Con l'esperimento
BOOMEraNG conosceremo
il nostro DNA cosmico

Introduzione

Lo studio della radiazione di fondo cosmico ha impegnato in passato numerosi esperimenti scientifici. Tale radiazione, il cui spettro è particolarmente brillante a frequenze intorno ai 150 GHz, porta con sè le informazioni sulla nascita e sullo sviluppo del nostro universo. La ricerca di questa informazione, che è considerata il nostro DNA cosmico, è stata la grande sfida che ha coinvolto numerosi scienziati in tempi diversi. Ai teorici che proponevano dei modelli evolutivi si sono affiancati gli sperimentatori che, attraverso la misura diretta, hanno tentato faticosamente di convalidare, o correggere, tali teorie. Quasi sempre l'approccio al modello teorico viene fatto, dalla parte sperimentale, con tanti tasselli ognuno dei quali porta alla conoscenza scientifica un contributo di informazione legato al potere diagnostico delle apparecchiature, certamente non convenzionali, impiegate nei vari esperimenti. Non convenzionali vuol dire che gli esperimenti sono realizzati con parti che non sono "comprabili" in un negozio specializzato, ma che vengono sapientemente progettate traendo linfa vitale dallo sviluppo tecnologico offerto dal mercato mondiale.

Nella storia di questi tasselli si colloca, per ultimo, un esperimento quale BOOMERanG (Balloon Observation of Millimetric Extragalactic Radiation Anisotropy and Geophysics). Esso è un esperimento che lavora a quote stratosferiche ed è stato pensato nel 1992 da un consorzio di istituti che vantavano gruppi già operanti nel campo del CMB (Cosmic Macrowave Background). BOOMERanG, dunque, non è nato dal nulla ma ha cementato tutte quelle competenze necessarie per la progettazione di uno strumento di misura completo che andasse a coprire quel settore che ancora non era stato esplorato da precedenti esperimenti. Il potere risolutivo di BOOMERanG ha potuto estrarre dalla radiazione primordiale emessa 10 miliardi di anni fa, quelle informazioni che hanno portato ad asserire, per la prima volta, che l'universo è governato da una geometria euclidea, nel senso che la luce viaggia nel cosmo seguendo linee rette e non su curve come invece accade, per esempio, nelle vicinanze di oggetti molto pesanti come il Sole.

Fig.1: l'immagine captata dall'esperimento BOOMERanG dell'Universo primordiale. Nel momento in cui la radiazione del fondo cosmico non ha trovato ostacoli di natura ionica è stata libera di viaggiare nel tempo e nello spazio. Dopo 10 miliardi di anni tale radiazione, attraverso l'occhio sensibile del telescopio, ha rivelato molti dettagli sull'evoluzione dell'Universo tanto da poter dire che esso è governato da una geometria euclidea

Apparve chiaro, fin dal 1992, che tale strumento sarebbe stato il naturale successore del satellite americano CoBE (Cosmic Background Explorer) che per primo aveva misurato la radiazione di fondo, mostrando che in essa esistevano delle increspature che ne deturpavano la completa omogeneità. Il potere risolutivo di CoBE è stato ampiamente superato da BOOMERanG sia perché quest'ultimo possedeva dei sensori di misura 50 volte più sensibili sia perché in grado di ricostruire la coordinata della linea di vista del telescopio con precisione inferiore al grado. L'importanza di questo sviluppo strumentale la si può apprezzare meglio se si considera che CoBE aveva mostrato le anisotropie della radiazione di fondo con un potere risolutivo di 10 gradi. Come il satellite anche BOOMERanG doveva superare lo scoglio atmosferico per poter effettuare misure di variazione di temperature dell'ordine di qualche milionesimo di grado, centrate su una temperatura di circa 3 gradi Kelvin. Per questo motivo BOOMERanG è stato portato a galleggiare ad una quota di 39 km da un pallone aerostatico e si è mosso sfruttando i venti stratosferici che, al Polo Sud, hanno una traiettoria circolare. Durante un viaggio di 8.000 km, non consentito fino ad ora alle nostre latitudini, l'esperimento ha effettuato misure oltre lo spazio interstellare. L'elaborazione dei dati raccolti in 11 giorni di volo, effettuata attraverso potenti supercomputer in parallelo, ha portato ad una definizione delle strutture presenti nella radiazione di fondo sufficiente a convalidare la teoria inflazionaria.

