R i s u l t a t i e p r o s p e t t i v e d e l l e r i c e r c h e s p a z i a l i (*) B. R o s s i R i c e v u t o il 19 F e b b r a i o 1963 Sarebbe una presunzione da parte degli scienziati il pensare che i grandiosi e costosissimi programmi di attività spaziale in cui, una dopo l'altra, si vanno imbarcando le maggiori nazioni del mondo siano moti- vati esclusivamente, od anche principalmente, da ragioni scientifiche. Vi sono importanti ragioni pratiche, come lo sviluppo di una rete globale di comunicazioni e la raccolta di dati meteorologici che p e r m e t t a sicure predizioni del tempo. Vi sono questioni di prestigio nazionale. E vi è infine l'indomabile spirito d'avventura che obbliga l'uomo a tentare t u t t o ciò che è umanamente possibile, a spingersi sempre più lontano nel mondo che lo circonda. E p p u r e è assai probabile che, in ultima analisi, il risultato più im- portante e più durevole di questa attività saranno appunto quelle scoper- te scientifiche che oggi passano quasi inosservate. È probabile che il periodo iniziato quasi cinque anni fa col lancio del primo sputnick pas- serà alla storia come quello in cui l'umanità ha compiuto uno sbalzo di eccezionale p o r t a t a verso la conoscenza del pianeta su cui vive e del- l'universo che circonda questo pianeta. La terra è p a r t e del sistema solare, e l'esplorazione diretta del si- stema solare ha già avuto inizio. Non v'è dubbio che durante il prossi- mo decennio strumenti sempre pili complessi e raffinati verranno lanciati a distanze sempre più grandi dal nostro pianeta. E, con ogni probabilità, in questo periodo assisteremo pure ai primi viaggi di astronauti oltre i limiti di quella regione dello spazio che è sotto l'influenza diretta della terra. (*) N o t a p r e s e n t a t a al 2° Congresso I n t e r n a z i o n a l e Tecnico Scientifico dello Spazio. R o m a , 19-23 Giugno 1962. l ì . R O S S I Il sole è u n a delle innumerevoli stelle che formano le galassie, e la nostra galassia non è che una delle innumerevoli galassie che riempiono l'universo. Rispetto alle altre stelle e alle altre galassie, la situazione è di- versa da quella che riguarda il sistema solare giacché questi oggetti, a causa della loro enorme distanza, non potranno essere raggiunti da vei- coli spaziali. P e r quel che riguarda le stelle al di f u o r i del sistema solare e le galassie al di fuori del nostro sistema galattico, non si vede nessuna possibilità di esplorazione diretta a causa della loro enorme distanza. Le ricerche spaziali, t u t t a v i a , sono destinate ad a u m e n t a r e grande- mente le nostre conoscenze dell'universo galattico e estragalattico. L'atmosfera, come è noto, non lascia passare che u n a piccola p a r t e delle radiazioni elettromagnetiche provenienti dagli oggetti celesti. I raggi infrarossi, i raggi ultravioletti, e i raggi X sono completamente assorbiti dai primi strati dell'atmosfera. I raggi g a m m a di breve lunghezza d'on- da penetrano alquanto nell'atmosfera, m a ben presto rimangono nascosti sotto l'intenso flusso dei raggi g a m m a secondari p r o d o t t i dai raggi co- smici. Non rimane quindi che u n a s t r e t t a « finestra » nel visibile, ed u n a seconda finestra più ampia, nella regione delle radio-onde. P e r di più le osservazioni astronomiche nel visibile sono seriamente ostacolate dalle distorsioni atmosferiche e dalla luminescenza atmosferica del cielo notturno. P e r contro, da u n satellite che giri a t t o r n o alla t e r r a ad un'altezza di alcune centinaia di kilometri, si può osservare, senza distorsioni e senza lo sfondo di radiazioni secondarie, t u t t o lo spettro delle onde elet- tromagnetiche, dai raggi y alle onde radio di u n a lunghezza d'onda massima d e t e r m i n a t a dalla densità del plasma. Osservazioni astronomiche con s t r u m e n t i a bordo di veicoli