Riflettere l’Universo: la costruzione del telescopio più grande del mondo Understand article

Tradotto da: Rocco G. Maltese. Per quattrocento anni, i telescopi sono stati di ausilio agli astronomi nel rivelare i misteri dell’Universo. Ma cosa serve nella costruzione - e gestione –delle complesse strumentazioni costruite oggigiorno. 

Nel 1608, un costruttore di specchi Tedesco-Olandese, Hans Lippershey presentò un brevetto per un piccolo strumento che utilizzava delle lenti per mettere a fuoco la luce e ingrandire oggetti posti ad una certa distanza: questo fu il primo progetto di un telescopio. Poco dopo questa invenzione, Galileo costruì uno dei suoi famosi telescopi, e fu altresì il primo ad utilizzare un telescopio per le osservazioni astronomiche. Quattrocento anni dopo, i telescopi sono ancora di vitale importanza nell’astronomia, si sono perfezionati trasformandosi da piccoli strumenti maneggevoli a strumenti giganteschi che si muovono solo via computer.

Oggi, la maggior parte dei più grandi telescopi ad infrarossi del mondo, sono stati costruiti e operano per conto dell’Osservatorio dell’Europa Meridionale (ESO)w1  – utilizzano specchi invece che lenti per concentrare e focalizzare la luce. Più grande è lo specchio e più luce potrà essere concentrata, permettendo agli astronomi di osservare oggetti celesti sfumati – che spesso sono molto distanti – in grande dettaglio. Sebbene costruire grandi specchi è molto più facile che costruire grandi lenti, costruire i grandi telescopi astronomici rappresenta ancora una grande sfida.     

Rappresentazione artistica dell’Estremamente Grande Telescopio (ELT). Una volta completato nel 2024, la cupola sarà grande come lo stadio di campo di football americano.
ESO/L Calcada/Ace Consorzio

Da Newton ai giorni nostri

Il primo telescopio riflettore fu costruito con successo da Sir Isaac Newton nel 1668 (cioè un telescopio che utilizza specchi anziché lenti, per focalizzare la luce).  Un telescopio Newtoniano si basa sull’utilizzo uno specchio, detto primario (il primo specchio che la luce di una stella incontra all’interno del telescopio) e un secondo specchio piatto, che è posto al di sopra dello specchio primario con un angolo diagonale che riflette e direziona la luce ad una ottica. Lo stesso principio è utilizzato in molti telescopi sia professionali che amatoriali che si interessano di astronomia. Nei moderni telescopi, gli specchi permettono che la luce sia diretta ad una macchina fotografica o a un sensore che è messo al posto dell’obiettivo, e permettono che la configurazione finale del telescopio sia più compatta.

Il telescopio riflettore di Newton aveva uno specchio primario con un diametro di 3,3 cm. Sappiamo che, nel mondo, il più grande telescopio riflettore a singolo specchio ne ha uno di 8 m di diametro. Il VTL dell’ESO collocato in Cile, Sud America, ad esempio, è composto da quattro telescopi ciascuno con uno specchio primario con un diametro di 8.2 m.    

Percorso del raggio luminoso di un telescopio di Newton (riflettore), che utilizza gli specchi per orientare e focalizzare i raggi di luce.
ESO/N Bartmann 

Costruzione degli specchi

La maggior parte dei telescopi professionali hanno principalmente gli specchi in vetro (ad esempio vetro di borosilicato, utilizzato anche nella costruzione di pirofile in ‘Pyrex’) o uno speciale materiale composito vetro-ceramico. Questi materiali possono essere molati e lisciati sino a raggiungere l’esatta forma e ottenere una buona immagine. Non devono altresì modificare la loro forma in seguito a variazioni di temperatura. Questo è importante specialmente  poiché molti telescopi sono collocati in alta montagna o in deserti, dove le temperature subiscono variazioni molto significative tra giorno e notte.

Per focalizzare al massimo la debole luce delle stelle, la superficie degli specchi primari devono essere molto riflettenti. La riflettività viene creata utilizzando uno strato estremamente sottile di materiale altamente riflettente che ricopre la superficie dello specchio, la specificità di tale materiale qualifica la lunghezza d’onda alla quale opera il telescopio. Per esempio, l’argento o l’alluminio sono adatti per costruire specchi di telescopi che operano nello spettro della luce visibile o nell’infrarosso vicino.

