N.17 - 24 Marzo 2003
Breve storia della radioastronomia
(Giorgio Bressan e Dario Giaiotti)

La storia della radioastronomia sperimentale comincia negli anni trenta del XX secolo. Agli inizi del secolo scorso le comunicazioni radiofoniche avevano mosso i primi passi e subito si era capito che esse avrebbero rivoluzionato il modo di vivere degli uomini. Gli aspetti commerciali di questa nuova tecnica per comunicare emersero rapidamente tanto che negli anni trenta esistevano già delle compagnie, ben strutturate, che si occupavano di radiofonia intercontinentale. Tra queste vi erano i "Bell Laboratories", che disponevano di laboratori per la sperimentazione di nuove tecniche ed apparecchiature radio riceventi ed emittenti.

La componente di ricerca era presente e assai sviluppata, dato che le comunicazioni radio avevano da poco lasciato il grembo della scienza pura, la fisica, per essere accudite ed allevate dalla tecnologia e dall'ingegneria. A quel tempo fra l'altro, si cercava di comprendere la natura di alcuni tipi di interferenze che disturbavano le comunicazioni transoceaniche. Presso i "Bell Laboratories", a Holmdel nel New Jersey, lavorava un giovane ingegnere di nome Karl Jansky che venne incaricato della costruzione di un rudimentale radiotelescopio, dotato di un'antenna orientabile, per ricevere la frequenza di 20,5 MHz con l'obiettivo di individuare la natura di quelle interferenze.

La "giostra di Jansky"
Operando con questo strumento, Jansky ben presto si accorse che dall'altoparlante del ricevitore, collegato all'antenna, usciva un debole segnale, una sorta di fischio. Sul momento, egli lo attribuì ad interferenze provenienti dal Sole, ma misure più accurate, effettuate in seguito, mostrarono in modo inequivocabile una periodicità di 23 ore e 56 minuti con un ritardo di 4 minuti rispetto alle canoniche 24 ore giornaliere e ciò escludeva la natura solare del disturbo.
Il grafico di Jansky
Dopo diversi mesi, Jansky intuì che la sorgente responsabile del fischio era al di fuori del Sistema Solare, in direzione della costellazione del Sagittario, in pratica della regione centrale della nostra Galassia. Tuttavia, questa scoperta, pur così importante, passò quasi inosservata salvo il fatto che venne pubblicata sul "New York Times" nel maggio del '33. Jansky avrebbe voluto investigare più a fondo la Via Lattea, proponendo ai "Bell Laboratories" la costruzione di un'antenna più efficiente, ma gli interessi della compagnia erano di tutt'altra natura e così Jansky venne dirottato verso altri progetti. In seguito, il nome di Karl Jansky venne associato all'unità di misura del flusso radio, il jansky (Jy), corrispondente a 10-26 W m-2 Hz-1.

Molti scienziati furono affascinati da questa scoperta, ma le ricerche in questo settore non avanzarono, sia a causa delle ancora scarse competenze nelle tecnologie radio, sia a causa della mancanza di risorse finanziarie dovuta alla grande recessione economica di quel periodo.

La scoperta di Jansky è un tipico esempio di quello che gli anglosassoni chiamano serendipity, ossia di una scoperta avvenuta per caso, cercando tutt'altra cosa.

Ad ogni modo, il ghiaccio era stato rotto e anche se gli astronomi di professione cominciarono a dedicarsi allo studio delle radio emissioni celesti soltanto diversi anni dopo, numerosi furono gli appassionati che iniziarono ad esplorare il cielo con i nuovi "occhi" dei radiotelescopi, facendo fare alla nuova scienza, nella poco appariscente timidezza della loro passione, i primi passi, molto importanti. Uno di questi uomini fu Grote Reber.

Molto è stato scritto e detto a proposito dei risultati conseguiti da questo emblematico personaggio. In questa sede, ci piace sottolineare la caparbietà di quest'uomo che, dopo aver esaminato le scoperte di Jansky, decise di costruire un radiotelescopio nel giardino di casa.

L'antenna di Reber
Ricordiamo che siamo nella prima metà del secolo scorso, quando la tecnologia radio era solo agli inizi. Ciò nonostante, Reber riuscirà a costruire una parabola di circa dieci metri di diametro con ricevitori operanti alle frequenze di 3300 MHz, 900 MHz e 160 MHz, cose ancor oggi piuttosto difficili da realizzare per un amatore.

Reber sicuramente spese parecchie notti insonni registrando segnali radio extraterrestri, dato che di giorno lavorava e di notte riusciva, tra l'altro, a ridurre il rumore sul segnale, dovuto alle scintille provocate dai motori delle automobili in circolazione. Si può facilmente immaginare quante prove egli dovette fare per identificare la natura dei disturbi, quante delusioni a seguito di esperienze fallite, prima di centrare l'obiettivo. Nessuno, al di fuori di lui, potrebbe descriverci quei momenti, rivelandoci l'intima natura di questo straordinario personaggio.

