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,
Pier 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.
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