Mercurio transita sul Sole

Da un blog che si occupa in prevalenza di corpi minori un articolo sul transito di Mercurio dell’11 novembre 2019 potrebbe sembrare fuori luogo. Però si tratta di un evento astronomico singolare, ben osservabile dall’Italia e che si verificherà di nuovo nel 2032. Tutto questo giustifica la digressione: non perdiamolo! Ecco tutto quello che serve sapere per seguire il transito in tutta sicurezza.

I transiti di Mercurio e Venere

Prendendo come riferimento l’orbita eliocentrica della Terra, i pianeti che ruotano attorno al Sole al suo interno sono chiamati “interni” o “inferiori“, mentre quelli che orbitano all’esterno sono detti “esterni” o “superiori“.
Un evento astronomico abbastanza raro è il transito di uno dei due pianeti interni Mercurio o Venere, sul disco solare, che può accadere quando il pianeta si trova a passare fra Terra e Sole (congiunzione inferiore). Chiaramente, per i pianeti esterni, questo evento non si verifica mai. Considerata l’inclinazione dei rispettivi piani orbitali sull’Eclittica (7° per Mercurio e 3,4° per Venere), essere in congiunzione inferiore è una condizione necessaria, ma non sufficiente. Il transito avviene solo se il pianeta si trova anche in prossimità del piano dell’Eclittica ossia se si trova al nodo, ascendente o discendente della sua orbita. In questa geometria il pianeta interno si viene a trovare proprio in prossimità del segmento Terra-Sole e si vedrà proiettato contro il disco solare come un dischetto molto scuro.

Configurazione planetarie
Figura 1 – Configurazioni planetarie corrispondenti alle diverse posizioni, che i pianeti interni o esterni, possono assumere per i centri che passano dalla Terra e dal Sole. Quando i pianeti si trovano in congiunzione inferiore o superiore, sono invisibili perché troppo vicini al Sole. La migliore osservabilità si ha quando i pianeti inferiori sono alla massima elongazione e quelli superiori all’opposizione (tratto da: G. Cecchini, “Il Cielo”, vol. I, UTET, Torino 1969).

I transiti di Venere possono avere luogo solo in giugno e dicembre e sono molto rari: l’ultimo si è verificato il 6 giugno 2012 e per il prossimo bisognerà attendere il 10 dicembre del 2117. Molto più frequenti sono i transiti di Mercurio, che possono verificarsi a intervalli che siano contemporaneamente multipli del suo periodo sinodico (circa 116 giorni) e di un anno, ossia del periodo orbitale della Terra. Nel XX secolo se ne sono verificati ben 14, con una media di sette anni fra un transito e l’altro. I transiti di Mercurio sono più frequenti di quelli di Venere perché il perimetro dell’orbita venusiana è maggiore di un fattore due rispetto al primo, di conseguenza è meno probabile che Venere passi per un nodo quando è anche in congiunzione inferiore con il Sole.

I transiti del pianeta più piccolo e interno del Sistema Solare possono verificarsi solo durante i mesi di maggio o novembre perché sono questi i periodi in cui Mercurio attraversa i nodi, rispettivamente ascendente e discendente della propria orbita. Nei transiti di novembre Mercurio è prossimo al perielio (punto dell’orbita più vicino al Sole) e mostra un diametro apparente di soli 10″ (il diametro reale invece è di 4.879 km). Durante i transiti di maggio il pianeta è vicino all’afelio (punto dell’orbita più lontano dal Sole) e il diametro apparente sale a 12″. Entrambi questi valori sono parecchio inferiori al potere risolutivo dell’occhio nudo (circa 60″), quindi i transiti di Mercurio non possono essere osservati senza un ausilio ottico, come un binocolo o un piccolo telescopio. Sempre a causa dell’orbita ellittica, la probabilità di un transito a maggio è inferiore a quella di novembre perché la velocità orbitale del pianeta è più bassa di un fattore 1,5: per questo motivo, in un dato periodo sono più numerosi i transiti di novembre.
L’ultimo transito di Mercurio visibile dall’Italia si è verificato il 9 maggio 2016. Dopo quello dell’11 novembre 2019, il transito successivo ci sarà il 13 novembre 2032, non bisogna perdere l’occasione del 2019.

