SIMONETTA ERCOLI : “Oltre l’immediato, Dall’occhio nudo al telescopio l’evoluzione della conoscenza del cielo”

Gli occhi sono l’organo della vista, in quanto sono in grado di trasformare le onde elettromagnetiche della luce in impulsi nervosi elaborabili dal cervello; grazie a questa funzione siamo in grado di conoscere il mondo esterno e orientarci in esso. Sono costituiti da due bulbi oculari sferoidali, che si muovono in modo sincrono e sono collegati al cervello tramite il nervo ottico. Sono alloggiati all’interno di due cavità (orbite) poste in posizione frontale sul cranio e sono molto vulnerabili verso l’esterno, dal momento che gli unici annessi che li proteggono sono essenzialmente di natura epidermica.

L’occhio, la nostra lente naturale.

Il sistema di protezione esterna dell’occhio è costituito da una serie di annessi, ciascuno con un compito specifico: le sopraccigliaproteggono dal sudore; le palpebre impediscono alla luce troppo intensa di ledere la struttura interna dell’occhio e ai corpi estranei di danneggiare il bulbo oculare; le ciglia impediscono l’ingresso della polvere; le ghiandole lacrimali mantengono pulita e umettata la cavità oculare. Le parti fondamentali del globo oculare sono:

Sclera, membrana rigida che costituisce il globo oculare, formata da una parte esterna di colore biancastro e una più interna di colore scuro (coroide);
Cornea parte anteriore della sclera, trasparente e convessa attraverso cui penetra la luce;
Iride, porzione anteriore della coroide, di colore variabile e forma circolare;
Pupilla, piccolo foro al centro dell’iride che varia di diametro in base alla quantità di luce, in modo da regolarne l’afflusso;
Cristallino, lente biologica circondata dal muscolo ciliare, che modificando la lunghezza della focale permette la messa a fuoco delle immagini sulla parete opposta del bulbo oculare;
Retina, membrana opposta al cristallino, costituita da cellule fotorecettrici (coni e bastoncelli), che trasformano le radiazioni luminose negli impulsi elettrici raccolti dal nervo ottico.

La cavità del bulbo oculare è riempita da una sostanza viscosa, umor vitro, mentre quella presente tra la cornea e il cristallino da un liquido, umor acqueo.

Immagine tratta da www.anisn.it.scuolastrumenti

Fisiologia della visione

I fotorecettori che costituiscono la retina sono cellule dalla forma particolare, chiamate coni e bastoncelli. Esse sono sensibili alla luce e sono in grado di trasformare le radiazioni elettromagnetiche in prodotti chimici, destinati al cervello perché possa analizzarli e ricavarne immagini, luci e colori. Quando i coni e i bastoncelli vengono stimolati, producono dei pigmenti, le cui reazioni sono elaborate dal cervello.

I bastoncelli, 120 milioni per occhio, sono suddivisi in gruppi. Questa divisione fa sì che recepiscano immagini confuse, ma anche in condizioni di scarsa visibilità; pertanto, essendo più sensibili dei coni alla luce, risultano di essi più efficienti nell’oscurità. La visione dei bastoncelli in condizioni normali è di tipo non cromatico e, a differenza dei coni, sono collegati direttamente con il nervo ottico.

I coni, 6milioni per occhio, sono responsabili della vista diurna, detta anche fotocopia. Sono situati in una piccola zona della retina, chiamata fovea, e permettono di percepire i colori e i contrasti.

Immagine tratta da www.anisn.it.scuolastrumenti

Oggetti del cielo osservabili ad occhio nudo

costellazioni
Luna
stelle fino a magnitudine 6
pianeti: Mercurio, Venere, Marte, Giovedì, Saturno
comete più luminose
meteoroidi (stelle cadenti)

1609, l’anno della svolta

Nel 1608 in Olanda l’occhialaio Hans Lippershey, costruì un primo sistema di lenti che permetteva di avvicinare gli oggetti terrestri. Galileo Galilei venuto in possesso dello strumento, dopo un attento studio, lo modificò realizzando il suo primo modello di cannocchiale per osservare il cielo: un tubo di circa un metro, ai cui estremi c’era un sistema di lenti che offriva 3 ingrandimenti. Grazie all’arrivo di fondi da parte dei nobili veneziani e del Doge, lo strumento fu subito migliorato; utilizzando comuni lenti da occhiali fu potenziato prima a 8 ingrandimenti e successivamente a 20. Fu proprio grazie a questo strumento che Galileo osservò la Luna, scoprendone la superficie irregolare; Giove e i satelliti medicei, chiamati così in onore di Cosimo II sostenitore delle attività dello studioso fiorentino; le fasi di Venere; il Sole e le macchie solari e le miriadi di stelle che componevano la Via Lattea. Le sue numerose osservazioni confermarono l’infondatezza della teoria tolemaica di tipo geocentrico a favore di quella copernicana, eliocentrica. Era nata la nuova astronomia.

