Breve storia dell'osservazione delle stelle doppie
Da Commissione Divulgazione - Unione Astrofili Italiani.
La storia dell’osservazione delle stelle doppie inizia con un piccolo mistero, non tanto sulla prima stella doppia mai osservata, quanto su chi l’abbia scoperta. La quasi totalità dei testi di storia dell’astronomia attribuisce questa priorità a Giovanni Riccioli (1598-1671), religioso e astronomo italiano, famoso fra l’altro per aver pubblicato nel suo Almagestum Novum (1651) una mappa della Luna che, se non fu la prima, fu quella che stabilì la nomenclatura della topografia lunare tuttora in uso. Pare in realtà che nell’Almagestum Novum si riferisca semplicemente il fatto che la stella centrale della coda dell’Orsa Maggiore abbia un aspetto duplice rivelato dal telescopio.
L’astronomo Paolo Maffei, nel suo “Al di là della Luna”, riporta invece che la prima stella doppia, Mizar appunto, fu scoperta il 7 gennaio 1617 da Benedetto Castelli, amico di Galileo, che a sua volta, dietro segnalazione dell’amico, la osservò una settimana dopo.
Le stelle doppie non suscitarono comunque grande interesse: Huygens scoprì che Theta Orionis era una stella tripla nel 1656 (la quarta componente fu osservata nel 1684) e si arrivò al 1755 prima che venissero scoperte le due componenti di Beta Cygni (Albireo). Considerato che il Trapezio (la Theta Orionis) è più difficile da osservare rispetto ad Albireo, questo ci dà la conferma che l’osservazione delle stelle doppie fu un tema molto trascurato nei primi 150 anni dell’era telescopica.
Altre scoperte storiche sono quelle della Gamma Arietis ad opera di Hooke l’8 febbraio 1665. Nell’emisfero australe Alpha Crucis venne scoperta nel 1685 e Alpha Centauri nel 1689. Due stelle doppie importanti, Gamma Virginis e Castore, furono scoperte rispettivamente nel 1718 e nel 1719 – Castore in particolare fu scoperta da Bradley che ne stimò l’angolo di posizione – una misurazione che aiutò nella successiva determinazione del periodo di rivoluzione.
Il primo elenco di stelle doppie pare è attribuito a Christian Meyer, che usò come strumento un cannocchiale meridiano capace di 80 ingrandimenti: il suo catalogo, pubblicato nel 1781, includeva Gamma Andromedae, Zeta Cancri, Alpha Herculis and Beta Cygni.
L’osservazione sistematica delle stelle doppie è iniziata nel 1779, quando William Herschel cominciò la famosa serie di osservazioni che portarono alla dimostrazione che le stelle doppie non erano un fenomeno prospettico: esistevano sistemi binari in cui le componenti, legate fra loro dalla gravità, si muovevano seguendo le leggi di Newton e di Keplero.