Tabella_transiti_Mercurio
Figura 2 – I transiti di Mercurio sul disco solare per gli anni 1980-2050. Dopo l’11 novembre 2019 il prossimo sarà il 13 novembre 2032. L’ora riportata per la fase centrale è quella di Greenwich (Tempo Universale = TU).

I transiti e l’Unità Astronomica

Il transito dei pianeti inferiori era uno dei metodi utilizzati dagli astronomi del Settecento e Ottocento per ricavare con una certa precisione il valore della distanza media Terra-Sole, in altre parole per determinare l’Unità Astronomica (UA), che vale circa 150 milioni di km. A questo scopo erano organizzate spedizioni nei più remoti angoli della Terra, superando difficoltà logistiche e organizzative facilmente immaginabili data la difficoltà degli spostamenti. Dalla durata del transito, misurata per due località geografiche distanti A e B, si può risalire alla distanza angolare fra le due corde di attraversamento del disco solare: da quest’angolo e dalla distanza in km fra A e B si trova il valore della distanza Terra-Sole in km. Conoscendo il valore dell’Unità Astronomica, per la III Legge di Keplero, si trovano subito i valori in km dei semiassi maggiori delle orbite planetarie: in pratica si “misura” l’intero Sistema Solare.
Una maggiore precisione nella determinazione dell’UA si può raggiungere utilizzando gli asteroidi che passano in prossimità della Terra come Eros che, nel 1931, consentì di stabilirne il valore con un’incertezza di soli 10.000 km. Oggi il valore dell’UA è noto con grande precisione (± 1 km), grazie all’impiego di tecniche radar applicate a partire dal 1961.
Attualmente il rilevamento dei tempi di contatto di un transito può essere più utile per ottenere una misura precisa del diametro del Sole. Ci sono serie di osservazioni che indicano una variazione del raggio solare di 0,4″ (0,02%) lungo il ciclo magnetico di 22 anni, con il massimo delle dimensioni coincidente con la massima frequenza delle macchie. Naturalmente sono necessarie misure accurate su un lungo periodo di tempo per poterlo affermare con sicurezza.

Transiti Mercurio
Figura 3 – Transiti di Mercurio sul disco solare dal 1920 al 2080. Le date dei transiti di novembre sono a sinistra, quelle dei transiti di maggio sono a destra. Notare come le traiettorie di novembre o maggio seguite da Mercurio sul disco solare siano parallele fra loro (J. Meeus).

Storia dei transiti di Mercurio

Come abbiamo già accennato, quando Mercurio transita sul Sole il suo diametro apparente è troppo piccolo perché sia osservabile a occhio nudo. Per questo motivo tutte le osservazioni dei transiti di Mercurio sono posteriori all’introduzione del telescopio in astronomia, avvenuta nel 1609 grazie a Galileo Galilei. Storicamente, il primo transito di Mercurio a essere osservato è stato quello del 7 novembre 1631, previsto teoricamente da Keplero sulla base delle sue nuove “Tavole Rudolfine”. Il transito fu osservato dall’astronomo francese Pierre Gassendi che, per sicurezza (le effemeridi erano incerte) iniziò a tenere d’occhio il Sole ben 2 giorni prima. Non sono giunti rapporti dei transiti del 1644 e del 1651, mentre una maggiore attenzione l’ha ricevuta il passaggio del 1661, che fu osservato dall’astronomo olandese Christiaan Huygens, lo scopritore di Titano e dell’anello di Saturno. Anche dei successivi transiti del 1664 e 1674 non esistono registrazioni, mentre quello del 1677 fu osservato dal grande Edmund Halley che fu il primo a capire che un passaggio può essere utilizzato per stabilire la lunghezza dell’unità astronomica. Halley capì anche che i transiti di Venere erano maggiormente adatti per determinare l’unità astronomica, come dimostrarono le osservazioni dei passaggi di Mercurio del 1723 e 1753. Dopo quest’ultimo transito l’attenzione degli osservatori si rivolse verso quelli di Venere. Nei secoli, l’osservazione dei transiti di Mercurio si è concentrata attorno a tre linee di ricerca:

