Nuovi sistemi ottici «deformabili» per fotografare direttamente gli esopianeti terrestri

Il nuovo coronografo "di seconda generazione" PIAA utilizza due minuscoli specchi deformabili controllati da più di un migliaio di attuatori per eliminare le aberrazioni e rilevare così la luce riflessa da esopianeti dalle dimensioni terrestri. Possono raggiungere una precisione così elevata da non poter essere calcolata.
Oggi conosciamo quasi mille pianeti, e solo una manciata di questi si trovano nelle fasce abitabili dei loro sistemi planetari. Eppure, ciò non basta per stabilire se un pianeta è realmente abitabile oppure no. Nuove tecnologie ottiche sviluppate dalla NASA potrebbero però risolvere questo mistero mostrandoci da vicino questi pianeti e raccogliendo altri indizi della loro potenziale abitabilità, come la presenza di ossigeno nell'atmosfera e di acqua allo stato liquido.
I ricercatori del centro Ames della NASA a Moffett Field, in California, stanno sviluppando una nuova tecnica per fotografare direttamente gli esopianeti. Ad oggi, solo una trentina di esopianeti sono stati scoperti con osservazioni dirette. Questa nuova tecnologica ottica, una specie di variante dell'apodizzazione, è chiamata PIAA (Phase-Induced Amplitud Apodization) ed è sotto sviluppo dal 2003. Nonostante si tratti ancora di un semplice abbozzo realizzato per dimostrare la fattibilità del progetto, i ricercatori sono fiduciosi che questa tecnologia sia molto promettente, e potrebbe perfino essere alla base dei successori del cacciatore di pianeti Kepler che decolleranno nei prossimi decenni.

«Oscurando la luminosità e la diffrazione della stella, possiamo iniziare a vedere pianeti che sarebbero altrimenti nascosti», spiega Ruslan Belikov, astrofisico della NASA. «Con questa tecnologia, la conferma con immagini dirette di un esopianeta nella fascia abitabile potrebbe accadere per la prima volta».
I metodi più usati per scoprire e confermare gli esopianeti sono quello della velocità radiale e quello dei transiti, che consiste nel rilevare un debole e periodico abbassamento della luminosità di una stella causato dal transito di un pianeta di fronte ad essa.
Il metodo della velocità radiale ci fornisce la minima massa del pianeta e i parametri orbitali, mentre quello dei transiti ci fornisce, oltre ai parametri orbitali, l'inclinazione del piano orbitale e il raggio del pianeta. L'unione dei due metodi ci fornisce quindi la massa reale e la densità del pianeta.
Alcuni ricercatori pensano però che il «metodo del futuro» sia proprio l'osservazione diretta dei pianeti. Attualmente questa tecnica viene quasi sempre evitata, in quanto i pianeti non emettono luce di loro ma riflettono quella della stella, e sono perciò sommersi dalla luminosità della stella madre. Bisogna quindi oscurare la stella per essere in grado di osservare direttamente i pianeti, e finora questa tecnica è stata usata molto raramente.
«Il sistema PIAA consiste nell'utilizzo di due appositi specchi non sferici per rimodellare la luce nella pupilla del telescopio in un modello pupillare ad alto contrasto», spiega Ruth Dasso Marlaire dell'Ames. «Questa nuova pupilla ad alto contrasto ha la speciale proprietà di isolare tutta la diffrazione e la luminosità della stella in un piccolo puntino, che blocca virtualmente tutta la luce stellare senza influenzare più di tanto la luce riflessa dal pianeta».
Questa tecnica è stata per la prima volta ideata per osservare la corona del nostro Sole, e questi strumenti sono perciò stati chiamati coronografi. Il PIAA è quindi una specie di coronografo di seconda generazione.
I telescopi hanno minuscole imperfezioni che causano una deviazione dei raggi luminosi, o aberrazione, portando quindi a immagini non precise di una stella. Attualmente non esistono sistemi ottici completamente privi di aberrazioni, ma esse possono essere corrette usando specchi separati che possono cambiare forma.
«Questi specchi sono chiamati specchi deformabili, o DM. Contrastano le distorsioni causate dall'ottica dei telescopi», spiega Belikov.
Il PIAA e i coronografi in generale sono in grado di bloccare una quantità sufficiente di luce stellare per rilevare pianeti terrestri solo se l'ottica del telescopio è perfetta, il che non accade mai. Gli specchi deformabili sono però in grado di correggere queste imperfezioni, permettendo ai coronografi di raggiungere il loro massimo potenziale.
Lo specchio deformabile che è stato costruito dalla Boston Micromachines Corporation per il centro Ames è un quadratino di un centimetro che utilizza una rete di 1024 attuatori per assumere la forma desiderata. Controllando la forma della superficie, le aberrazioni possono essere ridotte abbastanza da poter rilevare la luce riflessa dagli esopianeti.
«La superficie di questi specchi deformabili può raggiungere una precisione così elevata che non siamo in grado di misurarla», aggiunge Belikov.
La NASA sta investendo molto su questa nuova tecnologia, ma manca ancora una missione ufficiale che la userà. Nel Settembre del 2011 è stato però proposto un piccolo telescopio da inserire nel programma Explorer, chiamato EXCEDE – Exoplanetary Circumstellar Enviroments and Disk Explorer, ossia Esploratore dei Dischi e degli Ambienti Circumstellari e Esoplanetari. 
EXCEDE sarà amministrato dall'Università dell'Arizona a Tucson assieme all'Ames e alla Lockheed Martin di Palo Alto, in California, e fotograferà i dischi circumstellari e i pianeti nelle zone abitabili. Sarà in grado di rilevare pianeti massicci, ma non dalle dimensioni terrestri come si sarebbe in grado di fare con una tecnologia come PIAA.
«EXCEDE porterà a casa incredibili risultati e potrebbe essere il predecessore di missioni maggiori, ma non osserverà esoTerre», spiega Belikov.
Per osservare pianeti terrestri sarà necessario un telescopio molto più grande. Attualmente, il team dell'Esperimento Coronografico dell'Ames (ACE) sta anche lavorando in collaborazione con il JPL per sviluppare simili tecnologie da installare su telescopi più grandi, in grado di rilevare pianeti di dimensioni terrestri.
«Le camere per i test dell'ACE non sono prive di aria. Il nostro team ha portato lo sviluppo della tecnologia per la missione EXCEDE al punto in cui abbiamo bisogno di test in camere prive di aria», spiega Belikov. Al JPL sono state preparate due simili stanze.
Nel 2010, la National Academy Of Sciences ha iniziato un progetto a lungo termine del quale fa parte la missione Wide-Field Infrared Survey Telescope, o WFIRST, che decollerà nel prossimo decennio. La NASA ha accettato la proposta.
«Ad oggi, la missione non include un coronografo per fotografare direttamente gli esopianeti. Ma tutto può cambiare», spiega Belikov. «Con costanti finanziamenti, la NASA sarà in grado di far decollare un telescopio abbastanza grande da osservare e caratterizzare praticamente tutti i pianeti abitabili nel nostro vicinato galattico entro il decennio del 2030», conclude Belikov.

© immagini
NASA Ames/ Dominic Hart
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