PROPOSTA DI PROGETTO DIDATTICO PER L'OSSERVAZIONE DEL TRANSITO DI VENERE DELL'8 GIUGNO 2004 Questo documento è rivolto, in modo particolare, agli insegnanti di scienze naturali della scuola media superiore. Per qualsiasi ulteriore informazione: CONTATTATECI! |
© Rodolfo Calanca, 2003
IL
TRANSITO DI VENERE DELL’8 GIUGNO 2004
LA
PARALLASSE SOLARE E LO STUDIO DELLA BLACK DROP
-
PREMESSA
Il transito di Venere sul disco solare è un fenomeno assai raro, tanto che dall'epoca dell’invenzione del cannocchiale, quasi quattro secoli fa, se ne sono avuti solamente cinque: nel 1639, 1761, 1769, 1874 e 1882.
Quella
dei transiti è una storia affascinante che ha avuto inizio nel 1629, con
l’annuncio di Kepler di un transito per il 6 dicembre del 1631. Il transito
non fu però favorevole per gli astronomi europei, e i pochissimi che accolsero
la sua esortazione a tenere sotto controllo il Sole quel giorno non videro
nulla. Tra questi Pierre Gassendi, filosofo ed astronomo francese, che aveva
osservato, il mese precedente, il primo passaggio di Mercurio sul Sole,
anch’esso trionfalmente annunciato da Kepler.
Gassendi
aveva costantemente sorvegliato il disco solare per alcuni giorni ma senza
successo: il transito si era purtroppo verificato durante la notte tra il 6 ed
il 7 dicembre, con un ritardo di 9 ore rispetto alla previsione dal grande
astronomo tedesco.
Nel
1639, Horrocks calcolò le circostanze di un nuovo passaggio di Venere, questa
volta però non previsto da Kepler, e riuscì ad osservarlo, mezz’ora prima
del tramonto e poco dopo l’inizio del fenomeno, il 4 dicembre 1639.
Alla
fine del XVII secolo, l’astronomo reale Edmond Halley comprese il ruolo che i
transiti di Venere avrebbero potuto rivestire nella determinazione di una delle
principali costanti astronomiche: la parallasse solare.
Egli
suggerì un metodo geometrico, che porta il suo nome, per ottenere questa
fondamentale grandezza ed esortò gli astronomi a compiere un grande sforzo
collettivo per seguire il fenomeno nel 1761.
Anche
per questo transito però, le condizioni di visibilità non favorirono
l’Europa.
La
Francia e l’Inghilterra inviarono spedizioni in località sperdute del globo,
dalla Siberia alle isole dell’Oceano Indiano, guidate da
scienziati-viaggiatori quali Chappe d’Auteroche, Pingré e Le Gentil
dell’Académie des Sciences di Parigi, Maskelyne, Mason e Dixon della Royal
Society.
Nel
1769, in occasione del secondo transito, gli sforzi organizzativi furono ancora
maggiori, con le spedizioni di Cook, Chappe, p. Hell, Le Gentil e numerosi
altri. Alcuni, addirittura, vi persero la vita: Charles Green, Jean Chappe d’Auteroche,
Veron.
Nel 1760, il Famoso astronomo francese J.N. Delisle propose un metodo alternativo a quello di Halley per calcolare la parallasse sempre attraverso i transiti di Venere, ma le osservazioni del 1761 e del 1769 mostrarono, durante i contatti tra i bordi del pianeta e del Sole, alcuni eventi inattesi, tali da influenzare negativamente il rilevamento dei tempi: la formazione della goccia nera (black drop) e la presenza dell’atmosfera venusiana.
I
successivi transiti del 1874 e del 1882 appartengono già all’epoca moderna. I
perfezionamenti della tecnologia ottica, l’invenzione della fotografia ed i
primi passi della spettroscopia solare alimentarono la speranza di poter
finalmente ricavare dai transiti un valore della parallasse univoco ed accurato.
Tutte le principali nazioni europee ed americane organizzarono spedizioni
scientifiche per l’osservazione.