  1. Osservazione di possibili satelliti e determinazione del diametro del pianeta
  2. Osservazione di una possibile atmosfera attorno al pianeta
  3. Osservazione di fenomeni luminosi sul disco del pianeta in transito

La prima linea è stata da tempo abbandonata: è noto che Mercurio non ha satelliti e il diametro è ben noto dalle misure fatte dalle sonde. Per quanto riguarda la presenza di un’atmosfera attorno al pianeta, oggi sappiamo che Mercurio possiede solo una tenue esosfera che non è in grado di dare luogo a fenomeni di rifrazione apprezzabili della radiazione solare. Tuttavia, durante l’osservazione dei transiti, molti osservatori hanno segnalato nel tempo la presenza di un anello luminoso attorno al disco nero del pianeta. Rapporti positivi in tal senso sono stati fatti nel 1736, 1799 (Schröeter), 1832 e 1868 (Huggins). Secondo Huggins lo spessore dell’aureola era circa la metà del diametro angolare di Mercurio. Che cosa possa produrre l’aureola luminosa in mancanza di un’atmosfera degna di questo nome è difficile da dire, probabilmente si è trattato solo di un’illusione ottica dovuta al forte contrasto fra la fotosfera solare e il disco scuro del pianeta.

Il primo rapporto di una chiazza luminosa sul disco di Mercurio durante un transito è dell’astronomo tedesco von Würzelbau nel 1697. Chiazze luminose furono osservate da Schröeter nel 1799, Huggins nel 1868 e da Tebbut nel 1881. Il transito del 1868 fu osservato anche dall’astronomo e divulgatore francese Camille Flammarion, che lo descrisse nel suo famoso libro “L’Astronomia Popolare”. Flammarion riporta che la macchia chiara vista sull’emisfero in ombra di Mercurio fu attribuita a un vulcano in eruzione. Lo stesso Flammarion però riporta di non avere visto nessuna macchia con il suo telescopio e che, probabilmente, si trattava di un’illusione ottica. Macchie luminose non sono state segnalate nei transiti più recenti: alla fine è molto probabile che si tratti solo di effetti ottici come aveva giustamente ipotizzato Flammarion e che non abbiano niente a che fare con fenomeni fisici avvenuti nell’emisfero notturno di Mercurio.

Il transito dell’11 novembre 2019

Il prossimo transito di Mercurio, osservabile da Europa (Italia compresa), Oceano Atlantico e America, sarà quello dell’11 novembre 2019 con una durata di circa 5 ore e 29 minuti. Dal punto di vista geocentrico il primo contatto si verificherà alle 12h 35m TU (ora di Greenwich o Tempo Universale), la fase centrale, con Mercurio alla minima distanza dal centro del Sole, sarà attorno alle 15h 20m TU, mentre l’ultimo contatto avrà luogo alle 18h 05m TU (ma per l’Italia il Sole sarà già tramontato). Per ottenere l’ora italiana del fenomeno basta aggiungere 1 ora ai tempi in TU. Per effetto della parallasse l’ora degli eventi è leggermente diversa (con scarti di qualche decina di secondi), per le varie località italiane. Per l’Italia settentrionale il fenomeno inizia con il Sole a un’altezza sull’orizzonte di circa 24°, mentre il termine del transito non si potrà vedere perché il Sole tramonterà alle 15h 52m TU. L’ingresso sarà sul bordo sud-est del Sole mentre l’uscita è sul bordo nord-ovest. In pratica, se siamo rivolti con la faccia verso il Sole, Mercurio entrerà dalla nostra sinistra in basso e uscirà alla nostra destra in alto.

