La scorsa settimana la National Science Foundation (NSF) ha presentato al Congresso un rapporto che descrive in dettaglio i danni al radiotelescopio di 300 metri di diametro, a seguito del crollo della piattaforma dello strumento di 900 tonnellate che era sospesa sopra il riflettore di alluminio.
Il rapporto ha rivelato i dettagli sugli eventi che hanno portato al crollo e volge uno sguardo al futuro dell'Osservatorio di Arecibo. Ecco la cronologia dettagliata degli eventi:
- 10 agosto 2020: un cavo ausiliario della torre 4 si stacca dalla suo connettore. Il cavo cade sulla parabola sottostante, danneggiando circa 250 delle 40000 tegole di alluminio che compongono la parabola riflettente.
- Agosto e settembre: gli ingegneri modellano le strutture di supporto e determinano un piano di sicurezza per accedere al connettore danneggiato, sviluppando anche un piano di stabilizzazione per le riparazioni.
- Fine settembre: NSF autorizza un ordine per cavi sostitutivi, in arrivo a dicembre. Gli sforzi di stabilizzazione prima della sostituzione inizieranno il 9 novembre.
- All'inizio di ottobre gli ingegneri rimuovono il connettore guasto e lo inviano al Kennedy Space Center della NASA per l'analisi.
- 6 novembre: un cavo principale dalla stessa torre 4 si rompe.
- 19 novembre: NSF annuncia che il radiotelescopio da 305 metri dovrà essere smontato, poiché le riparazioni non possono essere effettuate senza mettere a repentaglio la sicurezza.
- 24 novembre: NSF conferma che i cavi aggiuntivi all'interno dei cavi spessi continuano a spezzarsi.
- 1 dicembre 2020, ore 7 locali: i cavi rimanenti dalla Torre 4 si spezzano e la piattaforma sospesa si schianta sulla parabola sottostante, causando ingenti danni.
Il crollo ha anche strappato i 18 metri sommitali delle torri 4 e 12 e 37 metri dalla torre 8, la più alta (si veda la figura sottostante). Tuttavia, diverse strutture dell'osservatorio, tra cui il LIDAR per l'osservazione dell'atmosfera e un radiotelescopio da 12 metri, sono ancora operative.
Immagine precedente al collasso, con indicazione degli interventi sulle varie torri che supportavano la piattaforma focale. - Credits: "Report on the Arecibo Obsevatory...", NSF
In realtà, le indagini sul crollo sono ancora in corso e un rapporto finale arriverà entro dicembre; secondo NSF il sistema di cavi principale e ausiliario, che risalivano rispettivamente agli anni '60 e '90, sono risultati "più deboli del previsto". I lavori di ripulitura e messa in sicurezza attualmente in corso avranno un costo finale dai 30 ai 50 milioni di dollari; questo fa capire quanto fossero fuori luogo gli entusiasmi di chi, in occasione dello stanziamento di 8 milioni di dollari da parte della governatrice di Porto Rico a fine dicembre, annunciò che questo sarebbe servito a costruire un nuovo radiotelescopio!
Tutto ciò che è ancora scientificamente utilizzabile rimane fermo, tuttavia, poiché NSF sta ancora decidendo come procedere con le riparazioni; l'organizzazione sta convocando una riunione di scienziati e ingegneri nel periodo di aprile per considerare i prossimi passi. Un'opzione sul tavolo è quella di ricostruire la parabola riflettente di 305 metri e continuare gli studi sull'atmosfera terrestre, utilizzando strumenti come i riscaldatori ionosferici ad alta frequenza e il radar a dispersione incoerente. A quel punto si potrebbero anche riparare ed utilizzare i ricevitori per fare astronomia in bassa frequenza (fino a 430 MHz) ma, per condurre studi astronomici "competitivi" e per poter utilizzare il radar per studi planetari, il riflettore andrebbe sostituito
La ripresa aerea qui sopra mostra i progressi nel processo di bonifica in corso. Gli operai hanno rimosso gran parte dei detriti, esponendo il terreno sottostante e consentendo l'accesso alla piattaforma crollata in alto a sinistra del piatto. Credits: NSF
Alcuni studiosi, guidati dallo scienziato senior di Arecibo Anish Roshi, stanno proponendo un sostituto che sarebbe molto diverso e più potente rispetto a quello che c'era prima. L'idea è quella di raccogliere e fare tesoro della eredità del vecchio radiotelescopio ("Arecibo Legacy Telescope" o LAT), sfruttarne i punti di forza e superane al tempo stesso le limitazioni, dando vita al nuovo "New Generation Arecibo Telescope" (NGAT).