L’Italia,
sotto la direzione di Tacchini, inviò in India un gruppo di astronomi che
fecero importanti osservazioni spettroscopiche durante il transito.
Ma,
nonostante gli sforzi profusi nella messa a punto di nuovi strumenti
d’osservazione (eliografi fotografici, elioscopi, spettroscopi, ecc.),
l’incertezza sui tempi dei contatti introdotta dalla black drop,
dall’atmosfera terrestre e venusiana dimostrò ancora una volta, che i
transiti venusiani esibivano, per i tempi, problematiche tecniche forse troppo
complesse per consentire una determinazione accurata della parallasse solare.
IDEE PER UN PROGETTO DIDATTICO
I
prossimi due transiti avverranno l’8 giugno 2004 e il 5-6 giugno 2012.
Quello
del 2004, ha la rilevante particolarità di essere il primo interamente visibile
dall’Europa, dai tempi dell’invenzione del cannocchiale.
Gli
sviluppi della fotografia classica e di quella digitale oggi offrono la
possibilità di ripetere le osservazioni astronomiche dei secoli passati, con la
plausibile prospettiva di migliorarle notevolmente.
Pertanto,
si propone un progetto didattico, rivolto ad un gruppo di 10-15 studenti del 4°
anno di una scuola media superiore, finalizzato all’osservazione del transito
di Venere dell’8 giugno 2004.
Obiettivi
del progetto sono la ricerca di un’accurata determinazione della parallasse
solare e lo studio della black drop.
L’insieme
delle attività necessarie per perseguire gli obiettivi, anche se essi dovessero
essere conseguiti solo in modo parziale hanno, a nostro parere, un elevato
livello educativo e un indubbio valore didattico, per diversi motivi:
perché viene offerta la possibilità di approfondire la storia dei
transiti di Venere,
alla quale è legata una parte rilevante dello sviluppo
dell’astronomia, in particolare di quella planetaria, nel periodo compreso tra
il XVII ed XIX secolo.
perché richiede l’approfondimento, sotto la guida degli insegnanti
(attraverso seminari, convegni e incontri informali), di non trascurabili
nozioni matematiche, astronomiche, fisiche, informatiche, di solito non inserite
nei programmi scolastici della scuola media superiore.
perché avvicina gli studenti a metodologie tecniche e scientifiche sostanzialmente identiche a quelle utilizzate nella ricerca professionale.
Con
una strumentazione modesta, essenzialmente costituita da uno o più
telescopi di medie dimensioni e camere CCD, si possono ottenere risultati
semi-professionali. Ci si aspetta di poter rilevare i tempi dei contatti,
con buona precisione (accresciuta da una base dei tempi atomica diffusa
via
Internet), sia di studiare la formazione della black drop e le apparenze
dell’atmosfera venusiana.
perché consente di attivare un lavoro di gruppo e la suddivisione dei compiti, finalizzati al raggiungimento di un comune obiettivo scientifico.
infine,
la necessità di coinvolgere studenti stranieri in questo progetto,
costituisce un forte stimolo alla collaborazione ed al confronto con realtà
culturali e sociali diverse.
Quest’importante opportunità è dettata dal fatto che entrambi i metodi, di Halley e di Delisle per la parallasse solare, esigono il rilevamento dei contatti interni del passaggio da località terrestri tra loro assai lontane: è quindi indispensabile coinvolgere nel progetto altre scuole, con i medesimi nostri obiettivi, di Paesi extra-europei. I contatti con le classi straniere saranno tenuti direttamente dagli studenti, che saranno però soggetti al controllo ed alle verifiche degli insegnanti che li assistono nel progetto.
OBIETTIVI
DEL PROGETTO
1. PROGETTO PARALLASSE: determinare la distanza media Terra-Sole (Unità Astronomica), per mezzo della parallasse solare equatoriale, ricavata dall’osservazione telescopica, e con l’ausilio della fotografia digitale, durante il transito di Venere. La riduzione dei dati va fatta con l’applicazione dei principi matematici suggeriti da Halley e da Delisle nel XVIII secolo.
