Un metro di 450 milioni di anni luce

Sono stato molto indeciso se inserire questo articolo in quello che ho preparato per la misura delle distanze nel Cosmo. Alla fine ho deciso di inserirlo a parte, dato che il nuovo successo del VLBA è molto recente e merita un posto di rilievo.

Il Very Long Baseline Array, noto come VLBA, è troppo spesso poco pubblicizzato (da me, per primo) malgrado sia forse altrettanto meraviglioso del più celebre Space Telescope. Sicuramente è il più potente strumento per osservare il cielo esistente al mondo. La sua “disgrazia” è probabilmente dovuta al fatto che studia le onde radio e non può produrre le fantastiche immagini del suo compagno spaziale. Ma i dati che elabora sono insuperabili.

Già le sue dimensioni sono quasi fantascientifiche: 8600 km di diametro! Non stupitevi. Il suo diametro non è realmente quello, ma essendo composto da dieci radio telescopi da 25 metri ciascuno dislocati su un territorio che va dalle Hawaii alle Isole Vergini americane, il diametro effettivo è proprio superiore agli 8000 km. Quanto meno per quanto riguarda il suo potere risolutivo, ossia la capacità di separare due oggetti vicini o le dimensioni di uno solo. Il “nostro” VLBA sarebbe capace di leggere perfettamente un giornale nelle mani di un cittadino di Los Angeles, pur trovandosi a New York. Il suo potere risolutivo è centinaia di volte $superiore$ a quello dello Space Telescope.

I dieci telescopi che compongono il VLBA

Figura 1. Foto e posizione dei “magnifici” dieci radiotelescopi che compongono il VLBA. Con i suoi 8600 km di diametro effettivo è il più potente strumento astronomico a disposizione dell’uomo. Rispetto a lui, anche lo Space Telescope sembra “cieco”… E, tra non molto, si allargherà ancora di più, utilizzando antenne in Europa e Giappone. Mamma mia!!

Tutto ciò comunque passa in secondo piano, rispetto a quanto si legge a volte in varie riviste (quasi) scientifiche. Spesso, infatti, si confuta la sua capacità di misurare le distanze cosmiche o, meglio, si fa un’enorme confusione sul metodo che utilizza. Vale allora la pena di prendergli le difese e “dare a Cesare quel che è di Cesare”! Recentemente ho letto che lui sarebbe solo capace di vedere meglio certi oggetti e quindi aiutare ad applicare i soliti metodi ben conosciuti (sui quali uscirà presto un articolo dedicato, come avevo già detto e promesso). Non è assolutamente vero e cercherò di spiegarvelo, anche perché per capire il sistema che usa è in fondo sufficiente sapere un po’ di trigonometria. Vedrete che meraviglia.

Prima di cominciare, però, fatemi dare la notizia di pochi giorni fa: il VLBA è riuscito a misurare con un errore di solo il 9% la distanza di una galassia che dista da noi 450 milioni di anni luce (la NGC 6264). Un risultato fantastico che permetterà (e ne parleremo alla fine) di rivoluzionare la nostra conoscenza delle distanze anche superiori e molte altre cose. Sicuramente ha creato un “metro” formidabile per le successive misure, un metro quasi perfetto di 450 milioni di anni luce. Il record precedente risale al 2009 con 160 milioni: 3 volte meglio.

