Missione FOCAL: viaggio ai fuochi gravitazionali del Sole e dei Pianeti

La prima dimostrazione sperimentale della Teoria della Relatività Generale fu eseguita da Arthur Eddington nel 1919, quando riuscì a misurare gli effetti del campo, o meglio del pozzo gravitazionale del Sole sulla luce delle stelle ad esso vicine. La massa del Sole, infatti, genera una distorsione del tessuto dello spaziotempo in grado di deflettere le onde elettromagnetiche provenienti da una “sorgente”astronomica di qualsiasi tipo (esopianeti, stelle, galassie, o altro), e farle convergere in un punto detto “fuoco”, dove l’informazione da esse veicolata risulta intensificata, amplificata, ingrandita. Per le evidenti analogie con le lenti ottiche, questo fenomeno è stato chiamato “lente gravitazionale”.

Numeri, esempi e un po’ di storia

L’asse focale è la linea immaginaria che unisce la sorgente, il centro del Sole, e il fuoco, in modo che la sorgente rimanga perfettamente occultata dal disco solare rispetto al fuoco stesso. Il fuoco del “sole nudo”, così chiamato perché la sua posizione è stata calcolata senza tener conto di nessun effetto di distorsione o attenuazione del segnale sorgente, si trova alla bella distanza di 550 Unità Astronomiche (UA), ben oltre i confini del Sistema Solare. Dato che il potere della lente gravitazionale del Sole (GLS) si applica alle onde elettromagnetìche provenienti da tutte le infinite sorgenti dell’Universo, si può immaginare una sfera focale del sole nudo, di raggio pari a 550 UA, composta da un numero infinito di fuochi.

Niente di costruito dall’Uomo è mai arrivato così lontano, nemmeno l’intramontabile Voyager 1, che ha da poco raggiunto le 110 UA. Ma varrebbe davvero la pena di andarci, perchè le prestazioni promesse dalla GLS sono assolutamente terrificanti: si prevede di ottenere un’amplificazione del segnale sorgente dell’ordine di dieci all’ottava potenza, e oltre! La Natura ci offre, a poco più di tre giorni-luce dalla Terra (a tanto equivale, infatti, la distanza di 550 UA) uno strumento d’indagine di ineguagliabile potenza. Anche se con l’attuale tecnologia non siamo in grado di dare il via a una missione al fuoco gravitazionale, è opinione comune tra gli scienziati del settore che tra una ventina d’anni tale missione potrebbe essere effettivamente messa in calendario e portata a termine entro la fine del secolo.

A parte lo stesso Einstein, che nel 1936 pubblicò un lavoro specifico sulle lenti gravitazionali, da allora nella comunità scientifica nessuno si occupò più del problema fino al 1964, quando Sidney Liebes, della Stanford  University, promulgò la teoria matematica della lente gravitazionale. Nel 1979 Von Eshleman, anch’egli della Stanford, per primo suggerì la possibilità di lanciare una missione diretta al fuoco della GLS. Nello stesso anno fu pubblicata dal CalTech-JPL la tesi di dottorato di David Sonnabend, intitolata “To the Solar Foci”, che però si occupava di argomenti relativi alle onde gravitazionali e ai neutrini, estranei agli obiettivi di questo articolo. Nel 1987, nel corso della Seconda Conferenza Internazionale di Bioastronomia, Frank Drake, uno dei pionieri del SETI, delineò il profilo della missione suggerita da Von Eshleman, che sarebbe stata più tardi denominata “missione FOCAL”. Tra i presenti c’era anche il fisico-matematico Claudio Maccone, all’epoca ricercatore presso l’Alenia Spazio e oggi Direttore Tecnico per l’Esplorazione Scientifica dello Spazio presso la IAA di Parigi. Nel 1992 Maccone organizzò, presso il Politecnico di Torino, la prima conferenza internazionale interamente dedicata a FOCAL, denominata “Space Missions and Astrodynamics I”. L’anno successivo, a nome di un vasto numero di colleghi europei e americani, propose ufficialmente la missione all’ESA, ricevendo il pubblico encomio del Direttore dei Programmi Scientifici dell’Agenzia, Roger Bonnet, ma nessun finanziamento. Da allora Maccone ha costantemente approfondito e allargato la ricerca sulla GLS, e arricchito il profilo della missione FOCAL. Il volume “Deep Space Flight and Communications: Exploiting the Sun as a Gravitational Lens” (Springer/Praxis, 2009), costituisce la sintesi del lavoro di questi ultimi vent’anni.

