Arecibo – un'eredità sorprendente – Room: The Space Journal

Al grande pubblico, l'Osservatorio di Arecibo a Porto Rico è noto per attività diverse come la ricerca di intelligenza extraterrestre (SETI) e la fornitura di un set per film come Contact di Carl Sagan e James Il thriller di Bond Goldeneye. Tuttavia, come spiega l'ex vicedirettore Joan Schmelz, lo storico osservatorio è celebrato principalmente per la sua eccezionale eredità scientifica nella radioastronomia e radar.

Sebbene l'ispirazione originale per il gigantesco telescopio dell'Osservatorio di Arecibo fosse lo studio della ionosfera, era ovvio fin dall'inizio che la radio e l'astronomia radar sarebbero state una parte importante della sua missione scientifica. Il sito è stato selezionato non solo per la dolina naturale che avrebbe sostenuto la parabola di 305 m, ma anche per far passare l'eclittica e la Via Lattea. La costruzione iniziò nel 1960 e la messa in servizio ufficiale ebbe luogo il 1 novembre 1963.

The 16 m tall ‘ground screen’ that surrounds the Arecibo telescope..The 16 m tall ‘ground screen’ that surrounds the Arecibo telescope..Lo 'schermo di terra' alto 16 m che circonda l'Arecibo telescopio per limitare il rumore termico della vegetazione locale e del terreno circostante il telescopio.


Fondamentali scoperte radio e radar dei primi anni includevano la velocità di rotazione del pianeta Mercurio e il periodo della pulsar del Granchio, una stella di neutroni rotante. Prima di Arecibo, si pensava che Mercurio fosse agganciato al Sole secondo le maree, con periodi orbitali e di rotazione di 88 giorni. Tuttavia, nel 1965, le osservazioni radar di Arecibo mostrarono che ciò non era vero: il periodo di rotazione effettivo è di 59 giorni, una risonanza orbitale, in cui il pianeta orbita due volte ogni tre rotazioni. Nel 1968, Arecibo scoprì che sporadici impulsi radio dalla direzione del residuo di supernova della Nebulosa del Granchio erano generati da una pulsar con un periodo di soli 33 millisecondi. Questa è stata la prima di una lunga serie di scoperte di pulsar fatte ad Arecibo.

Aggiornamenti

Le scoperte radio e radar fondamentali dei primi anni includevano la velocità di rotazione del pianeta Mercurio e il periodo della pulsar del Granchio

Nel 1974 il telescopio di Arecibo ricevette il suo primo significativo potenziamento. La superficie in rete metallica del piatto da 20 acri è stata sostituita con una serie di circa 40.000 pannelli in alluminio perforato. Ciò ha portato a una nuova superficie ad alta precisione con un'accuratezza quadratica media (RMS) inferiore a 3 mm, che consente una risposta in frequenza fino a 2 GHz. Ciò significava che la linea di 21 cm di idrogeno neutro, che domina il mezzo interstellare della Via Lattea e le galassie lontane, poteva ora essere osservata ad Arecibo. L'aggiornamento includeva anche l'aggiunta del trasmettitore in banda S (2380 MHz/13 cm) per migliorare gli studi radar delle superfici planetarie.

Gli aggiornamenti erano ancora in corso quando avvenne la prossima grande scoperta di Arecibo. Ciò ha comportato la scoperta della prima pulsar in un sistema binario, che ha portato a un'importante conferma della teoria della relatività generale di Einstein. Il Premio Nobel per la Fisica 1993 è stato assegnato agli astronomi Russell Hulse e Joseph Taylor per “la scoperta di un nuovo tipo di pulsar, una scoperta che ha aperto nuove possibilità per lo studio della gravitazione”. Infatti, i cambiamenti osservati nel periastrone del sistema binario – il punto di massimo avvicinamento – hanno portato alla prima evidenza indiretta di onde gravitazionali.

Il primo rilevamento radar di un asteroide che attraversa la Terra, Apollo 1862, è stato effettuato nel 1980 e, un anno dopo, sono state prodotte le prime mappe radar della superficie geologica di Venere. Le osservazioni ottiche di Venere vedono solo le sommità delle nuvole, ma il radar può penetrare le nuvole e rivelare i dettagli della superficie.