Herschel decise di analizzare la parallasse stellare, effettuando accurate misure di stelle doppie sbilanciate come magnitudine. Herschel aveva fatto l’ipotesi che la luminosità apparente di una stella fosse legata alla sua distanza – più la stella era debole e più era lontana – e pertanto, in una coppia di stelle una delle quali appariva molto più debole dell’altra, era ragionevole supporre che quella più debole fosse molto più distante. Herschel voleva misurare la distanza fra le due stelle da punti diversi dell’orbita terrestre, in modo da coglierne i movimenti relativi: per effetto della parallasse, si sarebbe odvuta vedere la stella più lumnosa (e più vicina) spostarsi rispetto alla compagna più debole (e perciò più lontana). Per trovare stelle doppie adatte, cominciò a cercarle con il suo riflettore da 7 piedi di focale e in poco tempo pubblicò una lista di 269 doppie, 42 delle quali già note. Meyer aveva già tentato di rilevare il moto relativo di stelle doppie di luminosità molto diversa ma Herschel era sicuro che con il telescopio di Meyer non si riuscivano ad osservare stelle doppie di caratteristiche adatte (molto strette e molto sbilanciate). Herschel continuò a misurare numerose doppie e dopo un certo tempo trovò che alcune stelle avevano cambiato la loro posizione rispetto alle stelle vicine. La causa di questo cambiamento, però, non era dovuta alla parallasse, che si sarebbe dovuta mostrare in un periodo di sei mesi. Herschel vide che in alcuni casi il moto di una stella rispetto all’altra non era rettilineo e attraverso una mirabile analisi concluse che questo spostamento era dovuto al moto orbitale di una stella attorno all’altra. Il 9 giugno 1803 venne pubblicata nelle Philosophical Transactions la sua relazione intitolata 'Account of the Changes that have happened during the last Twenty-Five Years in the Relative Situation of Double Stars; with an Investigation of the Cause to which they are owing ' (il titolo può essere tradotto come “Resoconto dei cambiamenti che sono avvenuti negli ultimi venticinque anni nella situazione relativa di stelle doppie, con un’analisi delle cause a cui queste sono dovute”) Questo fu il primo passo significativo nell’astronomia delle stelle doppie. Oltre a dimostrare che questi sistemi binari esistevano, Herschel introdusse metodologie di osservazione e scoperta che ai suoi tempi mancavano del tutto. I suoi telescopi erano i più grandi mai usati sulle stelle doppie, e i suoi micrometri autocostruiti erano precisi a sufficienza per produrre risultati di valore scientifico su doppie abbastanza ravvicinate. Solo un osservatore con l’abilità di Herschel, tuttavia, poteva azionare i comandi di altezza ed azimuth del suo riflettore e allo stesso tempo eseguire misure e prendere appunti.
Nel 1816 il figlio di Herschel, John, assieme a Sir James South, iniziò a revisionare il catalogo di doppie del padre. Tutte le stelle di William Herschel (sigla H) vennero rimisurate e fu pubblicata un’ampia lista di nuove stelle doppie (sigla Sh).
Due anni prima, nel 1814, Friedrich Georg Wilhelm Struve, dal suo modestissimo osservatorio a Dorpat, in Estonia, decise di compilare un catalogo generale di tutte le stelle doppie conosciute. Sebbene avesse a disposizione strumenti di piccola apertura, un telescopio meridiano e un telescopio da 5 piedi di focale capace di 126 ingrandimenti, cominciò a osservare le posizioni delle stelle e, occasionalmente, la separazione e l’angolo di posizione. Nel 1820 pubblicò il catalogo delle posizioni delle stelle doppie e, nel 1822, il suo "Catalogus 795 Stellarum duplicium". Nel 1824 all’osservatorio di Dorpat arrivò un rifrattore con un obiettivo di 9.6 pollici (244 mm) di diametro, realizzato da Fraunhofer, con montatura equatoriale e moto orario di grande precisione: gli oggetti rimanevano centrati anche a 700 ingrandimenti. La lunghezza focale era di 14 piedi (4267 mm) e una batteria di 10 oculari forniva a Struve ingrandimenti da 86 a 1500. Struve iniziò subito la sua grande ricerca celeste dal Polo Nord fino a una declinazione di -15°, con lo scopo di scoprire nuove stelle doppie e la compilazione di un catalogo generale. Fra l’11 febbraio 1825 e l’11 febbraio 1827 individuò 3112 stelle doppie la cui separazione non superava i 32 secondi d’arco. Le misurazioni continuarono fino al 1835 e nel 1837 venne pubblicato il grande "Mensurae Micrometricae stellarum duplicium et multiplicium", in cui lo stesso Struve si accreditò di 2343 nuove scoperte. Ogni doppia veniva descritta attraverso tre misure. La sua abilità e la qualità del suo rifrattore fecero sì che questo catalogo abbia rappresentato una pietra miliare, sia per il numero di stelle riportate che per l’accuratezza delle misure. Nel 1839 fu costituito l’osservatorio di Pulkova e Struve ne divenne il primo direttore. Venne installato un rifrattore da 15 pollici (381 mm), allora il più grande telescopio al mondo di questo tipo, e il primo programma di lavoro fu quello di ricontrollare tutte le stelle dell’emisfero Nord fino alla magnitudine 7. Il lavoro fu completato il 7 dicembre 1842, e all’epoca 514 nuove stelle doppie vennero scoperte da Otto Struve, che avevo preso in carico questa survey dopo che il padre l’aveva iniziata. Otto Struve aggiunse altre scoperte, e il catalogo di 547 stelle, noto come il catalogo di Pulkova, fu pubblicato nel 1850.