Lo studio parte, come è giusto, dal fare un excursus di quelli che sono i campi di indagine più importanti e promettenti nei settori dell'astronomia e anche della "planetary defense", imponendo quelli che sono i requisiti per rendere il nuovo strumento competitivo e quindi necessario o perlomeno appetibile. Arecibo, per esempio, è stato insostituibile nello studio radar dei corpi celesti, grazie ad un trasmettitore capace di erogare impulsi con una potenza di 900 kW a 2,38 GHz. Questo ha permesso di osservare in dettaglio la superficie di Venere e Mercurio e di esplorare la forma e la rotazione di numerosi asteroidi NEO mentre passavano alla minima distanza dalla Terra. Uno degli obiettivi del NGAT sarà quello di rafforzare questo ruolo, estendendo l'indagine anche ad oggetti del sistema solare esterno (come gli asteroidi nella fascia principale e i satelliti gioviani) e dando un contributo importante alla "sicurezza spaziale", monitorando con precisione la traiettoria non solo degli asteroidi potenzialmente pericolosi ma anche dei detriti spaziali di piccole dimensioni (>1 mm in orbita bassa e >1 m in orbita geostazionaria e in zona cislunare); il radar, peraltro, veniva utilizzato anche in modalità "Incoherent Scatter Radar" (ISR) per saggiare la ionosfera terrestre fin oltre 2000 km di quota e questi studi avevano ripercussioni nel campo dello "Space weather", della climatologia e persino della localizzazione esatta tramite GPS.
Il raggio d'azione per la rivelazione di un asteroide PHA di 140 metri, con periodo di rotazione di 2,1 ore e albedo radar del 10%, con diversi sistemi radar (GSSR=Goldstone Solar System Radar DSS-14; GBT=Green Bank Telescope) - Credits: Roshi et al., "NGAT white paper" - Processing: Marco Di Lorenzo
Al fine di ottenere tali miglioramenti, il nuovo radiotelescopio dovrà essere capace di emettere segnali radar di potenza molto maggiore, circa 5 MW in modalità continua e 10 MW sotto forma di impulsi. Inoltre, si intende aumentare anche la copertura in termini di frequenza e di porzione di cielo osservata. Gli autori impongono un accesso a tutte le frequenze comprese tra 200 MHz e 30 GHz o quasi, un intervallo che abbraccia oltre 3 ordini di grandezza ed è oltre il triplo del vecchio LAT. Inoltre, per poter coprire abbondantemente l'eclittica e raggiungere anche il centro galattico, il nuovo strumento dovrà potere osservare fino a 48° dallo Zenith, contro i 21° del vecchio strumento; come vedremo, questo requisito è il motivo principale per cui si dovrà rinunciare ad un semplice riflettore unico e fisso, con un fuoco parzialmente mobile come era in passato.
Copertura della volta celeste del vecchio radiotelescopio (verde scuro) e di quello proposto (verde chiaro), in coordinate equatoriali; l'eclittica è la curva arancione, il piano galattico è azzurro, il centro galattico è il puntino rosso mentre i punti grigi sono le pulsar e quelli blu i Fast Radio Burst finora osservati - Credits: Roshi et al., "NGAT white paper" - Processing: Marco Di Lorenzo
Anche in termini di sensibilità alle varie frequenze, il nuovo strumento dovrà essere 2-3 volte migliore e dovrà essere in grado di mitigare efficacemente le interferenze di origine terrestre. I grafici qui sotto mostrano come, grazie a tutto questo, NGAT surclasserà i diretti concorrenti come il grande riflettore cinese FAST, la parabola di 100 metri di Green Bank e persino la prima versione di SKA; solo nella regione delle frequenze centimetriche la sensibilità e la velocità di indagine del nuovo VLA riuscirà a batterlo.
