Uno dei temi scientifici di maggior rilievo della Fisica Cosmica è rappresentato oggi dalla componente solida del mezzo interstellare (IS): la cosiddetta polvere interstellare che è costituita da particelle di dimensioni microniche e submicroniche di diversa natura.
Il ruolo e la funzione di questa componente è fondamentale in diversi processi fisico-chimici che hanno luogo nelle differenti sorgenti cosmiche, come illustrerò in dettaglio più avanti.
Peraltro, a causa delle stesse dimensioni in gioco, l'interazione radiazione - materia implica che lo studio di questi processi possa avvenire in maniera interdisciplinare solo facendo uso delle conoscenze e delle tecniche proprie della Fisica dello Stato Solido, della Scienza dei Materiali e della Chimica - Fisica. Tutto ciò ha portato, nel corso dell'ultimo decennio, alla nascita di un nuovo settore di studio denominato Astrofisica dello Stato Solido.
In questo modo, coniugando le differenti metodologie di analisi, è possibile in laboratorio sia analizzare materiale cosmico quali meteoriti e micrometeoriti sia simulare "analoghi cosmici"facendo uso di componenti terrestri le cui caratteristiche fisico - chimiche riproducono quelle dei materiali che si ritiene siano presenti nello spazio.
Sin qui il lavoro di ricerca è limitato alla riproduzione a terra delle evidenze sperimentali ottenibili con osservazioni astronomiche sviluppate al suolo o su differenti piattaforme spaziali.
Un passo successivo è quello di utilizzare le nuove possibilità tecnologiche rese accessibili dallo sviluppo ingegneristico dei sistemi spaziali per arrivare a creare direttamente le condizioni fisico - chimiche esistenti nelle diverse regioni cosmiche in modo da studiare i fenomeni di interesse in condizioni analoghe a quelle in cui essi hanno luogo.
E' seguendo questa filosofia generale che si è sviluppata la Tesi di Dottorato qui di seguito illustrata. L'obiettivo generale è quello dellanalisi di materiale analogo cosmico.
Il lavoro si è sviluppato logicamente nelle seguenti fasi:

1. Una serie di osservazioni astronomiche forniscono alcune indicazioni (qualitative e quantitative) sulla natura e sulle proprietà dei grani interstellari.
2. In una prima fase, materiali analoghi cosmici vengono individuati e caratterizzati in laboratorio allo scopo di interpretare le osservazioni esistenti. Nello specifico discuteró limiti e qualità dei risultati ottenuti.
3. I dati indicano la necessità di effettuare esperimenti specifici volti ad ottenere informazioni quantitative piú dettagliate e puntuali sui grani. In questa luce viene realizzato un esperimento su pallone stratosferico, Argo, che discuteró indicando particolarmente i miei contributi originali allo stesso.
4. Sulla scorta della nuova serie di dati, e del loro confronto con ulteriori misure in laboratorio, si evince che la conoscenza delle polvere cosmica puó realizzare un rilevante salto di qualità soltanto se sarà possibile studiare i fenomeni di formazione (nucleazione) ed evoluzione dei grani in condizioni che simulino quelle originali. Poichè essi nascono e si sviluppano nelle atmosfere delle stelle, sono necessarie allo studio condizioni di microgravità.

