L'universo in ultravioletto
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L'universo in ultravioletto

La radiazione ultravioletta consente di osservare l'universo nei suoi toni più caldi, rivelando zone di formazione stellare ma non solo. Nella storia dell'esplorazione spaziale sono stati dedicati molti importanti satelliti a questa banda dello spettro elettromagnetico, come COPERNICUS, FUSE e GALEX.

La radiazione ultravioletta

La radiazione ultravioletta è rappresentata da raggi la cui frequenza varia dai 100 ai 400 nanometri, distinguendo tra ultravioletto vicino, medio e lontano. Per una osservazione completa è necessario spostarsi sopra l'atmosfera terrestre.

La fotosensibilità del cloruro di argento, scoperta ponendo l'elemento appena al "di sopra" della parte più energetica dello spettro visibile e notandone una reazione nel colore, fu l'evento in grado di far scoprire a Johann Wilhelm Ritter la zona spettrale dei "raggi invisibili" che vennero dapprima chiamati "ossidanti", poi "chimici" e infine "ultravioletti" (abbreviati in UV). Era il 1801 e soltanto nel 1960 fu scoperta l'azione dell'ultravioletto sul DNA. 
L'ultravioletto è una parte dello spettro abbastanza ampia e per questo viene suddiviso in altre bande come quella dell'ultravioletto vicino, da 380 a 200 nm, e ultravioletto lontano o estremo, da 200 a 10 nm.

La radiazione ultravioletta si estende dai 10 nanometri ai 400 nanometri di lunghezza di onda , corrispondenti ad una frequenza che spazia da 30 PHz a 749 GHz.

Radiazione ultravioletta
Fascia di UV Lunghezza d'onda
Vicino ultravioletto 400 - 300 nm
Medio ultravioletto 300 - 200 nm
Lontano ultravioletto 200 - 100 nm

La radiazione ultravioletta, in realtà, riesce parzialmente a bucare l'atmosfera nella sua componente - nota come vicino ultravioletto - compresa tra i 300 ed i 400 nanometri. Della radiazione emessa dal Sole in ultravioletto, molta parte è bloccata dalla nostra atmosfera e il 99% della radiazione che giunge in superficie è di tipo UV-A, il tipo meno pericoloso (la stessa UVA che trovate scritta sulle creme abbronzanti). La tipologia C viene bloccata al 99.9% mentre quella B al 95%.

La parte bloccata è ionizzante, dannosa per l'uomo. Per osservare la parte bloccata occorre uscire dall'atmosfera terrestre. Un telescopio orbitante a circa 40 km, sopra lo strato di ozono, riesce a catturare radiazione fino a 200 nanometri (medio ultravioletto). Si può ricorrere a palloni e piccoli razzi per superare la soglia e sfociare nel lontano ultravioletto, ma le osservazioni sarebbero limitate a poche ore al massimo. Proprio per questo, si ricorre ai telescopi orbitanti.

La maggior parte delle radiazioni emesse dai corpi celesti è dovuta al loro calore, diretto o riflesso. In tali termini, l'universo ultravioletto fornisce l'immagine dell'universo "caldo".