Più grande è meglio

La dimensioni degli specchi dei telescopi sono aumentate considerabilmente negli ultimi 50 anni, ma gli astronomi ne vogliono sempre di più grandi. Vi è tuttavia un limite: uno specchio molto più grande di 8 m, è terribilmente difficile da molare e lisciare. Così, una soluzione possibile per ottenere diametri maggiori è quella di costruire gli specchi a segmenti. Questi segmenti in generale hanno spesso sezione esagonale, sezioni che assemblate costituiscono un’area moto grande con la quale accumulare la luce.

Attualmente, il più grande telescopio con specchi segmentati – il Telescopio della Gran Canaria, nelle Isole Canarie, Spagna – misura 10.4 m diametralmente ed è costituito da 36 segmenti. Ma nel 2024, verrà sostituito dall’Estremamente Grande Telescopio (ELT), in costruzione nel Deserto di Atacama, in Cile. Lo specchio primario che avrà un diametro di 39 m, è costituito da 798 segmenti, ciascuno dei quali con un’area di 1.4 m2. Questo grande telescopio, che sarà affidato all’ESO, osserverà l’universo nelle lunghezze d’onda del visibile e nell’infrarosso vicino.

Vi sono anche altri telescopi che sono in fase di costruzione, come quello delle Hawaii un Telescopio da Trenta Metri (Thirty Meter Telescope), che ha adottato un approccio simile, utilizzando un grande numero di piccoli segmenti. Il Telescopio Gigante di Magellano, ad esempio, (Giant Magellan Telescope) che opera in Cile, ne comprende in numero inferiore ma di più grandi in dimensioni.

Una riproduzione in scala dello specchio primario dell’ELT, in una versione in cartone dei segmenti dello specchio
ESO

Avere una superficie liscia

Affinché un’immagine sia a fuoco dal quale si possano ottenere precise misure, la superficie degli specchi deve essere perfettamente liscia. Per l’ELT, ciascun segmento individuale verrà lucidato con precisione minore di 15 nanometri. Significa che se un segmento avesse le dimensioni dell’Europa, ciascuna gobba sulla superficie dovrebbe avere le dimensioni minori di quelle di una coccinella.

Se gli specchi (singoli o a segmenti) diventano sempre più grandi, potrebbero piegarsi sotto il proprio peso per effetto della gravità, riducendo così la propria uniformità. Per compensare questo effetto, il VLT è ricorso ad una tecnica chiamata ottica attiva, che utilizza 150 attuatori che compensano lo specchio, facendo correzioni ogni 30 secondi. Per l’ELT, non solo è necessario che ciascun segmento sia perfettamente liscio: i segmenti devono essere perfettamente allineati con i segmenti limitrofi. L’ELT avrà un totale di 4524 sensori posizionati sugli spigoli dei segmenti dello specchio; questi costantemente trasmettono la loro posizione, permettendo a ciascun segmento di essere perfettamente allineato utilizzando 2394 attuatori. Questo sistema ottico attivo rende la superficie totale dello specchio primario come se fosse liscio a meno di una precisione di 50 nanometri – un millesimo delle dimensioni di un capello umano.

Controllo dei sensori degli attuatori di due segmenti degli specchii primari giganti dell’ELT
ESO

Mantenere il potere di  riflessione degli specchi

Per assicurarsi che le superfici degli specchi rimanga la più riflettente possibile, devono essere protetti dalla polvere e dai forti venti. Quando la polvere si accumula sulla superficie degli specchi, può ridurre il potere riflettente anche solo di alcuni percento, ma ogni fotone è importante per riprodurre un’immagine di alta qualità. La polvere, inoltre riflette i raggi di luce, e ne riduce il contrasto. Durante il giorno, gli specchi sono coperti, e di notte il telescopio viene inclinato prima di aprire la cupola, così qualsiasi cosa si possa trovare sul tetto (come polvere o escrementi di uccelli) non andranno a planare sulla superficie degli specchi.

