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Collaudato un “GPS galattico” per astronavi

La NASA ha dimostrato che è possibile sfruttare le particolari proprietà di una classe di stelle, le pulsar, per trovare la propria posizione ovunque nella galassia.

In queste pagine abbiamo spesso parlato del GPS (Global Positioning System), il sistema di posizionamento globale, basato sui satelliti, che ormai da diversi anni ha rivoluzionato il nostro modo di orientarci. L’infrastruttura alla base del GPS è molto più costosa e complessa di quanto possa sembrare all’utente finale, che può vedere e toccare fisicamente solo una piccola parte del sistema, costituita dai navigatori satellitari o gli smartphone abilitati che ormai si possono acquistare per poche decine o centinaia di euro. Ma il concetto alla base del funzionamento del GPS è in ogni caso relativamente semplice da spiegare: in orbita sopra le nostre teste, a circa 300 km di altezza, c’è una rete di satelliti artificiali, la cui traiettoria e velocità è calcolata in modo che almeno tre di essi siano sempre sopra l’orizzonte rispetto a quasi ogni punto delle superficie terrestre. Questi satelliti si comportano in modo analogo ai vecchi fari che aiutavano le navi a navigare di notte, trasmettendo un segnale radio a intervalli regolari e fissi. I comuni ricevitori GPS che si trovano a terra captano questi segnali e, calcolando quanti e quali satelliti hanno inviato questi segnali, e tenendo conto del ritardo tra quando il segnale è stato inviato e quando è stato ricevuto (poiché i segnali sono inviati a intervalli regolari, e viaggiano a una velocità fissa, quella della luce), sono in grado effettuare una triangolazione e trovare la propria posizione in qualsiasi punto della superficie terrestre e con un margine di errore di pochi metri.

Una ricostruzione del passaggio della sonda New Horizons vicino a Plutone. Fonte: www.airicerca.org

Ovviamente questo sistema è stato realizzato esclusivamente per orientarci sulla superficie del nostro pianeta, cioè una parte infinitamente piccola dello spazio fisico costituito dal nostro universo. Per la maggior parte di noi questa limitazione va più che bene, poiché non prevediamo a breve, purtroppo, di fare una vacanza nello spazio profondo, rischiando di perderci tra stelle e nebulose. Siamo però giunti a un momento della nostra civiltà in cui alcuni di noi cominciano ad avere la necessità di avere uno strumento affidabile per orientarsi nello spazio. Pensiamo per esempio agli scienziati che lanciano sonde robotizzate per esplorare gli altri corpi del nostro Sistema Solare, come la sonda New Horizons, di cui abbiamo già parlato, che ha raggiunto il lontanissimo pianeta nano Plutone dopo un viaggio durato ben nove anni. Far passare una sonda vicino a un corpo celeste relativamente piccolo posto a miliardi di km di distanza da noi, tenendo conto che nel frattempo la Terra, lo stesso Plutone e gli altri corpi celesti del sistema solare si muovono con diverse velocità e direzioni relative, ha richiesto calcoli complessi da parte degli scienziati della NASA, oltre a numerose correzioni di rotta della sonda, ciascuna delle quali è stata seguita col fiato sospeso dal centro di controllo sulla Terra. Queste correzioni “in viaggio” sono infatti complicate dal fatto che, come abbiamo visto, i segnali radio inviati per dare alla sonda il comando di “sterzare” viaggiano a una velocità fissa, quella della luce, ma nei casi delle sonde spaziali la distanza fra il punto in cui il segnale radio viene trasmesso, la Terra, e quella in cui viene ricevuto nello spazio è così grande che le onde radio impiegano anche diverse ore per andare da una parte all’altra. Questo significa che i comandi dati alla sonda devono essere inviati con un anticipo preciso alla frazione di secondo per giungere alla sonda in tempo, e che gli scienziati sulla Terra potranno scoprire se la manovra ha avuto successo solo ore dopo, cioè il tempo necessario al segnale per arrivare alla sonda e tornare indietro al centro di controllo. Questo sistema diventerà sempre meno pratico in futuro, quando le sonde inviate dalla Terra si spingeranno progressivamente più lontano, ai confini del Sistema Solare e oltre. Astronomi e ingegneri aerospaziali sono quindi alla ricerca di un sistema di navigazione spaziale che consenta alle astronavi che invieremo nel cosmo nei prossimi anni di orientarsi da sole nell’immensità dello spazio, cambiando rotta quando necessario e senza bisogno di comandi inviati dalla Terra: una specie di GPS galattico, insomma. Ovviamente è impossibile mandare nello spazio profondo satelliti come quelli del sistema GPS che orbitano intorno alla Terra. I loro trasmettitori radio sono troppo deboli per funzionare efficacemente sulle lunghe distanze astronomiche, e poi c’è il piccolo problema che, perché questi eventuali satelliti possano essere utili, bisognerebbe conoscere esattamente la loro posizione, ma per questo ci sarebbe bisogno di un sistema di navigazione… un serpente che si morde la coda, insomma.