Vediamo, allora, come può il mostruoso telescopio a misurare così bene distanze altrettanto mostruose. Prendiamo, come esempio, il caso di NGC 4258, ma è estendibile a molti altri oggetti, come l’ultimo arrivato. Nella galassia in questione vi è sicuramente un buco nero supermassiccio centrale. Il gas che gli ruota intorno forma un disco di circa due anni luce di diametro. In esso è contenuto, tra l’altro, del vapor d’acqua che agisce come amplificatore naturale delle emissioni nelle microonde radio. Le regioni in cui questo avviene vengono chiamate “maser”, acronimo di Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation. Esse agiscono in modo simile a come un laser amplifica le emissioni luminose. IL VLBA è capace di misurare il piccolissimo spostamento della posizione dei maser durante la loro rotazione attorno al buco nero; in altre parole, il loro moto proprio. Esso è stato ottenuto attraverso tre anni di osservazioni, intervallate da 4 a 8 mesi una dall’altra. Questo equivale a misurare un angolo pari a dieci millesimi dello spessore di capello umano visto alla distanza di un braccio. Contemporaneamente il VLBA è stato anche capace di misurare la velocità “intrinseca” alla quale il gas orbitava attorno al buco nero, circa 39 milioni di volte più massiccio del Sole. Questa misura è stata ottenuta dall’effetto Doppler nella lunghezza d’onda radio. La velocità è dell’ordine di oltre tre milioni di chilometri l’ora. Il disco orbitante è visto quasi di taglio dalla Terra (bisogna approfittare delle condizioni migliori…) e quindi è possibile ricavare la velocità quando il maser punta dritto verso di noi (avvicinamento, spostamento verso il blu delle righe spettrali) e quando va in senso opposto (allontanamento, spostamento verso il rosso). Per inciso, questa serie di misure ha anche permesso di calcolare accuratamente la massa del buco nero centrale.

Attenzione, adesso! Il moto proprio dei maser è misurato come variazione angolare e quindi non riconducibile alla effettiva distanza, la velocità dovuta all’effetto doppler è, invece, in km/sec, ossia legata alla effettiva distanza.
A questo punto, basta un po’ di trigonometria piana per determinare la distanza assoluta. Vediamo come si può fare in Fig. 2.

Il moto proprio viene misurato seguendo lo spostamento dei maser durante la rotazione del disco attorno al buco nero galattico

Figura 2. Il moto proprio viene misurato seguendo lo spostamento dei maser durante la rotazione del disco attorno al buco nero galattico. Esso è però espresso in secondi d’arco e niente può dire sulla reale distanza della galassia. La velocità V è invece una grandezza misurata in termini assoluti (km/sec) e deriva dallo spostamento dello spettro radio verso il rosso o verso il blu (effetto doppler). A questo punto basta disegnare il triangolo curvilineo TAA’, usare una formula di banale trigonometria e ottenere la distanza D in km (o meglio in anni luce…). Un risultato semplice e stupefacente.

Semplicissimo e fantastico! Basta avere come strumento il VLBA. Non dicano quindi “panzane”. Il metodo è veramente una misurazione diretta, come quella legata alla parallasse. Solo che si può utilizzare su distanze enormi, grazie al potere separatore eccezionale di VLBA.

Le ricadute sono impressionanti. Innanzitutto, permette di “tarare” le distanze delle galassie, che sembrano essere anche piuttosto dubbie alla luce dei primi risultati di VLBA. Una misura “diretta” permette anche di calibrare le cefeidi e gli altri metodi indiretti di misurazione. Prima poteva lavorare solo relativamente vicino, ma oggi si è potuto spingere a distanze tali da poter essere usato come “metro” cosmico. Potrà verificare la costante di Hubble e rivedere i modelli di espansione. Sicuramente potrà anche dire qualcosa sull’energia oscura. Niente da fare: il VLBA è una meraviglia troppo poco conosciuta!

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16 Commenti

  1. Ma 450 milioni di km non è un po’ pochino? Non è che sono 450 milioni di anni luce? O di Parsec? 450 milioni di km è la distanza di Cerere dal Sole!

  2. 450 milioni sono gli anni luce e non i KM ! (Altrimenti avremmo NGC 6264 in orbita attorno al Sole :D)

  3. ovviamente ragazzi….tutto risolto… ops, cose che capitano nello spazio infinito del Cosmo… :mrgreen:

  4. Un errore del 9% su una distanza di 450 milioni di anni luce è circa 40 milioni di anni luce in più od in meno. Per quanto possa sembrare ottimo non è certo una precisione da cecchino!