spaziali presentano, perciò, grandi promesse; e, per quanto l'astronomia spaziale sia ancora nella sua infanzia, ha già prodotto qualche risultato prelimi- nare di notevole interesse. Vorrei ricordare a questo proposito le osserva- zioni dei raggi gamma di alta energia eseguite per mezzo di Explorer X I . Tali raggi possono provenire solamente dal decadimento radioattivo dei mesoni ns, i quali a loro volta possono venire prodotti da collisioni nu- cleari di alta energia o da processi di annichilazione di materia con anti- materia. Gli apparecchi a bordo di Explorer X I hanno registrato un flusso debolissimo di raggi g a m m a , che può interpretarsi come dovuto ad u r t i di raggi cosmici coi nuclei del tenuissimo gas interstellare. Questi risul- t a t i , per quanto t u t t ' a l t r o che definitivi, h a n n o permesso di scartare una delle versioni dell'ipotesi cosmologica della creazione continua. Secondo R I S U L T A T I H P R O S P E T T I V E D E L L E R I C E R C H I ? S P A Z I A L I 89 questa versione, verrebbero create continuamente nell'Universo, ed in particolare nella nostra galassia, coppie di protoni ed antiprotoni, con un ritmo sufficiente a compensare la continua espansione dell'universo, e a mantenere u n a densità costante di m a t e r i a . Se così fosse, gli anti- protoni creati nella galassia dovrebbero via via annichilarsi con i protoni, e così facendo dovrebbero produrre raggi g a m m a , ed il flusso di raggi g a m m a predetto da questa teoria è parecchie centinaia di volte più in- tenso di quello che è stato osservato da Explorer X . Quali sorprese a t t e n d a n o gli scienziati quando potranno s f r u t t a r e in pieno le possibilità offerte dai veicoli spaziali, nessuno può dire. Vorrei menzionare qui solamente il f a t t o che l'assenza della luminescenza di fondo del cielo, l'assenza di distorsioni atmosferiche e la possibilità di estendere le osservazioni nell'infrarosso aumenteranno, a quanto sem- bra, di un f a t t o r e 10 il raggio di visibilità. Ciò permetterebbe di osservare galassie che si trovano vicine al limite estremo dell'universo, che si tro- vano cioè in quella regione dello spazio dove la velocità di recessione si avvicina alla velocità della luce. Non è difficile comprendere la grande importanza cosmologica di tali osservazioni. Vorrei ora tornare al sistema solare, su cui si sono già ottenuti importan- t i risultati e su cui si sta rapidamente concretando un organico programma di ricerca, diretto a chiarirne l'origine, l'evoluzione, e la presente s t r u t t u r a . P e r quel che riguarda l'origine del sistema solare, ha particolare importanza lo studio dei corpi solidi in esso contenuti, come la terra, gli altri pianeti interni, e la luna. Come è noto, un'ipotesi favorita oggi da molti astronomi è che il sole, i pianeti e la luna siano nati, attraverso locali processi di condensa- zione, da u n a primordiale e f r e d d a nuvola di pulviscolo a gas. Ad un certo p u n t o , raggiunta u n a d a t a densità critica, si sarebbero iniziati nel sole quelle reazioni termonucleari che durano t u t t o r a , e che sono la sor- gente dell'energia irradiata. I pianeti avrebbero pure raggiunto, al prin- cipio della loro vita, una t e m p e r a t u r a piuttosto elevata, a causa del loro contenuto radioattivo destinato poi a diminuire gradualmente. Mentre la luna, dato il minor rapporto f r a massa e area, potrebbe essere rimasta ad u n a t e m p e r a t u r a più modesta attraverso t u t t a la sua storia. Le con- dizioni termiche di un corpo celeste influenzano il grado di plasticità del suo materiale e la rapidità con cui elementi leggeri e pesanti si ridi- stribuiscono nella sua massa sotto l'influenza del campo gravitazionale. Perciò lo studio della costituzione interna dei pianeti e della relativa ab- bondanza degli elementi presenti alla loro superficie p e r m e t t e r à di con- fermare le correnti idee sull'origine del sistema solare. 