Astrometria

L’astrometria è una branca dell’Astronomia che studia i moti stellari (ossia studia le relazioni geometriche tra gli oggetti celesti, il loro moto e la loro posizione).

Per calcolare la distanza di una stella si utilizza il concetto di parallasse. Se osserviamo una stella da Terra e annotiamo la sua posizione rispetto a stelle di riferimento più lontane, e poi ripetiamo questa misura 6 mesi più tardi, quando la Terra è dal lato opposto nella sua orbita attorno al Sole, vediamo che la stella sembra essersi spostata rispetto alle stelle di riferimento. Questo spostamento apparente si chiama parallasse, e da essa si può ricavare la distanza della stella facendo uso della geometria elementare. La parallasse è una quantità molto difficile da misurare, perchè è tanto più piccola quanto più le stelle sono lontane, ed è quindi misurabile solo per le poche centinaia di stelle più vicine.

L’astrometria si occupa anche di misurare la velocità relativa degli oggetti celesti. Per fare questo è necessario misurare due componenti del moto: la velocità radiale, cioè la velocità con cui la stella si allontana o si avvicina rispetto a noi, e il moto proprio, cioè la velocità con cui si sposta attraverso il cielo.

La velocità radiale si determina facilmente osservando lo spettro di una stella. Ma il moto proprio è più difficile e richiede misure di alta precisione del movimento della stella rispetto alle altre per numerosi anni. Conoscere la distanza e il moto delle stelle è fondamentale per la comprensione dell’Universo. A partire dalla distanza di una stella è possibile risalire alla sua luminosità intrinseca e alla sua dimensione, e quindi ricavare informazioni sulla sua età e la sua composizione. Inoltre, se la velocità e la direzione del moto sono conosciute, diventa possibile sapere dove le stelle si trovavano nel passato e dove si troveranno nel futuro.

Storia dell’astrometria

Le antiche civiltà avevano già capito che gli oggetti celesti si muovono in modo regolare, e che questo può aiutarci a determinare posizioni sulla superficie della Terra, e a misurare il trascorrere del tempo. La necessità di orientarsi nei loro spostamenti e di stabilire il momento più propizio per seminare o mietere costituisce il movente iniziale per lo sviluppo dell’astrometria.

La misura accurata delle posizioni dei corpi celesti è stato il compito fondamentale degli astronomi fino al XIX secolo, e costituisce ancora un aspetto di base della ricerca astronomica moderna. Gli angoli che si cerca di misurare sono estremamente piccoli, e migliorare la precisione delle misure è un obiettivo costante degli astronomi. La maggiore precisione delle misure è stata conseguenza dello sviluppo di nuovi e più avanzati strumenti di osservazione, ed ha portato a fondamentali cambiamenti nelle conoscenze scientifiche.

Nel 129 a.C. ed a occhio nudo, l‛astronomo Greco Ipparco completò il primo catalogo con 1000 stelle, di cui indicava la luminosità apparente e la posizione, quest’ultima con una precisione di circa un grado, cioè l‛angolo equivalente all‛altezza di una persona alla distanza di 100 metri. Questo avvenimento rappresenta la nascita dell’astrometria come scienza. Dopo Ipparco, e fino al XVI secolo, le tecniche di misurazione non progredirono di molto. Una rivoluzione in questo campo avvenne con Tycho Brahe (1546-1601), un astronomo Danese, che riuscì a misurare la posizione delle stelle con una precisione di un minuto d’arco, ovvero un sessantesimo di grado. Tycho progettò, costruì e calibrò una grande varietà di strumenti, come il sestante o il quadrante murale, e cambiò profondamente la maniera di osservare gli astri. Furono le osservazioni delle orbite dei pianeti fatte da Tycho con precisione senza precedenti che consentirono a Keplero di scoprire che i pianeti si muovono su orbite ellittiche.

Nel 1609 fu inventato il telescopio, e questo aprì nuovi mondi all’osservazione umana. Ma il telescopio di per sé non consentiva di migliorare le misure angolari. Ci volle ancora un certo numero di anni prima che fosse inventato un nuovo strumento in grado di sfruttare le migliori capacità del telescopio ma che permettesse anche maggiore accuratezza nella misura degli angoli.

Nel XVII secolo, l’invenzione del micrometro a filo permise di superare la barriera imposta dalla limitata capacità di risoluzione angolare dell’occhio (circa un minuto d’arco). Il micrometro a filo consiste di due fili di metallo montati nel campo di vista del telescopio. La posizione relativa dei due fili è controllata girando una vite, e può essere letta su una scala graduata. Da questa si risale alla distanza angolare delle due stelle su cui sono posizionati i fili.

Nel XVIII secolo le nuove conoscenze sui materiali e le loro tecniche di lavorazione permisero di costruire misuratori angolari (cerchi astronomici) di grande precisione. Nel 1725, grazie alla precisione angolare di alcuni secondi d’arco consentita dalle nuove tecnologie, divenne possibile misurare per la prima volta l’aberrazione stellare, la prima misura diretta del moto della Terra nello spazio. Questo confermò definitivamente la controversa teoria Copernicana che sosteneva che la Terra si muovesse attorno al Sole e non viceversa. Un’altra importante scoperta del XVIII secolo fu l’osservazione del moto delle stelle nello spazio fatta da Edmund Halley.

Nel XIX secolo le tecniche di incisione migliorarono ulteriormente e divenne possibile misurare gli angoli con una precisione di frazioni di secondo d’arco. Questo permise di misurare le prime parallassi stellari nel 1830 circa. La conferma che le stelle stanno a distanze molto grandi ma finite fu un punto di svolta fondamentale nella comprensione delle stelle e del nostro posto nell’Universo.

Nel XX secolo l’astronomia si dedica a comprendere la natura dei corpi celesti, più che a misurarne solo le posizioni. Questo cambiamento è reso possibile da nuove tecniche come la spettroscopia (che studia la luce delle stelle per determinarne composizione chimica, temperatura e natura), e dall’uso di lastre fotografiche. Progressi in astrometria nel frattempo divennero molto difficili, perché si era ormai raggiunta la massima precisione ottenibile da Terra, di circa 0.1 secondi d’arco, limitata soprattutto da effetti atmosferici.

Le cose cambiarono nel 1989, quando l’Agenzia Spaziale Europea (ESA) mise in orbita il primo satellite astrometrico Hipparcos, che ha rivoluzionato la nostra conoscenza delle distanze stellari. Liberato dalle limitazioni atmosferiche, Hipparcos ha potuto misurare la posizione, la distanza e il moto di quasi 120000 stelle su tutto il cielo, con una precisione di circa 1 millesimo di secondo d’arco, 100 volte superiore rispetto a quella ottenibile da Terra.

In seguito al successo di Hipparcos, l’ESA ha progettato Gaia, un satellite astrometrico molto più potente ed avanzato, in grado di costruire una mappa dinamica tridimensionale della nostra galassia misurando la posizione, la distanza, e le velocità di un miliardo di stelle, con una precisione astrometrica da 10 a 100 volte superiore rispetto ad Hipparcos. Per le stelle più brillanti la sua precisione sarà di circa 10 microsecondi d’arco.

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