Come scoprire una nuova stella “supernova”

È facile usare una carta stellare per identificare le costellazioni in una notte senza nuvole. Dopo tutto, le posizioni di questi oggetti celesti sono state mappate per secoli. Ma cosa succede quando una “guest star” appare improvvisamente tra i suoi coetanei ben documentati? Probabilmente sono i resti di una stella che è esplosa centinaia o milioni di anni fa e la cui luce sta raggiungendo solo ora i nostri cieli. Non ci vuole una laurea professionale per fare una simile scoperta astronomica. Nel gennaio 2011, una bambina di 10 anni ha trovato una supernova in una galassia distante 240 milioni di anni luce.

Ci sono così tante stelle nel cielo che la scoperta di un’altra potrebbe non sembrare di grande importanza. Tuttavia, una cosiddetta “supernova” non è una stella normale. Nella nostra galassia soltanto tre stelle di questo tipo sono state viste negli ultimi mille anni. Una supernova appare come una stella luminosa per un breve periodo di tempo in una posizione casuale nel cielo. Poiché è impossibile per gli astronomi sapere in anticipo dove si verificherà una supernova, devono cercare il cielo nel tentativo di scoprirla.

Dal punto di vista osservazionale, una supernova è la comparsa improvvisa di un oggetto brillante simile a una stella in una parte del cielo in cui nessuna stella era precedentemente visibile. La nuova stella aumenta rapidamente di luminosità per un periodo di settimane o mesi, quindi inizia a perdere la sua luminosità fino a quando non diventa invisibile ad occhio nudo o negli strumenti ottici meno potenti. Eppure le apparenze sono fuorvianti, perché la supernova è l’esplosione di una stella delle stesse dimensioni del nostro sole.

Gli astronomi che vivevano nell’antica Cina hanno registrato il primo evento di supernova circa 2000 anni fa. Non capivano quello che stavano vedendo ed erano convinti che il punto di luce fosse nuovo. Tuttavia, dopo aver raccontato la cronologia della “nuova” stella per otto mesi, l’oggetto è improvvisamente scomparso. La scoperta ha subito un follow-up nel 2006. Fu allora che gli astronomi si resero conto che stavano guardando i resti della stessa supernova che era stata documentata nell’antica Cina.

Nel 1987, è stata scoperta una supernova così vicina alla Terra che si poteva vedere senza guardare attraverso un telescopio. Questa supernova si trovava nella Grande nuvola di Magellano, vicino alla nostra galassia, cioè alla Via Lattea. Naturalmente, gli eventi in galassie lontane sono più probabili perché le galassie sono tantissime. Gli scienziati spesso fanno affidamento sugli astronomi dilettanti  per pattugliare i cieli per individuare punti appena più luminosi e più chiari degli oggetti che li circondano.

La supernova 1987a, esplosa nella Grande Nube di Magellano. 

Uno dei ricercatori di supernove di maggior successo di tutti i tempi è un astronomo dilettante: il reverendo Bob Evans dall’Australia. Ben prima che le ricerche automatizzate al computer si fossero rese possibili e diffuse prima fra gli astronomi professionisti e poi fra quelli dilettanti, il Rev. Evans cercava i cambiamenti nella distribuzione della luce di migliaia di galassie vicine attraverso il suo telescopio da cortile. Ha trovato più supernove di qualsiasi altro individuo, con oltre 35 supernove al suo attivo.

Come individuare una supernova: tecniche vecchie e nuove

La prima ricerca sistematica di supernove da parte di astronomi professionisti fu intrapresa nei primi anni ’90. Per questa ricerca e per le altre ricerche meno organizzate precedenti, gli astronomi hanno all’epoca confrontato (ad occhio) le lastre fotografiche della stessa area di cielo per cercare queste stelle improvvisamente luminose. Si trattava, in effetti, di scienziati dedicatisi a tale specifica ricerca poiché l’area del cielo coperta da ciascuna lastra poteva avere dimensioni di diversi gradi!