I risultati da lui ottenuti sono noti. Reber è stato il primo uomo a vedere la Via Lattea alle lunghezze d'onda radio, ultimando nei primi anni quaranta del XX secolo la prima mappatura radio della nostra Galassia.

La prima mappa radio della Galassia
Applicando nel campo radio i principi della fisica ottica, Reber costruì un'antenna parabolica, al fine di "raccogliere" un ampio intervallo di frequenze radio, e intuì che la radiazione che egli misurava con il suo radiotelescopio non poteva avere una natura esclusivamente termica, come supposto dalle teorie correnti a quel tempo. In seguito, il fisico russo V.L. Ginzburg, dando ragione all'intuizione di Reber, dimostrò che l'emissione radio delle sorgenti stellari era prodotta, in parte, da un processo non termico, la cosiddetta "radiazione di sincrotrone".

Reber fu anche il primo radio astrofilo della storia, che aprì le porte a quella che sarebbe diventata una delle più importanti branche dell'astrofisica, la "radioastronomia".

Dopo la seconda guerra mondiale le scoperte radioastronomiche sperimentali furono affiancate da diversi studi teorici sulla natura delle emissioni radio da parte dei corpi celesti, ma ancora una volta sarebbe stata una scoperta casuale ad aprire una nuova finestra sulla conoscenza dell'Universo.

Negli anni venti, la scoperta dell'espansione dell'Universo aveva rafforzato la teoria cosmologica del Big Bang, secondo la quale doveva esistere una radiazione "fossile", la radiazione cosmica di fondo a microonde (cosmic microwave background radiation), residuo dell'esplosione primordiale, che permeava tutto lo spazio cosmico.

A tale proposito, a distanza di quasi mezzo secolo, uno degli Autori di questo articolo, ricorda ancora con emozione una calda serata romana, quando assieme a molte altre persone vide sfrecciare nel cielo un oggetto luminoso. Correva l'anno 1960 e quell'oggetto era uno dei primi satelliti artificiali che veniva posto in orbita dalla NASA e dai "Bell Laboratories" per verificare la possibilità di trasmettere segnali radio televisivi a grande distanza, utilizzando le microonde. Quel satellite venne battezzato "ECHO": niente di più di un pallone di 30 metri di diametro circa, rivestito in polyestere alluminato per riflettere le onde radio.

Il satellite ECHO
In quel periodo nessuno avrebbe sospettato che quel, relativamente semplice, dispositivo, di lì a qualche anno (1964), avrebbe portato ad una straordinaria scoperta, diventata poi una pietra miliare della cosmologia moderna, cioè la prova sperimentale dell'esistenza del "fondo a microonde", teorizzata nel 1946 da George Gamow e Robert Dicke, che confermava ampiamente la teoria del Big Bang in contrapposizione a quella dello "stato stazionario", sostenuta da Bondi, Gold ed Hoyle.

Lo strumento che registrò il segnale del "fondo a microonde" apparteneva, ancora una volta, ai "Bell Laboratories": si trattava di un'antenna a "corno" costruita per gli esperimenti abbinati al satellite ECHO e utilizzata dai due radioastronomi, Robert Wilson e Arno Penzias che furono, per questa scoperta del tutto casuale, insigniti, nel 1978, del premio Nobel per la fisica [vedi articolo "La storia della radiazione cosmica di fondo"].

Dagli anni sessanta in poi, gli astronomi professionisti guarderanno con sempre maggior interesse all'utilizzo delle lunghezze d'onda non ottiche per l'osservazione del cielo. Verranno costruiti radiotelescopi sempre più potenti e sofisticati e saranno identificate nuove sorgenti radio, sia galattiche che extra-galattiche.

La scoperta dell'esistenza delle "stelle pulsanti", le cosiddette pulsar, sarà un altro dei successi della radioastronomia. Anche questo, un caso di "serendipity".

Agli inizi degli anni '60 Antony Hewish dell'Università di Cambridge (UK), con l'ausilio di alcuni suoi studenti, costruì un radiotelescopio operante alla frequenza di 81.5 MHz per studiare la scintillazione dei segnali radio provenienti da sorgenti lontanissime, che apparivano molto compatte nel cielo, simili a stelle. Hewish sperava così di individuare quegli oggetti "quasi stellari", oggi conosciuti con il nome di "quasar".