Transit_Mercury_2019_path
Figura 4 – Diagramma schematico della traiettoria che seguirà Mercurio sul disco solare durante il transito dell’11 novembre 2019 come sarebbe visto dal centro della Terra. La figura è stata calcolata da F. Espenak (NASA/GSFC).

Come osservare il transito in sicurezza

L’osservazione di un transito di Mercurio o Venere è equivalente a un’osservazione solare, quindi si utilizzano gli stessi strumenti e accorgimenti che devono essere usati per osservare in sicurezza il Sole. Non sono necessari telescopi con grandi diametri (70-80 mm sono più che sufficienti), ma ottiche dotate di un buon contrasto e poco sensibili alla turbolenza atmosferica. Un telescopio rifrattore in questi casi è la scelta migliore, ma senza essere troppo pignoli, vanno bene gli strumenti che già si possiedono a patto di usarli con cognizione di causa: la radiazione che ci arriva dal Sole è molto intensa quindi pericolosa per la retina dei nostri occhi, specie se focalizzata attraverso un telescopio: niente imprudenze o si rischia la cecità! Per questo motivo vanno scartati i filtri solari fai da te, come il vetro affumicato con una candela, gli occhiali da sole, oppure i famigerati filtri in vetro scuro da avvitare all’oculare (per fortuna caduti in disuso…) perché si riscaldano con il calore solare e possono rompersi improvvisamente accecando il malcapitato!
Quindi, per prima cosa è necessario procurarsi un buon filtro solare a tutta apertura da montare davanti all’obiettivo del telescopio, in grado di attenuare a valori accettabili per l’occhio le radiazioni ultraviolette, ottiche e infrarosse emesse dal Sole. Un economico filtro in Astrosolar®, disponibile in formato A4 da cui poter ritagliare un filtro delle dimensioni volute, va benissimo. La pellicola di Astrosolar® è molto sottile e non altera in modo significativo il percorso dei raggi solari: la qualità ottica delle immagini sarà eccellente. Attenzione però: bisogna assicurarsi che nella pellicola non ci siano strappi o fori che potrebbero compromettere la sicurezza dell’osservatore. Con il filtro montato davanti all’obiettivo del telescopio (anche sul cercatore), e con lo strumento posto su una montatura equatoriale motorizzata, sarà possibile seguire agevolmente il transito in tutte le sue fasi, dall’inizio alla fine. In alternativa, si può usare un piccolo binocolo posto su treppiede. Anche se il pianeta sarà visibile come un minuscolo puntino nero si avrà una visione più riposante perché sarà possibile usare entrambi gli occhi. Naturalmente, sarà necessario porre i filtri solari sui due obiettivi del binocolo.

Telescopio Solare
Figura 5 – Un piccolo telescopio su montatura equatoriale attrezzato con i filtri in Astrosolar® sull’obiettivo e sul cercatore, pronto per l’osservazione del Sole.
Filtro solare
Figura 6 – Un economico filtro solare auto costruito con una pellicola di Astrosolar®.