19-ottantadue ha segnato la scoperta del primo OH Megamaser, Arp 220, la galassia infrarossa ultraluminosa più vicina, che si è fusa con un'altra galassia e sta subendo un'esplosione di formazione stellare . Un maser è analogo a un laser – acronimo di amplificazione della luce mediante emissione stimolata di radiazioni – con la luce “sostituita” dalla radiazione alle frequenze delle microonde. L'inversione della popolazione degli atomi necessaria per l'emissione del maser è prodotta in Arp 220 dalla radiazione infrarossa della polvere interstellare riscaldata dalle stelle appena nate.

Anche la prima pulsar al millisecondo, PSR 1937+21, è stata scoperta nel 1982. Ha un periodo di impulso di 1,6 millisecondi, il che significa che la stella di neutroni ruota 640 volte al secondo. Ciò ha stabilito l'esistenza di una seconda classe di pulsar e ha richiesto nuovi modelli per spiegare la rotazione ultraveloce.

Nel 2001, il telescopio di Arecibo ha celebrato il nuovo secolo ottenendo il riconoscimento come pietra miliare dell'ingegneria elettrica IEEE e punto di riferimento dell'ingegneria meccanica ISME

Poi, nel 1992, è stato rilevato ghiaccio nei crateri in ombra ai poli nord e sud di Mercurio. Persiste nonostante le temperature fino a 425C sulla superficie del pianeta. La scoperta del primo esopianeta è stata fatta anche nel 1992; faceva parte di un sistema planetario di almeno tre pianeti simili alla Terra attorno alla pulsar PSR 1257+12 al millisecondo.

Il 1997 ha segnato un secondo importante upgrade per Arecibo con l'installazione del doppio riflettore Gregoriano. Questo ha sostituito l'alimentazione di linea, che raccoglieva la radiazione lungo un asse, con un riflettore gregoriano che trasformava efficacemente il piatto sferico in un paraboloide che funziona a tutte le frequenze. Anche il trasmettitore in banda S è stato aggiornato a un sistema da un megawatt. L'anno successivo, la NASA e l'ESA persero il contatto con il satellite SOHO, l'osservatorio solare ed eliosferico, e il nuovo radar di Arecibo riuscì a trovarlo facendovi rimbalzare un segnale. Questo è stato il primo passo per ristabilire i contatti e SOHO è stato in seguito in grado di riprendere le operazioni scientifiche.

The instrument platform of the 305 m telescope...The 16 m tall ‘ground screen’ that surrounds the Arecibo telescope..

Nuovo secolo

Nel 2001, il telescopio di Arecibo ha celebrato il nuovo secolo ottenendo il riconoscimento come pietra miliare dell'ingegneria elettrica IEEE e un ingegneria meccanica ISME Punto di riferimento.

Continuando le grandi scoperte, nel 2003, il sistema radar planetario ha trovato prove di laghi di idrocarburi sulla luna di Saturno Titano. E pochi anni dopo, furono scoperte molecole organiche complesse in Arp 220, la prima galassia Megamaser trovata da Arecibo nel 1982. Queste molecole sono i mattoni fondamentali che hanno rilevanza per le origini della vita nell'universo. Il primo sistema a tre asteroidi, 2001 SN263, è stato scoperto nel 2008.

The instrument platform of the 305 m telescope...The 16 m tall ‘ground screen’ that surrounds the Arecibo telescope..

Nel 2012, Arecibo ha partecipato a un esperimento di linea di base molto lungo (VLBI) con il RadioAstron russo, un radiotelescopio di 10 metri lanciato dall'agenzia spaziale russa in un'orbita terrestre altamente ellittica. Questa collaborazione ha formato il più grande telescopio di sempre, con una linea di base 20 volte più grande della Terra! Un importante risultato del lavoro congiunto Arecibo-RadioAstron è stata l'osservazione che la temperatura del quasar 3C 273 è così alta da costringere gli astronomi a riconsiderare il meccanismo di emissione di sincrotrone invocato decenni fa per spiegare questi forti segnali radio.