4 7 » l i . R O S S I Vi sono ancora molte incognite sulla s t r u t t u r a i n t e r n a della t e r r a , e, strano a dirsi, uno dei primi risultati delle ricerche spaziali è stato un notevole progresso nelle nostre conoscenze del pianeta su cui vivia- mo. Studiando a c c u r a t a m e n t e le orbite dei satelliti artificiali, è stato possibile stabilire che la forma media della t e r r a differisce più di quanto si credeva dalla forma che dovrebbe acquistare u n a massa plastica sotto l'influenza delle forze gravitazionali e centrifughe. Ciò significa che la t e r r a , ha una rigidità interna assai maggiore di quella a t t r i b u i t a l e pre- cedentemente. Il giorno in cui si m e t t e r a n n o satelliti in orbita a t t o r n o alla luna, a Marte o a Venere, si potranno usare simili metodi per studiare la for- ma e conseguentemente la s t r u t t u r a interna di tali oggetti. Gli scienziati si attendono risultati particolarmente interessanti per quel che riguarda la luna, che, secondo idee correnti, non avrebbe dovuto passare a t t r a - verso la fase di a l t a t e m p e r a t u r a e quindi di a l t a plasticità attraverso cui sarebbero passati la t e r r a e gli altri pianeti di simile massa. Le condizioni fisiche e chimiche della superficie lunare sono p u r e di eccezionale interesse. Non essendo soggetta a quegli agenti atmosfe- rici, che hanno cosi p r o f o n d a m e n t e alterato la superfìcie terrestre, la superficie lunare è rimasta probabilmente i m m u t a t a per miliardi di anni e quindi p o r t a impressa la storia del sistema solare nel lontano passato. La sua dettagliata esplorazione p o t r à rivelare, per esempio, se è vero, come taluni pensano, che l'iniziale condensazione della nebula solare non abbia dato luogo d i r e t t a m e n t e alla formazione dei pianeti, m a piut- tosto ad oggetti di assai più piccole dimensioni, che si sarebbero poi aggregati per formare tali pianeti e i loro satelliti. U n a completa esplorazione della superficie lunare richiederà lo sbarco di complessi strumenti, e probabilmente, di astronauti. Ma qual- che osservazione preliminare di grande importanza si potrà f a r e p u r e da veicoli spaziali lanciati contro la luna o meglio messi in orbita at- torno alla luna. Macchine da presa televisive p o t r a n n o mettere in evi- denza dettagli della s t r u t t u r a superficiale ancora ignoti. Contatori di raggi g a m m a p e r m e t t e r a n n o di misurare l'abbondanza dei vari elementi radio attivi, ed in particolare, del potassio, e di fare così un primo passo nell'analisi chimica della superficie lunare. Tornando alla terra, vorrei accennare al f a t t o che la sua atmosfera presenta molti problemi ancora non risolti, i quali sono di grande impor- tanza sia scientifica, sia pratica. Già le ricerche spaziali hanno contri- buito notevolmente alla soluzione di questi problemi. Mi limiterò a ri- cordare un esempio. L'atmosfera residua nello spazio dove si muovono R I S U L T A T I H P R O S P E T T I V E D E L L E R I C E R C H I ? S P A Z I A L I 4 7 1 i satelliti produce u n graduale frenamento, che risulta in un graduale abbassamento dell'apogeo. Osservando questo fenomeno, J a c c h i a ha messo in evidenza il f a t t o che la densità dell'aria, ad altezze di qualche centinaio di kilometri, varia periodicamente con un periodo di 27 giorni, che coincide col periodo di rotazione del sole. Questo f a t t o si spiega colla circostanza che la radiazione solare varia d u r a n t e la rotazione del sole perché non t u t t e le regioni della superfìcie solare sono ugualmente attive. Esso rivela d i r e t t a m e n t e connessione t r a fenomeni solari e fenomeni meteorologici che può avere grande importanza. Gli s t r a t i superiori