Universo Oggi via e-mail:

“Per osservare ed immaginare direttamente un esopianeta abbiamo bisogno di accedere a telescopi molto grandi. Quindi, se vogliamo vedere la nostra Terra in un solo pixel da una distanza di 100 anni luce, abbiamo bisogno di un telescopio di circa 90 chilometri di diametro.

I prossimi telescopi più grandi da costruire a terra (European Extremely Large Telescope) e da andare nello spazio (James Webb Space Telescope) sono 39 metri e 6,5 metri, [respectively]. I concetti che vengono considerati come sostituto di queste magnifiche macchine (LUVOIR e HabEx) sono 16 e/o 24 metri.

Sulla base di questa tendenza, sostiene Turyshev, nessuno che sia vivo oggi vedrà da vicino come appare un mondo alieno nella sua vita (né i suoi figli e nipoti). Con un SGL, le osservazioni degli esopianeti vicini (come Proxima b e c o i sette pianeti rocciosi che orbitano intorno a TRAPPIST-1) potrebbero essere realizzati entro la metà di questo secolo.

Che aspetto avrebbe una Terra simulata alla distanza di Proxima Centauri (4,24 ly) se proiettata dall’SGL. Credito: Toth H. & Turyshev, S.G.

Per determinare se un SGL è possibile, Toth e Turyshev si sono basati su studi precedenti in cui hanno sviluppato una descrizione teorica delle onde per un SGL. Alla fine, hanno determinato che era e persino simulato ciò che le immagini della Terra con una risoluzione di 1024 x 1024 pixel (mostrata sopra) sarebbero sembrate convolte e con l’aggiunta di rumore gaussiano (a sinistra) e dopo la deconvoluzione (a destra).

Questo è l’aspetto che avrebbe la Terra se fosse alla stessa distanza di Proxima Centauri (4,24 anni luce) e fosse ripresa da un telescopio posizionato a 650 AU dal Sole (e che lo usa come lente). Se si guarda da vicino, si può vedere la copertura nuvolosa e il contrasto tra le terre emerse – in questo caso, gli Stati Uniti, la Baja California, il Messico. Toth e Turyshev stimano che il tempo di esposizione totale necessario per questa quantità di dettagli sarebbe di circa un anno.

Naturalmente, il team ha anche identificato diverse sfide che devono essere prima superate. La distanza dalla regione focale è il problema più significativo, che si trova a circa 82,28 miliardi di km (51 miliardi di miglia) dalla Terra. È circa quattro volte la distanza tra la Terra e la Voyager 1 sonda, che detiene il record per essere la missione più lontana che abbia mai viaggiato – 150 AU (22,44 miliardi di km; 13,94 miliardi di mi) a partire dal 2020.

In secondo luogo, hanno scoperto che la lente soffrirebbe di aberrazioni sferiche e astigmatismi che dovrebbero essere corretti. Infine, l’intensa luminosità del Sole avrebbe naturalmente sopraffatto qualsiasi luce ottenuta da oggetti lontani. Detto Toth:

“[T]lle osservazioni richiedono necessariamente un lungo periodo di tempo (il telescopio vede un “pixel” alla volta mentre attraversa un piano dell’immagine largo un chilometro nella regione focale, e per ogni pixel devono essere raccolti dati sufficienti a mitigare gli effetti del rumore, per lo più dalla corona solare) durante il quale a) il movimento del telescopio rispetto all’immagine deve essere conosciuto con precisione, e b) l’esopianeta stesso può muoversi, cambiare nell’aspetto (nuvole, vegetazione, ecc.) e nell’illuminazione. Alcuni di questi problemi possono essere trattati come rumore, altri possono essere rimossi con un’intelligente strategia di ricostruzione dell’immagine”.

