Astronomi del prestigioso Osservatorio europeo australe del Cile, grazie al potente radiotelescopio Alma (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array), hanno osservato direttamente per la prima volta uno stadio fondamentale nella nascita dei “baby” pianeti attorno alla giovane stella HD142527 situata a più di 450 anni luce dalla Terra. Grandi correnti di gas scorrono attraverso un varco nel disco di materiale che circonda l’astro. Sono le prime eccezionali osservazioni dirette di tali correnti che si pensa vengano formate durante il processo di crescita dei pianeti giganti immortalati nell’atto di fagocitare gas e polveri a ritmi parossistici. Sono state scoperte anche grandi quantità di monossido di carbonio. I risultati della ricerca sono pubblicati dalla rivista Nature del 2 Gennaio 2013 nell’articolo “Flows of gas through a protoplanetary gap” e si basano su osservazioni effettuate il 2 Giugno 2012 con 19 antenne di 12 metri. Alma, il più elaborato radiotelescopio di tutti i tempi, sarà ufficialmente inaugurato il 13 Marzo 2013 quando più di 50 antenne saranno pienamente operative e perfettamente sincronizzate grazie al supercomputer “Correlator”. Il telescopio Alma, ad un terzo della sua piena capacità, già impressiona la comunità scientifica internazionale. Quando sarà completo con il totale dispiegamento delle sue 66 antenne sul Chajnantor Plateau delle Ande cilene a 5mila metri di quota, la vista di Alma sarà ancora più acuta di quella di un’aquila che scruta gli infiniti freddi spazi interstellari, magari anche a caccia di eventuali pianeti alieni abitati, astronavi, stazioni spaziali e civiltà extraterrestri. È prevista una speciale diretta Web mondiale il 12 Marzo 2013 insieme agli scienziati Eso di Alma. L’equipe internazionale di astronomi ha studiato la stella HD142527 nata appena due milioni di anni fa, di massa solare doppia, circondata da un disco di gas e polvere cosmica, i resti della nube da cui la stella si è formata. Il disco di polvere è diviso in una parte interna e una esterna da una discontinuità che si pensa sia stata creata da pianeti giganti gassosi in formazione nell’atto di spazzare via e ripulire il loro percorso orbitale nel sistema protoplanetario del giovane astro. La zona interna del disco parte dalla stella e raggiunge l’equivalente dell’orbita di Saturno nel nostro Sistema Solare, mentre la zona esterna del disco inizia circa 14 volte più lontano. A quanto pare l’area esterna del disco non circonda uniformemente la stella, ma ha la forma di un ferro di cavallo, probabilmente causata dagli effetti gravitazionali dei pianeti giganti in orbita. La teoria prevede che i pianeti giganti crescano catturando il gas dal disco esterno per mezzo di correnti che formano ponti attraverso la discontinuità del disco. “Gli astronomi avevano predetto l’esistenza di queste correnti, ma è la prima volta che siamo stati in grado di vederle direttamente – annuncia Simon Casassus della Universidad de Chile che ha condotto lo studio – grazie al nuovo radiotelescopio Alma siamo riusciti ad ottenere un’osservazione diretta che aiuterà a chiarire le attuali teorie su come si formano i pianeti!”. Casassus e la sua equipe hanno usato Alma per osservare il gas e la povere cosmica intorno alla stella, rilevando i dettagli più fini e più vicini alla stella di quanto fosse possibile ottenere con i telescopi di generazione precedente e con una sensibilità mille volte maggiore. Le osservazioni di Alma a lunghezze d’onda submillimetriche non risentono del bagliore della stella che invece influisce molto sulle osservazioni in luce visibile o infrarossa. La discontinuità nel disco di polvere era già nota agli astronomi che ora hanno anche scoperto del gas diffuso nella discontinuità e due correnti più dense di gas che fluiscono dal disco esterno, attraverso il varco, al disco interno. “Pensiamo che ci sia un pianeta gigante nascosto all’interno di ciascuna di queste correnti e che ne sia la causa – rivela Sebastián Pérez della Universidad de Chile – i pianeti crescono catturando parte del gas dal disco esterno ma consumano un pasto molto disordinato: gli avanzi finiscono con l’alimentare il disco interno intorno alla stella”. Le osservazioni rispondono ad un altro quesito sulla natura del disco intorno alla stella HD142527. Mentre l’astro centrale si sta ancora formando, catturando materiale dal disco interno, il disco stesso verrebbe consumato se non fosse in qualche modo rifornito di nuovo. L’equipe ha scoperto che il tasso a cui il gas avanzato