Dopo il completamento di questo catalogo ci fu una stasi nelle nuove scoperte che durò circa venti anni. In quel periodo una serie di astronomi non professionisti, oggi diremmo astrofili, stava costruendo la sua fama sia in Inghilterra che sul Continente Europeo.
L’Ammiraglio William Smyth iniziò le sue osservazioni nel 1830 con un rifrattore da 5,9 pollici di diametro (150 mm): fra il 1830 e il 1843 Smyth eseguì misure di 680 stelle doppie e il suo "Cycle of Celestial Objects", che contiene anche ampie notazioni su altri oggetti celesti, fu pubblicato nel 1844.
Il Reverendo W. R. Dawes iniziò a osservare nel 1831 a Ormskirk, nel Lancashire, con una lente acromatica da 96 mm lavorata da Dollond. Più tardi ottenne un rifrattore Merz da 6 pollici (152 mm), seguito da due rifrattori di Alvan Clark da 7,5 pollici (190 mm) e da 8,25 pollici (210 mm).Infine ottenne nel 1865 un rifrattore Cooke da 8 pollici (203 mm), con cui continuò ad effettuare misure di stelle doppie.
Il suo lavoro, che spazia dal 1830 al 1868, aveva standard molto elevati e Dawes veniva soprannominato “occhio d’aquila” dall’Astronomo Reale Sir George Airy. Il catalogo di Dawes,pubblicato nel 1867, è arricchito dall’aggiunta di descrizioni, note e misurazioni effettuate da altri osservatori.
Uno dei lavori più notevoli nel campo delle stelle doppie fu svolto dal Barone Ercole Dembowski, che iniziò le sue osservazioni a Napoli nel 1852, con un rifrattore da 127 mm privo di moto orario e con un micrometro privo di goniometro. Nel 1859 aveva eseguito qualcosa come 2000 misure di altissima qualità, che solo un osservatore di grande esperienza e con grande spirito di abnegazione poteva produrre con attrezzature così modeste. Nello stesso anno ottenne un rifrattore Merz da 178 mm con cerchi, micrometro e moto orario e, fra il 1862 e il 1878, eseguì altre 21000 misurazioni. Queste inclusero tutte le stelle di F. G. W. Struve con l’eccezione di 64 di esse, troppo difficili per il suo telescopio. Altre misure erano riferite a stelle del catalogo di Pulkovo e ai cataloghi di Burnham e di altri. Dopo la sua morte nel 1881, le misure di Dembowski furono raccolte e pubblicate in due volumi nel 1883-1884 e ad oggi sono considerate importanti come le stesse "Mensurae Micrometricae".
Si può dire che il secondo grande periodo di scoperte iniziò il 27 aprile 1870 quando uno sconosciuto astrofilo americano, Sherburne Wesley Burnham, scoprì la sua prima stella doppia. Burnham lavorava come stenografo alla Corte Federale di Chicago, era appassionato di astronomia e acquistò il suo primo telescopio, un rifrattore da 3 pollici, nel 1861. Questo fu seguito da un equatoriale da 3,75 pollici e infine, nel 1870, da un rifrattore da 6 pollici di Alvan Clark, installato in un osservatorio nel cortile della sua casa a Chicago. Armato con una copia del libro del Reverendo Webb "Celestial Objects for Common Telescopes", iniziò le sue osservazioni. Nel 1873 la sua prima lista di 81 nuove stelle doppie fu pubblicata nel bollettino mensile della Royal Astronomical Society. Il suo articolo iniziava con le parole “Riteniamo che le stelle elencate nella lista seguente fossero prima sconosciute come stelle doppie, dato che non sono state trovate nei numerosi cataloghi e nelle pubblicazioni sull’argomento” Burnham aveva una vista particolarmente acuta e alcune delle sue scoperte sono oggetti molto difficili anche per telescopi di dimensioni molto maggiori.