2. PROGETTO BLACK DROP: studio della formazione della black drop, la sua evoluzione e, possibilmente, l’elaborazione di un’ipotesi sulla sua origine e formazione.
A
CHI E’ RIVOLTO IL PROGETTO
Il
progetto coinvolgerà studenti del quarto anno di una scuola media superiore,
che, fin dal marzo 2003, inizieranno attività teoriche e pratiche per
familiarizzarsi con le problematiche legate agli obiettivi del progetto. Agli
inizi dell’anno scolastico 2003-2004, riprenderà la preparazione
all’osservazione del transito. Naturalmente, il progetto raggiungerà il suo
culmine l’8 giugno 2004. Nel presente documento, si supporrà che gli studenti
siano di Bologna.
Di
grande importanza la collaborazione con studenti di pari livello, ugualmente
organizzati, in Paesi che potrebbero essere l’Australia (zona di Sidney), il
Brasile (dintorni di Rio de Janeiro) ed il Sudafrica (Johannesburg). Le classi
dovranno essere tre perché:
1.
L’osservazione di Johannesburg è necessaria per metodo di Halley:
infatti, anche in quella città sudafricana il transito sarà interamente
visibile (differenza di durata del transito tra Bologna e Johannesburg: 9
minuti, vedi tabella I).
2.
Le osservazioni di Sidney e Rio di Janeiro serviranno per il metodo di
Delisle (Bologna-Sidney, differenza di 13m nel tempo del I° contatto
interno; Bologna-Rio de Janeiro, differenza di 10m nel II° contatto
interno).
Come si deduce dalla tabella I, Bologna non è in una posizione ideale, dal punto di vista geografico, per l’applicazione del metodo di Halley. Infatti, la differenza della durata del transito, solo 9m con Johannesburg, non è certamente elevata.
Più interessante, invece la combinazione Bologna-Sidney, con 13m di differenza nel I° contatto interno. Ciò dovrebbe garantire una maggior precisione con il metodo di Delisle.
Località |
Coord. Geogr.
|
I°
contatto interno (UT) e altezza del pianeta (h) |
II°
contatto interno (UT) e altezza del pianeta (h)
|
Intervallo temporale tra I°-II° contatto |
Bologna |
44° 40’ N; 11° 10’ E |
5h 40m; h: 20° |
11h 03m; h: 68° |
5h 23m |
Johannesburg |
26°
15’ S; |
5h 39m; h: 8° |
11h 11m; h: 38° |
5h 32m |
Sidney |
33°
32’ S; |
5h 27m; h: 15° |
Non visibile |
------ |
Rio de Janeiro |
22°
54’ S |
non visibile |
11h 13m; h: 20° |
------ |
GRUPPI
DI LAVORO
Gli
studenti dovranno essere divisi in almeno 5 gruppi di lavoro:
Gruppo
per i contatti nazionali e internazionali via Internet, in particolare con
gli studenti stranieri. Esso avrà anche l’incarico di preparare e tenere
aggiornata una pagina WEB del progetto (è richiesta: discreta conoscenza
della lingua inglese; familiarità con i mezzi informatici; qualche nozione
di programmazione di pagine WEB).
Gruppo
di lavoro per la gestione degli strumenti ottici e camere CCD.
Gruppo
di elaborazione digitale delle immagini.
Gruppo
di lavoro per lo studio e lo sviluppo delle tecniche matematiche necessarie
per l’applicazione dei metodi di Halley e Delisle.
Gruppo
di lavoro con il compito di documentare tutte le attività: tenuta del
diario delle esperienze eseguite durante il progetto; responsabilità della
stesura della tesina intermedia e finale (in italiano e in inglese).
FASI
DI ATTUAZIONE DEL PROGETTO
Le attività legate al progetto avranno inizio nei primi mesi del 2003. La data di cessazione è fissata per la fine del mese di giugno 2004. In altre parole, esso terminerà quando saranno stati elaborati i risultati delle osservazioni del transito di Venere dell’8 giugno e, in ogni caso, prima dell’inizio dell’esame di maturità 2004.