Arecibo ha scoperto anche due pulsar che subiscono un “atto cosmico di fuga”, a volte “acceso” e poi “scomparso” per periodi molto lunghi

Arecibo ha poi aderito a una campagna VLBI pluriennale per misurare la distanza dall'ammasso stellare delle Pleiadi e risolvere la controversia creata dalle misurazioni dal satellite Hipparcos , che è stato operativo dal 1989 al 1993. Queste osservazioni hanno utilizzato l'ampia area di raccolta di Arecibo per tracciare i movimenti delle stelle radio ultra-deboli e ricavare una nuova distanza indipendente. Nel 2014 sono stati annunciati risultati di accuratezza senza precedenti a supporto delle misurazioni a terra.

Arecibo telescope control room.The 16 m tall ‘ground screen’ that surrounds the Arecibo telescope.. Sala controllo telescopio Arecibo.

Lo stesso anno, Arecibo ha scoperto il secondo asteroide vicino alla Terra binario (NEA) di massa uguale, 1994 CJ1 – il primo, (68230) Hermes, scoperto da Arecibo nel 2003. Arecibo Radar ha continuato ad avere un record -anno stabilito nel 2015, rilevando 95 NEA, 35 dei quali potenzialmente pericolosi e 23 di interesse per future missioni spaziali robotiche o con equipaggio.

Anche nel 2014 Arecibo ha rilevato un secondo impulso da un Fast Radio Burst (FRB), che ha fatto la storia come la prima osservazione di un FRB che si ripete. Gli FRB sono impulsi radio astronomici della durata di millisecondi che sembrano extragalattici, ma hanno un'origine astrofisica sconosciuta. Un FRB ripetuto dimostra inequivocabilmente che la sua fonte sopravvive agli eventi energetici che causano le esplosioni ed esclude un'intera classe di modelli che richiedono esplosioni catastrofiche. In concerto con altri telescopi in tutto il mondo, Arecibo ha localizzato la sorgente del segnale, nel 2016, in una galassia nana distante tre miliardi di anni luce.

Basandosi sul suo precedente lavoro con le onde gravitazionali, Arecibo ha supportato il lavoro di NANOGrav, il North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves, che utilizza una serie di pulsar millisecondi ad alta precisione per cercare variazioni nei tempi di arrivo dell'impulso in funzione dell'angolo e misurare la deformazione prodotta come deformazioni spazio-temporali. I dati di Arecibo rilasciati nel 2015 sono serviti a porre vincoli all'ampiezza della deformazione delle onde gravitazionali mentre il team di NANOGrav ha continuato la sua ricerca per scoprire le onde gravitazionali dai sistemi binari di buchi neri supermassicci.

The road below the telescope’s main reflector dish.The 16 m tall ‘ground screen’ that surrounds the Arecibo telescope..La strada sotto il riflettore principale del telescopio.


Risultati recenti

Le scoperte scientifiche rivoluzionarie sono rese possibili fornendo capacità di osservazione uniche, strumentazione all'avanguardia e supporto logistico

I recenti ritrovamenti astronomici di Arecibo sono impressionanti per la loro varietà e importanza. In un altro studio fondamentale, un'indagine di Arecibo sull'idrogeno interstellare, noto con il suo acronimo GALFA-HI, ha rivelato che il gas neutro è strettamente accoppiato ai campi magnetici. Questa situazione apparentemente improbabile potrebbe essere spiegata da una popolazione di elettroni galattici freddi, che potrebbe persino influenzare la nostra capacità di interpretare il fondo cosmico a microonde.

Arecibo ha scoperto anche due pulsar che subiscono un “atto cosmico di fuga”, a volte “acceso” e poi “scomparso” per periodi di tempo molto lunghi. La scoperta implica che ci sia un numero estremamente elevato di queste pulsar con atto evanescente, che potrebbe superare di gran lunga il numero delle pulsar regolari. Sebbene la spiegazione del comportamento On-Gone rimanga un enigma, potrebbero ridefinire ciò che pensiamo come “normale” per una pulsar.

