Lo scorso 30 aprile, a Santiago in Cile, si è celebrato il completamento del "Tokyo Atacama Observatory" (TAO), uno strumento da record dotato di uno specchio di 6,5 metri e posto sulla cima del monte Cerro Chajnantor a ben 5640 metri sul livello del mare, nel deserto settentrionale di Atacama, la stessa regione in cui sorge il grande osservatorio ALMA per le onde sub-millimetriche.
Una delegazione giapponese visita Alma e osserva dal basso il picco di Cerro Chajnantor (5,640m) - Credits: IOA/University of Tokyo/Atacama Observatory Project
L'idea di costruire un telescopio di dimensioni simili a quelle del Webb nel luogo più asciutto del mondo e ad una altezza da record è nata nel 1998 ed è passata prima per l'installazione di un prototipo di 1 metro (mini-TAO) nel 2009, per poi iniziare a costruire il modello "full-scale" nel 2012. La costruzione ha richiesto l'uso obbligatorio di bombole di ossigeno da parte dei lavoratori, data l'estrema rarefazione dell'aria che, a quella quota, la densità atmosferica è poco sotto il 56% di quella al livello del mare, mentre la pressione media è più che dimezzata! Lo scopo è quello di effettuare ricerche all'avanguardia in astronomia e astrofisica, che coprano una vasta gamma di settori, dall'universo lontano al sistema solare, ma anche quello di formare la prossima generazione di giovani ricercatori nipponici.
Struttura del telescopio, decisamente compatta graze allo specchio monolitico a corta focale (f/1,25) e posto su un alto pilastro di cemento per evitare il disturbo termico emesso dai corpi umani. - Credits: IOA/University of Tokyo/Atacama Observatory Project
Poiché l'astronomia è lo studio di vari fenomeni nell'Universo, le osservazioni su un ampio intervallo di lunghezze d'onda sono essenziali per comprenderne le proprietà. L'astronomia a infrarossi ha la seconda storia più lunga, dopo l'astronomia ottica, e si è rivelata molto utile per fornire nuove informazioni. Tuttavia, le osservazioni alle lunghezze d'onda dell'infrarosso non sono facili perché la luce infrarossa è fortemente assorbita dall'atmosfera terrestre, specialmente alle lunghezze d'onda in cui il vapore acqueo assorbe la radiazione. Per questo il telescopio TAO è stato costruito nel sito più alto del mondo, dove l'atmosfera è eccezionalmente trasparente anche nell'infrarosso. Le cosiddette “finestre” atmosferiche, chiamate bande J, H e K sono come dei "buchi di serratura" per i telescopi tradizionali, ma in questo sito eccezionale esse si fondono in un’unica finestra accessibile. Inoltre, nel medio infrarosso appare una nuova finestra da 25 a 40 micron, lunghezze d'onda normalmente accessibili solo ai palloni stratosferici e ai satelliti posti fuori dall'atmosfera (si veda la figura sottostante).
Confronto sulla trasmittanza atmosferica nel sito Chajnantor di TAO (in rosso) e nel sito Paranal del VLT (azzurro). La scala della lunghezza d'onda è logaritmica fino a 5 μm e poi diventa lineare - Credits: IOA/University of Tokyo/Atacama Observatory Project - Processing: Marco Di Lorenzo
Per sfruttare questo eccellente ambiente di osservazione, il telescopio TAO dispone di due strumenti all'avanguardia. SWIMS (Simultaneous-color Wide-field Infrared Multi-object Spectrograph) è uno spettrografo ottimizzato per le osservazioni nel vicino infrarosso, da 0,9 a 2,5 micron in due diverse bande; il suo ampio campo visivo di quasi 10 primi d'arco consente di effettuare indagini con alta efficienza, che è una chiave per studiare l'evoluzione delle galassie, la cosmologia e la ricerca di rari oggetti.
Due grafici illustrano la potenza di indagine infrarossa dei progetti attuali e futuri. A sinistra, la risoluzione in funzione della lunghezza d'onda, a destra l'area di cielo abbracciata in funzione della luminosità degli oggetti più deboli rilevabili..- Credits: IOA/University of Tokyo/Atacama Observatory Project - Processing: Marco Di Lorenzo
La luce alle lunghezze d'onda del medio infrarosso più lunghe viene osservata dallo strumento MIMIZUKU (Mid-Infrared Multi-mode Imager for gaZing at the UnKnown Universe). Copre una gamma di lunghezze d'onda molto ampia da 2 a 38 micron accessibile, nella porzione superiore, solo a questo strumento sulla Terra. Grazie alla sua maggiore risoluzione spaziale, rispetto ai telescopi satellitari in questo intervallo di lunghezze d'onda, MIMIZUKU è uno strumento molto potente per studiare la formazione dei pianeti e l'origine dei materiali. Inoltre, MIMIZUKU ha una funzione unica di osservazioni simultanee di due campi visivi distinti, che ci consente di effettuare un monitoraggio accurato nel medio infrarosso.
Due esempio di "casi scientifici" con TAO
Tra i numerosi progetti scientifici a disposizione del telescopio TAO, i due più importanti riguardano l'origine delle galassie e dei pianeti.
La luce proveniente dalle prime galassie subisce lo "spostamento al rosso" che ne indebolisce la luce e la sposta verso le lunghezze d'onda dell'infrarosso. L'atmosfera trasparente nel vicino infrarosso e l'ampio campo visivo a disposizione di TAO/SWIMS consentono di indagare efficacemente il processo attraverso il quale il gas si accumula nelle protogalassie, la storia della formazione stellare e lo studio delle popolazioni stellari presenti solo nell'universo primordiale. Questo viene esemplificato nella seguente immagine che mostra lo spettro dello stesso quasar con tre diversi valori di "red shift" z, a confronto con il limite di sensibilità spettroscopica di TAO (curva nera).
Simulazione di osservazioni spettroscopiche di quasar ad alto redshift mediante TAO (risoluzione spettrale R=5.000 e tempo di esposizione di 10000 sec). L'intervallo ombreggiato è la copertura della lunghezza d'onda della spettroscopia TAO. - Credits: IOA/University of Tokyo/Atacama Observatory Project - Processing: Marco Di Lorenzo
Nello studio degli esopianeti, è essenziale indagarne l'origine nei dischi di polvere attorno alle stelle di pre-sequenza principale. Questi dischi protoplanetari non brillano alle lunghezze d'onda ottiche, ma sono molto luminosi nel medio infrarosso. Si prevede che la capacità di "imaging" a 30 micron del TAO rivelerà per la prima volta i dettagli del processo di formazione dei pianeti. Le immagini nel medio infrarosso con alta risoluzione spaziale ottenute da TAO ci forniranno preziose informazioni sul processo di formazione della polvere e sulla sua composizione chimica.
Qui sopra, a sinistra vediamo un modello e due immagini registrate con mini-TAO sulla nebulosa planetaria NGC6302. I contorni rossi e verdi mostrano rispettivamente l'emissione a 18 e 31 micron e quest'ultima appare leggermente decentrata, indicando che esiste un toro di polvere più freddo nella regione centrale della nebulosa. A destra, invece, la curva rossa mostra lo spettro di omicron Ceti, mentre le curve verde e blu mostrano spettri di un'altra variabile di tipo Mira in due fasi differenti. La trasmittanza atmosferica ad un'altitudine di 2600 m (Paranal; blu), 4200 m (Quimal; verde) e 5640 m (Chajnantor; rosso) fa intuire come, per vedere caratteristiche complesse corrispondenti a varie molecole attorno alle stelle, è assolutamente necessaria una copertura spettrale ampia e continua.
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