Nel
periodo febbraio-maggio 2003 si forniranno i primi elementi teorici ed alcune
basi pratiche di astronomia, in particolare (secondo un calendario ancora da
definire):
Elementi
di astronomia teorica
Elementi
di astronomia pratica (telescopi ed il loro uso, astronomia digitale, ecc.)
Elementi
di storia dei transiti e dei metodi di calcolo della parallasse solare
Elementi
di elaborazione digitale delle immagini astronomiche
Osservazione del transito di Mercurio del 7 maggio 2003
Tab. II –Caratteristiche del transito
di Mercurio del 7 maggio 2003 a Bologna
Località |
I° contatto esterno | I° contatto interno |
II° contatto interno
|
II° contatto esterno |
Durata transito tra I° e II° cont. Esterno |
||||
UT | Altezza Mercurio | UT | Altezza Mercurio | UT | Altezza Mercurio | UT | Altezza Mercurio | ||
BOLOGNA | 05h 11m | 11°.5 | 5h 17m | 12°.5 | 10h 17m | 61° | 10h 32m | 61° | 5h 21m |
All’inizio dell’anno scolastico 2003-2004 dovranno riprendere le attività legate al progetto.
Ecco alcuni degli argomenti teorici trattati:
·
Elementi di astronomia
sferica
·
Esperienze di
osservazione del Sole e riprese astronomiche CCD
·
Acquisizione di immagini
CCD di qualità scientifica
·
Elaborazione di immagini
e simulazioni di fenomeni astronomici
·
Dicembre 2003:
presentazione di una tesina intermedia con i risultati della prima parte del
progetto.
·
8 giugno 2004:
osservazione del transito (salvo imprevisti meteorologici)
CONSIDERAZIONI
SUGLI STRUMENTI OTTICI E SUI DISPOSITIVI PER L’ACQUISIZIONE DIGITALE DELLE
IMMAGINI DA IMPIEGARE DURANTE IL TRANSITO
La
scelta degli strumenti è condizionata dalle caratteristiche dei due progetti:
·
PROGETTO PARALLASSE: per varie ragioni, la tipologia dello
strumento più adatto è uno S-C di 20 o 25 cm. La focale di impiego dovrà
essere determinata sulla base di alcuni test osservativi, in modo da sfruttare
al meglio il seeing medio mattutino nel mese di giugno. Il telescopio dovrà
appoggiare su di una colonna molto solida (da evitare, se possibile, il
cavalletto) e dovrà essere perfettamente stazionato per ridurre al minimo gli
effetti della rotazione del campo (stazionamento migliore di 1’ dal polo
vero). Indispensabile l’impiego di un filtro solare a tutta apertura, in
vetro, densità 5 (del type 2 plus della Thousand Oaks Optical, o equivalenti).
La camera CCD deve avere pixel di 15 μ di lato o minori. Si potrebbe
utilizzare, a fianco del precedente strumento, anche un rifrattore con filtro
(interessanti le esperienze con un filtro interferenziale, da sperimentare
durante il transito di Mercurio del maggio 2003) e videocamera.
·
PROGETTO BLACK DROP: le immagini ottenute con il telescopio S-C
sono utilizzabili per l’elaborazione con sofisticate tecniche digitali, e ciò
consentirebbe di seguire l’evoluzione della black drop. L’uso di un altro
telescopio, a fianco del precedente, sarebbe utile per verificare se veramente
la black drop sparisce (nell’ipotesi, avanzata nell’Ottocento da numerosi
astronomi, di un effetto prodotto dalla diffrazione della luce) ponendo davanti
all’obiettivo una maschera ad anelli concentrici.
I
gruppi di studenti delle scuole straniere che collaboreranno al progetto
dovranno avere strumenti (telescopi, filtri, camere CCD o videocamere) simili a
quelli impiegati in Italia.
OBIETTIVO
FINALE DEL PROGETTO
Il progetto dovrà produrre:
Tesina
finale da presentare all’esame di maturità.
Un’illustrazione
dettagliata del progetto, sia sotto forma di relazione scritta sia come
presentazione multimediale, da presentare al concorso europeo 2004 per
giovani scienziati.