Quando guardiamo allo spazio, guardiamo indietro nel tempo. Questo perché la luce si muove, alla velocità della luce. Ci vuole tempo perché la luce ci raggiunga.
Ma diventa ancora più strano di così. La luce può essere assorbita, riflessa e riemessa da gas e polvere, dandoci una seconda occhiata.
Si chiamano echi di luce e consentono agli astronomi un altro modo per comprendere l'Universo che ci circonda.
Conosciamo tutti l'idea di un'eco. I suoni viaggiano nell'aria, quindi si riflettono su un oggetto distante e ritornano. Si sente il suono originale e poi il suono riflesso. E da quel riflesso, puoi imparare a conoscere la superficie riflettente. È vicino o lontano? Di cosa è fatto?
Questo perché il suono si muove a una velocità di circa 343 metri al secondo. La luce, invece, si muove a una velocità di quasi 300.000 km/s. Troppo velocemente perché i tuoi occhi possano vedere il riflesso, ma nello spazio, dove gli oggetti possono essere larghi molti anni luce, gli astronomi possono vedere sfere di luce che si muovono attraverso nuvole di gas e polvere, echi di potenti brillamenti e supernovae.
Il miglior esempio di eco luminosa è il radar, utilizzato per far rimbalzare i segnali radio sugli oggetti per mapparli. Un radar è costituito da un trasmettitore, per inviare i segnali, e poi da un ricevitore, per catturarli nuovamente.
Dato che sai quanto velocemente si muove la luce, puoi rilevare il tuo impulso radio che rimbalza sugli oggetti, e quindi usarlo per capire quanto è lontano tutto da te.
Qui sulla Terra, sono usati da barche e aeroplani per navigare, così come per il monitoraggio del tempo.
Un .gif a rotazione radar della 'cometa rock' 3200 Phaethon di dicembre 2017. Credito: NASA/NSF/Arecibo
Ma gli astronomi usano il radar per trovare le distanze dai pianeti e mappare le superfici degli asteroidi. Ad esempio, quando il asteroide 3200 Phaethon ha fatto il suo avvicinamento alla Terra nel dicembre 2017, l'osservatorio radiofonico di Arecibo ha raccolto queste immagini della sua superficie.
Le onde radio sono la forma perfetta di radiazione elettromagnetica per rilevare i riflessi. Quando la luce rimbalza su un oggetto distante, è già molto debole, e poi deve tornare rendendolo ancora più debole.
Esperimento di raggio laser lunare sulla superficie della Luna, utilizzato dagli astronomi per calcolare la distanza dalla Luna. Credito: NASA
Ma i laser sono stati usati anche per misurare la distanza dalla Luna. Quando gli astronauti sono atterrati sulla Luna durante le missioni Apollo, hanno messo speciali catarifrangenti in superficie . Gli scienziati sulla Terra possono sparare un potente laser sulla Luna e rilevare la luce riflessa mentre ritorna.
Ancora una volta, conoscendo la velocità a cui viaggia la luce, possono calcolare la distanza dalla Luna vedendo quanto tempo impiega la luce laser riflessa a tornare sulla Terra.
Ma per sfruttare davvero la luce riflessa, devi diventare molto molto più luminoso. Ad esempio, la produzione di energia di una stella di nuova formazione e di una stella che esplode o che alimenta attivamente un buco nero supermassiccio.
La natura rilascia continuamente radiazioni elettromagnetiche, sotto forma di luce visibile, radiazione infrarossa e persino onde radio. E gli astronomi hanno escogitato modi per vedere la luce riflessa per fare scoperte sull'Universo.
V838 Mon (Credit: NASA, European Space Agency e Howard Bond (STScI))
Un'immagine che potresti conoscere è la stella V838 Monocerotis , situata a circa 20.000 anni luce di distanza. Gli astronomi stanno ancora cercando di capire perché, ma per qualche ragione nel 2002, gli strati esterni della stella supergigante rossa si sono notevolmente espansi, rendendola la stella più luminosa dell'intera Via Lattea, superando il Sole di un fattore di 600.000. Era come un flash che si spegneva improvvisamente in una stanza buia.
Non era una nova, dove il materiale si accumula sulla superficie di una nana bianca. E non era una supernova, dove una stella massiccia esplode alla fine della sua vita. Era qualcos'altro.
Non appena V838 si illuminò, svanì. Ma l'effetto di questo lampo è stato visibile per quasi due decenni dopo l'evento.
Otto immagini della stella V838 Mon scattate da Hubble. Credito: ESA/Hubble/NASA
Guarda questa animazione, composta da osservazioni separate di V838 nell'arco di diversi anni. Questa non è un'esplosione, è la luce che si muove in una sfera attraverso il gas interstellare e la polvere che circondano la stella. Mentre passa attraverso la polvere, si disperde e fa un viaggio più lungo per raggiungere la Terra.
Questa eco luminosa ha permesso agli astronomi di studiare la natura della polvere, che avrebbe potuto essere espulsa dalla stella molto tempo fa, ma non era visibile agli astronomi senza questa torcia fornita dalla stella.
Gli astronomi hanno usato gli echi di luce per studiare la formazione dei pianeti intorno a una giovane stella. In questo caso, lo Spitzer Space Telescope della NASA e 4 osservatori a terra sono stati utilizzati per misurare la dimensione del divario attorno a una stella di nuova formazione rispetto al suo disco protoplanetario.
Illustrazione artistica di un disco protoplanetario attorno a una stella di nuova formazione. I bagliori illuminano il bordo del disco, consentendo agli astronomi di calcolarne le dimensioni. Credito: NASA/JPL-Caltech
La stella si chiama YLW 16B e si trova a circa 400 anni luce dalla Terra. Ha circa la stessa massa del Sole, ma ha solo 1 milione di anni, solo un bambino.