Il radiotelescopio di Hewish
Lo strumento diventò operativo nel 1967 e dopo avere completato una prima ricognizione del cielo, una studentessa, Jocelyn Bell assistente di Hewish, incaricata di esaminare i dati che venivano registrati tramite un registratore su carta, vide sul tracciato dei picchi che si ripetevano con frequenza regolare. L'identificazione non fu immediata, ma dopo numerose verifiche fu chiaro che i picchi registrati altro non erano che i "lampi" prodotti da una "stella di neutroni", la prima "pulsar" osservata, che venne contraddistinta con la sigla CP 1919 (Cambridge Pulsar). Più precisamente, la radiazione elettromagnetica che mise in oscillazione l'antenna di Cambridge, proveniva da una "pulsar" che si trova nella costellazione della Volpetta, oggi contrassegnata con la sigla CP1919+21 (PulSar a RA=19h 19m e DECL=+21°). Da allora se ne sono identificate diverse centinaia.

Una curiosità: nel 1964 a Medicina (BO) venne inaugurato il radiotelescopio "Croce del Nord", un grandioso strumento di transito, molto più sensibile ed efficiente di quello costruito a Cambridge, e fu per un puro caso che non ebbe l'onore della scoperta della prima "pulsar". La causa della mancata scoperta fu da attribuirsi ad un componente elettronico (un semplice condensatore) rivelatosi troppo "ingombrante". La "Croce del Nord", in ogni caso, era e rimane uno fra i telescopi più adatti per l'osservazione di oggetti come le "pulsar", tanto da annoverarne, fra le sue scoperte, qualche centinaio.

La "Croce del Nord"
Le "pulsar" erano state previste dagli astrofisici teorici come risultato finale dell'evoluzione di alcuni tipi di stelle, dotate di opportuna massa, ma mancava una conferma osservativa di questi oggetti: Antony Hewish e Jocelyn Bell la produssero.

La storia più recente della radioastronomia è quella di una scienza ormai matura, la cui tecnologia e tecniche osservative hanno portato a scoperte molto importanti, che hanno aiutato a migliorare la comprensione dell'Universo. Dopo gli anni '60, le scoperte si sono susseguite a ritmi sempre più incalzanti. Si possono annoverare negli anni '70 l'osservazione dei "quasar" radio attivi, negli anni '80 gli effetti dovuti alle "lenti gravitazionali", le prime misure dirette dell'espansione di una supernova (SN1993J) e ... la lista non finisce qui.

Il potere risolutivo dei radiotelescopi è rapidamente aumentato nel corso degli ultimi decenni, tanto da superare quello dei telescopi ottici più potenti. Ciò grazie all'impiego dell'interferometria, cioè di quella tecnica osservativa che combina le osservazioni provenienti da più radiotelescopi per produrre un'unica immagine finale. Le tecniche interferometriche applicate alle osservazioni radio del cosmo hanno portato alla costruzione di grandi e prestigiosi osservatori, come il "Very Large Array" (VLA), nel Nuovo Messico.

Il "Very Large Array"
In più, la possibilità tecnica di combinare le osservazioni radio in differita, cioè non al momento stesso dell'acquisizione, ma in tempi successivi, permette oggigiorno di scandagliare il cielo con interferometri che si sviluppano su scala planetaria, come il "Very Long Baseline Interferometry" (VLBI), quindi con potere risolutivo mai raggiunto in precedenza da nessun altro strumento astronomico. Sono anche in corso prove di interferometria a lunghissima base, per mezzo di un radiotelescopio in orbita e di una serie di strumenti a Terra.

Concludiamo questo articolo constatando che la radioastronomia è attualmente una scienza ricca di esperienze, le quali iniziano anche ad essere riversate nell'importante bacino della didattica e della divulgazione, come illustreremo nei prossimi articoli. Nonostante gli aspetti poco intuitivi dell'esplorazione del cielo tramite le onde radio, ai giorni nostri la tecnologia ed i suoi costi sono tali che anche i non professionisti possono avvicinarsi con profitto agli aspetti osservativi della radioastronomia.

Rappresentazione artistica del radiotelescopio spaziale




Bibliografia

Libri
Abrami A.: "Corso di Radioastronomia", ed Hoepli, 1985
Hack M.: "Corso di Astronomia", ed Hoepli, 1985
Hack M.: "L'Universo Violento della Radio Astronomia", ed Scientifiche e Tecniche Mondadori, 1983
Christiansen W.N. and Hogbom J.A.: "Radiotelescopes", Cambridge University Press, 1969
Rohlfs K.: "Tools of Radioastronomy", Springer Verlag, 1986
Pastellini Dilaghi E. M.: "Analisi delle onde elettromagnetiche in astrofisica", Quaderni editi dalla Società Astronomica Italiana, 1987
Kraus J.D.: "Radio Astronomy", McGraw Hill New York, 1966

Articoli su riviste
Hewish A.: La scoperta delle Pulsar, La riscoperta del cielo, Vol. unico, Ed. Scientifiche e Tecniche mondadori, 1976
Barbieri C.: Il futuro della ricerca astronomica, Corso di Astronomia, Vol 6, Fabbri Editori, 1984
Hack M.: Breve storia degli osservatori astronomici, Corso di Astronomia, Vol 6, Fabbri Editori, 1984





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