Ultimo aggiornamento del: 05/09/2018 11:38:44

Le osservazioni in ultravioletto

La prima osservazione in banda UV ebbe come target il Sole attraverso una sonda lanciata nel 1946 mentre per la prima sorgente UV extrasolare fu necessario attendere il 1955. La spettroscopia ultravioletta è figlia degli anni Sessanta del Novecento ma è con il satellite OAO-2, nel 1968, che questa branca dell'astronomia inizia a fare passi da gigante. 
Il primo satellite vero e proprio fu infatti l'Orbiting Astronomical Observatory n°2 della NASA (detto OAO 2), dopo che il numero 1 finì in mezzo all'oceano anziché entrare in orbita . L'Europa rispose soltanto nel 1972 con TD 1, ma il primo vero grande telescopio spaziale fu sempre della NASA e fu l'OAO 3, noto meglio come COPERNICUS, lanciato il 21 agosto del 1972. COPERNICUS è un telescopio spaziale con uno specchio primario del diametro di 80 centimetri posto in orbita quasi circolare con raggio di 7.123 chilometri, inclinata di 35 gradi. Oltre al telescopio ultravioletto, missione primaria, COPERNICUS conteneva un esperimento a raggi X per l'Università di Londra. La particolare posizione dei pannelli solari limitava il raggio di azione del telescopio, che così poteva osservare determinate zone di cielo soltanto in determinati periodi dell'anno. Oltre a questa limitazione, il tempo di recovery tra una ripresa e l'altra era molto lungo e il telescopio risentiva anche dell'elevato background a ultravioletto, in grado di rendere i singoli segnali meno scorporabili dal fondo. Un progetto che segna un passo avanti, quindi, ma che risente di importanti limitazioni e proprio queste fecero pensare a missioni di affiancamento e sostituzione nel 1981. 
Il 1974 vede il lancio dell'Astronomische Nederlandse Satelliet (ANS), primo grande progetto olandese per l'astronomia spaziale (in collaborazione con la NASA) e dedicato all'osservazione ultravioletta e X. Il lancio è datato 30 agosto 1974, base di Vandenberg negli USA, mentre il rientro risale al 14 giugno 1977. Uno specchio caratterizzato da 22 centimetri di diametro era la base del telescopio ultravioletto. Ad ANS è dovuta l'osservazione dell'emissione X da parte della corona di una stella diversa dal Sole, precisamente Capella in Auriga.
Il 26 gennaio 1978 da Cape Canaveral viene lanciato l'International Ultraviolet Explorer (IUE), frutto della collaborazione tra NASA, ESA e Science Research Council. Il progetto iniziale era chiamato SAS-D (Small Astronomy Satellite-D) e nacque per idea congiunta di ESRO (ora ESA) e NASA, con i britannici unitisi in seguito. Il telescopio era caratterizzato da uno specchio di 45 centimetri più snello ed agile nelle manovre rispetto ai predecessori. La sua orbita era geostazionaria, ad una altitutine di 36.000 chilometri, e svolse il suo lavoro per ben diciannove anni contro i cinque pianificati dal progetto, fino al termine delle attività datato 30 settembre 1996. In tutti fornì 10.400 immagini di 10.000 corpi celesti di diversa natura, scegliendo tra pianeti, comete, stelle, mezzo interstellare , supernovae, galassie e AGN. Si trattò del primo telescopio orbitante a eseguire in tempo reale i comandi ricevuti da Terra, dalla base ESA di VILSPA a Villafranca del Castillo in Spagna.

La mappa del cielo in ulrtavioletto ottenuta dal satellite International Explorer Ultraviolet. Credit ESA/NASA/Science Research Council.
La mappa del cielo in ulrtavioletto ottenuta dal satellite International Explorer Ultraviolet.
Credit ESA/NASA/Science Research Council.