La radiazione fotografata da BOOMERanG

Poco dopo l'inizio dei tempi, l'Universo era molto concentrato e caldo e la materia aveva tutta la forma di energia pura, ma l'espansione lo raffreddava come si raffredda la bomboletta di uno spray quando la si usa. Man mano che la temperatura calava, l'energia iniziava a trasformarsi in materia: protoni ed elettroni. La luce rimbalzava fra questa materia in un grande brodo primordiale. Immaginiamoci due forze contrapposte: da una parte la gravità-materia che tirava le particelle verso l'interno e dall'altra la luce che le spingeva verso l'esterno. Queste due forze si bilanciavano con un effetto molla innescando delle oscillazioni: compressioni e rarefazioni corrispondenti a zone più calde e a zone più fredde nel brodo primordiale. Come in una molla le oscillazioni dipendono dalla forza della molla stessa, allo stesso modo nell'Universo le oscillazioni dipendevano dalla forza di gravità e, quindi, dalla densità di materia. Andando a fotografare quelle oscillazioni di temperatura, potremmo anche dire qual è la densità di massa dell'Universo che, secondo la teoria della relatività generale di Einstein, è legata alla geometria dell'Universo stesso. Quando la temperatura cosmica calò sufficientemente, elettroni e protoni si legarono a formare i primi atomi di idrogeno ed elio. La luce ha la proprietà di rimbalzare solo su particelle cariche come elettroni e protoni, ma non su particelle neutre come gli atomi di idrogeno ed elio. Essa fu quindi per la prima volta libera di propagarsi indisturbata nel cosmo. Questo avvenne 300 mila anni dopo il BIG BANG, circa 10 miliardi di anni fa. Quella luce che porta l'immagine dell'universo in quell'istante, e che da allora ha viaggiato nel buio cosmico senza più interagire con nulla, è stata captata da BOOMERanG (vedi figura 1). L'esperimento, registrando quell'immagine così remota che mostra le oscillazioni della materia primordiale, ha ricavato la densità di materia, dimostrando che l'Universo è piatto con una probabilità del 95%. Notizia che ha avuto l'onore delle prime pagine della stampa internazionale e la copertina di Nature del 27 aprile 2000.

L'Istituto di Ricerca sulle Onde Elettromagnetiche (IROE) di Firenze nel "consorzio" BOOMERanG

L'attuale definizione delle anisotropie nella radiazione di fondo cosmico, così come rivelata dall'esperimento BOOMERanG, è stata resa possibile grazie alle ottime caratteristiche dei suoi componenti. Per citare solo i più importanti ricorderemo un telescopio con uno specchio di oltre un metro di diametro (realizzato presso il Dipartimento di Fisica dell'Università "La Sapienza" di Roma), un mosaico di 16 rivelatori sensibili ad altrettanti colori (realizzato in California presso il California Institute of Technology di Pasadena) e raffreddati a 0,3 gradi Kelvin per mezzo di un dewar (realizzato grazie ad una collaborazione fra "La Sapienza" e l'ENEA di Frascati) ed un sistema di puntamento (SDP) in grado di ricostruire la linea di vista del telescopio con una risoluzione di una decina di minuti d'arco (realizzato presso l'IROE-CNR di Firenze). L'azione combinata di queste parti ha determinato il grado del potere risolutivo dell'intero strumento, grazie al quale è stato possibile risalire alle variazioni di temperatura su scale angolari mai prima d'ora raggiunte.

Nella sua storia l'IROE aveva già partecipato anche ad alcuni progetti di esperimenti scientifici per piattaforme stratosferiche realizzati per studi nel campo dell'astrofisica come nel campo della fisica dell'atmosfera. Gli esperimenti, comunque, si completavano col progetto del sistema di puntamento per l'irrinunciabile necessità di conoscere, in ogni istante, la coordinata della linea di vista del sensore principale di misura nei suoi movimenti di osservazione di un determinato settore di volta celeste.

Il controllo del movimento era demandato ad un sensore di posizione assoluto proprio, la cui uscita si confrontava elettronicamente con la coordinata azimutale del target sotto esame. La precisione di tale confronto era legata alla precisione che il sensore di posizione impiegato poteva offrire.

Col tempo, e man mano che gli obiettivi scientifici si affinavano, la richiesta di precisione di misura aumentava e l'SDP (chiamato anche controllo d'assetto) doveva adeguarsi ricercando a sua volta sensori di posizione sempre più precisi. In questa sua ricerca, il progetto iniziale del controllo d'assetto per piattaforme stratosferiche, assumeva sempre più i contorni di un lavoro universale, capace cioè di guidare anche altre piattaforme che richiedessero movimenti simili, anche se con combinazione peso-momento di inerzia differente. Nelle varie collaborazioni scientifiche allacciate, l'IROE, quale parte di un Consorzio Internazionale, iniziava nel 1992 il progetto del sistema di puntamento dell'esperimento BOOMERanG [1]. Riuscire a fotografare con maggiore dettaglio l'immagine dell'Universo così come appariva nei primi istanti di vita originata nella grande esplosione iniziale del BIG BANG, imponeva una risoluzione spaziale del telescopio dell'ordine di una decina di minuti d'arco e, conseguentemente, una precisione nella ricostruzione della coordinata della linea di vista dell'ordine di uno o due minuti d'arco.