dell'atmosfera sono fortemente ionizzati dai raggi ultravioletti, dai raggi X , e talora dai raggi corpuscolari prove- nienti dal sole. Essi formano la ionosfera la quale, t r a l'altro, per la sua capacità di riflettere onde elettromagnetiche di media lunghezza, per- m e t t e le comunicazioni radio a grande distanza, che sarebbero altrimenti impossibili a causa della c u r v a t u r a della terra. P r i m a del lancio dei veicoli spaziali, i soli dati sulla ionosfera erano quelli o t t e n u t i appunto studiando la riflessione di onde elettromagneti- che emesse da stazioni alla superficie della terra. P e r la sua stessa n a t u r a , questo metodo non può dare nessuna informazione sulla densità di ioniz- zazione al di sopra del massimo, che si trova a circa 200 kilometri. Vei- coli spaziali hanno già permesso di misurare direttamente la densità di ionizzazione oltre il massimo. Prossimamente si inizieranno misure con un altro metodo, che appare assai promettente. Esso è basato sul- l'osservazione di segnali radio emessi da un satellite che circola la terra al di sopra della ionosfera, e riflessi verso il satellite stesso dalla ionosfera sottostante. Ben poco sappiamo finora sull'atmosfera degli altri pianeti, come Marte e Venere, e delle corrispondenti ionosfere. I l loro studio è uno degli scopi principali dei voli interplanetari che avranno luogo nei pros- simi anni. Un veicolo spaziale che passi nelle vicinanze del pianeta, sia pure senza raggiungerlo, può ottenere importanti dati sulla composizione dell'atmosfera per mezzo dell'analisi spettroscopica della luce solare che, sfiorando il pianeta all'alba o al tramonto, passa attraverso un no- tevole strato di tale atmosfera. D a t i più precisi si potranno ottenere, in un secondo tempo quando si t e n t e r à di raggiungere la superficie stessa del p i a n e t a per mezzo di s t r u m e n t i contenuti in capsule lanciate fuori dal veicolo nel suo passaggio presso il pianeta. Questi s t r u m e n t i per- m e t t e r a n n o di ottenere dati più precisi riguardanti sia l'atmosfera come la superficie dei pianeti. 4 7 2 F r a i molti problemi che a t t e n d o n o di essere risolti da esperienze di questo genere vi è quello della t e m p e r a t u r a di Venere che, secondo certe misure radiometriche, sembra essere eccezionalmente elevata, raggiungendo forse i 300 °C. Se questi risultati sono esatti, essi indicano che il pianeta Venere è circondato da u n ' a t m o s f e r a di proprietà ecce- zionali, la quale lascia passare la luce visibile del sole, m a t r a t t i e n e i raggi infrarossi riemessi dal pianeta impedendone così il raffred- damento. Lo studio delle condizioni fìsiche dell'atmosfera e delle superfici dei pianeti è di eccezionale importanza per determinare se f o r m e di vita più o meno simili alla nostra sono possibili su tali pianeti. Se lo sono, può darsi benissimo che l'interesse principale delle ricerche spaziali si sposti dalla fisica alla biologia. Non occorre essere specializzati in questa scienza per apprezzare l'enorme p o r t a t a scientifica e filosofica che avreb- be la scoperta di forme di vita estraterrene, per comprendere come tale scoperta costituirebbe 1111 grande passo verso la soluzione del mistero che circonda l'origine della vita sul nostro pianeta. A l t r e t t a n t o impor- t a n t e sarebbe la scoperta di forme intermedie di aggregazione della ma- teria fra quelle caratteristiche degli esseri viventi e quelle che si ritro- vano nel mondo inanimato. Non è impossibile che tali forme possano esistere oggi in un pianeta in cui, per qualche ragione, l'esplosione della vita fosse s t a t a r i t a r d a t a . Ritornando u n a volta di più alla terra, sappiamo oggi che, al di là della sua atmosfera e ionosfera, si trova u n a v a s t a regione, nota come magnetosfera. Questa regione contiene quelle