La prima immagine di CHEOPS, il satellite che studierà in dettadlio gli esopianeti

La stella al centro dell’immagine è Hd 70843 e si trova a 150 anni luce da noi nella costellazione del Cancro. L’immagine è di circa 1000 × 1000 pixel. Un pixel rappresenta un angolo di circa 0.0003 gradi (1 secondo d’arco) nel cielo. Le altre stelle più deboli nell’immagine sono sullo sfondo rispetto Hd 70843. L’oggetto nell’angolo in basso a destra mostra una regione di circa 100 pixel di larghezza centrata sulla stella.

La peculiare forma della stella nell’immagine è dovuta alla defocalizzazione mirata dell’ottica CHEOPS. CHEOPS misura la luce stellare aggiungendo la luce ricevuta in tutti i pixel all’interno di una regione illustrata dal cerchio. La sfocatura diffonde la luce su molti pixel, il che consente a CHEOPS di raggiungere la migliore precisione fotometrica possibile.

CHEOPES prima luce
L’immagine qui sopra copre circa 1000 x 1000 pixel, e il lato di ogni pixel corrisponde e un angolo di cielo di circa 0.0003 gradi, equivalente a meno di un millesimo del diametro della Luna piena. Nel dettaglio in basso a destra, un’area di circa 100 x 100 pixel centrata su Hd 70843, la stella osservata. Crediti: Esa/Airbus/Cheops Mission Consortium

L’analisi preliminare ha dimostrato che le immagini di CHEOPS sono persino migliori del previsto. L’immagine sfocata in figura non è un erroreì e non ci sarà bisogno di un intervento di riparazione come avvenne per il telescopio spaziale Hubble: questa volta è volutamente sfocata – o meglio, defocused, come la definiscono gli astronomi.

Questo perché lo scopo di Cheops non è compilare un bell’album di fotografie suggestive di stelle e pianeti, bensì calcolare l’esatto diametro di esopianeti già conosciuti. Per riuscirci deve misurare – con estrema precisione – la quantità di luce che riceviamo da ogni stella quando il pianeta del quale si vuole prendere la taglia le passa innanzi. Più la luce cala, più il pianeta è grande. Sapendo esattamente quanto la luce cala si può risalire a quanto il pianeta è grande.

Il buon funzionamento di CHEOPS verrà ulteriormente testato nei prossimi due mesi. “Analizzeremo molte più immagini in dettaglio per determinare l’esatto livello di precisione che può essere raggiunto da CHEOPS nei diversi aspetti del programma scientifico”, afferma David Ehrenreich, scienziato del progetto CHEOPS all’Università di Ginevra. “I risultati finora promettono bene”, ha detto Ehrenreich.

Ora, per quanto sia controintuitivo, dovendo misurare quanto cala la luce al transito del pianeta, non aver messo l’immagine perfettamente a fuoco è un vantaggio. Questo perché la luce viene acquisita attraverso un rivelatore Ccd composto da moltissimi pixel – un milione. E sparpagliare la luce della stella su più pixel rende la misura più precisa, in quanto meno soggetta all’errore dovuto alle inevitabili differenze nella risposta dei singoli pixel e alle variazioni del puntamento del telescopio.

Insomma, queste appena arrivate sono esattamente le immagini che gli scienziati si aspettavano. E che attendevano con ansia. «Sapevamo che le prime immagini di un campo stellare sarebbero state cruciali, perché ci avrebbero permesso di capire se l’ottica del telescopio era sopravvissuta senza problemi al lancio del razzo», spiega il principal investigator di Cheops, Willy Benz, dell’Università di Berna (in Svizzera). «Quando le abbiamo viste apparire sullo schermo, è stato subito chiaro a tutti che avevamo davvero un telescopio funzionante».

«Per noi è un’immagine spettacolare», conferma Isabella Pagano, direttrice dell’Inaf di Catania e responsabile in Italia per Cheops. «I primi risultati sono veramente eccezionali, e ci dicono che lo strumento sta funzionando al top, come meglio non potevamo sperare».

Quanto all’aspetto spigoloso della stella, era previsto anche questo. «Il dettaglio dell’immagine sfuocata di questa stella», spiega infatti a Media Inaf un altro degli scienziati del team di Cheops, Roberto Ragazzoni, direttore dell’Inaf di Padova, «riflette esattamente quello che ci aspettavamo: le ombre dei tre supporti dello specchio secondario e la zona centrale della distribuzione di luce – chiaramente visibili – fanno sì che il segnale sia particolarmente immune ai piccoli errori di puntamento del telescopio.

Cheops infatti è un potente e preciso fotometro, il suo compito non è quello di ottenere immagini della stella (peraltro inutili, considerando che con questo telescopio apparirebbe praticamente puntiforme) ma di misurarne il flusso, mediando su un migliaio di pixel le inevitabili imperfezioni del rivelatore».