Più spesso, le supernovae sono state scoperte ben dopo la loro massima luminosità e la loro scoperta aveva solo un utilità  limitata, poiché le osservazioni di follow-up per ottenere spettri e tenere traccia del cambiamento di luminosità nel tempo erano difficili da ottenere così tanto tempo dopo l’esplosione delle supernova. Con l’aiuto di tecnologie come le camere CCD, le ricerche di supernova sono ora condotte con telescopi e software dedicati che scansionano sistematicamente regioni specifiche del cielo.

La supernova SN 2014J situata a 11,4 milioni di anni luce dalla Terra nella galassia M87.

Per trovare le supernova, confrontiamo nuove immagini con quelle più vecchie per cercare una stella improvvisamente luminosa (solo che ora lo facciamo con le immagini CCD anziché con quelle delle lastre fotografiche). Per questo motivo, ogni regione targetizzata in cui cercare deve essere inizialmente rappresentata per formare un modello con il quale confrontare tutte le altre immagini. Quindi, in un secondo momento, lo stesso campo viene ridisegnato e confrontato con il modello.

La scala temporale per questo re-imaging varia a seconda della natura esatta del progetto, ma in genere è di circa 2 settimane: il tempo medio impiegato da una curva luminosa di supernova per raggiungere il massimo. Ciò significa che le supernovae sono ora scoperte molto presto nella loro evoluzione e possono essere seguite più a lungo (prima che diventino inosservabili), rivelando molte più informazioni sull’oggetto. E alla scoperta delle supernove possono partecipare anche gli astrofili.

Naturalmente, il modello o la nuova immagine devono essere ridimensionati in modo che corrispondano l’uno all’altra. Ciò per garantire che le stelle normali abbiano tutte le stesse dimensioni, forma e luminosità. Questo è un passaggio cruciale poiché, quando sottraiamo il modello dalla nuova immagine vogliamo che tutte le stelle e le galassie che non sono cambiate in luminosità scompaiano! L’immagine sottratta contiene quindi solo oggetti che hanno aumentato la luminosità tra le due esposizioni.

L’analisi degli oggetti candidati quali possibili supernove

Gli oggetti residui possono includere asteroidi che si sono spostati nel campo visivo, artefatti di raggi cosmici, stelle variabili o galassie attive che hanno aumentato la luminosità e naturalmente il nostro obiettivo principale, le supernovae. Possiamo usare un software per computer su questa immagine sottratta per trovare tutti gli oggetti luminosi e simili a una stella. Per decidere se gli oggetti trovati sono davvero supernove, dobbiamo ancora guardare a occhio una piccola regione ritagliata attorno al candidato.

Una supernova scoperta da un astrofilo neozelandese.

Ma almeno tutto il duro lavoro di ricerca dei candidati è stato fatto dal computer, ed a questo punto è molto utile confrontare ciò che vediamo nella nuova immagine con ciò che vediamo nel modello e nelle immagini sottratte. Le supernovae sono generalmente associate alle galassie esterne alla nostra: quindi se non c’è una galassia presente nell’immagine modello, il candidato è più probabilmente un asteroide (specialmente se l’osservazione è stata presa vicino all’eclittica).

Gli artefatti dovuti a raggi cosmici sono più difficili da distinguere e ogni ricerca impiega un metodo diverso per affrontarli. Alcune ricerche osservano contemporaneamente diversi filtri e richiedono che l’oggetto sia presente nello stesso posto attraverso tutti i filtri. Altri prendono due nuove immagini, una dopo l’altra, e richiedono che l’oggetto sia presente nello stesso posto in entrambe le immagini. È molto raro che un raggio cosmico colpisca nello stesso posto su due immagini separate, permettendo di distinguerli.

Se l’oggetto è chiaramente presente sia nell’immagine modello che nella nuova immagine, molto probabilmente abbiamo una stella variabile, ed i centri e le stelle della galassia scarsamente sottratti hanno evidenti residui nell’immagine sottratta. Una volta che ciascun candidato è stato controllato a occhio e un elenco di oggetti che sembrano supernova è stato raccolto, il passo successivo è ottenere spettri per confermare la scoperta e (se reale) determinare il tipo di supernova.

