Misurare le stelle al tempo di Gaia

Misurare le stelle al tempo di Gaia

La nuova missione ci farà conoscere meglio la Via Lattea, il disco formato da più di 200 miliardi di stelle, fra le quali il nostro Sole. Sapremo di più sulla loro origine, ma si cercherà di capire come e quando è nata la nostra galassia e anche di arrivare a stimare la componente oscura della sua massa.

Gaia, la nuova missione scientifica dell’Agenzia spaziale europea, è dedicata allo studio della composizione, formazione ed evoluzione della Via Lattea. Per raggiungere questo ambizioso obiettivo, Gaia misurerà posizione, velocità e colori di oltre un miliardo e mezzo di stelle, grossomodo un centesimo della popolazione stellare della nostra galassia. Gaia è una macchina fantastica capace di censire in luce visibile tutti gli oggetti sulla volta celeste fino alla magnitudine 20, ovvero circa 1.000.000 di volte più deboli di quelli visibili a occhio nudo. Un grande piano focale combinato che raccoglie luce da 2 telescopi e uno spettrografo sono il cuore tutto europeo della missione che permetterà di raggiungere accuratezze semplicemente impensabili anche solo pochi anni fa. Combinando la tecnologia di bordo con un altrettanto complesso e innovativo sistema di processamento e analisi dati a terra (al quale l’Italia contribuisce in modo importante), la posizione di ogni stella verrà misurata con una precisione angolare di 10 milionesimi di secondo d’arco (o 10 µas). Per ‘materializzare’ questo dato possiamo dire che Gaia è in grado di ricostruire la direzione di arrivo dei fotoni con una accuratezza pari all’ampiezza della punta della Mole Antonelliana di Torino vista da Giove!

Alla fine dei suoi 5 anni di vita orbitale Gaia produrrà un’immensa mappa celeste multidimensionale, la prima costruita dall’uomo, in grado di ‘guidarci’ con precisione per gran parte della Via Lattea. Gaia potrà, infatti, estendere il suo orizzonte galattico fino al centro della Via Lattea, a comprendere i 2 bracci a spirale principali di Carina-Sagittario (verso l’interno) e di Perseo (verso l’esterno). La regione censita da Gaia contiene volumi di dimensione mai raggiunti per studiare il disco e l’alone vicino della galassia. Insieme all’informazione su posizione e velocità, Gaia, grazie alla sua capacità spettroscopica, raccoglierà, per ogni stella, informazioni astrofisiche quali temperatura efficace, gravità superficiale e metallicità. Questi dati avranno la profondità e la precisione necessarie per investigare e risolvere le domande fondamentali alla base del caso scientifico di Gaia: 1) quando si sono formate le stelle della Via Lattea; 2) come e quando è stata assemblata la nostra galassia; 3) a quanto ammonta e come è distribuita la componente oscura della sua massa. Mappando la velocità delle stelle, Gaia indovinerà la presenza della materia oscura che fa sentire la sua azione gravitazionale, ma non emette alcun tipo di radiazione. Inoltre, l’accuratezza dei dati stellari acquisiti, combinata con le enormi dimensioni dei campioni stellari disponibili, avrà un impatto enorme in tutte le branche dell’astrofisica, spaziando dai pianeti extrasolari, alla struttura della galassia, alla cosmologia, alla relatività generale.

L’approccio di Gaia alla ricerca e caratterizzazione dei pianeti extrasolari è innovativo. A differenza degli studi fatti fino a ora, il censimento astrometrico non discrimina, né per età , né per composizione chimica o orientamento spaziale, alcuna delle stelle potenzialmente in grado di ospitare pianeti. E questo è molto importante perché oggi la fisica della formazione dei sistemi planetari non è in grado di prevedere quali stelle possono essere anche ‘soli’ ovvero ospitare sistemi planetari. Il problema è ‘osservativo’ ed è affrontabile solo da strumenti in grado di eseguire censimenti completi, proprio come Gaia che, con la sua sensibilità, riuscirà a scoprire e caratterizzare migliaia di pianeti rocciosi, tipo Nettuno, orbitanti nella zona di abitabilità delle nane rosse, entro un raggio di 25 pc (circa 80 anni luce). Certo, lontani per cercare di stabilire una comunicazione, ma pur sempre nel nostro vicinato galattico.