Sono tante le scoperte e le osservazioni di rilievo attribuibili a IUE, tra le quali l'identificazione delle aurore su Giove, la detection di zolfo e la quantificazione di acqua sulle comete, l'osservazione di vento stellare emesso da stelle diverse dal Sole, l'identificazione della progenitrice della supernova  SN 1987A (per la prima volta nella storia delle supernovae), della quale scoprì anche gli anelli di materiale espulso, la determinazione diretta dell'alone galattico e, ultimo ma non ultimo, la condivisione dei risultati ottenuti con la comunità scientifica creando il primo link in tempo reale tra satelliti e astronomia.
Astron, satellite sovietico, venne lanciato il 23 marzo 1983 e operò per sei anni risultando il più grande telescopio spaziale a ultravioletti nel periodo coperto. Il telescopio era di 80 centimetri, centrato nella zona tra 150 e 350 nm, ed era affiancato da uno spettroscopio a raggi X. Venne posto in orbita di 185 mila chilometri di apogeo in modo da non risentire né dell'ombra terrestre né della fascia di radiazioni che circonda il nostro pianeta . Studiò, tra gli altri oggetti, la SN 1987A e la cometa di Halley nel 1985, per la quale consentì di modellizzare la coma che circonda il nucleo. 
Dopo l'IUE, il 1990 vede il lancio del telescopio più famoso del mondo: l'Hubble Space Telescope (HST). Nonostante grossolani errori nel calcolo delle ottiche, che hanno comportato la necessità di numerosi interventi nello spazio, l'HST è ad oggi ancora lì, a deliziarci con le sue immagini provenienti da uno specchio del diametro di 2,4 metri. Progettato per avere una risoluzione di 0,1 secondi d'arco, l'errore della ditta costruttrice portò ad una risoluzione dieci volte maggiore. Il 2 dicembre del 1993, quindi, lo Shuttle Endeavour portò gli astronauti Hoffman, Musgrave, Thornton e Akers a porre delle lenti correttrici per riparare al danno.
Un ottimo riscontro della variazione di risoluzione si è avuto confrontando due immagini riprese dall'HST prima e dopo l'intervento dei tecnici e riguardanti la galassia a spirale M 100.
L'HST ha mostrato impressionanti immagini di galassie, ha fornito seri indizi per la presenza di buchi neri al loro centro ed ha consentito di arrivare talmente indietro nel tempo, fotografando oggetti distanti miliardi di anni luce, da mostrarci le prime galassie del primo universo.

Il risultato dell'intervento operato sullo specchio di HST. La galassia M 100 prima e dopo l'intervento. Crediti NASA/ESA/HST
Il risultato dell'intervento operato sullo specchio di HST. La galassia M 100 prima e dopo l'intervento.
Crediti NASA/ESA/HST

Hubble Space Telescope è risultato talmente affidabile da riuscire ad ammortizzare anche i ritardi del nuovo, e ancora futuro, James Webb Telescope, sempre più costoso a causa anche di errori di progettazione. E così la vita di Hubble continua, prima con il progetto Frontier Fields finalizzato, tra l'altro, a cercare un oggetto da far visitare alla sonda New Horizons e poi con il progetto Beyond Ultra-deep Frontier Fields and Legacy Observations (BUFFALO), guidato dal Niels Bohr Institute e dall'Università di Durham, finalizzato allo studio di sei ammassi di galassie per la comprensione dell'evoluzione delle strutture dell'universo.Si tratta di oggetti che presentano un gran numero di lenti gravitazionali e questo è fondamentale per guardare sempre più lontano. Il primo oggetto immortalato è l'ammasso di galassie Abell 370. 

Ammasso galattico Abell 370 ripreso nel progetto BUFFALO di HST. In rosso il campo inquadrato nel progetto Frontier Fields precedente, a testimonianza del maggior campo visivo di BUFFALO. Credit NASA/ESA/HST
Ammasso galattico Abell 370 ripreso nel progetto BUFFALO di HST. In rosso il campo inquadrato nel progetto
Frontier Fields precedente,  testimonianza del maggior campo visivo di BUFFALO. Credit NASA/ESA/HST