StarLab ricostruzione cannocchiale di Galilei 2009 (foto di Simonetta Ercoli)

400 anni di evoluzione tecnologica

Dal primo cannocchiale al primo vero telescopio il passo è stato breve: già Keplero apportò delle modifiche migliorative allo strumento di Galilei e altre ancora furono apportate da Isaac Newton e tanti altri scienziati ancora, che hanno rapidamente modificato e implementato lo studio del cielo. Il telescopio è uno strumento formato, principalmente, da due parti: una ottica, adibita all’ingrandimento dei corpi celesti da osservare, e una meccanica, impiegata per il movimento dello strumento, durante il puntamento e l’inseguimento degli oggetti. La parte più importante di tutto lo strumento è sicuramente l’obiettivo, che ne determina le capacità ottiche, la sua risoluzione e la possibilità, più o meno alta, di guardare lontano e in modo nitido. Gli ingrandimenti di un telescopio dipendono proprio dal diametro e dal tipo di obiettivo.

Ci sono tre tipi di telescopio:

rifrattore, la parte ottica è costituita da due lenti, che utilizzano la rifrazione della luce per ingrandire gli oggetti;
riflettore, è costituito da uno specchio che raccoglie la luce e la invia per riflessione alla lente dell’obiettivo;
catadiottrico, possiede elementi di entrambi i sistemi.

Oggi il panorama dei telescopi costruiti si è ampliato e diversificato enormemente per struttura tecnologica, per grandezza, per dislocazione e per oggetto di studio. Il telescopio funzionante più grande al mondo si trova all’isola di La Palma alle Canarie nel sito astronomico dell’ESA (Ente Spaziale Europeo), l’Osservatorio del Roque de los Muchachos; è il GCT (Gran Telescopio CANARIAS), con uno specchio primario segmentato di 10,4 m.

GTC_2017_foto di Simonetta Ercoli

Noti ormai a tutto il pubblico per le immagini spettacolari che inviano a Terra, sono i due telescopi spaziali, posizionati fuori dall’atmosfera terrestre: l’Hubble Space Telescope, in orbita terrestre bassa dal 1990, e il nuovo James Webb Space Telescope, lanciato nel 2021 per approfondire lo studio dell’astronomia a raggi infrarossi.

Telescopi molto particolari, di cui pochi invece conoscono l’esistenza, sono i grandi telescopi terrestri per lo studio dei raggi gamma (γ), una forma penetrante di radiazione elettromagnetica derivante dal decadimento radioattivo dei nuclei atomici, tra le più pericolose per l’uomo, come tutte le radiazioni ionizzanti. Questi telescopi si trovano solo in punti della Terra con caratteristiche osservative specifiche e sono in collegamento tra loro e, a differenza dei comuni telescopi, non hanno bisogno di una struttura che li protegga.

H.E.S.S. (High Energy Steroscopic System) è un sistema di Imaging Atmospheric Čerenkov Telescopes, costituito da quattro telescopi di 12 m, disposti a formare un quadrato di 120 m per lato, e un quinto da 28 m posizionato al centro. Il sistema osserva la luce Čerenkov, prodotta dall’interazione tra i fotoni gamma della sorgente e l’atmosfera terrestre, e permette di risalire all’energia e alla direzione d’arrivo del singolo fotone. Si trova in Namibia, vicino al monte Gamsberg, ad un’altezza di 1800m dove c’è un’atmosfera con un’eccellente qualità ottica.

HESS_2022_foto di Simonetta Ercoli

MAGIC (Major Atmospheric Gamma-ray Imaging Cherenkov) è un sistema di due telescopi a raggi gamma, posto nell’Osservatorio del Roque de los Muchachos a La Palma nelle Isole Canarie. È costituito da due paraboloidi di 17 metri di diametro ed è in grado di rivelare raggi gamma di origine extraterrestre per studiare l’origine dei raggi cosmici e fenomeni di fisica fondamentale e di astrofisica; fra i rivelatori di raggi gamma di altissima energia oggi in attività è quello che vede più lontano.