dal pasto fluisce nel disco interno è esattamente quello che serve per mantenere rifornito il disco interno e sostenere la crescita della stella. Meraviglie della Natura! La scoperta di gas diffuso nella discontinuità è un risultato sensazionale per Alma. “Gli astronomi cercavano questo gas da molto tempo – spiega Gerrit van der Plas della Universidad de Chile – ma finora c’erano solo prove indirette della sua presenza. Ora, con Alma, possiamo vederlo direttamente”. Il gas residuo è l’ulteriore evidenza che le correnti siano provocate dai pianeti giganti piuttosto che da oggetti ancora più grandi come un stella compagna. “Una seconda stella – dichiara Perez – avrebbe sgomberato del tutto la discontinuità, senza lasciare gas residuo: studiando quanto gas è rimasto potremmo riuscire a definire la massa degli oggetti che provocano la discontinuità”. Quali e quanti segreti si celano attorno a questi pianeti alieni in formazione? Casassus spiega che non c’è da sorprendersi se non sono stati rivelati direttamente. “Abbiamo cercato i pianeti con strumenti infrarossi all’avanguardia su altri telescopi – rivela lo scienziato – ma ci aspettiamo che questi pianeti in formazione siano ancora profondamente imbozzolati nelle correnti di gas che sono quasi completamente opache. Perciò potrebbe esserci solo una minima speranza di vedere direttamente i pianeti”. Forse, tra qualche anno. Nonostante ciò, gli astronomi dell’Eso cercano di scoprire ulteriori informazioni sui presunti pianeti studiando sia le correnti di gas sia il gas diffuso. Il telescopio Alma in costruzione non ha ancora raggiunto la sua piena capacità operativa. Quando sarà completo con il totale dispiegamento delle sue 66 antenne perfettamente sincronizzate, nuove osservazioni di queste correnti di gas potrebbero permettere agli scienziati di determinare le proprietà dei pianeti, comprese le loro masse. L’equipe internazionale di astronomi è composta da S. Casassus (Universidad de Chile, Cile; Millennium Nucleus for Protoplanetary Disks — Ministero dell’Economia, Governo cileno), G. van der Plas (Universidad de Chile, Cile), S. Pérez M. (Universidad de Chile, Cile), W. R. F. Dent (Joint ALMA Observatory, Cile; European Southern Observatory, Cile), E. Fomalont (NRAO, USA), J. Hagelberg (Observatoire de Genève, Svizzera), A. Hales (Joint ALMA Observatory, Cile; NRAO, USA), A. Jordán (Pontificia Universidad Católica de Chile, Cile), D. Mawet (European Southern Observatory, Cile), F. Ménard (CNRS / INSU, Francia; Universidad de Chile, Cile; CNRS / UJF Grenoble, Francia), A. Wootten (NRAO, USA), D. Wilner (Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, USA), A. M. Hughes (U. C. Berkeley, USA), M. R. Schreiber (Universidad Valparaiso, Cile), J. H. Girard (European Southern Observatory, Cile), B. Ercolano (Ludwig-Maximillians-Universität, Germania), H. Canovas (Universidad Valparaiso, Cile), P. E. Román (University of Chile, Cile), V, Salinas (Universidad de Chile, Cile). L’Atacama Large Millimeter/submillimeter Array è un Osservatorio astronomico internazionale frutto della collaborazione fra l’Europa, il Nord America e l’Asia Orientale, in cooperazione con la Repubblica del Cile. In Europa Alma è finanziato dall’Eso, in Nord America dalla U.S. National Science Foundation (NSF) con il National Research Council del Canada (NRC) e il National Science Council di Taiwan (NSC) e in Asia Orientale dagli Istituti Nazionali di Scienze Naturali del Giappone (NINS) in cooperazione con l’Accademia Sinica di Taiwan (AS). La costruzione e la gestione di Alma sono condotte dall’Eso per conto dell’Europa, dall’Osservatorio Nazionale di Radio Astronomia (NRAO) gestito dalle Associated Universities Inc. (AUI) per conto del Nord America e dall’Osservatorio Astronomico Nazionale del Giappone (NAOJ) per conto dell’Aisa Orientale. L’Osservatorio congiunto di Alma (JAO, Joint ALMA Observatory) fornisce la guida unitaria e la gestione della costruzione, del commissioning e delle operazioni di Alma. La sala operativa di Alma è situata a 3mila metri di quota per consentire agli scienziati di lavorare senza bombole d’ossigeno. Ma uno dei supercomputer di Alma, chiamato il “Correlatore”, il più potente al mondo, è stato installato e verificato nel suo sito remoto, in alta quota nelle Ande del Cile settentrionale, a 5mila metri. È una delle fondamentali tappe che mancano per il completamento di Alma, il più elaborato radiotelescopio da terra di tutti i tempi. Il Correlatore dedicato di Alma dispone di oltre 134 milioni di processori