particelle cariche veloci, t r a t t e n u t e nelle vicinanze della t e r r a dal suo campo magnetico, che for- mano la grande fascia di radiazione scoperta da Van Alien. Tale scoperta f u il risultato più notevole delle prime ricerche spaziali, e gran p a r t e delle esperienze condotte in questi anni, h a n n o avuto come oggetto, appunto, lo studio della fascia di radiazione. Grazie a queste ricerche, sappiamo oggi che la fascia di radiazione è f o r m a t a da elettroni e protoni e posse- diamo dati piuttosto precisi sulla densità di queste particelle, sul loro spettro d'energia, e sulla loro distribuzione angolare, in funzione dello spazio e del tempo. T u t t a v i a non conosciamo ancora la risposta al fon- damentale problema dell'origine della fascia di radiazione e sul modo in cui queste proprietà che caratterizzano il flusso di particelle in un determinato p u n t o variano nel t e m p o e nello spazio. È possibile, ed anzi probabile, che u n a p a r t e di questa radiazione sia d o v u t a ad u n a albedo di neutroni dell'atmosfera sottostante. I raggi cosmici, appena entrano nell'atmosfera, producono interazioni nucleari in cui, f r a l'altro vengono R I S U L T A T I H P R O S P E T T I V E D E L L E R I C E R C H I ? S P A Z I A L I 4 7 3 emessi neutroni. I neutroni lanciati verso l'alto viaggiano indisturbati a t t r a v e r s o il campo magnetico terrestre. Molti di essi si disintegrano in viaggio producendo elettroni e protoni che, essendo carichi, rimangono imprigionati da questo campo. D ' a l t r a p a r t e non sembra che t u t t a la fascia di radiazione possa spiegarsi in questo modo. Altre possibili sor- genti che sono state suggerite comprendono l'iniezione nella magneto- sfera di particelle provenienti dal sole, e l'accelerazione locale, per ef- fetto di disturbi idromagnetici, di particelle già presenti nella magneto- sfera. Se ci allontaniamo sufficientemente dalla terra e dagli altri pianeti, in modo da sottrarci completamente alla loro influenza sia gravitazio- nale che magnetica, ci troviamo in quello che si suol chiamare lo spazio interplanetario. Già prima dell'inizio dei voli spaziali si era a n d a t a af- fermando l'idea che tale spazio non fosse vuoto, m a contenesse un te- nuissimo gas, presumibilmente idrogeno completamente ionizzato. Espe- rimenti con veicoli spaziali sia russi che americani hanno confermato questa idea. Particolarmente i m p o r t a n t i furono i risultati ottenuti con Explorer X , i quali dimostrarono che questo gas ionizzato, o plasma, ha u n a densità di circa 10 elettroni e protoni per cm3 e si muove con una velocità di circa 300 k m al secondo venendo, sembra, più o meno d i r e t t a m e n t e dal sole. Explorer X ha anche dimostrato che la terra è circondata da u n volume in cui il plasma interplanetario non può pe- netrare, essendone impedito dal campo magnetico terrestre. Questo volume, che ha ricevuto il nome di cavità geomagnetica, ha una forma allungata, estendendosi p a r e Ano a circa 10 raggi terrestri, nella dire- zione da cui viene il vento, cioè nella direzione del sole, e fino a parecchie decine di raggi terrestri nella direzione opposta. Questi a cui ho accennato non sono che risultati preliminari. Lo studio ulteriore del plasma interplanetario è senza dubbio uno dei com- piti più urgenti delle ricerche spaziali nei prossimi anni. Si t r a t t a di uno studio di grande importanza sia per il geofisico, interessato dei fenomeni a cui dà luogo l'interazione del plasma interplanetario col campo ma- gnetico terrestre, come per l'astrofisico, interessato dei fenomeni solari di cui questo « vento » di plasma è u n a diretta manifestazione. I n realtà il plasma interplanetario può considerarsi come un'esten- sione dell'atmosfera solare, giacché non vi è nessuna naturale superfi- cie di separazione f r a di esso e la