L'astrofisico teorico bernese Kevin Heng ha compiuto un'impresa rara: sulla carta, ha risolto il problema matematico del calcolo della riflessione della luce da pianeti e satelliti. I dati possono ora essere interpretati in modo semplice, ad esempio per comprendere le atmosfere planetarie.
Per migliaia di anni, l'umanità ha osservato il cambiamento delle fasi lunari. L'ascesa e la caduta della luce solare riflessa dalla luna che appare di fronte a noi da diverse angolazioni è nota come "curva di fase". La misurazione delle curve di fase della Luna e dei pianeti del Sistema Solare è un'antica branca dell'astronomia che ha almeno cento anni. Le forme di queste curve di fase contengono informazioni sulle superfici e le atmosfere di questi corpi celesti. Al giorno d'oggi, gli astronomi misurano le curve di fase degli esopianeti utilizzando telescopi spaziali come Hubble, Spitzer, TESS e CHEOPS. Queste osservazioni vengono confrontate con le previsioni teoriche. Ciò richiede un metodo per calcolare queste curve di fase. Ciò comporta la ricerca di una soluzione a un problema matematico relativo alla fisica della radiazione.
Il problema del calcolo della luce riflessa dai pianeti del Sistema Solare fu posto dall'astronomo americano Henry Norris Russell in un'importante opera del 1916. Unendo le idee della soluzione dei suoi predecessori - autorevoli scienziati - Heng è stato in grado di scrivere soluzioni matematiche per il potere di riflessione (albedo) e la forma della curva di fase, e completamente su carta e senza ricorrere all'aiuto di un computer . L'aspetto innovativo di queste soluzioni è che sono valide per qualsiasi legge cartografica, il che significa che possono essere utilizzate in modo molto generale. Il momento decisivo è arrivato quando lo scienziato ha confrontato i suoi calcoli su carta con ciò che altri ricercatori avevano fatto usando calcoli al computer. Ed è stato stupito di quanto bene si abbinassero.
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"Non sono solo entusiasta della scoperta di una nuova teoria, ma anche delle sue importanti implicazioni per l'interpretazione dei dati", afferma Heng. Ad esempio, la sonda Cassini ha misurato le curve di fase di Giove all'inizio degli anni 2000, ma in precedenza non era stata condotta un'analisi approfondita di questi dati, probabilmente perché i calcoli erano troppo dispendiosi dal punto di vista computazionale. Utilizzando il nuovo sistema di soluzioni, Heng è stato in grado di analizzare le curve di fase di Cassini e concludere che l'atmosfera di Giove è piena di nubi composte da particelle grandi e irregolari di varie dimensioni. Questo studio parallelo è stato appena pubblicato su Astrophysical Journal Letters.
La possibilità di annotare su carta le soluzioni matematiche per le curve di fase della luce riflessa significa che possono essere utilizzate per l'analisi dei dati in pochi secondi. Questo apre nuovi modi di interpretare i dati che prima erano impossibili. Heng sta collaborando con Pierre Osler-Desrotour dell'Osservatorio di Parigi per generalizzare ulteriormente queste soluzioni matematiche.
Heng e i suoi coautori hanno dimostrato un nuovo modo per analizzare la curva di fase dell'esopianeta Kepler-7b ottenuta con il telescopio spaziale Kepler. Brett Morris ha condotto parte del lavoro di analisi dei dati. Attualmente stanno lavorando con gli scienziati del telescopio spaziale statunitense TESS per analizzare i dati della curva di fase TESS. Heng prevede che queste nuove soluzioni porteranno a nuovi modi di analizzare i dati della curva di fase dal prossimo telescopio spaziale James Webb, il cui lancio è previsto nel 2021. "Quello che mi piace di più è che queste soluzioni matematiche rimarranno rilevanti molto tempo dopo che me ne sarò andato, e forse entreranno nei libri di testo standard", ha detto Heng.
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