E' così che nasce il programma Stardust in cui, facendo uso di voli parabolici, viene progettato un sistema in grado di produrre e studiare particelle solide microniche simili a quelle presenti nello spazio.
Anche in questo caso illustrerò il mio contributo originale alliniziativa, illustrandone le varie fasi di sviluppo, sino alla progettazione della strumentazione di seconda generazione che dovrebbe volare sulla Stazione Spaziale.
Il campo di ricerca di cui si occupa l'Astrofisica dello Stato Solido presenta delle peculiarità notevoli che la differenziano per metodologie e tecniche da altre specializzazioni. La difficoltà di raggiungere una solida base di risultati universalmente riconosciuti, è dovuta allambiguità sempre presente nellinterpretazione dei dati osservativi disponibili. Le informazioni che si vogliono ottenere sulle caratteristiche chimico-fisiche del mezzo interstellare, e che siano poi utili allo studio di diversi ambienti e processi astrofisici, non vanno ricavate dal solo studio dei campi elettromagnetici che interagiscono con la polvere interstellare. Fotometria e spettroscopia si sono rivelate insufficienti per sciogliere il nodo che riguarda la composizione chimica, la struttura a breve e medio raggio dei solidi, lo stato e il livello di aggregazione delle particelle, l'eventuale struttura complessa di questi agglomerati. Le osservazioni, ma soprattutto le loro interpretazioni, devono avvenire in parallelo con ricerche di altro tipo che, partendo dai risultati di altri settori della ricerca astrofisica ma anche chimica e fisica, restringano il campo dei modelli in accordo con i dati osservativi.
Sia l'approccio osservativo classicoche quello sperimentale di laboratorio vanno incontro a problemi di natura diversa, ma con elementi in comune nelle possibili soluzioni.
La polvere interstellare è tipicamente rivelata in intervalli di lunghezza donda non osservabili dal suolo a causa dell'assorbimento atmosferico: la banda ultravioletta (UV), tutto l'infrarosso (IR) e il millimetrico. Per aggirare il problema si è inizialmente rincorsa la scelta di particolari siti - alta montagna, regioni desertiche con atmosfera particolarmente povera in vapor d'acqua, Antartide. Tuttavia certe regioni spettrali rimangono comunque inaccessibili o presentano un rumore atmosferico dominante. E' dunque risultato indispensabile l'uso di osservatori posti su aereo, pallone stratosferico, razzo o satellite, imponendo di conseguenza l'applicazione e lo sviluppo di nuove tecniche e soluzioni.
Le difficoltà degli studi in laboratorio risiedono invece nella difficoltà di riprodurre anche solo in parte le condizioni fisiche dei diversi ambienti cosmici. Questo ha portato da una parte ad un grosso lavoro teorico per estrapolare i risultati ottenuti allo spazio, dallaltra ad uno sforzo tecnico per trovare altre strade per rendere la simulazione, se non fedele, almeno vicina negli aspetti essenziali alle condizioni che si vogliono riprodurre.
Due aspetti fra i più importanti riguardano la spettroscopia di grani submicronici e la nucleazione di particelle da vapori in espansione. Nel primo caso c'è il problema della preparazione del campione da osservare: una volta prodotti, i grani devono essere depositati su un substrato, con il problema che la coagulazione ne varia, in modo non ben conosciuto, le proprietà spettroscopiche. Per quanto riguarda la nucleazione, problemi sperimentali sono probabilmente la causa della attuale mancanza di una teoria valida e coerente in grado di descrivere il processo. Entrambi i punti discussi possono essere affrontati se esperimenti e osservazioni sono compiuti in condizioni di microgravità. Come verrà discusso in seguito, una scelta che rappresenta un buon compromesso fra complessità e costi da una parte, e validità scientifica dall'altra è la piattaforma microgravitazionale offerta da aerei che compiono traiettorie paraboliche.
Come già detto, i progressi nellastrofisica del mezzo interstellare vengono dunque a dipendere in modo irrinunciabile dall'applicazione e dallo sviluppo di una serie di tecniche sperimentali e di tecnologie di tipo aeronautico o spaziale.
Questo lavoro rappresenta uno sforzo in questa direzione.
Di seguito sono discussi due esempi concreti di questo modo di procedere. La prima attività alla quale ho dato un contributo originale è la preparazione ed esecuzione di una osservazione di radiazione diffusa nel millimetrico da piattaforma stratosferica, con tutti i problemi tecnici e le soluzioni ad hoc che una tale impresa comporta. In particolare ho condotto le seguenti attività:

- contribuito alla definizione dell'esperimento, sulla base degli obiettivi scientifici determinati;
- concepito e realizzato il fotometro, contribuendo anche alle ottiche di rifocalizzazione;
- partecipato alle calibrazioni in laboratorio degli strumenti;
- partecipato allesperimento ed alla successiva analisi dei dati.