cosidetta corona solare. Perciò lo studio del plasma interplanetario è, in un certo senso, uno studio diretto del sole. Sarebbe n a t u r a l m e n t e di grande interesse eseguire misure dirette, del tipo di quelle che ho descritto, assai più vicino al sole. È probabile 4 7 4 Ti. R O S S I che nel f u t u r o non troppo lontano veicoli spaziali raggiungeranno di- stanze dell'ordine (li un terzo o u n quarto del raggio dell'orbita terre- stre. Nel f r a t t e m p o t u t t a v i a possiamo attenderci nuovi dati di notevole importanza per la fìsica solare a t t r a v e r s o l'osservazione dei raggi ultra- violetti e dei raggi X , che è divenuta possibile mediante l'uso doi satel- liti posti in orbita al di sopra della nostra atmosfera. Esperienze preli- minari per mezzo di razzi hanno già permesso di misurare accuratamente lo spettro ultravioletto del sole; hanno dimostrato che la corona solare è un'intensa sorgente di raggi X ; ed hanno fornito una p r i m a immagine fotografica del disco solare in raggi X . Si attendono ora con grande in- teresse i risultati (lei primo osservatorio solare in orbita, che h a termi- nato le sue trasmissioni alcune settimane f a dopo aver funzionato, p a r e soddisfacentemente, per vari mesi. Prima (li chiudere vorrei m e t t e r e in chiaro che la possibilità di condurre esperimenti nello spazio non ha diminuito l'importanza delle osservazioni terrestri. Quello che sta succedendo è anzi proprio il con- trario. Vorrei f a r rilevare due cose. La prima è la grande importanza che u n a collaborazione internazionale ha per le ricerche spaziali. Si t r a t t a di problemi che interessano t u t t a l ' u m a n i t à e che spesso richie- dono osservazioni di carattere globale. La seconda è il f a t t o che vi sono varie ottime ragioni perché ciò sia così. Anzitutto le osservazioni terrestri costituituiscono un necessario com- plemento delle ricerche spaziali. Così, ad esempio, le ricerche spaziali dirette a studiare le proprietà della ionosfera al di sopra del massimo avranno assai maggiore significato se saranno accompagnate da quelle osservazioni terrestri (riflessioni ionosferiche a varie frequenze, effetto Lussemburgo, etc.) che permettono di studiarne le proprietà al di sotto del massimo. I n secondo luogo le osservazioni spaziali, eseguite contemporanea- mente alle osservazioni di certi fenomeni terrestri, permetteranno di in- terpretare questi ultimi in modo assai più preciso e aumentandone quindi l'interesse. Così, ad esempio, si pensa che le fluttuazioni del campo ma- gnetico terrestre e le variazioni di intensità dei raggi cosmici siano pro- vocate da cambiamenti nelle condizioni del plasma interplanetario in cui la terra è immersa. C'è da attendersi che le osservazioni dirette del plasma interplanetario f a t t e per mezzo di veicoli spaziali p e r m e t t e r a n n o di stabilire in modo esatto questa correlazione. Quando ciò sia stato f a t t o , magnetometri e monitori di raggi cosmici operanti alla superfìcie della terra diverranno s t r u m e n t i per l'osservazione delle condizioni meteorologiche nello spazio interplanetario. R I S U L T A T I H P R O S P E T T I V E D E L L E R I C E R C H I ? S P A Z I A L I 4 7 5 Infine le ricerche spaziali, facendo intravedere la possibilità che alcuni f r a i più i m p o r t a n t i problemi della geofìsica, della tìsica solare e dell'astrotìsica possano finalmente venire risolti, hanno intensificato l'interesse in tali problemi e provocato un nuovo stimolo per quelle ricerche terrestri che sono dirette allo studio di questi stessi problemi. Possiamo quindi attenderei, nei prossimi anni, di assistere ad un coerente sviluppo di osservazioni terrestri e di ricerche spaziali, che si completeranno a vicenda e che, insieme, rivoluzioneranno le nostre co- noscenze del mondo in cui viviamo e della sua evoluzione.