Siamo davvero soli nell’universo?

È una domanda che ci poniamo spesso e alla quale molti ricercatori cercano di dare una risposta. La ricerca di base può infatti aprire strade inattese e connettere ambiti scientifici apparentemente distanti.

Paolo Laporta, laureato al Politecnico di Milano nel 1979 e oggi professore ordinario di Fisica sperimentale, ha dedicato la sua carriera allo studio dei laser, arrivando a sviluppare sofisticati pettini ottici di frequenza per osservare pianeti lontani anni luce. Con il progetto NIR AstroComb, la fisica dei laser incontra l’astrofisica e contribuisce alla ricerca di nuovi mondi potenzialmente abitabili.

Il progetto NIR AstroComb

NIR AstroComb nasce dal lavoro congiunto tra un team di ricercatori del Dipartimento di Fisica del Politecnico di Milano e dell’Istituto di Fotonica e Nanotecnologie del CNR, insieme a un gruppo di astrofisici dell’Università di Catania e dell’INAF. Si tratta di un progetto PRIN finanziato a livello nazionale, che ha consentito di sviluppare un nuovo tipo di sorgente laser pensata specificamente per un’applicazione astronomica.

NIR, per esteso Near Infrared, indica il vicino infrarosso, mentre AstroComb unisce astrofisica e laser frequency comb, cioè pettine ottico di frequenza. In sostanza è un laser a pettine ottico progettato per operare nel vicino infrarosso e applicato all’astrofisica.

L’obiettivo del progetto è contribuire alla ricerca e alla caratterizzazione degli esopianeti, pianeti che orbitano attorno a una stella diversa dal Sole, quindi al di fuori del nostro Sistema Solare. Se in passato l’obiettivo era individuare sistemi planetari simili al Sistema Solare attorno ad altre stelle, oggi la sfida è capire quanti possano essere simili alla Terra.

Nella nostra galassia esistono infatti milioni, anzi miliardi di stelle e i pianeti che orbitano attorno ad esse sono numerosissimi. Il passo successivo, ancora più affascinante, è scoprire quanti si trovino nella cosiddetta zona abitabile, cioè a una distanza dalla loro stella tale da poter potenzialmente ospitare, o aver ospitato, forme di vita simili a quelle che conosciamo sulla Terra.

Il ruolo del laser nella scoperta degli esopianeti

I pianeti non emettono luce propria e non brillano di luce autonoma, per cui non possono essere osservati direttamente.

Uno dei metodi più efficaci per individuarli è quello delle velocità radiali. Quando un pianeta orbita attorno a una stella, anche la stella compie un piccolo moto periodico attorno al centro di massa del sistema, a causa dell’attrazione gravitazionale reciproca. Se l’orbita del pianeta è molto ampia, lo spostamento della stella è estremamente modesto, ma regolare nel tempo.

Questo movimento produce uno spostamento minuscolo delle righe spettrali della luce stellare, dovuto all’effetto Doppler: se la stella si avvicina, le frequenze della sua radiazione risultano leggermente più alte; se si allontana, leggermente più basse. Si tratta naturalmente di variazioni infinitesime.

Per questo motivo è necessario disporre di una calibrazione dello spettrografo estremamente stabile nel tempo. È qui che entrano in gioco i laser frequency comb, i pettini ottici di frequenza. Questi sistemi producono una serie di frequenze perfettamente equispaziate e molto stabili, con precisioni dell’ordine di una parte su 10¹².

Il risultato è un vero e proprio “pettine” di frequenze: una serie di “denti ottici” equidistanti che coprono un’ampia regione spettrale e funzionano come un righello ottico di riferimento.

La luce del frequency comb viene accoppiata allo spettrografo astronomico insieme alla luce proveniente dalla stella. Il pettine funge da sistema di taratura estremamente preciso e continuo, permettendo di calibrare lo strumento con una stabilità che prima era impensabile.

Poiché le osservazioni devono durare mesi o anni per evidenziare la periodicità del moto stellare, senza una calibrazione così fine gli spostamenti Doppler non sarebbero distinguibili. Per questo la fisica dei laser diventa uno strumento decisivo nella ricerca degli esopianeti.

Perchè lavorare nel vicino infrarosso

Buona parte delle stelle della nostra galassia sono nane rosse, cioè stelle più piccole e più fredde del Sole, con tempi di evoluzione molto lunghi — possono vivere decine di miliardi di anni — e quindi con maggiori opportunità per lo sviluppo di sistemi planetari stabili.

Tuttavia le nane rosse emettono la maggior parte della loro radiazione non nel visibile ma nel vicino infrarosso. Per studiarle è quindi necessario lavorare proprio in quella regione spettrale.

Con il laser frequency comb è possibile operare in questo intervallo. Il sistema copre infatti una regione molto ampia dello spettro, da circa 900 nanometri fino a 2,4 micrometri — più di un’ottava in estensione — anche grazie a tecniche di generazione di supercontinuo in materiali non lineari.

Il sistema è stato progettato per accoppiarsi allo spettrografo infrarosso GIANO-B, installato presso il Telescopio Nazionale Galileo a La Palma, nelle Isole Canarie. Il pettine è stato pensato per coprire l’intero intervallo spettrale di GIANO-B e fungere da sistema di taratura estremamente preciso e stabile nel tempo.

Attualmente il sistema è in fase di validazione nei laboratori del Politecnico di Milano, ma l’obiettivo è trasferirlo al telescopio entro la fine dell’anno e renderlo operativo nel 2027.

Altri ambiti di ricerca in cui applicare questa tecnologia

Il sistema può essere utilizzato per studiare le atmosfere stellari o per verificare la costanza nel tempo di alcune costanti fondamentali della fisica.

Inoltre, i pettini ottici hanno potenziali applicazioni nelle comunicazioni ottiche: migliaia di righe spettrali significano migliaia di canali trasmissivi disponibili in parallelo.

Un consiglio per i giovani ricercatori

Per chi desidera intraprendere la carriera scientifica, la passione è un elemento fondamentale. La ricerca può offrire grandi soddisfazioni, ma comporta anche momenti di difficoltà, soprattutto in un contesto internazionale altamente competitivo.

Per questo è importante scegliere un ambito che entusiasmi davvero e costruire nel tempo una competenza solida. Allo stesso tempo bisogna mantenere uno sguardo aperto e curioso: le innovazioni più interessanti nascono spesso dall’incontro tra discipline diverse.

Il progetto NIR AstroComb ne è un esempio: la fisica dei laser ha incontrato l’astrofisica, aprendo nuove prospettive per l’esplorazione del cosmo.