Osservazioni visuali

Visualmente si noterà subito che il disco di Mercurio è molto più scuro dei nuclei d’ombra delle macchie solari che saranno eventualmente presenti sulla fotosfera. Purtroppo, in questi anni il Sole è al minimo del proprio ciclo di attività e la presenza di macchie solari sarà improbabile. Questo fenomeno non è sorprendente se si pensa che le macchie solari sono regioni della fotosfera che si trovano a una temperatura di circa 4000÷5000 K, mentre l’emisfero in ombra di Mercurio ha una temperatura di soli 100 K perché guarda direttamente verso lo spazio esterno. Utilizzando la legge di Stefan del corpo nero, si trova che l’unità di superficie di una macchia solare emette circa (4000/100)4 = 2.560.000 volte più radiazione di un’identica porzione di superficie in ombra su Mercurio.
Osservando visualmente si potranno già prendere i tempi del fenomeno in modo da confrontarli con quelli dati dalle effemeridi. In un transito sono quattro i tempi da misurare: due all’inizio del fenomeno quando i dischi del pianeta e del Sole sono tangenti esterni e interni (I e II contatto) e due alla fine quando i dischi ritornano a essere tangenti interni ed esterni (III e IV contatto). Di solito il primo contatto è il più incerto perché non si riesce a osservare il pianeta che si avvicina al bordo solare. Per lo stesso motivo anche il quarto contatto può essere molto difficile da determinare con una buona accuratezza. I tempi più accurati sono quelli del II e del III contatto. Per risolvere il problema della misura dei tempi del primo e quarto contatto si può osservare utilizzando un filtro solare centrato sulla riga H-alfa dell’idrogeno (656,3 nm): in questo modo Mercurio sarà ancora visibile sulla cromosfera sia prima sia dopo l’uscita dalla fotosfera.
Se il seeing (o turbolenza atmosferica) lo permette, si potranno utilizzare ingrandimenti medio-alti (150, 180 ×) in modo da seguire il movimento di Mercurio sul disco solare, ed eventualmente studiare nei dettagli qualsiasi macchia luminosa o anomalia dovesse presentarsi sull’emisfero in ombra del pianeta.

Contatti transito
Figura 7 – I diversi tempi di contatto che può avere un disco planetario con il lembo solare durante un transito.

La ripresa di immagini in alta risoluzione

Oltre alle osservazioni visuali, immagini in alta risoluzione di Mercurio in transito sul disco del Sole possono essere ottenute usando camere planetarie (come la ASI 120 mm), messe al posto dell’oculare del telescopio. Per ottenere una buona scala dell’immagine converrà aumentare la lunghezza focale del telescopio usando una lente di Barlow 2× o 3× in modo da portare l’apertura relativa almeno a f/10-f/20. Con questo semplice setup, mantenendo il filtro solare a tutta apertura sull’obiettivo del telescopio, si potranno ottenere ottime immagini del fenomeno. Il segreto consiste nel riprendere filmati brevi di cui fare lo stack dei singoli frame, altrimenti l’immagine finale del disco di Mercurio, ottenuta dalla somma dei migliori frame, rischia di diventare mossa. La velocità angolare di Mercurio sul disco solare sarà di circa 4 secondi d’arco/minuto, quindi per avere un “mosso” di 1 secondo d’arco la durata massima del filmato sarà di soli 15 secondi. La media dei migliori frame del filmato permetterà di eliminare parzialmente l’effetto della turbolenza atmosferica ottenendo immagini molto più dettagliate del singolo frame. Chiaramente, le immagini saranno spettacolari nel caso si riprendano contemporaneamente Mercurio e una grossa macchia solare da cui – eventualmente – si potrà misurare la differenza di temperatura.

Mercury_2003may7
Figura 8 – Le fasi di ingresso di Mercurio sul disco solare durante il transito del 7 maggio 2003. Telescopio MC da 127 mm di diametro f/11,8 (A. Carbognani).
Transito Mercurio 2006
Figura 9 – Le varie fasi del transito di Mercurio sul disco del Sole riprese nel novembre 2006 dalla sonda SOHO (ESA/NASA/SOHO).

Conclusioni

I transiti di Mercurio e Venere sono abbastanza rari da suscitare curiosità e interesse. Nel passato erano utilizzati per la misura della distanza Terra-Sole mentre al giorno d’oggi possono essere usati per lo studio dell’atmosfera di Venere o le variazioni sul lungo periodo del diametro solare. L’osservazione di un transito è un’attività abbastanza semplice da portare avanti, a patto di adottare le dovute precauzioni per proteggersi dalla radiazione solare. Basta un piccolo telescopio e il divertimento è assicurato.

Ringrazio mia moglie Sveva per la revisione paziente dello scritto.

 

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