La missione FOCAL in tre tappe: 550 UA, 1000 UA, 17000 UA

Nella lente gravitazionale, la deflessione subita dalle onde elettromagnetiche non è uniforme, ma dipende dalla loro distanza dal Sole: quelle che passano radenti al disco solare vengono deflesse più intensamente di quelle che passano più lontano, ma andranno tutte a concentrarsi lungo l’asse, seppure a distanze diverse, creando infiniti nuovi fuochi, ognuno corrispondente a una frequenza d’onda via via più bassa. Alla sfera di fuochi del sole nudo, si aggiunge quindi un numero infinito di nuove sfere focali concentriche. In pratica, a partire da 550 UA in avanti, qualsiasi punto dello spazio è un fuoco gravitazionale e quindi la sonda FOCAL dovrà essere progettata ed equipaggiata considerando la sfera focale del sole nudo non come l’obiettivo, ma come la prima tappa di un viaggio di ricerca che potrebbe concludersi ben più lontano.

La missione FOCAL

Infatti, a complicare le cose ci si mette la Corona solare, la zona più calda e turbolenta dell’atmosfera del Sole, composta essenzialmente da plasma, le cui fluttuazioni creano sulla luce in arrivo dalla sorgente un effetto divergente che si oppone a quello convergente esercitato dalla GLS. Il risultato è che tutto il sistema delle sfere focali concentriche slitta allontanandosi dal Sole: così a 650 UA troviamo il fuoco per la frequenza di 500 GHz; a 763 UA il fuoco per i 160 GHz del CMB, la cosidetta “radiazione cosmica di fondo”; e infine a 1000 UA il fuoco per i 60 GHz. Va precisato, comunque, che non esiste ancora un modello matematico pienamente soddisfacente della Corona solare, quindi con l’aumentare delle conoscenze i dati potrebbero cambiare.

Nell’ultimo studio di Maccone, presentato a Praga pochi mesi orsono, nel corso dell’annuale Congresso Internazionale di Astronautica, si prospetta l’estensione della missione fino a 17000 UA. Questa dilatazione delle distanze è dovuta al fatto che Maccone, accogliendo un suggerimento proveniente dai lettori di Centauri Dreams (vedi blogroll), ha allargato l’analisi anche alle lenti gravitazionali dei pianeti del Sistema Solare. I suoi calcoli indicano che la sfera focale di Giove, situata a 6100 UA, sarà la prima ad essere raggiunta dalla nostra sonda nel prolungarsi del suo viaggio di allontanamento dal Sole. A 13525 UA incontriamo la sfera focale di Nettuno, prima di quella di Saturno (14425 UA), poi quella della Terra (15375 UA), prima di quella di Urano e Venere, fino a 17000 UA.

Le lenti planetarie sono ovviamente molto meno potenti della GLS, ma presentano alcune caratteristiche che le rendono degne di indagini più approfondite. Prima di tutto muoversi tra 1000 e 17000 UA significa operare ben addentro la cosidetta Nube di Oort, vastissima zona inesplorata, da dove si dice provengano le cosidette comete “esterne”, di lungo periodo. Una prima esplorazione della Nube, anche se parziale e sommaria, avrebbe un grande valore scientifico. Secondo, le lenti planetarie non risentono di effetti distorsivi simili a quelli della Corona solare. Infine, se il Sole può considerarsi immobile nel sistema delle sfere focali, i pianeti invece si muovono lungo le loro orbite. E con essi si muovono anche le lenti loro associate dando vita, agli occhi dell’osservatore, a un vero e proprio carosello di immagini fortemente ingrandite di oggetti astronomici d’ogni genere.

Ma lasciamo che sia lo stesso Maccone a concludere: ”ripensando al lavoro svolto finora sulle possibilità di un vero volo interstellare, semba lecito dire che gli studiosi delle missioni dirette ad Alpha Centauri, nello sforzo di coprire in un sol balzo quei 4,37 anni-luce, saltano a pie’ pari tutto quello che si trova a soli tre mesi-luce, come la sfera focale della Terra.”

Fonti: Centauri Dreams, “Deep Space Flight and Communications: Exploiting the Sun as a Gravitational Lens” (Springer/Praxis, 2009), Wikipedia

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