  5. caro Michele,
    cerchiamo di stare con i piedi per terra… 40 milioni su 450 sono poca cosa, comunque. Quello che conta è l’errore percentuale. Pretendere i metri o i chilometri a quella distanza è cosa da fantascienza. Hai presente cosa significa in termini assoluti? 1/10000 dello spessore di un capello umano a circa un metro di distanza…. 😯

  6. Se ricordo bene, dovrebbero aggiungersi al gruppo un’altro paio di parabole del sud america (mi sembra localizzate in Argentina o Cile). Sarebbe un’enorme radiotelescopio grande quasi come il diametro della terra, con una risoluzione spaventosa!! 😯
    Chissà se Medicina si potrebbe aggiungere al gruppo…

    Bellissimo anche lo studio sul buco nero di BL Lac. Mi sembra che sia ancora in corso, anche se ha dato già ottimi risultati.

    Enzo, ne sai qualcosa? Già che ci sei, se ne potrebbe fare un bell’articolo.
    Potresti chiarirmi qualche dubbio…… 😉

  7. Sorprendente la capacità di visione riportato sulla Terra: Leggere a distanze continentali un giornale. A volte ho la senzazione di essere visto e seguito dall’alto. Ciao Luca P:S sono veramente ignorante, puoi dirmi in termini semplici cos’è

  8. scusa Luca… ma cosa vuoi sapere esattamente? Se intendi questa capacità, altri non è che il potere separatore dello strumento. Il nostro occhio è ben misera cosa, ma un telescopio del genere equivale ad un occhio capace di leggere il giornale da un oceano all’altro…

  9. caro Red,
    già adesso ognitanto si aggiunge -provvisoriamente- qualche altro radiotelescopio. Sicuramente VLBA è ancora in divenire. Su BL Lac gli studi hanno già portato -come dici tu- grandi informazioni sul getto e sul disco. Sicuramente le cose vanno avanti. Lo metto in lista di attesa… (è un periodo che sono veramente pressato… vedi “galassia poù lontana…”). 😯 😛

  10. caro Enzo il 9% di un metro è 9 centimetri non un 1/10000 dello spessore di un capello a meno che tu non abbia capelli enormi nel qual caso ti invidio perchè io li sto perdendo

  11. Scusa Enzo, le mie conoscenze di aritmetica sono un pò vecchiotte ma mi pare di ricordare che un metro è fatto da cento centimetri per cui il 9% dovrebbe essere 9 centimetri, corrisponde ad un 1/10000 ( un decimillesimo) di un capello? Ma che capelli hai? Ed il tuo barbiere con che te li taglia, col laser?

  12. Michele credo che enzo intendesse paragonare un capello alla galassia in questione e il metro alla distanza che ci separa da essa…

  13. Enzo intendeva dire che l’ANGOLO rilevato dal VLBA, relativamente allo spostamento triennale del gas che cade sul buco nero, è pari a quello che un’uomo osserverebbe guardando un decimillesimo di un suo capello alla distanza di un braccio.
    Si parla quindi di un’ANGOLO, cioè del potere di risoluzione dello strumento, e NON di una distanza.
    Conoscendo la velocità del gas, tramite l’effetto Doppler, si può calcolare la distanza percorsa dal gas in tre anni, e quindi sapere a che misura corrisponde quell’angolo.
    Conoscendo l’angolo e la distanza percorsa dal gas, si può risalire a quanto è lontana la galassia approssimando il triangolo curvo a uno normale, e supponendo che i lati rimanenti siano uguali (cioè approssimando il tutto a un triangolo isoscele).
    L’errore del 9% deriva dall’approssimazione fatta e dai limiti nella misurazione (incertezza dello strumento).
    Date le difficoltà superate, un errore del 9% mi sembra più che accettabile…

  14. caro Red, ti ringrazio della spiegazione…

    @ Michele,
    pensavo che il ragionamento fosse chiaro: vedere lo spostamento dei maser attorno a quel buco nero è come riuscire a vedere alla distanza di un metro (un braccio) un segmentino pari a 1/10000 di capello umano attraverso il nostro occhio. Io avrò i capelli grossi, ma tu hai sicuramente una vista ECCEZIONALE!!! Sfido chiunque a riuscirci e soprattutto a commettere un errore del 9% sulla misura. La matematica (che un po’ conosco anch’io) ci dice che il 9% di 1/10000 di capello è qualcosa di molto, molto piccolo… :mrgreen: :mrgreen: :mrgreen: