Le superfici riflettenti in mercurio liquido, per le loro caratteristiche di relativa leggerezza, potrebbero consentire la costruzione di telescopi molto più grandi e potenti di quelli attuali basati su specchi di vetro

di Ermanno F. Borra Le Scienze nr 308

Da quasi quattro secoli i telescopi a riflessione raccolgono la luce di miliardi di stelle e galassie e consentono l'osservazione di un universo rivelatosi assai vasto e complesso; in questo modo essi hanno fornito una unità di misura per la nostra visione del mondo e la nostra fantasia. Nonostante i successi, tuttavia, la tecnologia classica dei telescopi a riflessione presenta alcune pesanti limitazioni: è molto costoso - e spesso quasi impossibile - e levigare un blocco massiccio di vetro sino a ottenere una parabola perfetta, la forma geometrica ideale per focalizzare raggi luminosi paralleli in un punto singolo. Questi specchi possono deformarsi a causa di variazioni di temperatura, e oltre una certa dimensione tendono a deformarsi sotto il loro stesso peso. Pertanto gli astronomi e gli esperti di ottica si sono avvolte trastullati con una vecchia e bizzarra alternativa tecnologica: uno specchio liquido. Specchi di questo tipo non possono deformarsi e, almeno in linea di principio, possono essere costruiti nelle dimensioni richieste, per quanto grandi siano. Inoltre è molto semplice far assumere a un liquido una forma a parabola: la spinta combinata della forza gravitazionale e della forza centrifuga modella la superficie di una massa in rotazione di liquido riflettente - quale il mercurio - in forma di perfetta parabola. Questo fenomeno, che si può osservare anche mescolando un liquido qualsiasi, era una superba superficie riflettente che non ha bisogno di levigatura. Di conseguenza gli specchi liquidi possono essere molto meno costosi di quelli di vetro; la potenziale riduzione dei costi potrebbe rendere ottiche di grandi dimensioni accessibili persino agli astronomi dilettanti.

Nessuno sa chi abbia concepito per primo l'idea di uno specchio liquido, anche se non è improbabile che sia stato lo stesso Newton. Il grande studioso osservò effettivamente che la superficie dell'acqua in un secchio rotante e assume una forma parabolica, e fu lui a inventare il telescopio a riflessione. Tuttavia l'idea non fu mai seriamente coltivata fino all'inizio del ventesimo secolo, quando Robert Williams Wood, eccentrico fisico e scrittore della Johns Hopkins University, tentò di costruire un telescopio a specchio liquido. Gli interessi di Wood straziavano da ricerche di ottica e spettroscopia a filastrocche per bambini; scrisse anche di racconti e collaborò con Arthur  Train alla stesura di The Man Who Rocked the Earth. È forse più famoso come l'uomo che nel 1904 scosse la Francia smentendo la presunta scoperta dei raggi N, una forma di radiazione che René Blondlot dell'Università di Nancy sosteneva di aver individuato. Su richiesta di Wood, Blondlot dimostrò nel suo laboratorio oscurato come i raggi N, da lui ritenuti simili ai raggi X., potessero essere rivelati dopo aver attraversato un prisma. Wood era scettico e riuscì a infilarsi in tasca il prisma, componente fondamentale dell'esperimento, senza che Blondlot vi facesse caso; il risultato della prova non cambio. Sulla stampa americana all'incidente ebbe ampio risalto. Lo specchio liquido di Wood fu però oggetto di minore attenzione; impegnative sfide tecniche attendono chiunque cerchi di costruire un simile strumento, e Wood ebbe scarsa fortuna nel risolverle: anche se riuscì a scattare fotografie di stelle, le immagini erano confuse. La struttura di sostegno del suo specchio era inadeguata, e di conseguenza la velocità di rotazione del mercurio variava rendendo in costante la distanza focale; inoltre vibrazioni correnti d'aria creavano onde sulla superficie del mercurio. Come se non bastasse, una difficoltà ancora peggiore lo perseguitava: uno specchio liquido, a differenza di uno di vetro, non può essere inclinato per compensare la rotazione terrestre. Di conseguenza le stelle apparivano nella pellicola impressionata come strisce. Wood segnalò tutti questi problemi in un piacevole resoconto, scritto nello stile colloquiale dell'epoca, per l'<<Astrophysical Journal>>

La tecnologia degli specchi liquidi rimase a questo punto fino al gennaio 1982, quando un gruppo di scienziati sperimentò un metodo straordinario per superare i problemi connessi all'inclinazione. Per tutta la notte, sulla vetta di Mount Palomar, James E. Gunn e Peter Schneider della Princeton  University e Maarten Schmidt del California Institut of Technology osservarono una striscia di cielo con il telescopio Hale di 5 m mantenendo lo strumento in posizione fissa. Dispositivi a scorrimento di carica (CCD), sofisticati foto rivelatori a stato solido, permisero agli scienziati di ottenere una buona immagine e senza muovere lo specchio del telescopio. L'effetto della rotazione terrestre veniva compensato spostando elettronicamente di foto rivelatori da est a ovest, a una velocità corrispondente al movimento delle immagini nel campo visivo del telescopio. Ciò equivale a scattare una fotografia con una pellicola che si sposti nella macchina fotografica alla stessa velocità dell'immagine di un oggetto in movimento. Tipicamente un oggetto traversò la sottile striscia del rivelatore di un paio di minuti, limitando la quantità di luce che può essere raccolta. Osservando la stessa porzione di cielo e notte dopo notte, è però possibile creare immagini sempre più intense e sommando digitalmente immagini successive con i calcolatori. Il notevole risultato di Gunn, Scheinder e Schmidt risvegliò il mio interesse per gli specchi liquidi, la cui esistenza mi era già nota dalla scuola secondaria superiore. L'idea mi era parso affascinante, ma anche come astronomo non avevo mai pensato di usarli seriamente nella ricerca. All'epoca dell'esperimento di Mount Palomar, mi trovavo per un periodo sabbatico all'Università dell'Arizona, dove due ricercatori stavano pensando di sfruttare le capacità dei rivelatori CCD. J. Roger P. Angel e John McGraw progettavano di costruire un telescopio di nuovo tipo - oggi perfettamente funzionante - e per rivelare supernove lontane. Il telescopio e costantemente fisso e quindi non necessita di costose strutture mobili quali il telaio e la cupola. Al termine del mio periodo sabbatico, mi ero reso conto che si è un rivelatore CCD poteva ottenere immagini ottime con uno specchio fisso in vetro, allora la stessa cosa doveva accadere con uno specchio liquido. Naturalmente questa precisione sarebbe stata sprecata se lo specchio liquido non fosse stato in grado di generare un'immagine di alta qualità, e così, quando tornai all'Université Laval di Québec, decisi di scoprire quali fossero le reali prestazioni degli specchi liquidi. Innanzitutto ordinai un cuscinetto e un risicato d'aria e un motore elettrico, mentre le nostre officine costruirono tutti gli altri componenti di cui avevo bisogno per montare lo strumento. Entro pochi mesi potei esaminare il mio primo specchio di mercurio, di 50 cm di diametro, usando il testo della lama di coltello: per realizzarlo, si avvicina a una lama affilata all'immagine riflessa di un punto luminoso. Dato che uno specchio ideale dovrebbe proiettare un'immagine di grandezza uguale a quella della sorgente puntiforme, l'immagine verrebbe istantaneamente eclissata nel preciso momento in cui la lama sottile interrompesse il percorso della luce riflessa. Uno specchio in perfetto, al contrario, diffonderebbe la luce, creando un'immagine più larga che rimarrebbe visibile attorno al filo della lama. La prova mostrò inequivocabilmente che lo specchio era una parabola perfetta. Costruii rapidamente uno specchio di 1 m di diametro per studiare il modo più approfondito la tecnologia degli specchi liquidi, con l'aiuto di due neolaureati della Université Laval, Robin Arsenault, ora presso la CFHT corporation di Kamuela (Hawaii), e Mario Beauchemin. Ulteriori analisi confermarono che la superficie dello specchio era perfettamente parabolica e ragionevolmente liscia; in particolare, il meccanismo di sostegno dello specchio era così stabile che le onde superficiali erano insignificanti e la distanza focale era costante. Prendendo le mosse da questi incoraggianti risultati, decisi di intraprendere un serio lavoro di messa a punto. Dovevamo innanzitutto costruire un laboratorio adatto a misurazioni ottiche di precisione e dotarlo degli strumenti più avanzati; questo lavoro preliminare richiese molto più tempo ed energia che non l'effettuazione stessa degli esperimenti. Durante la costruzione si dovete tener conto della necessità di delicati allineamenti ottici, delle vibrazioni dell'edificio e della turbolenza dell'aria. Questi disturbi possono essere estremamente dannosi: difetti anche solo di un quarantesimo della lunghezza d'onda della luce visibile sulla superficie specchio possono comprometterne la precisione ottica. Quando la costruzione fu diligentemente completata, fummo ricompensati da un risultato spettacolare, ottenuto nel corso delle nostre prove iniziali con uno specchio di mercurio di 1 m e mezzo di diametro. Stanislaw Szapiel, ora al National Institut of Optics, aveva ottenuto l'immagine non risolta di una stella artificiale su uno schermo televisivo. E quando ingrandimmo quell'immagine attraverso la lente di un microscopio, potemmo vedere con grande sorpresa un disco circondato da anelli concentrici, scuri e luminosi in alternanza: l'immagine sembrava la figura di diffrazione dello specchio! Il fenomeno della diffrazione è presente anche quando la qualità di una superficie ottica si avvicina alla perfezione, dal momento che la natura ondulatoria della luce impone una limitazione fondamentale: le onde luminose riflesse dallo specchio si sovrappongono, e così facendo si eliminano o si rinforzano reciprocamente, proprio come le ondulazioni della superficie di uno stagno possono generare figure complesse. Un punto di luce appare allora come un disco circondato da anelli sfumati, che corrispondono a zone di interferenza costruttiva e distruttiva della luce riflessa. Di conseguenza la nitidezza d'immagine è stabilita non tanto dalla qualità dello specchio, ma dal suo diametro, più grande è lo specchio, più piccola è l'interferenza e dunque più  nitida l'immagine.