Con la nascita di BOOMERanG, l'IROE ha progettato e realizzato la versione più aggiornata di una sua linea di SDP per piattaforme stratosferiche. Nel suo sviluppo, il progetto si proponeva anche di essere versatile, ricercando uno standard costruttivo facilmente adattabile ad altri esperimenti simili. In questa filosofia si collocano le collaborazioni con vari gruppi nazionali ed internazionali che hanno dato vita ad esperimenti quali ARGO [2], TRIP [3] e MAXIMA [4] effettuati con successo nel 1993, 1995, e 1997.

Il sistema di puntamento di BOOMERanG

L'SDP è quel sistema che, conoscendo e controllando l'interazione che il pallone vettore esercita sulla navicella, presiede a tutte le operazioni di movimento del telescopio come scansioni, rotazioni e posizionamenti alt-azimutali su tutta la volta celeste.

Fig. 2: progetto schematico del punto di interconnessione fra il pallone e la piattaforma che ha ospitato tutto l'esperimento BOOMERanG chiamato pivot. Esso consente tutti i movimenti azimutali ed, attraverso opportune strategie di impiego dei due motori, consente di annullare la coppia di disturbo proveniente dalla rotazione casuale del pallone. Il pivot è composto da due motori 5) che imprimono una rotazione all'esperimento 4) spingendo contro due ruote di reazione 2) le cui velocità sono controllate da due dinamo tachimetriche 3)

Attraverso il movimento, il telescopio va ad esplorare quella porzione di spazio dove ci si attende di trovare quell'informazione per cui lo strumento è stato progettato. È certamente povera l'informazione che viene da uno strumento fisso in elevazione la cui coordinata azimutale varia con la velocità estremamente lenta e casuale del pallone che lo sta trascinando. Questo movimento è controllato da un sistema formato essenzialmente da due parti: una meccanica ed una elettronica. Quella meccanica è localizzata essenzialmente al punto di interconnessione fra la catena di volo e la piattaforma ed è universalmente chiamata pivot (vedi figura 2). Con gli esperimenti MAXIMA e BOOMERanG questa parte ha raggiunto un notevole livello di sicurezza ed affidabilità. Ha un progetto operativo che la rende impiegabile con esperimenti il cui peso non superi i 2.500 kg e con fattori di sicurezza di 10G (G=forza di gravità) verticali e 5G a 45 gradi in accordo con le norme NASA-NSBF. Il movimento di elevazione del telescopio viene da un terzo motore che agisce su un sistema basculante riferito al piano orizzontale della piattaforma. La parte elettronica, invece, avendo in un sistema a microprocessore la sua parte vitale, deve farsi carico di acquisire tutte le informazioni possibili dai sensori di posizione e di velocità presenti per poi elaborarle in tempo reale, al fine di produrre una grandezza di uscita proporzionale ad un errore, sia esso di posizione o di velocità, che i tre motori dovranno annullare. Dall'annullamento di quest'errore nascono tutti i movimenti o i posizionamenti richiesti. La precisione globale di un SDP viene definita dalla precisione con cui il sistema riesce a ricostruire la linea di vista del telescopio con l'ausilio di tutti i suoi sensori dedicati, siano essi di posizione o di velocità. La costruzione di una mappa bidimensionale avviene, in fase di post elaborazione, correlando il dato con la coordinata del telescopio nel momento in cui il dato stesso viene attribuito ad un target celeste. Il nemico subdolo di questa delicata fase è rappresentato dal pendolamento della piattaforma, che comunque deve sempre essere conosciuto nelle sue tre componenti di moto.

Rispetto a SDP che lavorano alle nostre latitudini, il sistema di BOOMERanG ha dovuto essere adattato per affrontare un tempo di volo di 260 ore ed una maggiore attività di particelle cosmiche ad alta energia. Questa attività di particelle è in grado di bloccare, temporaneamente (per il tempo di avvio) o definitivamente, un sistema di controllo costruito intorno ad una sola CPU. Ridondando i PC di bordo con due sistemi gemelli controllati da un watch dog abbiamo aggiunto quel grado di sicurezza che un volo così lungo ed i costi in gioco così alti imponevano.

Note

[1] L'esperimento BOOMERanG è nato da una collaborazione internazionale comprendente molti istituti fra cui l'IROE CNR di Firenze, l'Università "La Sapienza" di Roma e il California Institute of Technology di Pasadena (California).

[2] L'esperimento ARGO è un progetto dell'Università "La Sapienza" a cui l'IROE ha fornito il sistema di puntamento.

[3] L'esperimento TRIP è un progetto del TESRE (Istituto di Studio e Tecnologie sulle Radiazioni Extraterrestri) a cui l'IROE ha fornito il sistema di puntamento.

[4] L'esperimento MAXIMA è un progetto dell'Università di Berkeley a cui l'IROE ha fornito il sistema di puntamento.

Ringraziamenti

Si ringrazia l'Agenzia Spaziale Italiana ed il Programma Nazionale Ricerche in Antartide (PNRA) del MURST, che dal 1992 hanno supportato finanziariamente l'IROE per la progettazione del Sistema di puntamento che ha guidato, con successo, BOOMERanG nel volo antartico effettuato alla base americana di McMurdo il 29 dicembre 1998.