La fama della sua grande capacità di osservatore gli permise l’accesso a tutti i maggiori osservatori americani: fece scoperte con un gran numero di telescopi, compreso il rifrattore da 36 pollici (914 mm) di Lick, il 40 pollici (1016 mm)di Yerkes e il 26 pollici (660 mm) a Washington. Lungo una carriera di osservatore durata 42 anni, scoprì 1340 stelle doppie, molte delle quali in rapido moto orbitale. Nei suoi periodi al Lick Observatory, Burnham spesso aiutava e incoraggiava gli osservatori più giovani: uno dei personaggi più notevoli che trasse vantaggio da questi consigli fu Robert Grant Aitken, che arrivò a Lick nel giugno del 1895.
Nel 1899 Aitken e il professor W.J.Hussey iniziarono a Lick una survey di tutte le stelle incluse nel catalogo Bonner Durchmusterung (B.D.) fino alla magnitudine 9.0 e fino a -22° di declinazione, non classificate come stelle doppie. Hussey lasciò Lick nel 1905, ma Aitken perseverò nella ricerca fino al 1915, quando la ricognizione fu completa con l’eccezione di una piccola area di cielo. Il risultato fu la scoperta di 1329 doppie da parte di Hussey e di 3105 doppie da parte di Aitken, la maggior parte delle quali separate da meno di 5 secondi d’arco. All’epoca il Catalogo Generale più moderno era quello di Burnham (1906) che conteneva dettagli di 13665 doppie, ma il gran numero di nuove stelle doppie scoperte a Lick rendeva necessaria una sua revisione: il Catalogo di Aitken fu pubblicato nel 1932, è noto come ADS e contiene i dati di 17180 doppie.
In Inghilterra, all’inizio del ‘900, l’interesse per le stelle doppie era notevole e c’era anche una Sezione Stelle Doppie nella B.A.A. (British Astronomical Association) – che però si esaurì nel 1914 per mancanza di supporto. Il Reverendo T.H.E.C. Espin, inizialmente interessato alla catalogazione delle stelle rosse, dal 1901 in poi iniziò a pubblicare elenchi di nuove stelle doppie che venivano scoperte con un riflettore da 17,25 pollici (438 mm). Le prime doppie furono scoperta casualmente, ma in seguito Espin decise di esaminare tutte le stelle del Bonner Durchmusterung a nord della declinazione +30° alla ricerca di stelle doppie ancora da catalogare. Si aggiunse in seguito un riflettore da 24 pollici (610 mm) e, abilmente assistito da W. Milburn, Espin continuò le sue osservazioni per oltre trent’anni. Tutte le sue scoperte sono state pubblicate nei bollettini mensili della Royal Astronomical Society e la sua ultima doppia scoperta porta il numero 2575. Milburn continuò il lavoro e raggiunse un totale di 1051 nuove doppie. E’ interessante notare che Espin e Milburn furono i primi grandi osservatori a usare, dopo gli Herschel, telescopi a riflessione.
L’installazione di un nuovo rifrattore da 28 pollici (710 mm) a Greenwich nel 1893, consentì agli astronomi di compiere numerose osservazioni e misure delle doppie comprese nei cataloghi di Burnham, Hussey, Hough e Aitken, così come le coppie più strette dei cataloghi di Dorpat e di Pulkovo. L’elenco delle misure effettuate può essere trovato nelle "Greenwich Observations": gli osservatori principali furono T. Lewis, H. Furner, W. Bryant, W. Bowyer e F. Dyson, che in seguito diventò Astronomo Reale. Quando il rifrattore da 28 pollici fu spostato a Herstmonceux nel 1956, il lavoro sulle doppie fu continuato da Sir Richard Woolley, L.S.T.Symms, M.P.Candy e altri osservatori, fino al settembre 1970. Nel 1972 il telescopio fu riportato a Greenwich, in una replica della cupola che lo ospitava inizialmente – inaugurata dalla Regina nel 1975, 300esimo anniversario della fondazione del Royal Observatory.