Da principio eravamo scettici sulla possibilità che ciò che avevamo visto sullo schermo fosse davvero la figura di diffrazione peculiare dello specchio, ma dopo molte discussioni, calcoli dell'esperimenti accettammo esitanti - e con soddisfazione - la possibilità che il nostro specchio fosse quasi perfetto. La conferma di questa conclusione richiese prove ancora più rigorose. Robert Content, allora dottorando alla Université Laval, esaminò minuziosamente lo specchio da 1,5 m utilizzando un interferometro a piastra di diffusione, uno strumento che rileva con precisione eccezionale il profilo di una superficie disturbando le figure di interferenza della luce. Analizzando centinaia di interferogrammi registrati da una telecamera con CCD prima di convincerci che i nostri risultati erano rappresentativi. Gli specchi liquidi sono molto più complessi da studiare degli specchi di vetro, in quanto la superficie di un liquido può cambiare forma rapidamente; non si può fare la media delle misurazioni, come invece si fa con gli specchi di vetro, perché questo procedimento minimizza le aberrazioni prodotte dalla turbolenza dell'aria e dalle vibrazioni. In questo stadio delle prove, la nostra accurata preparazione fu ripagata in pieno. L'analisi interferometrica alla fine mostrò che uno specchio liquido perfettamente regolato possiede una superficie pressoché parabolica, con un margine di decisione e non superiore a un trentesimo dell'ampiezza di un'onda luminosa, che era di circa la decisione originariamente richiesta per lo Hubble space Telescope. Sebbene le prove di laboratorio ci avessero fornito per due anni e risultati molto migliori delle nostre più rosee aspettative, avevamo bisogno di valutare come si sarebbe comportato uno specchio liquido in un ambiente aperto. A questo proposito nel 1986 costruimmo un osservatorio che ospitava uno specchio liquido di 1 m, e l'anno seguente installammo uno specchio liquido di 1,2 m. Gli studenti effettuarono osservazioni per 63 notti favorevoli, alla ricerca di brillamenti stellari che erano stati segnalati in precedenza, ma mai confermati. Il rivelatore era una fotocamera programmabile da 35 mm che registrava tracce stellari per una durata di non più di 2 min. Non avevamo difficoltà a costruire l'osservatorio a costi ragionevoli e con risultati soddisfacenti. Anche se non osservammo brillamenti, potemmo concludere con certezza che, se esistevano, erano un fenomeno raro. Cosa più importante, questo lavoro diede origine a una pubblicazione fondamentale che descriveva la prima ricerca compiuta con successo utilizzando un telescopio a specchio liquido.

