Come osservare il Sole? Cos’è un telescopio solare
In questa puntata della rubrica dedicata alla nostra stella, proviamo a capire come sia possibile osservare il Sole, quali siano le caratteristiche fondamentali che contraddistinguono gli osservatori solari, i telescopi e gli strumenti di osservazione, passando in rassegna alcuni tra i più famosi telescopi solari in funzione oggi.
di Fabio Giannattasio
Lo strumento utilizzato per osservare il Sole è il telescopio solare. Ma sappiamo tutti di cosa si tratta esattamente?
Che cos’è un telescopio solare?
Sembra una domanda banale, ma non lo è. Volendo semplificare la risposta potremmo dire che un telescopio non è che un collettore di fotoni. Un collettore cioè di quei pacchetti di energia che caratterizzano la radiazione elettromagnetica e che viaggiano alla velocità della luce. Per collezionare i fotoni, storicamente si sono realizzate due soluzioni che hanno portato allo sviluppo di telescopi rifrattori e riflettori. Strumenti che sfruttano rispettivamente la rifrazione e la riflessione della luce proveniente da un bersaglio. Senza entrare nei particolari, ci basti sapere che la maggioranza dei moderni telescopi sono riflettori. Sono cioè dei veri e propri specchi che convogliano la luce sugli strumenti che la analizzano e che permettono agli scienziati di ricavare una grande quantità di informazioni.
Essendo dei “cacciatori di fotoni” più un telescopio è di grande apertura più grande sarà il numero di fotoni raccolti. Dunque maggiore sarà il numero di informazioni dell’oggetto osservato che ci aspettiamo di collezionare.
E proprio in questo concetto risiede la più grande differenza tra i telescopi solari e quelli utilizzati per l’osservazione di altre stelle.
Grazie alla vicinanza del Sole infatti, siamo in grado di catturare un numero di fotoni solari enormemente maggiore rispetto a quello che potremmo raccogliere nello stesso intervallo di tempo se puntassimo il telescopio su un’altra stella. Questo perché il flusso di energia prodotto da una sorgente luminosa diminuisce all’aumentare della distanza dalla sorgente abbastanza rapidamente, più precisamente con l’inverso del quadrato della distanza. Per capire meglio: se osservassimo una stella identica al Sole posta alla distanza di 4.24 anni luce* (la distanza di Proxima Centauri, la stella più vicina al Sole) il numero di fotoni che arriverebbe nell’unità di tempo è circa 140 miliardi di volte minore rispetto al numero di fotoni che nello stesso tempo riceviamo dal Sole.
I grandi telescopi: la sfida da affrontare
Una tale abbondanza di fotoni potrebbe indurre a pensare che per osservare il Sole non siano necessari telescopi enormi come i grandi telescopi ottici usati per l’osservazione di altre oggetti astrofisici. Esempi di questi ultimi sono il Gran Telescopio Canarias, presso l’isola La Palma delle Canarie, con uno specchio di 10.4 metri, e il Large Binocular Telescope, in Arizona, USA, con i suoi due specchi gemelli da 8 m che lavorando in simbiosi possono fornire la stessa capacità osservativa di uno specchio di 22.4 metri.
In realtà riuscire a costruire un grande telescopio solare avrebbe in sé grandi vantaggi. Purtroppo non è una cosa semplice da portare a termine. Tra i vari motivi che ne ostacolano la realizzazione ne menzioniamo tre tra i principali:
1) il costo. Si stima che il costo di un telescopio aumenti con il suo diametro (D), seguendo la legge di potenza D2.45. Il Gran Telescopio Canarias e il Large Binocular Telescope, ad esempio, sono costati rispettivamente oltre 90 e oltre 110 milioni di dollari, senza considerare i costi relativi alla gestione e al mantenimento sia delle strutture che della strumentazione.
2) la troppa energia che un telescopio di grande apertura riceverebbe dal Sole potrebbe provocare danni agli strumenti o quantomeno riscaldare la superficie dello specchio. In questo modo si creano fenomeni di microturbolenza in prossimità dello stesso, provocando il degradamento delle immagini catturate.
3) costruire specchi di grande apertura implica aumentarne sostanzialmente il peso. Si rischia maggiormente quindi di comprometterne la struttura, o comunque provocarne la deformazione con il conseguente degradamento delle immagini prodotte. Per ovviare a questo problema è necessaria la messa a punto di specifici e non banali meccanismi di compensazione della deformazione, oppure la costruzione di specchi segmentati, formati cioè da più specchi più piccoli uniti tra loro.