Impressione dell’artista del pianeta Proxima che orbita intorno alla stella nana rossa Proxima Centauri, la stella più vicina al Sistema Solare. Credito: ESO/M. Kornmesser

Fortunatamente, ci sono alcune potenziali soluzioni che Toth e Turyshev consigliano. Per esempio, il loro studio concettuale richiede l’uso di un telescopio con uno specchio primario di 1 metro (3,3 piedi), anche se potrebbe essere possibile anche un telescopio da 2 a 2,5 m (6,5-8 piedi). Questo potrebbe essere ottenuto, sostengono, inviando una piccola flotta di veicoli spaziali di imaging che potrebbero combinare la loro risoluzione per correggere le aberrazioni.

Per far fronte all’interferenza del Sole, sarà necessario sviluppare anche un coronogramma opportunamente costruito. Per fortuna, Toth e Turyshev stimano che, data la lunghezza focale del Sole, un coronografo di circa 1 m di diametro sarà sufficiente. Proprio come la tecnologia per una costellazione di piccoli veicoli spaziali che si combinano per creare un telescopio spaziale, questo dovrà attendere gli sviluppi futuri.

Ma le tangenti, che includerebbero immagini risolte di pianeti potenzialmente abitabili, sarebbero incommensurabili! Immaginate di poter fotografare Proxima b che mostrerà le dimensioni e la forma dei suoi continenti come se fosse vicino ai suoi vasti oceani (supponendo che sia così). E quanto sarebbe fantastico poter fotografare Proxima c, un gigante gassoso che si crede abbia un sistema di anelli come Saturno?

Ci sono anche i tre pianeti che orbitano all’interno della zona abitabile di TRAPPIST-1, tutti e tre potrebbero avere vasti oceani sulla loro superficie. Ci sono anche i dati scientifici estremamente preziosi che potremmo ottenere, tra cui la spettroscopia che potrebbe rivelare se le atmosfere dei vicini esopianeti contengono o meno le firme chimiche che associamo alla vita (aka. “biofirme”).

Avere un telescopio SGL dedicato sarebbe anche un’aggiunta appropriata ai molti telescopi di nuova generazione che diventeranno operativi nei prossimi anni. Questi includono missioni come il James Webb (JWST) e Telescopio spaziale romano Nancy Graceche si baserà sulle realizzazioni di Hubble e Kepler trovando migliaia di altri esopianeti nei sistemi stellari vicini.

Allo stesso modo, i telescopi a terra con ottica adattiva e coronografi – come quelli dell’ESO Telescopio estremamente grande (ELT) e il Telescopio gigante di Magellano (GMT) – permetterà di effettuare studi di Direct Imaging su pianeti rocciosi più piccoli che orbitano più vicini alle loro stelle. In particolare intorno alle stelle più fioche di tipo M (nane rosse), è qui che ci si aspetta che i candidati per i pianeti abitabili si trovino di più.

Alla fine, non c’è dubbio che un SGL sarebbe un investimento degno di nota, visto che entriamo in una nuova era di astronomia e astrobiologia che guarda oltre la scoperta degli esopianeti per concentrarsi sulla caratterizzazione e la ricerca di vita extraterrestre! Come ha riassunto Turyshev:

“Nei prossimi 10-15 anni scopriremo migliaia di nuovi esopianeti utilizzando metodi indiretti (spettroscopia di transito, velocità radiale, astrometria, microlensing, ecc.) Una volta che avremo una serie di obiettivi interessanti, SGL ci aiuterà a studiarli. Potremmo lanciare una missione verso la regione focale dell’SGL per un particolare bersaglio e studiare questo bersaglio o sistema di bersaglio preselezionato.

Assicuratevi di dare un’occhiata a questo video che spiega il concetto di lente gravitazionale solare e come potrebbe rivoluzionare l’astronomia così come la conosciamo (per gentile concessione dell’ex astronomo della NASA Christian Ready e dell’ex astronomo Christian Ready. Astronomia della rampa di lancio):

Ulteriori letture: arXiv