«Ora che Cheops ha osservato il suo primo obiettivo», conclude Kate Isaak, project scientist Esa di Cheops, «siamo più vicini all’inizio della missione scientifica. Questa immagine meravigliosamente sfocata porta la promessa di una nuova, più profonda comprensione dei mondi al di là del Sistema solare».

Gli obiettivi di CHEOPS

Cheops non è pensato per scoprire nuovi esopianeti, ma piuttosto per determinare le caratteristiche di pianeti extrasolari già conosciuti con una precisione senza precedenti. Si tratta di un satellite a basso costo (50 milioni di euro da parte di Esa, circa 100 milioni complessivi), progettato da un consorzio a guida svizzera formato da 11 paesi europei, in cui l’Italia ha avuto un ruolo determinante.

Il 90 per cento verrà dedicato a un programma di osservazioni meticolosamente stilato dallo science team di Cheops, il cui obbiettivo principale è quello di studiare la struttura di esopianeti più grandi della Terra e più piccoli di Nettuno, realizzato osservando il transito dei pianeti medesimi davanti alla loro stella ospite, utilizzando una tecnica chiamata fotometria di transito di altissima precisione. Inoltre, determinare la massa di esopianeti di cui si conosce la dimensione, ricavandone quindi la densità, valore cruciale per determinare se un pianeta sia roccioso o meno.

Approfondire la conoscenza di esopianeti di cui si conosce già la densità, concentrandosi in particolare su pianeti di piccola taglia, con caratteristiche peculiari o in sistemi multipli. Benché la sonda non sia dotata di uno spettrografo, e quindi non sia in grado di determinare la composizione di un’atmosfera planetaria, un’altra parte del programma di base verrà dedicato ad osservare i cambiamenti nella luce della stella dovuti alla riflessione del pianeta mentre vi compie un’intera orbita attorno, una tecnica che permette di ottenere informazioni sulle atmosfere planetarie, ad esempio deducendo la presenza di nuvole.

Un ulteriore punto del programma sarà indirizzato a determinare caratteristiche speciali di alcuni pianeti, come la presenza di lune o di gli anelli, o la deformazione mareale causata dall’attrazione gravitazionale della stella. Nonostante sia una missione di follow-up – come si dice in termine tecnico, cioè di osservazioni successive – su esopianeti già conosciuti, Cheops possiede comunque un potenziale per nuove scoperte.

Altro punto del programma è infatti dedicato alla ricerca di nuovi pianeti attorno a stelle brillanti, utilizzando una varietà di approcci diversi, che renderanno possibile anche la ricerca dei cosiddetto eso-troiani, piccoli corpi celesti che condividono l’orbita di un pianeta extrasolare conosciuto.

Infine, il satellite sarà dedicato ad altre aree di ricerca, quali fisica stellare e planetologia, ognuna con una particolare rilevanza per gli studi esoplanetari.

Tecniche d’osservazione per pianeti extrasolari

Il cosiddetto ”defocusing”, distribuendo la luce su una superficie maggiore, permetterebbe di raggiungere precisioni molto elevate, ed è utile nel caso dei telescopi spaziali. Ne parliamo con Roberto Ragazzoni dell’Inaf di Padova, membro del board di Cheops.

È stato pubblicato il 5 ottobre scorso su The Astrophysical Journal un articolo che attesta la precisione delle misure ottiche raggiungibili da Terra per l’osservazione di esopianeti grazie all’utilizzo di un dispositivo ottico testato da un gruppo di astronomi della Penn State University. Il dispositivo oggetto di studio – tecnicamente un beam-shaping diffuser, prodotto nei laboratori della Rpc Photonics di Rochester (New York) – è un micro-componente ottico con il compito di distribuire la luce, proveniente dalla stella, su una superficie del sensore ottico maggiore di quella che coprirebbe senza diffuser.

Diffusore e relativo schema ottico
Diffusore e relativo schema ottico. Crediti: RPC Photonics

Il test del dispositivo è stato condotto al telescopio Hale dell’Osservatorio Palomar, in California, al telescopio da 0.6 m Davey Lab Observatory della Penn State University e al telescopio Arc da 3.5 m dell’Apache Point Observatory, in New Mexico.

Ma perché “sparpagliare la luce” dovrebbe portare un beneficio alla qualità delle immagini?

A rovinare la qualità delle immagini da terra intervengono svariati fattori. In primis, costituisce un grande problema per gli astronomi e per chi progetta i telescopi l’atmosfera, che deteriora il seeing della immagini (è la distorsione che si cerca di correggere con i sistemi di ottica adattiva).

