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Gen 30, 2018

Che cos’è un pulsar e perchè può essere il nostro faro per la navigazione interstellare

È da anni che si pensa di utilizzare questi orologi cosmici come fari interstellari per permettere ad ipotetiche navi spaziali di orientarsi nello spazio. Mancava però una prova sul campo. Ora è arrivata

Quando spiego ai miei studenti cosa sia un pulsar uso spesso l’analogia con un faro, di quelli che per millenni hanno aiutato i marinai ad orientarsi, specie nelle notti buie e tempestose. Proprio come i fari, i pulsar emettono un cono di radiazione che ruota con una periodicità ben determinata che è sempre unica e permette di capire di quale faro si tratti.

 

Parliamo di oggetti con massa non molto diversa da quelli del sole compressa in un raggio di una dozzina di chilometri. Il processo avviene durante l’esplosione di una stella molto più massiccia del sole che finisce la sua vita diventando una supernova. A seguito di una irreversibile crisi energetica, la stella collassa comprimendo il nucleo fino a densità difficili persino da immaginare.

 

Si forma quella che gli astronomi chiamano una stella di neutroni, in effetti un cadavere di stella super densa, super magnetica e super veloce perché, oltre alla massa, ha ereditato dalla stella madre il campo magnetico e l’energia rotazionale che si sono dovuti adattare al volume minuscolo dove sono stati imprigionati dal collasso gravitazione. Dal momento che l’energia rotazionale e quella magnetica si devono conservare, il risultato è una stellina superveloce e supermagnetica.

 

Il campo magnetico di una stella di neutroni è un milione di milioni di volte più intenso di quello che fa orientare la bussola sulla Terra. Anche la velocità di rotazione è sbalorditiva. Le stelle di neutroni pigre ruotano con periodi di pochi secondi, quelle più veloci raggiungono pochi millesimi di secondo. Queste condizioni così estreme rendono le stelle di neutroni degli orologi super precisi.

 

La fisica ci insegna che un campo magnetico in movimento induce corrente elettrica e le stelle di neutroni sono supercalamite che ruotano velocissimamente producendo campi elettrici spaventosi in grado di accelerare particelle fino alle velocità prossime a quelle della luce. Muovendosi all’interno di uno spazio permeato da un fortissimo campo magnetico le particelle emettono radiazione radio, ottica X e gamma organizzata in fasci che emergono dalle zone polari del campo magnetico. In questo modo le stelle di neutroni producono fasci da radiazioni rotanti, proprio come i fari.

Ogni stella ha il suo periodo di rotazione, quindi, se misuro un certo periodo, so quale è la stella responsabile.

L’utilizzo dei pulsar come fari interstellari

È da anni che si pensa di utilizzare questi orologi cosmici come fari interstellari per permettere ad ipotetiche navi spaziali di orientarsi nello spazio senza bisogno dell’aiuto delle stazioni di controllo ancorate a terra. L’idea ricalca da vicino il principio di funzionamento del Global Positioning System (GPS), i cui satelliti sono proprio degli orologi super precisi che continuano ad inviare una specie di segnale orario. Il rivelatore GPS del nostro telefonino ci geolocalizza perché calcola il tempo intercorso tra l’emissione del segnale da parte dal satellite e il momento nel quale viene ricevuto (a meno di correzioni di relatività generale che trascureremo). Ripetendo l’esercizio con tre satelliti riusciamo a calcolare la nostra posizione sulla base della nostra distanza dai satelliti dei quali sappiamo con precisione la posizione.

 

Si chiama triangolazione ed è una tecnica vecchia come il mondo (o quasi). La sfida è adattare la tecnica della triangolazione all’ambiente spaziale. Tutto sta a trovare punti di riferimento e a saper calcolare la distanza tra noi e loro.

 

Quando navighiamo nello spazio, la sonda si muove rispetto ai pulsar e questo fa cambiare di una quantità piccola ma misurabile la loro velocità di rotazione, vista dai nostri strumenti. E’ l’effetto sirena dell’ambulanza in base al quale capiamo se l’ambulanza viene verso di noi o si allontana. Combinando le piccolissime variazioni nella frequenza dei segnali prodotti da diversi fari cosmici (dei quali consociamo con precisione la posizione) si potrà calcolare la posizione di una sonda in viaggio per il sistema solare senza chiedere aiuto dalla stazione di controllo.

Sarà la triangolazione cosmica a dirci dove ci troviamo e in che direzione ci stiamo muovendo

Il test sul campo con NICER

Calcoli teorici avevano “validato” la tecnica, ma mancava il test sul campo. Test che è stato condotto sulla Stazione Spaziale utilizzando lo strumento NICER, installato a giugno dello scorso anno. NICER è stato progettato per studiare l’emissione pulsata delle stelle di neutroni con lo scopo di misurare le loro dimensioni e rispondere ad alcune domande di fisica fondamentale. Per condurre il test di navigazione interstellare, lo strumento è brevemente diventato SEXTANT (per Station Explorer for X-ray Timing And Navigation Technology) e ha temporizzato con precisione 5 pulsar dedicando a ciascuno tra i 5 e i 15 minuti.

 

Utilizzando solo le informazioni fornite dallo strumento, insieme alle conoscenze sulla posizione e frequenza dei pulsar, è stato possibile ricostruire la posizione della Stazione Spaziale Internazionale con una precisione di 5 km. Considerando che la Stazione si muove a 8 km al secondo, si può sicuramente dire che SEXTANT ha fatto un buon lavoro.

 

E’ ragionevole pensare che, per orientarsi nello spazio, le prossime sonde spaziali si doteranno di un piccolo telescopio X. Dal momento che si possono utilizzare solo i pulsar più brillanti, non c’è bisogno di strumenti particolarmente grandi e costosi. Con appena 5 kg si potrebbe realizzare un localizzatore spaziale. Gli sceneggiatori dei prossimi episodi di StarWars sono avvertiti.

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