Nell’emisfero australe non ci fu nessun tentativo serio di scoprire e catalogare le stelle doppie fino all’arrivo di John Herschel al Capo di Buona Speranza nel 1834. Usando il riflettore da 20 piedi di focale del padre William (con al seguito numerosi specchi da 460 mm) e un rifrattore da 5 pollici, catalogò 2102 stelle doppie in quattro anni. Continuò a inviare dati alla Royal Astronomical Society e a lavorare su un Catalogo Generale, fino alla sua morte avvenuta nel 1871, all’età di 79 anni.
Bisogna attendere il 1896 per vedere riprendere le osservazioni a queste latitudini, quando R.T.A. Innes si unì allo staff del Royal Observatory al Capo di Buona Speranza. Utilizzando rifrattori da 7 e 18 pollici (178 e 457 mm), portò il totale delle sue scoperte a 432. Nel 1899 pubblicò il “First General Catalogue of Double Stars”, contenente i dati di 2140 doppie e divenne direttore del Transvaal Observatory. Nel 1925 fu installato un rifrattore da 26.5 pollici (673 mm) e quando Willem van den Bos si unì a questo staff, venne avviata una ricognizione simile a quella condotta da Aitken e Hussey nell’emisfero nord. van den Bos eseguì la maggior parte del lavoro, fino al suo ritiro nel 1927, aiutato da W.S.Finsen e Innes. Alla fine del 1931 Innes aveva scoperto 1613 doppie, Finsen 300 e van den Bos più di 2000. Nel vicino osservatorio di Lamont-Hussey Observatory a Bloemfontein, con un rifrattore da 27 pollici (686 mm), un programma parallelo portò a 4712 scoperte. Il direttore, R.A.Rossiter, scoprì 1961 doppie, mentre i suoi assistenti M.K.Jessup e H.F.Donner rispettivamente 1424 e 1327. Rossiter continuò il lavoro da solo dopo il 1933 fino al suo ritiro nel 1952 e negli ultimi anni di attività pubblicò il "Catalogue of Southern Doubleé Stars", che conteneva i dati di 8065 stelle doppie.
Va ricordato anche il lavoro di Robert Jonckheere, durato più di 56 anni, e terminato nel 1962 – utilizzò principalmente telescopi situati in Belgio e Francia. Fra il 1909 e il 1914, Jonckheere scoprì 1319 doppie all’osservatorio dell’università di Lille, e durante la Prima Guerra Mondiale continuò le sue osservazioni a Greenwich dove aggiunse 252 nuove scoperte usando il rifrattore da 28 pollici. Continuò il suo lavoro con il rifrattore di 80 cm di Marsiglia, totalizzando nel 1962 qualcosa come 3350 scoperte. Fra gli osservatori molto attivi di questo periodo vanno ricordati Paul Baize, che utilizzò gli strumenti dell’osservatorio di Meudon, e Wilhelm Rabe che lavorò a Berlino per 43 anni.
Fino agli anni ’70 i maggiori osservatori al micrometro furono Worley, Heintz e Couteau. Per molti anni il Lick Double Star Index (I.D.S.) era stato la principale fonte di informazioni sulle stelle doppie visuali, e fu proprio Charles Worley ad aggiornarlo nella versione nota come W.D.S., vale a dire Washington Double Star Catalogue, la cui prima versione del 1984 conteneva 400000 observazioni di 73000 doppie, quella di luglio 2006 conteneva i dati di 102387 stelle doppie. L’interferometria stellare, proposta da Albert Michelson circa un secolo fa, è diventata un mezzo importante nel campo della dinamica dei sistemi binari. L’idea di Michelson portò alla costruzione di un interferometro per il riflettore da 2,5 m di Mount Wilson negli anni 1920: si trattava di una struttura lunga 6 metri con specchi piani alle estremità e montata in cima al tubo del telescopio. Questo strumento sfrutta il fenomeno dell’interferenza della luce per verificare se l’immagine di una stella ha un’estensione apprezzabile (cioè se il suo diametro è risolvibile) o se si tratta di una doppia stretta. Combinando la luce di ognuno dei due piccoli specchi e regolandone la distanza in modo che le frange di interferanza combinate si eliminino a vicenda, la separazione delle due componenti può essere calcolata in base alla distanza degli specchi. All’epoca solo le stelle più brillanti potevano essere misurate in questo modo
Nel 1925 Frederick Pease risolse per primo Mizar A usando questo strumento, che fu utilizzato anche per osservare sorgenti estese in modo, per esempio, da determinare il diametro di stelle supergiganti come Betelgeuse. Altre misure coinvolsero Capella, un sistema binario con separazione variabile fra 0.03" e 0.05" e un periodo di 104 giorni.