A parte i problemi relativi alla scintillazione del cielo – che riguardano solo le osservazioni da terra – rimane l’errore introdotto dalla disomogeneità nella risposta dei pixel del rivelatore, i quali non rispondono tutti allo stesso modo alla luce. Questo errore aumenta se la misura è basata su pochi pixel ma diminuisce proporzionalmente se si riesce a mediare la misura su un grande numero di pixel, compensando così statisticamente gli errori dei singoli pixel e ottenendo una migliore qualità dell’immagine.

Ecco dunque che la tecnica di distribuire la luce su una superficie maggiore – chiamata defocusing – permetterebbe di raggiungere precisioni molto elevate, ed è utile nel caso in cui quello introdotto dai pixel sia l’errore dominante, come succede nei telescopi spaziali, per i quali l’atmosfera non rappresenta un problema.

Ma è davvero efficace? Lo abbiamo chiesto a Roberto Ragazzoni, astronomo dell’Istituto nazionale di astrofisica all’Osservatorio di Padova, esperto di ottica e membro del board della missione spaziale europea Cheops (CHaracterizing ExOPlanets Satellite).

«Si tratta di un’applicazione interessante in tutte le situazioni in cui il telescopio o il rivelatore ottico non sono ottimali o allo stato dell’arte», spiega Ragazzoni. «Se applicata a telescopi sub-ottimali, questa tecnica permette di ottenere risultati molto buoni, pur non stabilendo un record nella qualità delle osservazioni (intendiamo sempre da Terra), consentendo di raggiungere un livello di misure di qualità medio-alta a una classe di rivelatori che altrimenti ne sarebbe esclusa.

Esistono misure effettuate con i migliori rivelatori a disposizione in modo tradizionale che mostrano una precisione anche superiore: per citare un esempio, quelle fatte dal gruppo di Valerio Nascimbeni per cercare transiti di pianeti da Terra».

Chiediamo a Ragazzoni se questo tipo di tecnica verrà utilizzato anche per Cheops, la missione europea destinata allo studio dei pianeti extrasolari in partenza nel 2018. Cheops avrà il compito di compiere osservazioni molto precise di stelle attorno alle quali è già nota la presenza di pianeti o di cui ci sono forti indizi, con l’obiettivo di studiare la struttura di pianeti extrasolari con raggi che vanno tipicamente da 1 a 6 volte quelli della Terra e con masse fino a 20 volte quella del nostro Pianeta, in orbita attorno a stelle luminose.

«Anche il nostro gruppo di ricerca aveva valutato questa soluzione per Cheops, testando lo stesso dispositivo oggetto dello studio in laboratorio (vedi Magrin et al., 2014), come citano anche loro nell’articolo. Nel caso spaziale questa tecnica avrebbe un piccolo margine di miglioramento netto, ma bisogna considerare», osserva Ragazzoni, «che sarebbe stata la prima volta che un dispositivo simile avrebbe volato nello spazio.

Sia per cause termiche sia per un possibile annerimento del vetro a causa delle radiazioni a cui il telescopio è esposto durante il periodo della permanenza in orbita, sarebbe stato troppo rischioso adottare questa soluzione».

L’esposizione prolungata del vetro comune (borosilicato) alle radiazioni cosmiche può infatti produrre un annerimento e variazione nella trasparenza, con la conseguente perdita di qualità dello strato riflettente degli specchi o di altri dispositivi ottici (lenti, eccetera). Per le applicazioni spaziali è normalmente utilizzata una miscela di borosilicato con altre sostanze (per gli specchi lo ZeroDur, per le lenti il BK7 a cui si aggiunge ossido di cerio), che conferiscono al vetro la tipica colorazione leggermente giallognola rendendolo stabile alle radiazioni anche per anni.

«Anche per Cheops si userà una tecnica di defocusing», conclude Ragazzoni, «ossia di sparpagliamento della luce sulla superficie del sensore, ma la qualità ottica del telescopio si giocherà tutta sulla stabilità, dote fondamentale nel campo spaziale. Proprio recentemente è stata verificata in Svizzera la stabilità del telescopio, garantita dalle strutture in carbonio, ed è stata testata con successo con una precisione di pochi nanometri».

 

Riferimenti e approfondimenti

  1. Leggi su The Astrophysical Journlal l’articolo “Towards Space-like Photometric Precision from the Ground with Beam-Shaping Diffusers“, di Gudmundur Stefansson, Suvrath Mahadevan
  2. Vai al sito di Cheops
  3. Amici della Scienza – Missione Alpha Centauri: funzionerà? Il progetto Breakthrough Starshot – 5 giugno 2019

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Ma siamo sicuri che non è un errore della fotocamera?
Insomma,tutte le altre stelle nell imagine sono a forma di diamante se è per questo

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