Ad aprile 2019, un team internazionale di oltre 300 scienziati ha svelato le prime immagini registrate di un buco nero, la sua ombra scura e il vivido disco arancione che scrutano indietro attraverso 55 milioni di anni luce di spazio. Catturare immagini da così lontano ha richiesto la potenza combinata di otto radiotelescopi in quattro continenti, lavorano insieme per formare essenzialmente un enorme telescopio delle dimensioni della Terra chiamato Event Horizon Telescope (EHT).

La tecnologia che alimenta l'imaging EHT viene utilizzata anche dagli scienziati della NASA e in tutto il mondo per misurare la Terra. Interferometria di base molto lunga, o VLBI, è una tecnica che combina forme d'onda registrate da due o più radiotelescopi. Questo strumento versatile è utilizzato non solo in astronomia, ma anche geodesia:la scienza della misurazione delle dimensioni della Terra, forma, rotazione e orientamento nello spazio.

Geodesia ci permette di vedere le mappe sui nostri telefoni, misurare le maree oceaniche, pianificare lanci di razzi, calibrare gli orologi, prevedere terremoti, tracciare gli tsunami e mantenere le orbite dei satelliti. Come strumento geodetico, VLBI aiuta gli scienziati a misurare con precisione le distanze e la topografia e a tenere traccia dei cambiamenti della superficie terrestre e della rotazione nel tempo. Scienziati del Goddard Space Flight Center della NASA a Greenbelt, Maryland, e l'Osservatorio Haystack del MIT a Westford, Massachusetts, ha aperto la strada all'uso geodetico di VLBI negli anni '60.

Oggi, NASA, MIT Haystack e altri partner collaborano per migliorare ed espandere le stazioni geodetiche in tutto il mondo come parte dello Space Geodesy Project (SGP) della NASA. MIT Haystack funge da hub per lo sviluppo di hardware e software a vantaggio sia dell'astronomia che della geodesia, collaborando con la National Science Foundation per sostenere l'EHT e con la NASA per potenziare il PSC. Insieme, quella sinergia ha contribuito direttamente alla realizzazione dell'immagine del buco nero mentre si lavorava verso radiotelescopi più veloci, più automazione e accesso a più strumenti geodetici nello stesso luogo, consentendo mappe più precise, grafici, percorsi di volo e orbite come mai prima d'ora.

VLBI:tutto su quella linea di base

I radiotelescopi misurano le onde radio. Queste onde sono più deboli e più deboli della luce visibile, ma penetrano nella polvere e nei gas interstellari e nell'interferenza dall'atmosfera terrestre in modi che la luce visibile non può. Danno anche agli astronomi informazioni sullo spazio che non esiste nello spettro visibile.

La visualizzazione delle onde radio richiede grandi telescopi sensibili. Un array VLBI ha un potere di ingrandimento, o "risoluzione angolare, " equivalente a un singolo telescopio con una parabola larga quanto la linea di base più lunga tra due telescopi nell'array. (Ad esempio, i telescopi più distanti dell'EHT erano separati da più di 7, 000 miglia, pari a un singolo telescopio largo più del doppio degli Stati Uniti.) Ogni telescopio nell'array EHT ha catturato le onde radio emesse dal buco nero da un angolo unico, a seconda della loro posizione sulla Terra. L'aggiunta di tutte queste osservazioni insieme a un potente computer ha prodotto le immagini finali.

Negli anni '60, gli scienziati della NASA Goddard e del MIT Haystack si sono resi conto che questa leggera differenza di prospettiva era una preziosa fonte di informazioni, non solo sullo spazio, ma sulla Terra.

"Il principio di base del VLBI geodetico è che le onde radio provenienti da una sorgente lontana colpiscono una stazione prima dell'altra, " ha detto Stephen Merkowitz, responsabile del Progetto Geodesia Spaziale della NASA. "Usiamo quasar, che sono galassie attive molto distanti, così lontani che sono punti fermi nel cielo. Misuriamo il ritardo tra il momento in cui il segnale raggiunge quei due punti, e convertire in una distanza usando la velocità della luce."

La rotazione terrestre fa sì che il ritardo tra i segnali quasar osservati dalle stazioni VLBI cambi, consentendo agli scienziati di misurare con precisione la velocità di rotazione. Possono anche utilizzare questi dati per misurare la posizione e la distanza tra le stazioni VLBI, e ripetendo queste misurazioni nel tempo, può osservare anche minuscolo, lenti cambiamenti alla superficie terrestre, come la deriva dei continenti.

Forse la funzione più importante di VLBI è aiutare a costruire i Sistemi di Riferimento Internazionali Terrestri e Celesti. Il Sistema di Riferimento Terrestre assegna le coordinate alle posizioni sulla Terra, compreso il suo centro, fornendo un quadro coerente per mettere in relazione le misurazioni tra loro.

"Supponiamo di avere una missione che misura il livello del mare nel Golfo del Messico e di avere un mareografo al largo della costa della Louisiana che sta anche misurando il livello del mare, e vuoi collegarli insieme in modo da avere un po' di verità sulle osservazioni spaziali, " Merkowitz ha detto. "Se non sono nello stesso sistema di riferimento, non puoi farlo. Se il tuo telaio non è preciso e stabile, che introdurrà tutti i tipi di errori in quella cravatta. Così, un buon quadro di riferimento consente di collegare diversi set di dati tramite la geolocalizzazione."