Col tempo, la protezione riflettente si deteriora e bisogna effettuare la protezione riflettente degli specchi ad intervalli regolari. Gli specchi primari del VLT, per esempio, devono essere spostati dalla piattaforma di osservazione al campo base quasi una volta ogni 18 mesi per effettuare il rivestimento riflettente. E’ un lavoro particolarmente gravoso poiché si ha a che fare con le parti più delicate del telescopio, tanto che sono trasportate ad una velocità di 5 km/h impiegando circa una settimana. 

Per lo specchio primario dell’ELT, ciascuno dei 798 segmenti di cui è composto necessita che la copertura riflettente venga effettuata ogni 18 mesi. Il metodo più efficiente per effettuare questa operazione è quella di rimuovere due o tre elementi ogni giorno e rimontarli. Il telescopio può anche funzionare con un paio di elementi mancanti, permettendo così la massima operatività. Invece, quando ciascun specchio del VLT è sottoposto a ricopertura riflettente, il telescopio è fuori servizio.

Esplorazione dell’Universo

La progettazione, la costruzione e l’utilizzazione di questi telescopi così grandi non è un compito facile. Ma la prospettiva più entusiasmante – cioè quella di trovare dei pianeti abitabili come la Terra, misurare le proprietà delle prime stelle e galassie, e verificare la natura della materia oscura e dell’energia – sono meritevoli di questo grande sforzo. Nelle prossime decadi, i telescopi più avanzati del mondo avranno la potenzialità di rivoluzionare le nostre conoscenze dell’Universo, molto di più di quanto fatto da Galileo con il suo telescopio 400 anni fa.

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Web References

  • w1 – ESO è l’organizzazione di astronomia inter-governativa più avanzata in Europa e la più produttiva a livello mondiale per le apparecchiature con base al suolo con il suo quartier generale a Garching, vicino Monaco in Germania e i suoi telescopi in Cile.

Resources

  • Per saperne di più sul VLT e sull’ELT consultare il ESO website.
  • Per un confronto comparativo delle dimensioni dello specchio principale dell’ELT  con quello di altri telescopi con base al suolo, vedere il ESO website.
  • Trovare di più sulla produzione dello specchio per l’ELT visitando il SCHOTT website.
  • Saperne come si lavora al VLT nel Deserto di Atacama in Cile. Leggi:
  • Maggiori informazioni dello specchio primario dell’ELT si può trovare sulla rivista trimestrale The Messenger.

Institution

ESO

Author(s)

Nicole Sheearer è un’informatrice scientifica con un master in Fisica e un diploma universitario in fisica e astrofisica dell’Università di Durham, UK. All’epoca di scrittura di questo articolo, Nicole stava frequentando l’internato di specializzazione in informatrice scientifica presso l’ESO.

Tania Johnston ha lavorato per oltre dieci anni nel campo dell’informazione in astronomia, puntando la sua attività di supporto a insegnanti nell’utilizzo dell’astronomia nell’insegnamento delle scienze. Tania lavora presso l’ESO come Coordinatrice del progetto ESO delle Supenovae.


Review

La riflessione è un concetto base nel trattamento delle onde e dell’ottica all’interno di un curricolo di scienze nella scuola. Gli insegnanti possono trarre informazioni aggiornate sulla costruzione degli specchi per i grandi telescopi moderni, e porre agli studenti questi argomenti durante le lezioni. Inoltre, questo articolo può aiutare ad aggiornare gli studenti sulle applicazioni delle scienze e le sfide che si affrontano e si superano nella tecnologia moderna.

Per porre delle domande di verifica di comprensione:

  • Chi fu il primo astronomo che utilizzò un telescopio?
  • Chi ha costruito e utilizzato il primo telescopio a riflessione?
  • Perché il vetro è utilizzato per realizzare gli specchi dei grandi telescopi astronomici?
  • Com’è possibile costruire dei telescopi con specchi che abbiano un diametro più grande di 8 metri?

Stuart Frame, insegnante di fisica al Robert Gordon College, in Scozia, Regno Unito




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