Non c’è bisogno di andare lontano per affrontare problemi fondamentali. Grazie a Gaia, il Sistema solare diventa un laboratorio privilegiato di fisica della gravitazione. Per poter sfruttare appieno l’accuratezza delle misure astrometriche di Gaia, infatti, tutto il modello per la riduzione dei dati deve tener conto delle masse dei pianeti all’interno del Sistema solare e della loro posizione, sempre variabile nel corso del tempo.

Ci aspettiamo quasi 100 milioni di misure disponibili per quello che si preannuncia come il più grande esperimento di relatività mai effettuato, una straordinaria ripetizione, quasi un secolo dopo, dell’esperimento eseguito nel 1919 da Dyson, Eddington e Davidson che fornì la prima prova della correttezza della relatività generale di Einstein.

Chissà se Gaia ripeterà la conferma o se, invece, metterà in luce qualche piccola anomalia che potrebbe avere grandissimo impatto nelle teorie cosmologiche.

Anatomia di un satellite

Gaia, la cui massa complessiva è di circa 2 tonnellate, è un satellite lungo 3 metri e largo circa 10 e si compone di 3 parti:

il carico utile (payload) contiene fondamentalmente la strumentazione ottica (nella figura in alto, in celeste);

il modulo di servizio si suddivide in una parte elettrica (nella figura in alto, in giallo) e una sezione di elaborazione e comunicazione dei dati (nella figura in alto, in viola);

lo scudo solare esterno è fatto da 6 pannelli che durante il lancio risultano piegati ma che, una volta in orbita, si apriranno a mo’ di ventaglio per consentire di schermare dalla luce proveniente dal Sole i telescopi contenuti nel payload. La strumentazione ottica di bordo, infatti, per poter raggiungere la precisione richiesta nelle misure, deve operare a tem- perature particolarmente basse. Altro scopo dello schermo solare è quello di rifornire di energia elettrica Gaia, essendo il suo lato rivolto al Sole ricoperto di pannelli fotovoltaici.

Per quanto concerne le misurazioni che Gaia deve effettuare, va detto che la radiazione osservata entra da una delle 2 aperture presenti nella sonda, finendo dapprima su uno dei 2 specchi primari e poi, dopo una serie di riflessioni multiple sugli altri specchi secondari, viene concentrata in un piano focale comune. Qui sono disposti un centinaio di sofisticati sensori ottici di tipo CCD, rivelatori di luce simili a quelli che si possono trovare nelle macchine fotografiche digitali, ma assai più potenti: quasi un miliardo di singoli pixel (un ‘gigapixel’) rispetto ai milioni di una macchina fotografica normale. Mentre tutto il satellite, lentamente, ruota, la luce proveniente dall’oggetto celeste attraversa il piano focale. In tal modo Gaia effettuerà una scansione sistematica di tutto il cielo al punto che, durante tutta la missione, ogni zona verrà osservata circa 70 volte, garantendo un’accuratezza nelle misure mai raggiunta prima. Per saperne di più: www.esa.int/Our_Activities/Space_Science/Gaia_overview.

Il telescopio Euclide a caccia di materia ed energie oscure

Sarà lanciato nel 2020 il telescopio spaziale Euclide, l’ambizioso progetto dell’ESA, l’Agenzia spaziale europea, che avrà il compito di mappare in 3D una popolazione di 2 miliardi di galassie distribuite su 15.000 gradi quadrati del cielo, ovvero un terzo del cielo notturno. Lo scopo? Dedurre informazioni circa la presenza della materia oscura, un materiale invisibile che non emette né assorbe alcun tipo di luce, e che pertanto può essere rilevato solo dall’effetto che la sua gravità produce sulle galassie e sugli agglomerati di galassie. Ma non è tutto. Euclide racconterà anche i tre quarti della storia del nostro Universo osservando l’influenza e l’evoluzione dell’energia oscura negli ultimi 10 miliardi di anni. Suo infatti il compito di dare una risposta all’enigma che vede oggi l’Universo accelerare in ragione di un’energia misteriosa e per questo definita oscura, quando poi tutti si aspettavano che dovesse decelerare a causa dell’effetto frenante delle forze gravitazionali, associate all’elevata presenza di materia, sia ordinaria sia oscura.