Ma quali osservazioni si possono fare con un telescopio che non può essere puntato a piacere, e quanto facile da costruire, economico e preciso possa essere? Io sono convinto che quasi ogni tipo di sistema di rilevamento e registrazione possa essere adottato un telescopio fisso. Anche limitandosi alla tecnica già sperimentata - la registrazione dell'osservazione tramite CCD - i telescopi a specchio liquido potranno senza dubbio dare un contributo significativo l'osservazione astronomica. In particolare dovrebbero beneficiarne i cosmologi che costruiscono carte dettagliate del cielo; nelle loro ricerche devono osservare oggetti estremamente deboli e pertanto hanno bisogno di lunghi tempi di osservazione con grandi telescopi. Dal momento che i telescopi convenzionali a specchio di vetro sono molto costosi, uno scienziato singolo può disporne per molto tempo; anzi, la domanda di grandi telescopi è tale che persino i principali gruppi di lavoro riescono ad assicurarsi al più una decina di notti l'anno per un particolare progetto: di conseguenza occorrono anni per completare queste osservazioni. Gli economici telescopi a specchio liquido potrebbero essere più accessibili per i cosmologi che non i telescopi aspetto di vetro. Questa tecnologia potrebbe rivelarsi preziosa in molti settori specialistici, che vanno dalla ricerca di supernove a quasar lontani allo studio dell'evoluzione e della topologia dell'universo.  Paul Hickson della University of British Columbia, in un progetto in comune con l'Université Laval, ha già costruito un telescopio specchio liquido di 2,7 m per effettuare misurazioni spettroscopiche; lo strumento, entrato in funzione alla fine del 1992, usa un dispositivo CCD e filtri interferenziali. Andrew E. Potter, Jr., della National Aeronautics and Space Adminisration e Terry Byers della Lockheed corporation hanno costruito un telescopio specchio liquido di 3 m di diametro per cercare rottami alla deriva nello spazio; frammenti anche molto piccoli costituiscono infatti una grave minaccia per satelliti, sonde e stazione spaziale. Questa nuova tecnologia offre altri interessanti proprietà oltre a permettere di costruire parabole di grandi dimensioni: è infatti caratterizzata da alta qualità superficiale, bassa diffusione, possibilità di ottenere aperture molto veloci è una distanza focale variabile che può essere controllata con estrema precisione. Di conseguenza gli specchi liquidi possono rivelarsi uno strumento utile in molti settori di ricerca.