Differenze fra i vari spettri di supernove di diverso tipo.

Infatti, le stelle che stanno per diventare supernova cambiano colore dal rosso al blu a causa delle loro temperature crescenti. E le supernove mantengono un po’ di colore blu a causa dell’effetto Doppler: la luce delle loro esplosioni si muove verso di noi così in fretta da apparire blu. Inoltre, a differenza di una cometa o di un aereo commerciale, una supernova non vacillerà dalla sua posizione. Ma cosa fare se per davvero, magari con un po’ di fortuna, si scopre nel cielo una sospetta supernova?

Se noti una supernova che non è registrata, puoi segnalarla all’Ufficio centrale IAU per i telegrammi astronomici. Da lì, gli astronomi studieranno qualsiasi radiazione elettromagnetica che la potenziale supernova sta emettendo, cioè eventuali raggi gamma, raggi X, onde ultraviolette, luce visibile, onde infrarosse, microonde e onde radio. Questo spettro di radiazioni visibili e invisibili li aiuterà a capire di cosa è composto l’oggetto celeste, quanto è caldo, quanto è denso e quanto velocemente si muove.

Dovrai probabilmente riprendere migliaia e migliaia di galassie solo per trovare una supernova. Anche se pensi di aver trovato qualcosa, è lì che inizia il vero divertimento. Il nuovo oggetto “sospetto” potrebbe essere qualsiasi cosa, da un artefatto di raggio cosmico, un pixel caldo, una stella variabile, un asteroide, una supernova precedentemente scoperta, un artefatto della CCD. Devi eliminare tutto quanto sopra e quindi, e solo allora, puoi andare al passaggio successivo.

Uno spettro di supernova preso da un astronomo britannico.

Per ogni supernova che scoprirai ci saranno 10-20 oggetti sospetti che devono essere controllati e ricontrollati da te o da altre persone se il tempo non consente osservazioni di follow-up. Quindi c’è molto da fare e durante questo periodo devi anche controllare la tua eccitazione e concentrarti su ciò che stai facendo in quanto il tempo è essenziale, e c’è anche molta competizione là fuori. Tutti gli astronomi dilettanti o quasi, infatti, vorrebbero scoprire una nuova supernova.

Quale strumentazione usare per la ricerca di supernove

Una normale fotocamera da 35 millimetri è uno strumento molto potente per una ricerca di supernove. Con un obiettivo da 50 mm f / 2.8 e pellicola ISO 800, un’esposizione di 5 minuti raggiunge la magnitudine 11 e copre un campo di 27° x 40°. Con un obiettivo da 300 mm la magnitudine limite arriva a 15, ma il campo si riduce a 4½° x 6½°. L’inquinamento luminoso e la luce lunare ridurranno il limite di grandezza di qualsiasi installazione fotografica, pertanto la macchina fotografica non è lo strumento ideale.

Il problema con la pellicola è che l’elaborazione richiede tempo, anche se hai un laboratorio di un’ora dietro l’angolo. Per una ricerca efficiente, uno scanner è quasi obbligatorio, non solo per consentire rapidi confronti con grafici digitali, ma anche per consentire una rapida trasmissione dell’immagine. D’altro canto, le camere CCD forniscono automaticamente immagini digitali, ma hanno campi visivi molto limitati, per cui con un telescopio si potrebbero riprendere solo poche aree ristrette del cielo.

Una tipica fotocamera CCD e un telescopio Schmidt-Cassegrain da 20 cm (con un riduttore di focale per dare f/3,3) copre un campo di soli circa 0,2 gradi quadrati, ma può raggiungere la 18-esima magnitudine con esposizioni inferiori a 10 minuti. I CCD sono anche meno “handicappati” da un cielo luminoso rispetto alle emulsioni fotografiche. Eppure la prospettiva di scattare (ed esaminare!) centinaia o migliaia di immagini non sembra molto attraente, per non dire altro!