Il 24 giugno del 1999 viene lanciato il Far Ultraviolet Spectroscopic Explorer (FUSE, Explorer 77) a opera del Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory come parte del programma Origins. Il teelscopio operava tra 90.5 e 119.5 nm segnando una svolta nell'osservazione del lontano infrarosso e lo scopo primario era la caratterizzazione del deuterio nell'universo da un'orbita di appena 760 chilometri di altitudine, con inclinazione di 25 gradi e periodo inferiore ai 100 minuti. La missione fu terminata il 12 luglio 2007 in seguito alla rottura di un giroscopio, fondamentale per il puntamento. A FUSE sono legati più di 400 articoli scientifici che spaziano dalle stelle fredde al mezzo intergalattico passando per galassie e chimica intergalattica.
L'Explorer-83, meglio noto come GALEX (GALaxy Evolution eXplorer), è stato lanciato da Cape Canaveral il 28 aprile 2003 e ha operato per dieci anni e due mesi, fino al 28 giugno 2013, contro i pianificati 29 mesi. In orbita bassa quasi circolare e con un periodo di 98 minuti e una inclinazione di 29 gradi circa, GALEX conteneva un Ritchey-Chrétien da 50 centimetri di diametro, sensibile alla zona dell'ultravioletto tra 135 e 280 nm. La sua prima immagine fu dedicata allo scomparso equipaggio dello Space Shuttle Columbia e riprendeva - il 21 maggio 2003 - una zona di Ercole, costellazione che era puntata nel tentativo di stabilire un contatto con l'equipaggio. 

Prima immagine di GALEX, dedicata all'equipaggio dello Space Shuttle Columbia. Crediti NASA
Prima immagine di GALEX, dedicata all'equipaggio dello Space Shuttle Columbia. Crediti NASA

Il campo di applicazione principale riguardava la formazione stellare fino ad abbracciare un periodo di 10 miliardi di anni della storia dell'universo. 
Attraverso lo studio dell'universo infrarosso, e grazie a COPERNICUS soprattutto, è stato possibile scoprire come quasi tutte le stelle siano avvolte da strati esterni molto rarefatti come possono essere la nostra cromosfera e la corona solare. Inoltre, è stato scoperto che il gas interstellare è composto da regioni a temperature prossime allo zero assoluto e da regioni torride che arrivano fino a mezzo milioni di gradi e più. La distribuzione di questo mezzo è molto irregolare, ed il Sole si trova proprio al confine di una zona di bassa densità. IUE ha consentito di ottenere indicazioni su lontane galassie, prima di passare lo scettro al successivo telescopio spaziale.
Ancora tra gli strumenti adibiti allo studio ultravioletto, l'Extreme ultraviolet Imaging Telescope (EIT) si trova all'interno di SOHO della NASA ed è dedicato allo studio della corona solare, risultando sensibile alle bande corrispondenti a 17.1, 19.5, 28.4 e 30.4 nanometri. Il telescopio può rivelare strutture nella corona che altrimenti sarebbero oscurate dal Sole stesso. I risultati di EIT sono a disposizione in real time per tutti sul sito di SOHO.
Public Telescope (PST) è un progetto innovativo tedesco finalizzato a estendere le osservazioni astronomiche a un pubblico molto vasto consentendo a chiunque (anche semplici astrofili) di ottenere immagini dal cosmo semplicemente con una connessione internet. Il progetto prevede uno specchio di 80 centimetri nell'ottico e rilevatori in infrarosso e ultravioletto

Ultimo aggiornamento del: 13/09/2018 19:19:38

Il cielo nell'ultravioletto

Un universo fatto di poche stelle, caldissime, e di fenomeni di formazione e morte stellare, con gas acceso a permeare l'intero universo: apparirebbe così il cielo osservato nella radiazione ultravioletta.

La maggior parte delle stelle osservate è in realtà composta da corpi freddi, quindi osservare il cielo all'ultravioletto - quindi studiandone il lato caldo - fornisce una immagine del cielo molto meno stellata rispetto a quella che siamo abituati a vedere nelle immagini ottiche. Sappiamo, e possiamo sperimentarlo osservando il cielo in modo un po' più attento, che le stelle hanno varie colorazioni: blu per Rigel e Vega, rosso per Betelgeuse, bianco per Sirio, arancione per Arturo e così via.
Sappiamo inoltre che le stelle rosse sono relativamente fredde, con una temperatura intorno ai 2000-3000 K, le bianche sono a metà con circa 10.000 K fino alle azzurre, le più calde, fino a 30.000 K (approfondimento). Il nostro Sole, giallo, si attesta sui 5500 K. Osservare il cielo all'ultravioletto, si è detto, coincide con osservare gli oggetti più caldi, quindi alzando i nostri occhi sensibili all'ultravioletto verso il cielo vedremmo soltanto le stelle azzurre e, più debolmente, le bianche.