Sensibilità e rapidità di indagine dei migliori sistemi radioastronomici dei prossimi anni (esclusi ALMA e MeerKAT) in funzione della frequenza - Credits: Roshi et al., "NGAT white paper" - Improvement: Marco Di Lorenzo
Soddisfare simili requisiti è impossibile con uno strumento che abbia la stessa filosofia di funzionamento del vecchio riflettore. Gli autori puntano invece su una schiera di numerose antenne più piccole e orientabili, utilizzabili sia in modalità "radiointerferometro" (come ALMA o VLA), sia in modalità "schiera di fase"; a dire il vero, quest'ultima tecnologia permetterebbe di eliminare la necessità di orientare le antenne, introducendo un ritardo di fase nei ricevitori per ri-orientare il fascio elettronicamente. La stessa tecnica, peraltro, permetterebbe di osservare gran parte del cielo contemporaneamente, cosa che effettivamente faranno le antenne a bassa frequenza di SKA, che saranno praticamente schiere di dipoli; tale soluzione, però, non è facilmente applicabile e frequenze elevate, dove l'uso di un' "ottica" tradizionale (con superfici riflettenti che concentrano la radiazione in un fuoco) è ancora necessario. Studi per l'uso di antenne orientabili con questa modalità di funzionamento alla frequenza di 7 GHz sono stati condotti con successo negli ultimi anni.
Tre possibili layout del NGAT con diverse granularità ma uguale superficie totale e riflettori circolari. - Credits: Roshi et al., "NGAT white paper" - Processing/improvement/extrapolation: Marco Di Lorenzo
Gli autori prendono in considerazione due possibili configurazioni, lasciando aperte numerose possibili varianti. Il primo modello prevede 400 riflettori di 15 metri, il secondo oltre 1100 riflettori di 9 metri, con una migliore copertura della superficie disponibile grazie alla maggiore "granularità". Queste sono le prime due configurazioni mostrate in alto, mentre la terza opzione mostrata a destra è realizzata dal sottoscritto partendo dal primo modello ma trasformando ciascun riflettore da 15 metri in una piattaforma orientabile con 7 mini-parabole, per un totale di 2100 antenne. L'idea prende spunto dal suggerimento fatto dagli stessi autori, cioè quello di raggruppare le antenne in sottoinsiemi tra loro solidali. Questa soluzione è un ibrido valido per semplificare il design e si colloca tra due estremi: rendere orientabili centinaia o addirittura migliaia di parabole che si muovono all'unisono oppure fissare le antenne su una singola, enorme piattaforma orientabile. La prima opzione implica costi e complessità con una riduzione di affidabilità, la seconda la trovo francamente poco sensata perchè somiglierebbe a un ciclopico "tagadà" che sporgerebbe anche parecchio in verticale! Un'altra interessante opzione per sfruttare meglio la superficie a disposizione è quella di utilizzare antenne di forma non circolare ma poligonale, ad esempio esagoni.
Due esempi di piattaforma multi-antenna riportati dagli stessi autori della proposta NGAT. A sinistra lo strumento AMiBA per lo studio della radiazione cosmica di fondo nelle Hawaii, a destra il sistema Pluton in Crimea, con 8 antenne di 16 metri, troncate parzialmente
Il vantaggio nell'utilizzo di numerose antenne piccole sta nell'incremento del "campo visivo" a parità di risoluzione; esso coincide infatti con l'ampiezza del fascio della singola parabola.
"Il telescopio Arecibo di nuova generazione non partirà da zero", afferma il team sul proprio sito web . "Si avvarrà dell'infrastruttura esistente, decenni di esperienza e il sostegno della popolazione e del governo locali". Il piano è entusiasmante per essere sicuri, ma la decisione finale, probabilmente, è ancora lontana. "NSF ha un processo molto ben definito per il finanziamento e la costruzione di infrastrutture su larga scala, compresi i telescopi", ha detto Ralph Gaume, direttore della divisione di astronomia di NSF. “È un processo pluriennale che coinvolge gli stanziamenti del Congresso, la valutazione e le esigenze della comunità scientifica. Quindi è molto presto per noi commentare la sostituzione". Vale la pena tenere presente che oltre a qualsiasi riparazione ad Arecibo, NSF deve finanziare anche l'osservatorio in costruzione Vera C.Rubin, il telescopio solare Daniel K.Inouye appena commissionato, l'array radio ALMA in Cile, gli osservatori di onde gravitazionali LIGO e molti altri servizi. Uno stanziamento speciale del Congresso è teoricamente possibile, come avvenuto per ricostruire il telescopio della Green Bank da 100 metri dopo il suo inaspettato collasso del 1988 ma le realtà politiche sono un po' diverse a Porto Rico rispetto al West Virginia, nonostante il sostegno espresso per ricostruire Arecibo .
L'imminente uscita della nuova decadal survey, in cui la comunità astronomica delinea le priorità di finanziamento per i prossimi 10 anni e più, potrebbe anche svolgere un ruolo nel decidere il destino di Arecibo. Nel frattempo, NSF sta valutando tutte le proposte: la parola è aperta!
GOOGLENEWS
