Per superare i limiti in astronomia non è sempre necessario aumentare le dimensioni degli strumenti né rinunciare a prestazioni migliori. Un esempio di versatilità arriva dalle sperimentazioni sulla diffrazione in corso al Sardinia Radio Telescope.
Per più di un secolo, il limite di diffrazione è stato considerato una frontiera invalicabile dell’osservazione astronomica. Non importa quanto perfetto sia uno strumento: quando la luce attraversa un’apertura finita, si diffrange. È una conseguenza diretta della natura ondulatoria della radiazione elettromagnetica. Il risultato è che una sorgente puntiforme non appare mai come un punto, ma come una figura estesa: un massimo centrale circondato da anelli concentrici, il cosiddetto disco di Airy. Quando due sorgenti sono troppo vicine, queste figure si sovrappongono e diventano indistinguibili. Due sorgenti si dicono risolte quando la loro separazione angolare supera il limite di Rayleigh; nel caso limite, il massimo dell’una cade sul primo minimo dell’altra. Da qui deriva una relazione semplice: la risoluzione angolare è proporzionale alla lunghezza d’onda e inversamente proporzionale al diametro dell’apertura del nostro strumento.
È questa regola ad aver guidato per decenni lo sviluppo degli strumenti astronomici: per vedere più in dettaglio, occorrono telescopi più grandi. Ma diametri maggiori significano anche costi crescenti, sfide ingegneristiche e limiti pratici difficili da superare. In alternativa, si può ricorrere a strumenti ancora più complessi, come gli interferometri, in grado di combinare costruttivamente segnali diversi.
E se invece il limite non fosse un muro invalicabile ma una conseguenza del modo in cui osserviamo?
Già negli anni Cinquanta del secolo scorso, il fisico italiano Giuliano Toraldo di Francia propose un’idea controintuitiva: modificare la “pupilla” di un sistema ottico, cioè il modo in cui l’apertura trasmette la radiazione, suddividendola in zone concentriche e introducendo opportuni sfasamenti. Queste configurazioni permettono di alterare la figura di diffrazione, in particolare restringendo il suo lobo centrale. In altre parole, in teoria è possibile ottenere una risoluzione superiore a quella prevista dal limite classico senza violare la fisica, ma intervenendo sulla distribuzione dell’energia, che si concentra maggiormente al centro, a scapito delle regioni laterali. Si tratta di un compromesso, non di un trucco. Il prezzo da pagare è inevitabile: aumentano i lobi laterali e si riduce la sensibilità alle sorgenti più deboli. Le recenti dimostrazioni sperimentali al Sardinia Radio Telescope (Srt) – frutto di una collaborazione tra gli osservatori Inaf di Cagliari e Firenze guidata da Luca Olmi – hanno riportato queste idee al centro della scena, mostrando che è possibile ottenere una “super-risoluzione” anche con strumenti a singola apertura, senza aumentarne il diametro. In particolare, radiotelescopi dotati di superficie attiva – costituita da pannelli mobili controllabili – permettono di manipolare la propagazione del fronte d’onda e realizzare, di fatto, pupille modificate.
I primi test osservativi sono molto incoraggianti e sembrano confermare che sia possibile aumentare significativamente il potere risolutivo del telescopio rispetto alla configurazione standard. Il risultato più interessante non è solo l’incremento di prestazioni ma il cambio di prospettiva. Cambiando le regole – cioè il modo in cui l’apertura modella il fronte d’onda – cambiano anche i limiti operativi. E questa è una lezione preziosa: la risoluzione non si conquista solo con la scala, ma anche con l’ingegno.
Le mappe radio del resto di supernova Cassiopea A a 20 GHz mostrano (da sinistra) l’immagine ottenuta in modalità standard, a super-risoluzione e, per confronto, con il Very Large Array. Crediti: L. Olmi/Inaf