Marte in ultravioletto ripreso dalla sonda MAVEN. Crediti NASA/JPL/MAVEN
Marte in ultravioletto ripreso dalla sonda MAVEN.
Crediti NASA/JPL/MAVEN

All'interno della zona ultravioletta le informazioni che possono essere ottenute riguardano la composizione chimica, la densità e la temperatura del mezzo interstellare e delle giovani stelle. Dal momento che gli oggetti "maturi" tendono a raffreddarsi, l'ultravioletto fornisce una immagine dell'universo più caldo, quindi più giovane. Non si pensi che l'ultravioletto sia però importante soltanto per oggetti diffusi come il mezzo interstellare o intergalattico: MAVEN, sonda in orbita marziana, utilizza questa finestra proprio per andare a estrarre informazioni sull'atmosfera del pianeta rosso riguardo la circolazione del vento a elevate altitudini, le modalità di variazione dell'ozono in seguito all'alternarsi delle stagioni. 
Interessante è la "crisi dell'ultravioletto", per la quale la radiazione ultravioletta proveniente dalle galassie non è sufficiente, in misura addirittura del 400%, ad accendere i flussi di idrogeno che fanno da ponte tra le galassie di un ammasso. Il mistero della provenienza di questa radiazione ultravioletta è ancora aperto. 

Non mancano i casi particolari di emissione ultravioletta come la SLSN Gaia6apd, una supernova distante 1,5 miliardi di anni luce e intensa sorgente ultravioletta: il tasso di affievolimento della sua radiazione UV nel tempo ha lasciato pensare alla presenza di una stella di neutroni ad elevato tasso di rotazione . Interessante è anche l'osservazione UV di supernovae Ia al fine di comprendere la natura della stella compagna della nana esplosa visto che proprio la radiazione UV indica la composizione degli strati più esterni della supernova. Questo studio ha lasciato scoprire una strana relazione tra composizione chimica e curva di luce della supernova. Anche M 31 è stata oggetto di osservazione ultravioletta tramite il telescopio GALEX (Galaxy Evolution Explorer), evidenziando come i bracci di spirale somiglino più ad anelli completi a circondare il nucleo mentre sempre in luce UV è possibile ottenere le uniche prove di una passata interazione con M 32
Il ruolo della radiazione UV è anche di estinzione , un offuscamento che ci consente di osservare molte meno galassie nane di quelle che in realtà dovremmo vedere intorno alle galassie giganti: il fondo ultravioletto che permea l'universo assume una tonalità rossastra nel momento in cui interagisce con il gas e proprio questo dovrebbe rendere possibile mappare il fondo UV, derivante essenzialmente dalla combinazione di radiazione proveniente da stelle massicce e buchi neri. La radiazione, infatti, eccita il gas causando una emissione di luce rossa e proprio osservando questa luce dovrebbe essere possibile comprendere l'influenza dell'ultravioletto sull'evoluzione galattica. Ad esempio, il Multi Unit Spectroscopic Explorer (MUSE), installato sul Very Large Telescope (VLT) è stato puntato a 30 milioni di anni luce di distanza in direzione della galassia UGC 7321, ottenendo uno spettro per ciascun pixel dell'immagine ottenuta in modo da ottenere una mappa della luce rossa ricercata. Questo potrebbe anche aiutare a predire la temperatura del gas cosmico con una accuratezza superiore a quanto non sia possibile fare oggi. La radiazione ultravioletta riscalda il gas cosmico a temperature superiori a quella della superficie solare e questo riscaldamento va a stoppare la possibilità di formazione stellare da parte delle galassie meno protette, cioè quelle piccole.

Ultimo aggiornamento del: 11/09/2018 19:34:27