ed esegue fino a 17 biliardi di operazioni al secondo, una velocità paragonabile a quella del più veloce supercomputer di uso generale oggi in funzione. Il “cervello” elettronico è un componente critico di Alma, un radiotelescopio astronomico composto da una schiera di 66 antenne paraboliche. I 134 milioni di processori del supercomputer combinano e confrontano con continuità i deboli segnali celesti ricevuti dalle antenne di Alma, con separazioni che arrivano fino a 16 chilometri, e permettono alle varie antenne di lavorare insieme come se fossero un unico enorme radiotelescopio. Il “cervello” di Alma è uno dei due sistemi informatici analoghi nel complesso dell’Osservatorio. Il totale di 66 antenne di Alma include una schiera principale di 50 antenne (metà fornite dall’Eso e metà da NRAO) e una schiera aggiuntiva, complementare di 16 antenne, nota come Atacama Compact Array (ACA), fornita dal National Astronomical Observatory of Japan. Un secondo supercomputer, costruito dalla compagnia Fujitsu e consegnato dal NAOJ, fornisce una correlazione indipendente delle 16 antenne di ACA, tranne per i periodi in cui alcune antenne selezionate di ACA vengono combinate con le 50 antenne principali più spaziate. Le informazioni raccolte da ciascuna antenna, infatti, devono essere combinate con tutte quelle delle altre antenne. Il Correlatore è stato costruito appositamente per questo compito. Il record assoluto, tra i primi 500 computer di uso generale, è detenuto da Titan della Cray Inc., con una velocità di 17,59 biliardi di operazioni in virgola mobile al secondo. Ma il supercomputer di Alma è un elaboratore elettronico destinato solo a questo particolare compito e perciò non può comparire nella classifica generale degli altri supercomputer. Bisogna crearne una speciale per un simile Genio! “Questa sfida informatica unica nel suo genere richiede una progettazione innovativa, sia dal punto di vista dei singoli componenti sia dell’architettura complessiva del Correlatore – rivela Wolfgang Wild dell’Eso, Project Manager europeo di Alma. Il progetto iniziale del supercomputer, la costruzione e l’installazione, sono stati condotti dal National Radio Astronomy Observatory degli Usa, il partner principale di Alma nel Nord America. Il progetto del Correlatore è stato finanziato dalla National Science Foundation negli Stati Uniti, con contributi dell’Eso. “Il completamento e l’installazione del Correlatore è una tappa fondamentale verso il raggiungimento degli impegni del Nord America nei confronti del progetto internazionale Alma – spiega Mark McKinnon, Direttore del Progetto Alma per il Nord America all’NRAO – le sfide tecnologiche sono state enormi e il nostro gruppo è riuscito a superarle”. Come partner europeo in Alma, l’Eso ha fornito una parte fondamentale del supercomputer: un sistema di filtri digitali completamente nuovo e versatile, ideato in Europa, è stato incorporato nel progetto iniziale dell’NRAO. Un totale di 550 circuiti elettronici con filtri digitali all’avanguardia è stato progettato e costruito per l’Eso dall’Università di Bordeaux in Francia. Grazie agli studi di un nuovo concetto di Correlatore, eseguiti dall’Università di Bordeaux in un consorzio che include l’ASTRON in Olanda e l’INAF-Osservatorio di Arcetri in Italia. Con questi filtri, la luce di Alma può essere divisa in un numero di lunghezze d’onda 32 volte maggiore rispetto al progetto iniziale e ciascuna banda può essere calibrata in modo ottimale. “Questa flessibilità così migliorata è fantastica – spiega Alain Baudry dell’Università di Bordeaux, a capo del Progetto europeo del correlatore di Alma – ci lascia scomporre e analizzare lo spettro di luce visto da Alma in modo da poterci concentrare sulle lunghezze d’onda specifiche per ciascuna osservazione, sia che si tratti di fare una mappa delle molecole di gas in una nube in cui avviene la formazione stellare sia per la ricerca delle galassie più distanti nell’Universo”. Altri record del supercomputer di Alma. Ma la difficoltà ulteriore è rappresentata dalle temperature sviluppate dai circuiti, dalle tecnologie per il loro raffreddamento e dall’ubicazione in una zona estrema per l’Uomo: il Correlatore è ospitato dall’edificio tecnico AOS (Array Operations Site) di Alma, la struttura scientifica e tecnologica a più alta quota al mondo. A 5000 metri, l’aria è rarefatta e perciò ne serve un flusso due volte maggiore del solito per raffreddare la supermacchina. In pratica, il supercomputer usa circa 140 kW di potenza. In quest’aria rarefatta