Per una più completa interpretazione fisica dei dati ottenuti da questo esperimento, come per tutte le osservazioni compiute nella regione spettrale millimetrica, è però indispensabile del lavoro in laboratorio teso a stabilire piú in dettaglio in quale misura i diversi parametri in gioco determinano il comportamento spettrale della polvere.
Il mio secondo contributo va dunque nella direzione sia della ricerca di una solida base interpretativa empirica della spettroscopia millimetrica su grani submicronici, che di una maggiore comprensione dei processi che regolano la formazione della polvere interstellare, compiendo un salto di qualità nelle simulazioni di laboratorio. Si è trattato in sostanza di definire un esperimento in microgravità, evoluzione di una prima versione che ha già volato, dando dei primi risultati qualitativi e semi-quantitativi. In particolare ho contribuito a:

- compiere una analisi critica della prima versione tecnologica dellesperimento, definendo le linee di sviluppo future;
- determinare le caratteristiche di due nuovi apparati sperimentali complementari fra loro ed evoluzione del precedente;
- realizzare i due apparati ed in particolare il sistema di raccolta in situ dei campioni prodotti per la successiva analisi morfologica e spettroscopica;
- calibrare la strumentazione in laboratorio e renderla compatibile con i requisiti dettati da NASA ed ESA per il volo parabolico.

L'attività su esposta rappresenta un contributo originale allo sviluppo di tecniche osservative e sperimentali tese alla definizione del problema specifico dellemissione millimetrica della polvere interstellare e, piú in generale, alla comprensione dei meccanismi di formazione.
Nella prima parte sono esposti il problema scientifico e lo stato dellarte delle tecniche sperimentali ed osservative attualmente in uso. Il mezzo interstellare è trattato in relazione alle questioni ancora aperte, che polarizzano l'attenzione della ricerca e che costituiscono i principali obiettivi delle attività sperimentali. Sono poi indicate le tecniche osservative piú promettenti, alle diverse lunghezze donda, con i problemi peculiari che esse incontrano, dovuti principalmente all'atmosfera terrestre e alle caratteristiche delle sorgenti diffuse oggetto della ricerca. Di seguito vengono trattate le diverse tecniche di laboratorio utilizzate per la produzione e lo studio di materiali analoghi cosmici. Un esempio di queste procedure, applicate in particolare allinterpretazione di dati spettroscopici nellultravioletto (UV), riguarda materiali carbonacei trattati termicamente; la ricerca, che mi ha visto coinvolto, ha fornito una nuova chiave interpretativa del picco di assorbimento interstellare a 217.5 nm. Sono infine riassunte e anticipate le diverse attività nelle quali ho potuto portare un contributo originale ed attivo per il raggiungimento dei risultati o la preparazione di attività future.
La seconda parte tratta piú in dettaglio, principalmente in relazione al lavoro da me svolto, dell'esperimento Argo, un telescopio millimetrico su piattaforma stratosferica per l'osservazione della radiazione diffusa emessa dalla polvere InterStellare (IS). Viene discussa la definizione del progetto e dello strumento in relazione allobiettivo scientifico da raggiungere ed alla tecnologia disponibile, e in particolare il progetto e la realizzazione del fotometro e la sua integrazione nello strumento. Sono anche descritte in un certo dettaglio, per la parte che compete alle mie attività e responsabilità, la calibrazione dei vari sottosistemi, l'esecuzione dell'esperimento e la successiva analisi dei dati.
Di seguito, nella terza parte, si affronta la questione dello studio spettroscopico di particelle coagulate e isolate, della loro formazione e della nucleazione da vapori. Sono trattati i motivi ed i vantaggi dell'operare in condizioni di microgravità e viene descritto un sistema di prima generazionegià utilizzato in passato. Lo sviluppo di questo apparato è stato motivato con la necessità di raccogliere dati quantitativi su nucleazione e coagulazione, che siano utili anche nell'attribuire le proprietà spettroscopiche osservate da Argo a particolari strutture dei grani IS. Vengono dunque discussi il progetto, la realizzazione ed i primi test in laboratorio del nuovo sistema da volo parabolico.