Uno schema che mostra la struttura delle pulsar. Il doppio fascio blu a forma di cono rovesciato rappresenta la direzione in cui vengono sparati i segnali radio dalla nucleo della stella verso lo spazio. Fonte: www.blogs.scientificamerican.com

Fortunatamente, esistono già nello spazio oggetti celesti, del tutto naturali, che si comportano in modo sorprendentemente simile a quello dei satelliti del sistema GPS. Si tratta delle pulsar, un tipo particolare di stelle di neutroni. Le stelle di neutroni sono stelle che si sono formate dai resti dell’esplosione di un’altra stella, una supernova, e sono caratterizzate da un’estrema densità. Una stella di neutroni ha più o meno la stessa massa del Sole, ma questa è compressa in modo vertiginoso fino a formare una sfera di appena poche decine di km di diametro. Questa estrema densità fa sì che le stelle di neutroni abbiano un campo magnetico fortissimo, che nel caso delle pulsar si manifesta con due forti fasci di segnali radio, che vengono sparati fuori dalla stella in una traiettoria a forma di due coni contrapposti, i quali a loro volta ruotano a causa della veloce rotazione della stella. Il risultato è analogo a quello della luce di un vecchio faro, che viene concentrata dai riflettori fino a formare due fasci di luce rotanti a forma di cono. Quando noi osserviamo dalla Terra una pulsar che ha uno dei due coni di emissione rivolti verso di noi, da essa captiamo un forte segnale radio di carattere intermittente, che va e che viene a seconda della veloce rotazione della stella, e che sembra quindi “pulsare”, da cui il nome pulsar. La particolarità delle pulsar è che la loro “pulsazione” è quasi sempre molto regolare, poiché la loro velocità di rotazione è costante. La prima pulsar fu scoperta nel 1967 dall’astrofisica britannica Jocelyn Bell, che stava compiendo rilevamenti con un radiotelescopio, uno strumento costruito appositamente per ricevere i segnali radio emessi naturalmente dalle stelle e da altri corpi celesti. All’inizio l’andamento estremamente regolare del segnale radio emesso dalla pulsar sconcertò Bell e i suoi colleghi, che pensarono addirittura potesse essere un segnale inviato dagli extraterrestri, tanto che al segnale sconosciuto fu assegnato il nome in codice LGM, da little green man, “piccoli omini verdi”!

Un’illustrazione che mostra lo strumento NICER, l'oggetto cubico in primo piano, installato all’esterno della Stazione Spaziale Internazionale. Fonte www.nasa.gov

Si scoprì successivamente che le pulsar sono distribuite in modo pressoché uniforme in tutta la galassia, e che ciascuna emette un segnale radio dalle caratteristiche uniche, poiché viene sì emesso a intervalli regolari, ma tale intervallo è diverso per ciascuna stella. Non ci volle molto prima che scienziati e scrittori di fantascienza cominciassero a immaginare che queste caratteristiche uniche delle pulsar potessero essere usate come un sistema di navigazione stellare, che sfrutta le pulsar come l’equivalente dei vecchi fari usati della navi oppure, più propriamente, dei radiofari, le antenne che emettono segnali radio a intervalli regolari usati degli aerei per avvicinarsi alle piste di atterraggio degli aeroporti in condizioni di scarsa e nulla visibilità. Proprio come avviene con i satelliti del sistema GPS, un’astronave che fosse in grado di captare il segnale radio di almeno tre pulsar, e conoscesse il loro intervallo di pulsazione, sarebbe in grado di ricavare la propria posizione ovunque si trovasse negli abissi dello spazio. Per molti anni questa idea è rimasta però un’ipotesi fantascientifica, almeno fino alla settimana scorsa, quando la NASA ha annunciato di aver collaudato con successo un prototipo di sistema di posizionamento e navigazione stellare basato sulle pulsar. L’esperimento, con tutto l’amore per il governo americano per le sigle, si chiama SEXTANT, cioè Station Explorer for X-ray Timing and Navigation Technology, ma il riferimento è al sestante, l’antico strumento usato dai marinari per conoscere la posizione della propria nave in mare. L’esperimento utilizzava uno strumento già installato sulla Stazione Spaziale Internazionale, chiamato con un altro terribile acronimo, NICER, cioè Neutron-star Interior Composition Explorer. In breve, NICER è un sistema di telescopi costruito per individuare e studiare la composizione delle stelle di neutroni, e quindi anche delle pulsar. Usando la mappa in tempo reale delle pulsar e dei loro segnali radio captati da NICER, gli scienziati della NASA sono riusciti a calcolare la posizione della Stazione Spaziale Internazionale con meno di 5 km di scarto, un risultato eccezionale considerando che la stessa ISS si muove in orbita intorno alla Terra alla strabiliante velocità di 7,66 km al secondo! Le future missioni lanciate dalla Terra nello spazio profondo potranno quindi avere a bordo uno strumento basato su NICER, una sorta di “navigatore galattico” per conoscere in ogni momento la propria posizione, e che permetterà alle astronavi di dirigersi a colpo sicuro verso la loro destinazione, senza doversi fermare a chiedere la strada ai “piccoli omini verdi”…