Anche in questi potenti osservatori, il divario protoplanetario è troppo piccolo per essere misurato direttamente. Invece, hanno usato echi di luce per ottenere le dimensioni.
Le stelle giovani hanno una luminosità variabile, cambiando la quantità di luce che emettono di giorno in giorno. Il materiale vortica fuori dal disco protoplanetario, viene catturato dalle linee del campo magnetico della stella e poi cade sulla stella, illuminandola.
Quando la stella cambia di luminosità, parte di quella luce in più colpisce il disco planetario, creando un'eco che gli astronomi possono rilevare.
Poiché sanno quanto velocemente sta andando la luce, sono stati in grado di calcolare quanto tempo ci è voluto perché la luminosità raggiungesse il disco e calcolare quanto è grande il divario.
La luce impiega 74 secondi per raggiungere il divario, il che significa che è a 0,08 unità astronomiche, o 12 milioni di chilometri di distanza dalla stella. Solo per fare un confronto, la distanza dal Sole a Mercurio è di circa 60 milioni di chilometri.
Un altro esempio di echi di luce in astronomia è stato recentemente utilizzato per studiare l'ambiente attorno a un buco nero di massa stellare.
Questa immagine mostra la configurazione dei 56 specchi a raggi X di NICER che raccoglieranno osservazioni scientifiche e svolgeranno un ruolo strumentale nella navigazione a raggi X dimostrativa. Crediti: NASA
Gli astronomi hanno utilizzato il carico utile Neutron Star Interior Composition Explorer (o NICER) a bordo della Stazione Spaziale Internazionale. Questo strumento è stato in grado di rilevare le emissioni di raggi X da un buco nero appena scoperto chiamato J1820, che si stava nutrendo di una stella compagna.
Il buco nero si trova a circa 10.000 anni luce di distanza nella costellazione del Leone ed è stato scoperto per la prima volta dalla missione Gaia dell'Agenzia spaziale europea.
L'11 marzo 2018, il buco nero si è improvvisamente divampato, diventando uno degli oggetti più luminosi nel cielo a raggi X. Naturalmente, non è stato il buco nero in sé a divampare, è stato dal disco di accrescimento che circonda il buco nero fatto di materiale rubato alla sua stella compagna.
Questo materiale gira vorticosamente, riscaldato dall'intensa pressione e il magnetismo dell'ambiente genera radiazioni a raggi X. È circondato da una corona, una regione di particelle subatomiche che misura 1 miliardo di gradi Celsius.
Un'instabilità del disco può causare un collasso, come una valanga che cade da una montagna, rilasciando un'esplosione di radiazioni.
È questo bordo interno del disco di accrescimento che gli astronomi volevano poter studiare. Ancora una volta, hai una fonte di illuminazione, il bagliore causato da un collasso del disco. Questo rilascia raggi X direttamente in tutte le direzioni, ma i raggi X passano anche attraverso il disco, riflettendosi su di noi a diverse lunghezze d'onda e intensità.
Gli astronomi sono stati in grado di vedere che il divario tra il buco nero e il suo disco di accrescimento non sembra spostarsi durante uno di questi eventi di brillamento, ma la corona circostante cambia drasticamente, riducendosi passando da 160 km a 16 km.
Nel gennaio 2014, gli astronomi hanno scoperto un marchio nuova supernova nella galassia M82 . Conosciuta come SN 2014J, questa era una supernova di tipo 1a, in cui una nana bianca ruba materiale da una stella compagna. Quando colpisce circa 1,4 volte la massa del Sole, esplode, chiaramente visibile da milioni di anni luce di distanza.
A soli 11 milioni di anni luce di distanza, questa era la supernova di tipo 1a più vicina che gli astronomi avessero visto in 40 anni ed era l'occasione perfetta per studiare con il telescopio spaziale Hubble.
Echi di luce dall'esplosione di una supernova nella galassia M82. Credito: NASA/ESA/Hubble
Hubble osservò la regione 10 mesi dopo l'esplosione della supernova, e poi di nuovo due anni dopo. E puoi vedere chiaramente la radiazione dell'esplosione, che si muove attraverso il materiale circostante, illuminandolo alla velocità della luce.
Gli astronomi stimano che questa regione di gas e polvere si estenda da 300 a 1.600 anni luce intorno alla stella morta e viene illuminata un anno luce all'anno dalla luce riflessa dall'esplosione della supernova.
In effetti, gli astronomi l'hanno visto accadere più di 15 volte, ma questa era la più vicina e quindi la risoluzione più alta che siano mai stati in grado di vedere.
Fusione di galassie ShaSS 073/622. Credito: ESO / Merluzzi et al.
Andiamo più grandi. Questa è l'immagine di una collisione tra galassie in fase di fusione. La galassia più grande, ShaSS 073, ha un buco nero supermassiccio che si alimenta attivamente al suo interno, il che la rende incredibilmente luminosa. La galassia meno massiccia si chiama ShaSS 622.
Le radiazioni si riversano dal disco di accrescimento attorno al buco nero supermassiccio e bombardano la galassia più piccola, facendola brillare mentre assorbe e poi riemette la luce. È un punto minuscolo in questa immagine, ma è 1,8 miliardi di anni luce quadrati nello spazio.
Ma ecco la parte strana. Secondo i loro calcoli, gli astronomi hanno scoperto che non ci sono abbastanza radiazioni per farla brillare così intensamente. Invece, l'esplosione è avvenuta 30.000 anni prima, quando il nucleo della galassia era molto più luminoso e ora stanno vedendo la luce riflessa.
Il fatto che la luce si muova a velocità costante è molto utile per esplorare l'Universo, anche quando echeggia.