Inoltre, le osservazioni di Arecibo hanno fissato lo standard per determinare se la costante fondamentale in fisica, la costante di struttura fine, sia davvero una costante. Questa costante descrive l'interazione elettromagnetica tra particelle cariche elementari e il suo valore è cruciale per comprendere la natura degli spettri atomici, che a sua volta consente agli astronomi di misurare la velocità radiale delle galassie da cui si osservano queste righe spettrali. Le osservazioni hanno portato alla scoperta che le galassie sembrano allontanarsi l'una dall'altra con velocità che aumentano con la distanza tra loro e questa è una manifestazione dell'espansione dell'universo a seguito del Big Bang. Le osservazioni delle molecole di idrossido in una nube che circonda un lontano quasar mostrano che la costante di struttura fine non è cambiata di più di 1,3 parti su un milione in tre miliardi di anni.

Per quanto riguarda le osservazioni radar planetarie di Arecibo di asteroidi vicini alla Terra, i dati del lontano 1999 hanno fornito informazioni vitali sull'orbita e le proprietà fisiche del NEA chiamato Bennu. Questi risultati hanno aiutato la NASA a selezionare Bennu come obiettivo per la missione OSIRIS-REx, che è atterrata su Bennu nel 2018 e restituirà un campione di asteroide sulla Terra nel 2023.

In 2020, an international team of researchers using data from Arecibo ObservatoryThe 16 m tall ‘ground screen’ that surrounds the Arecibo telescope.. Nel 2020, un team internazionale di ricercatori che utilizzano i dati dell'Osservatorio di Arecibo e del Fermi Space Telescope ha annunciato sulla rivista Nature Astronomy la scoperta di quello che hanno chiamato un “battito cardiaco a raggi gamma” proveniente da una nube di gas cosmico. La nuvola si trova nella costellazione dell'Aquila e “batte” al ritmo di un buco nero distante 100 anni luce in un sistema di microquasar noto come SS 433.

Sogni infranti

Anche mentre piangiamo la perdita di questa meraviglia ingegneristica del mondo, celebriamo l'incredibile eredità scientifica di Arecibo

In generale, scoperte scientifiche rivoluzionarie sono rese possibili fornendo capacità di osservazione uniche, strumentazione all'avanguardia e supporto logistico. La visione strategica di Arecibo per il futuro mirava a creare un ambiente in cui scoperte come queste continuassero e scientifiche all'avanguardia fossero quasi garantite con l'installazione anticipata dell'Advanced L-band Phased Array Camera per Arecibo (ALPACA), una nuova generazione, criogenicamente- strumento di indagine raffreddato. Nel frattempo, si prevedeva che gli aggiornamenti previsti al trasmettitore radar planetario e ai sistemi di acquisizione dati avrebbero aumentato il tasso di rilevamento annuale dei NEA da 100 a 150 e avrebbero svolto un ruolo sempre più vitale nella difesa planetaria. Tuttavia, questi sogni di scienza futura si sono conclusi il 1° dicembre 2020, quando la piattaforma del riflettore gregoriano di questo iconico radiotelescopio è caduta sulla terra.

Ma anche se piangiamo la perdita di questa meraviglia ingegneristica del mondo, celebriamo l'incredibile eredità scientifica di Arecibo. Il suo posto unico nella storia della scienza come il più grande radiotelescopio del mondo e il più potente radar planetario ha portato a centinaia di scoperte relative a pulsar, galassie, asteroidi, comete, pianeti, esopianeti e molto altro ancora.

Circa l'autore

La dott.ssa Joan Schmelz è direttrice del programma post-dottorato della NASA presso la Universities Space Research Association (USRA) e la sua ricerca riguarda l'osservazione dei circuiti coronali solari e lo sviluppo di vincoli per i modelli di riscaldamento coronale. È stata vicedirettore dell'Osservatorio di Arecibo (2015-18) e Associate Director per Science & Public Outreach presso SOFIA (2018-19). È stata responsabile del programma per la Divisione di scienze astronomiche della National Science Foundation (2013-15) e professoressa all'Università di Memphis per oltre 20 anni. Schmelz è anche Senior Vice President dell'American Astronomical Society ed ex presidente del Committee on the Status of Women in Astronomy; tiene conferenze e scrive su argomenti come i pregiudizi inconsci, la minaccia degli stereotipi e il divario di genere. È stata premiata nel 2015 come una delle prime dieci persone di Nature che hanno fatto la differenza nella scienza per il suo lavoro contro le molestie sessuali.

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