Come funzionano i telescopi: spiegati i telescopi ottici, radio e osservatori spaziali

Il compito fondamentale di un telescopio è raccogliere più radiazioni elettromagnetiche di quanto l'occhio umano possa e portarle a fuoco. Il diametro dello specchio principale, della lente o dell'antenna di un telescopio – la sua apertura – stabilisce due cose: quanto luce fioca può raccogliere, e quanto finemente può separare i dettagli, secondo l'Osservatorio Nazionale di Radioastronomia degli Stati Uniti (NRAO). Un'apertura più grande significa che gli oggetti più deboli e più lontani diventano visibili e le strutture più fini vengono alla luce.

Telescopi ottici: lenti, specchi e il problema dell'atmosfera

I telescopi ottici classici raccolgono la luce visibile con lenti (rifrattori) o specchi (riflettori). Il telescopio spaziale Hubble, ad esempio, utilizza un design riflettente: la luce colpisce uno specchio primario concavo di 2,4 metri, rimbalza su uno specchio secondario più piccolo di circa 0,3 metri di diametro, e ritorna attraverso un foro nello specchio primario per raggiungere gli strumenti scientifici, secondo il NASA Goddard Space Flight Center. Questa configurazione a due specchi, chiamata design Ritchey-Chrétien, è costruita per mantenere le immagini nitide su un ampio campo visivo.

A terra, anche i migliori siti soffrono della turbolenza atmosferica, che fa scintillare le stelle e sfoca i dettagli fini, secondo l'Osservatorio Europeo Australe (ESO), che gestisce il Very Large Telescope in Cile. La soluzione dell'ESO è l'ottica adattiva: un sensore di fronte d'onda misura come la luce di una stella è stata distorta, e uno specchio deformabile controllato da computer corregge la distorsione in tempo reale. Quando nessuna stella naturale luminosa siede vicino al bersaglio, l'ESO spara un potente laser nell'atmosfera superiore per creare una stella di riferimento artificiale. L'ESO afferma che questa correzione può rendere le immagini a terra a lunghezze d'onda visibili quasi nitide come le immagini dei telescopi spaziali, a una frazione del costo di un telescopio spaziale.

Perché alcuni telescopi devono lasciare la Terra

L'atmosfera terrestre non solo sfoca le immagini – blocca completamente intere lunghezze d'onda. Secondo il sito educativo di astronomia Las Cumbres Observatory, l'atmosfera assorbe o riflette la maggior parte della luce ultravioletta, raggi X, raggi gamma e la maggior parte della radiazione infrarossa, lasciando passare principalmente la luce visibile, un po' di infrarosso, e parti dello spettro radio. Ecco perché gli osservatori costruiti per studiare quelle lunghezze d'onda bloccate – come l'Osservatorio Chandra focalizzato sui raggi X, il Telescopio Spaziale Fermi per i raggi gamma, e missioni infrarosse come Spitzer e Herschel – devono orbitare sopra l'atmosfera piuttosto che stare su una vetta montuosa.

I telescopi a raggi X hanno anche bisogno di un design ottico completamente diverso da quelli a luce visibile. Secondo il Chandra X-ray Center presso l'Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, i fotoni di raggi X sono così energici che passano direttamente attraverso uno specchio convenzionale puntato verso di loro frontalmente, proprio come un proiettile sfonda un muro. La soluzione di Chandra è di inclinare i suoi specchi in modo che i raggi X colpiscono a un angolo di rasenza superficiale e rimbalzino nel fuoco, simile a una pietra che salta sull'acqua. Chandra utilizza quattro coppie di specchi a forma di botte levigate alla levigatezza di pochi atomi e rivestite di iridio, allineate entro circa 1,3 micrometri – una piccola frazione della larghezza di un capello umano, secondo il Chandra X-ray Center.

Giganti infrarossi: vedere attraverso la polvere e indietro nel tempo

Il James Webb Space Telescope (JWST) è costruito per rilevare la luce dal rosso visibile attraverso le lunghezze d'onda dell'infrarosso medio, coprendo approssimativamente da 0,6 a 28,8 micron, secondo la NASA. Lo specchio primario si estende per 6,6 metri su 18 segmenti esagonali rivestiti d'oro, conferendogli un'area di raccolta circa 5,6 volte più grande di quella di Hubble. L'oro è stato scelto perché riflette la luce da rossa a infrarosso medio eccezionalmente bene. La NASA afferma che questa combinazione di dimensioni e intervallo di lunghezze d'onda permette a Webb di rilevare la debole luce infrarossa di galassie a più di 13,5 miliardi di anni luce di distanza, e quella luce infrarossa può passare attraverso dense nubi di polvere che bloccano la maggior parte della luce visibile che gli strumenti di Hubble possono rilevare. Webb orbita attorno al punto L2 Sole-Terra, a circa 1,5 milioni di chilometri dalla Terra, dove rimane libero dai caldi effetti di dispersione della luce sia del Sole che della Terra.

Telescopi radio: piatti che agiscono come un occhio gigantesco

I telescopi radio raccolgono le lunghezze d'onda più lunghe della luce che gli astronomi usano, da circa 1 millimetro a più di 10 metri, secondo l'NRAO. Ogni antenna ha un piatto parabolico che focalizza le onde radio in arrivo su un ricevitore, che amplifica il segnale per l'analisi – un processo che l'NRAO descrive come funzionante in modo molto simile a un telescopio ottico ma sintonizzato su onde molto più deboli, molto più lunghe. L'NRAO osserva che i segnali radio studiati sono straordinariamente deboli – secondo la sua stima, un tipico segnale del telefono cellulare è circa un miliardo di miliardi di volte più forte delle onde radio cosmiche che questi telescopi rilevano.

Un singolo piatto affronta un problema di risoluzione: perché la risoluzione angolare dipende dalla lunghezza d'onda divisa per il diametro dell'antenna, e le lunghezze d'onda radio sono così lunghe, anche un grande piatto come il Green Bank Telescope non può eguagliare i dettagli fini di un telescopio ottico da solo, afferma l'NRAO. La soluzione è l'interferometria – collegamento di molti piatti dispersi su lunghe distanze in modo che agiscano come un telescopio molto più grande. L'NRAO cita il Very Large Array, i cui 27 piatti attivi (più uno di riserva) nel New Mexico possono essere dispersi su configurazioni utilizzando approssimativamente 40 miglia di binari, e l'Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), che collega 66 piatti in Cile, come esempi di questo approccio, utilizzato per mappare galassie, rilevare buchi neri e studiare le prime strutture cosmiche.

Cosa rivelano le diverse lunghezze d'onda

• I telescopi a luce visibile, basati a terra o nello spazio, catturano le stelle, le galassie e le nebulose più vicine a quello che l'occhio umano potrebbe vedere.
• I telescopi infrarossi come Webb vedono attraverso le nubi di polvere e possono raggiungere alcune delle galassie più lontane e più antiche conosciute, secondo la NASA.
• I telescopi a raggi X come Chandra sono costruiti per studiare le stelle esplose, gli ammassi di galassie e la materia che vortica attorno ai buchi neri.
• Gli array di telescopi radio come il VLA e l'ALMA mappano il gas freddo, le galassie lontane e l'ambiente dei buchi neri combinando molti piatti in uno strumento efficace, secondo l'NRAO.