All'inizio ero motivato dalla prospettiva di costruire specchi di diametro gigantesco, anche maggiore di 30 m, ma in realtà fino a che punto è possibile arrivare? Lo si potrà sapere solo provando a costruire specchi di un inizio sempre crescente, ma la relativa facilità ed economicità di costruzione del nostro specchio di 2,7 m è di buon auspicio; ci sono tuttavia diversi fattori che potrebbero in definitiva a limitare le dimensioni raggiungibili. La curvatura della terra introduce una piccola variazione della distanza focale che può essere facilmente corretta. Vi è però un altro fronte geofisico preoccupante: l'effetto Coriolis, che è responsabile dell'andamento spiraleggiante delle masse d'aria in moto intorno alla Terra. Questo effetto si verifica quando un oggetto, come la superficie di un liquido rotazione, si muove in un sistema di riferimento rotante quale la Terra. Hickson e Brad K. Gibson della University of British Columbia e io abbiamo eseguito indipendentemente calcoli che dimostrano come questo problema non dovrebbe essere significativo. Allo stesso tempo, però, le nostre prime osservazioni hanno indicato che il vento crea disturbi rilevanti. Anche se un riparo può isolare uno specchio liquido dalle correnti esterne, il vento generato dalla stessa rotazione dello specchio fisserà probabilmente la dimensione limite, in quanto le zone esterne di un grande specchio si muovono più rapidamente di quelli di uno specchio piccolo, proprio come in una giostra un cavallo presso il bordo si muove più rapidamente di uno situato presso il centro; la maggiore velocità genererà una più intensa turbolenza locale. Fortunatamente ci sono diversi stratagemmi che si possono adottare per minimizzare il fenomeno: l'uso di strati sottili di mercurio riduce molto bene i disturbi. Anche un singolo strato di molecole organiche - oli, per esempio - distribuito sopra il mercurio può smorzare le onde provocate dal vento: una soluzione infallibile consiste nel porre una pellicola di materiale plastico sul liquido rotante. Dopo aver provato diversi materiali, abbiamo constatato che le pellicole di Mylar, allo stesso tempo sottili e resistenti, proteggono la superficie dello specchio senza distorcere la luce.

Si possono realizzare altri miglioramenti. Dal momento che il mercurio è pesante, potrebbe essere vantaggioso e sostituirlo con un liquido più leggero: lo specchio potrebbe allora essere dotato di un supporto a cuscinetto e di un rivestimento meno costosi. Abbiamo perciò intrapreso esperimenti col gallio, un metallo liquido più leggero del mercurio, ottenendo risultati incoraggianti: sebbene i gallio solidifichi a 30 °C, il materiale può essere facilmente sovraraffreddato. Questo procedimento mantiene una sostanza lo stato liquido al di sotto della temperatura a cui normalmente solidifica. Due neolaureati della Université Laval, John Gauvin e Gilberto Moretto, hanno sovraraffreddato campioni di gallio fino a -30 °C esponendoli al freddo inverno del Québec, e hanno verificato che i campioni rimangono stabili allo stato liquido per diverse settimane e solidificano solo quando la temperatura scende sotto i -30°. Gauvin ha costruito uno specchio in lega di gallio, di mezzo metro di diametro, menziona abbastanza bene.

Anche i perfezionamenti nei dispositivi di correzione ottica renderanno più utili i telescopi a specchio liquido ampliando la porzione di cielo da cui essi possono raccogliere luce. Nelle immagini riflesse da uno specchio parabolico solo quegli oggetti lontani puntiformi che si trovano direttamente sopra il centro della parabola vengono focalizzati in un punto singolo; le immagini dei punti che non sono situati sull'asse appaiono come macchie che si allargano all'aumentare della distanza dall'asse stesso, dando così immagini confuse. Queste distorsioni, presenti in ogni telescopio, vengono minimizzate per mezzo di strumenti ottici ausiliari costituiti da serie di lenti o specchi che correggono la dispersione dei fasci di luce riflessa e così facendo eliminano molti errori dell'immagine finale. Un'appropriata disposizione delle ottiche di correzione permette normalmente di ottenere immagini nitide in campo visivo di 1°, che corrisponde al doppio del diametro apparente della Luna. Collocando telescopi a varie latitudini al fine di coprire zone differenti di cielo, questo campo visivo può essere ampliato, ma è più efficiente e molto meno costoso mettere a punto dei migliori strumenti di correzione, in modo che un solo telescopio posso avere un campo visivo più ampio. I correttori ottimizzati sono soggetti a poche indicazioni teoriche e dovrebbero consentire ai telescopi a specchio liquido di osservare gran parte del cielo, anche se con campi visivi limitati, di raccogliere dati utili per ricerche spettroscopiche o per l'ottenimento di immagini ad altissima risoluzione. Da un punto di vista pratico, Min Wang, Gilberto Moretto ed io, in collaborazione con Gerard Lemaitre dell'osservatorio di Marsiglia, stiamo studiando nuove trasformazione degli specchi convenzionali di correzione. Questa tecnologia ottica, ideata da Lemaitre, si basa su una complessa deformazione degli specchi, atta a eliminare gli errori di riflessione. Recentemente Wang, Moretto e io abbiamo progettato al calcolatore un correttore ad alte prestazioni che impiega due specchi ausiliari e può fornire eccellenti immagini di regione di cielo situate persino a 22,5° di distanza dall'asse centrale.

Mi si chiede spesso se un telescopio a specchio liquido possa essere collocato nello spazio. La possibilità è interessante, in quanto gli specchi liquidi hanno il vantaggio di una eccellente qualità ottica, unita alla piccola massa e alla semplicità della struttura. Nonostante le temperature proibitive, la Luna potrebbe certamente ospitare un telescopio a specchio liquido: specchi costituiti di leghe leggere di gallio, o anche di leghe di metalli alcalini più leggeri, rimarrebbero lo stato liquido sulla Luna in quanto questi materiali hanno una bassa temperatura di fusione. Fino a poco tempo fa, tuttavia, pensavo che sarebbe stato impossibile collocare in orbita un telescopio a specchio liquido, dato che è proprio la gravità della Terra o della Luna a fornire l'accelerazione necessaria per conferirgli la forma a parabola; un telescopio orbitante è in condizioni di caduta libera e pertanto non è soggetto alla gravità.

Ciò che mi ha fatto cambiare idea e sono state le potenzialità dei veicoli o della solare. Nel 1992 e pubblicare un articolo in <<Astrophysical _Journal>> in cui esaminavo la possibilità di utilizzare vele solari per portare un telescopio a specchio liquido in orbita. Il Sole fornisce una inesauribile quantità di energia che si potrebbe sfruttare con una vela solare per accelerare una superficie liquida dandole una forma a parabola. Sebbene questa idea sembri appartenere più alla fantascienza che alla scienza, di realtà si basa su assunzioni ragionevoli.

Nel giugno 1987, Per H. Andersen scrisse in <<Physic Today>> una nota in cui immaginava che gli astronomi del futuro avrebbero potuto compiere le loro osservazioni con telescopi a specchi liquidi. Quasi sette anni più tardi, alcuni telescopi di questo tipo sono stati effettivamente costruiti a scopo di ricerca. Il problema è di sapere quanti astronomi faranno osservazioni utilizzando telescopi a specchio liquido. Solo il futuro potrà dirlo, ma in ultima analisi mi aspetto che i telescopi a specchio liquido svolgeranno compiti astronomici specializzati, quali le osservazioni a larga scala; all'estremo opposto, però, sogno che essi possano un giorno sostenere la maggior parte della ricerca astronomica, relegando i telescopi convenzionali in nicchie specialistiche.

Per quanto questa idea possa apparire assurda, credo che la semplicità e il basso costo degli telescopi a specchio liquido siano punti di forza decisivi. Nel frattempo gli astronomi sia dilettanti sia professionisti dovrebbero rendersi conto di quali siano le potenzialità degli specchi liquidi: essi potrebbero rivelare in meraviglie ancora maggiori di quelle dello specchio di Lewis Carrol.