A fronte di questi svantaggi, quali sono i vantaggi di avere telescopi solari sempre più grandi?
La risposta alle domande che il progresso della conoscenza porta con sé richiede sempre maggiori sforzi tecnologici. Nel caso del Sole, come in altri rami dell’Astrofisica, questi maggiori sforzi vanno verso una direzione ben precisa: ottenere contemporaneamente altissime risoluzioni spaziali, spettrali e temporali. Ottenere altissime risoluzioni spaziali consente poter distinguere sul Sole strutture a piccola scala, dell’ordine delle decine di chilometri. Disporre di spettri ben campionati significa essere in grado di ricavare da essi più e più precise informazioni sulle proprietà fisiche del Sole. Infine alta risoluzione temporale implica poter catturare processi molto rapidi sul Sole, che possono essere all’origine dell’immagazzinamento, trasporto e liberazione dell’energia responsabile dei fenomeni più interessanti.
Per ottenere tutto questo simultaneamente è necessario disporre di un numero di fotoni estremamente elevato. Vogliamo infatti catturare informazioni da piccole regioni del Sole in un certo intervallo di lunghezze d’onda il più rapidamente possibile. Per questo risulta necessario, anche nel caso del Sole, disporre di specchi di grande apertura.
Il limite invalicabile
In ogni caso dobbiamo considerare che, seppure avessimo a disposizione un insieme di strumentazione ottica perfetta, non otterremmo comunque risoluzioni spaziali arbitrariamente elevate. Esiste infatti un limite fisico invalicabile chiamato limite di diffrazione. La luce, ricordiamolo, è un’onda elettromagnetica. Quando impatta contro un’apertura ad esempio circolare (in questo caso lo specchio del telescopio), si verifica il fenomeno della diffrazione. La luce che si propaga in seguito all’impatto non lo fa in modo semplicemente “rettilineo”, ma tende a sparpagliarsi anche in altre direzioni intorno all’apertura stessa. Questo, nel caso di un telescopio, fa sì che anche la luce proveniente da un puntino luminoso sul Sole produca un’immagine sul piano focale che non è un puntino, ma un cerchio. La dimensione di tale cerchio è direttamente proporzionale alla lunghezza d’onda della luce incidente e inversamente proporzionale al diametro dell’apertura, cioè in questo caso del telescopio. Ne consegue quindi, che a fissata lunghezza d’onda osservata, un telescopio più grande può abbattere questo limite fisico di risoluzione.
Infine dobbiamo tener presente che il numero di fotoni che mediamente arrivano sullo specchio nell’unità di tempo non è sempre lo stesso. Ci sono fluttuazioni intrinseche ineliminabili nel conteggio dei fotoni che però sono in percentuale sempre minore al crescere del numero di fotoni catturato. Quindi aumentando l’apertura del telescopio si avranno fluttuazioni più piccole sui segnali ottenuti e quindi sulle grandezze fisiche che da essi sono ricavate.
Il più grande telescopio solare del mondo
Esiste attualmente un compromesso che bilancia i vantaggi e gli svantaggi ora menzionati nella costruzione di telescopi solari di grande apertura. Tale compromesso concerne l’impiego di telescopi di diametro di 4 metri. E’ questo il caso del telescopio solare più grande del mondo attualmente in operazione, il Daniel K. Inouye Solar Telescope (DKIST), nelle isole Hawaii, che ha visto la luce nel Gennaio 2020. Un tale specchio ha bisogno di essere montato su di una struttura imponente e perfettamente stabilizzata. Inoltre, la gestione necessita di soluzioni sofisticate atte, ad esempio, a eliminare il calore in eccesso sullo stesso.
Ma osservare il Sole in modo adeguato significa affrontare anche molti alti problemi.
Nella prossima puntata scopriremo quali soluzioni vengono adottate per limitare il degradamento indotto dall’atmosfera terrestre delle immagini ottenute da un telescopio.
* L’anno luce è una unità di misura utilizzata in astronomia. Corrisponde alla distanza che la luce nel vuoto percorre in un anno. Considerando che essa percorre 300000 chilometri al secondo, in un anno copre una distanza pari a quasi 9461 miliardi di chilometri.