Un bel telescopio Schmidt-Cassegrain utilizzabile per la caccia alle supernove.

Un compromesso molto efficace tra ampi campi e magnitudini limite elevate si ha quando un rivelatore CCD è montato su un normale obiettivo fotografico. Ad esempio, un obiettivo da 135 mm f / 2,8 montato su un CCD Kodak KAF-0400 (uno dei rivelatori più diffusi nelle fotocamere amatoriali) coprirà un campo da 2° a 3° e raggiungerà la 14-esima magnitudine in 3 minuti. In questo modo, un’ampia copertura del cielo potrebbe aver luogo durante alcune ore di riprese sistematiche.

Per fare una gran quantità di osservazioni è necessaria un’ottima montatura. Anche se non farai molte esposizioni lunghe, consumerai una montatura scadente molto rapidamente e avrai bisogno dell’accuratezza che forniscono soprattutto quelle di fascia alta. Pertanto, non sottovalutare l’importanza di questo dettaglio. Un supporto robotico Paramount ME è l’ideale per il lavoro. È una montatura di ottima qualità che durerà per anni e anni facendo migliaia di riprese.

Se cerchi deboli stelle di 14-18-esima magnitudine, hai bisogno di un telescopio leggero a largo campo e oggigiorno sono facilmente disponibili a un buon prezzo. Puoi usare un classico Celestron da 35 cm, altri usano gli ambiti Meade da 30 e 35 pollici, un ragazzo che conosco usa un Celestron da 25 cm e ha scoperto 2 supernove. L’ottica è la chiave, quindi non usare uno strumento di scarsa qualità, così migliore sarà la magnitudine più debole che sarai in grado di ottenere durante le riprese.

Vi sono molte camere CCD che possono essere utilizzate per la caccia alle supernove in base al budget e alle preferenze personali. Puoi usare una CCD Sbig ST8me e una SbigST10 e utilizzare esposizioni diverse, da 30 sec a 1 minuto, a seconda che ci sia un buon seeing o meno. Altre fotocamere che possono essere utilizzate sono Starlight Xpress SXVH9. Si tratta di telecamere a corrente oscura e normalmente non necessitano di sottrazione del dark field. Evitate invece le camere deep-sky della Meade.

Una famosa camera CCD utilizzabile per la ricerca di supernove.

Un buon software per il lavoro è molto importante, in quanto devi cercare migliaia di galassie al mese. The Sky è sempre stato il pacchetto software che gli astronomi dilettanti avanzati hanno considerato “il gold standard” e utilizza anche “Orchestrate” (un programma per la ricerca automatizzata di supernove). Qui crei un elenco di galassie e “orchestri” la rotazione di ogni galassia attraverso CCDsoft o MaxIm DL, in modo da riprendere un’immagine e passare alla galassia successiva.

Ciò consente di visualizzare grandi quantità di galassie ogni notte e ogni ripresa può essere salvata per essere riutilizzata le volte successive in cui è necessario riprendere una parte del cielo. Questo software è utilizzato dalla maggior parte dei cacciatori di supernove, anche un altro programma interessante è CCD Auto Pilot. Esso consente di importare gli script ed è sostanzialmente la stessa cosa di Orchestrate, tuttavia, se cercate per costellazione, scoprirete che vi dà più flessibilità.

Consiglio vivamente di utilizzare maxIm DL per il blinking delle galassie che hai ripreso. Questo è un programma di imaging CCD che ha anche un plug-in per la ricerca di supernove. Ci sono persone che paragonano le galassie ad occhio, tuttavia è preferibile di gran lunga a Maxim, con cui molti dilettanti hanno scoperto tutte le proprie supernove. Una volta avviato, è molto facile da usare. Ci sono altri pacchetti software (ad es. Grepnova) ma non è necessario provarli tutti per avere successo.

Il software MaximDL per la ricerca di supernove con il blinking.