che costringe gli astronomi e i tecnici a far uso costante delle bombole d’ossigeno, non si possono usare dischi rigidi in rotazione poiché la testina di lettura/scrittura sfrutta un cuscino d’aria per non cadere sulla superficie del disco. Inoltre, l’attività sismica è comune sulle Ande cilene, perciò il Correlatore deve essere progettato per resistere alle vibrazioni dovute ai terremoti. Alma ha iniziato le osservazioni scientifiche nel 2011 con una schiera parziale di antenne. Una sezione del Correlatore era già usata per combinare i segnali dalla schiera parziale, ma ora il sistema è completo. Il supercomputer è pronto perché Alma inizi a funzionare con un numero maggiore di antenne, che aumenteranno la sensibilità e la qualità delle immagini. Alma dovrà svelare anche i segreti dei due potenti geyser giganti osservati al centro della nostra Galassia, la Via Lattea, dal radiotelescopio di 64 metri di diametro di Parkes in Australia, in collaborazione con il Sardinia Radio Telescope. Si tratta di giganteschi flussi di particelle cariche espulsi dal centro della nostra Galassia scoperti e mappati da un team internazionale di ricercatori guidati dall’italiano Ettore Carretti, ora in Australia, e a cui ha partecipato Sergio Poppi dell’INAF-Osservatorio Astronomico di Cagliari. Questi getti che si trovano in corrispondenza delle regioni della Via Lattea dove il satellite Fermi della NASA nel 2010 aveva scoperto la presenza di forti emissioni di raggi gamma (denominate “Bolle di Fermi”) contengono una straordinaria quantità di energia, circa un milione di volte quella di una stella che esplode. “I flussi da noi scoperti, che in gergo chiamiamo outflow, non vengono emessi verso la Terra, ma si propagano perpendicolarmente al piano della Galassia – rivela Carretti, in forza al Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation (CSIRO), primo autore dell’articolo scientifico pubblicato sulla rivista Nature – un’altra caratteristica davvero notevole degli outflow, che si estendono per circa 50mila anni luce, ovvero circa metà del diametro della nostra Galassia, è la loro elevata velocità, pari a circa tre milioni e mezzo di chilometri orari”. Estremamente veloci anche per gli astronomi! Oltre al Fermi, anche altri osservatori spaziali come Wmap e Planck avevano trovato nelle regioni prossime al centro della nostra Galassia emissioni di radiazione diffusa, senza però riuscire a fornire con sicurezza una spiegazione dell’origine di tale incredibile energia. Ora però, le nuove osservazioni del radiotelescopio Parkes sembrano fugare questi dubbi. “Le possibilità erano due – spiega Gianni Bernardi dello Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics di Cambridge, Massachusetts (Usa) – che l’origine di questi getti fosse dovuta ad emissioni associate all’attività del buco nero al centro della nostra Galassia, oppure fosse legata all’attività stellare, generata da venti stellari provenienti da stelle di recente formazione o addirittura da esplosioni stellari. Le nostre osservazioni ci dicono che l’origine dei getti è dovuta alle stelle che popolano il centro della Via Lattea”. Gli astrofisici sono giunti a queste conclusioni studiando le proprietà del campo magnetico degli outflow, misurando in particolare la polarizzazione delle onde radio captate. Informazioni utili per rispondere ad uno dei più grandi quesiti relativi alla nostra Galassia: come si genera e com’è alimentato il suo campo magnetico? “Dal punto di vista tecnologico – fa notare Sergio Poppi – la realizzazione di questo esperimento è stata una sfida. Questi outflow, date le loro grandi dimensioni, richiedono radiotelescopi in modalità ‘single-dish’, ovvero osservazioni di un solo strumento alla volta, affinché possano essere rivelati. Nell’immediato futuro l’esperienza acquisita nella realizzazione di questa indagine su strutture a grande scala sarà di fondamentale importanza per lo sfruttamento scientifico del Sardinia Radio Telescope dell’INAF, simile a quello del radiotelescopio di Parkes ma che oggi rappresenta lo stato dell’arte della ricerca astrofisica nelle onde radio”. Che sia un buon anno nuovo 2013 entusiasmante e scoppiettante per l’Astronomia mondiale, in particolare per l’Inaf e per l’Eso che continua le celebrazioni del suo 50mo anniversario di fondazione! L’auspicio universale per il mondo della libera ricerca pubblica e privata, è di quelli seri e urgenti. Per il futuro dei nostri cervelli e del genere umano.
Nicola Facciolini
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