Il quadro di riferimento celeste ha uno scopo simile, ma invece di creare un quadro stabile per le posizioni della Terra, crea un quadro per la localizzazione di oggetti astronomici. Gli scienziati usano i parametri di orientamento della Terra:misurazioni del tempo, orientamento e rotazione—per collegare i due frame insieme. Questo crea un sistema totale per geolocalizzare gli oggetti nello spazio e sulla Terra.

Un esempio di una tecnologia quotidiana che dipende da questi quadri di riferimento è il Global Positioning System, o GPS. Il GPS si basa su una costellazione di satelliti che trasmettono costantemente le loro posizioni e orari a dispositivi abilitati GPS a terra, dai telefoni cellulari alle attrezzature agricole. I satelliti nella costellazione si basano sul Sistema di Riferimento Terrestre e sui Parametri di Orientamento della Terra per trasmettere la loro posizione, quindi mantenere questi framework precisi e accurati è essenziale per le attività quotidiane in tutto il mondo.

Quantità che a volte diamo per scontate, come la lunghezza del giorno della Terra e la velocità con cui ruota, non sono in realtà costanti, ha detto Merkowitz. "Dipendono da molte cose diverse come il tempo, grandi moti di massa come El Niño o La Niña, e movimenti di grandi quantità di acqua, " Lui ha spiegato.

Tracciare una rotta per il futuro di Geodesia

Con la Terra in costante cambiamento, la geodesia mantiene le mappe accurate, aerei e navi in ​​rotta e misurazioni satellitari precise. Infatti, VLBI e altri strumenti sono vitali per i satelliti di osservazione della Terra come ICESat-2 e strumenti come GEDI, entrambi utilizzano impulsi laser per misurare le strutture delle calotte glaciali e delle foreste. Senza sapere esattamente dove si trova l'astronave sopra la superficie terrestre, gli scienziati non sarebbero in grado di effettuare questo tipo di misurazioni di precisione.

"Quando esegui la determinazione dell'orbita di precisione per qualcosa come ICESat-2, richiede il frame di riferimento come input, " Merkowitz ha detto. "ICESat-2 è molto sensibile agli errori, quindi se il calcolo del centro della Terra è sbagliato, si traduce in un errore nelle misurazioni scientifiche. Le missioni orbitali di precisione e le missioni che misurano le altezze dipendono in particolare dalla struttura".

Nel 2007, la National Academy of Sciences ha riferito che l'infrastruttura geodetica della nazione stava invecchiando troppo rapidamente per stare al passo con la crescente domanda di dati. Così la NASA ha lanciato lo Space Geodesy Project per sviluppare e distribuire la prossima generazione di stazioni geodetiche, che include VLBI e altre tecniche che utilizzano i laser per tracciare con precisione i satelliti (chiamato raggio laser satellitare, o reflex).

Le nuove stazioni VLBI saranno in grado di campionare su un'ampia gamma di frequenze anziché solo due, dando loro una maggiore flessibilità per continuare a raccogliere dati in caso di interferenze da Wi-Fi o altri segnali. Le loro dimensioni ridotte e il movimento più rapido li renderanno più adattabili alle condizioni atmosferiche, ma per compensare i piatti più piccoli (ricordate, con radiotelescopi, più grande è meglio), campioneranno i dati molto più velocemente. Infine, Merkowitz ha detto, i sistemi saranno in grado di raccogliere dati 24 ore al giorno senza supervisione umana per fornire misurazioni molto più rapide.

La National Academy of Sciences e altre associazioni geodetiche internazionali raccomandano che, per i migliori risultati scientifici, la rete di geodesia spaziale aggiornata dovrebbe essere precisa entro un millimetro, o sullo spessore di una carta d'identità. Dovrebbe anche essere stabile entro un decimo di millimetro, la larghezza di un capello umano. Questa precisione è fondamentale per misurare il livello del mare, che aumentano di circa 3,4 millimetri, o 0,13 pollici, per anno, ha detto Merkowitz.

Il progetto è nella sua prima fase:sostituire le stazioni geodetiche domestiche della NASA con i sistemi di nuova generazione. La NASA ha recentemente installato la sua terza stazione VLBI domestica in Texas; le sue stazioni VLBI di nuova generazione nelle Hawaii e nel Maryland sono già in funzione e effettuano regolarmente misurazioni.

La NASA sta anche lavorando con partner internazionali per aiutare la transizione della rete internazionale VLBI alla tecnologia di prossima generazione, ha detto Merkowitz. "La cooperazione internazionale è vitale per il successo della geodesia spaziale. La misurazione degli effetti globali richiede una rete globale, e la NASA non può farcela da sola".

La rete di nuova generazione supporterà un GPS più preciso, quadri di riferimento sempre più precisi e un migliore supporto per i molti modi in cui utilizziamo le mappe nel mondo di oggi. Con l'aiuto di VLBI, il team ci aiuterà a sapere dove siamo e dove stiamo andando con ancora più precisione in futuro.