Negli anni ’70 l’osservazione delle stelle doppie subì una rivoluzione con l’invenzione dell’interferometria a macchie (speckle interferometry).
Questa tecnica rimuove di fatto gi effetti dell’atmosfera e consente ai telescopi di operare al loro limite di diffrazione. Nel caso di un riflettore di 4 m, questo corrisponde a un limite di 0,025 secondi d’arco, circa quattro volte meno di quanto Burnham o Aitken potessero misurare. In compenso l’accuratezza di questo metodo era incomparabilmente migliore. Il lancio del satellite Hipparcos nel 1989 ha portato a una nuova era di scoperte di stelle doppie. Operando fuori dall’atmosfera, gli strumenti di Hipparcos hanno portato alla scoperta di 15000 nuove doppie. La maggior parte di queste doppie sono oggetti non alla portata di piccoli telescopi, ma un certo numero di esse è stato osservato con aperture molto modeste.
Quale sarà il futuro dell’osservazione delle stelle doppie? Nell’immediato lo sviluppo delle osservazioni avverrà da terra, con la costruzione di interferometri ottici. A Cambridge in Inghilterra il COASt (Cambridge Optical Aperture Synthesis Telescope) ha lavorato per acuni anni con cnque specchi e una base di 48 m, con il progetto di ampliarla a 100 m. Questa rappresenta un’estensione dello strumento di Michelson a Monte Wilson: l’uso di tecniche derivate dalla radioastronomia consente di arrivare a risoluzioni notevoli.
Un altro strumento, il NPOI (Navy Prototype Optical Interferometer) utilizza una base di misura di 50 metri e ha potuto riprendere la doppia spettroscopica MIzar A al periastro: 0,004 secondi d’arco di separazione. La combinazione dei dati interferometrici e spettroscopici consente valutazioni delle masse e delle dimensioni delle componenti il sistema binario. Ci si aspetta dal CHARA (Centre for High Resolution Astronomy) in Arizona e dal SUSI (Sydney University Stellar Interferometer), una risoluzione di 0,000075 secondi d’arco, tale da consentire la ripresa di sistemi binari con periodi di rotazione di poche ore.
Le osservazioni dallo spazio con satelliti artificiali prospettano la misurazione astrometica e fotometrica di tutte le stelle fino alla magnitudine 15, e l’identificazione di stelle doppie con un potere risolutivo di a 0,5 secondi d’arco. Ci si aspetta che una survey di questo tipo con il satellite GAIA possa svelare centinaia di migliaia di sistemi multipli.
Missioni ulteriori prospettano la risoluzione di doppie fino a 10 micro-secondi d’arco per secondarie di magnitudine 15 (0,00001”) e 50 micro-secondi d’arco (0,00005”) per secondarie di magnitudine 20 – ci si attende di individuare decine di milioni di sistemi binari .
Fonti:
Argyle Bob, “Observing and Measurng Visual Double Stars”, Springer, 2004
Kenneth Glyn Jones (ed), “Webb Society Deeep Sky Observer’s Handbook. Volume 1 – double stars”, Enslow Publisher, 1986
Maffei Paolo, “Al di là della Luna”, Edizioni Scientifiche Mondadori, 1973
