a cura di Silvio di Rosa
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ABSTRACT
Fino al 1609, qualsiasi tipologia di azione investigativa del cielo è stata condotta unicamente mediante l’uso degli occhi, pertanto ne risultava fortemente limitata in termini di magnificazione e potere risolutivo. L’impiego del cannocchiale (de facto un telescopio rifrattore) come strumento per l’indagine astronomica, rappresenta una vera e propria rivoluzione: da quel momento, l’umanità ha sempre migliorato i suoi mezzi di osservazione, sia mediante lo sviluppo di design innovativi per i propri strumenti ottici, sia introducendo materiali ed ottiche di fattura sempre più raffinate. In poco più di 400 anni, si è passati dal cannocchiale di Galileo, avente pochi centimetri di diametro, fino ai telescopi odierni, i più estesi dei quali hanno, attualmente, diametro dell’ordine dei 10 metri (come il Gran Telescopio Canarias), con progetti di strumenti ottici fino ai 39 metri (ci si riferisce, a tal proposito, all’europeo Extremely Large Telescope, la cui prima luce dovrebbe avvenire nel 2027).
In effetti, l’estensione di un telescopio per l’osservazione del cielo, quantificata mediante il diametro della sua apertura, è un parametro importante in quanto influenza la quantità di luce entrante nel sistema ottico in un certo periodo di tempo, ossia la magnitudine limite degli oggetti osservabili e la risoluzione ottenibile. Non è, tuttavia, il solo parametro da tenere in considerazione. Ugualmente significativo per valutare le prestazioni di uno strumento per l’indagine astronomica è il campo di vista, o Field of View (FoV), ossia l’area di cielo osservabile tramite lo strumento stesso. Questa superficie è, in genere, quantificata mediante l’angolo solido sotteso dalla stessa e si misura in gradi quadrati o in steradianti. I più grandi telescopi on-ground per lo svolgimento di survey astronomiche non superano, in genere, poche decine di gradi quadrati: se si pensa che l’intera volta celeste osservabile da un qualsiasi sito sulla Terra, approssimata ad una semisfera, sottende un angolo solido di circa 21.000 gradi quadrati, se ne deduce come i telescopi debbano essere puntati in continuazione per portare, all’interno del proprio FoV, gli oggetti di interesse. Questo implica, come intuibile, un notevole consumo di tempo e risorse.
E se si disponesse di un sistema ottico avente un campo di vista dello stesso ordine di grandezza di quello che caratterizza la volta celeste, ossia 10.000 gradi quadrati, con un’apertura di dimensioni relativamente grandi, ad esempio 1 metro?
In questo caso, non si avrebbe necessità di alcun puntamento per l’individuazione di sorgenti astronomiche e astrofisiche e si disporrebbe, al contempo, di uno strumento con elevata area di raccolta dei fotoni. Proprio questa è l’idea alla base di un telescopio innovativo, chiamato con ispirazione, “MezzoCielo”.
Introduzione
Da qualche decennio, l’astronomia vive una fase caratterizzata da emozionanti scoperte ed intense trasformazioni: un esempio è offerto dalla nascita e dallo sviluppo della cosiddetta “astronomia multi-messaggera”, la quale si propone di studiare una sorgente (o un evento) analizzando in maniera coordinata le informazioni ricavabili dai segnali astrofisici che la caratterizzano, comprendenti, tra gli altri, radiazione elettromagnetica e onde gravitazionali.
Numerose sono anche le sfide che l’astronomia moderna è chiamata ad affrontare. L’inquinamento rientra sicuramente in questa categoria, ma quando si parla di inquinamento in ambito astronomico, non si intende solo quello luminoso: l’abbandono nelle orbite terrestri, in particolare in quelle basse o Low Earth Orbits (LEOs), di oggetti artificiali, quali satelliti a fine vita operativa, stadi di lanciatori, propellente e così via ha dato origine ad un nuovo tipo di pollution, costituito da una nutrita popolazione di space debris o detriti spaziali. Questi detriti spaziano in un ampio range di dimensioni e orbite di collocamento e, pertanto, velocità: un “censimento” operato dall’Agenzia Spaziale Europea e reperibile nel “ESA’s Space Environment Report” del 2023 indica chiaramente che i debris orbitanti attorno al nostro pianeta con dimensione superiore a 10 cm (e fino all’ordine del metro) sono almeno 32.000, distribuiti in maniera non uniforme tra le diverse orbite, essendo la maggior parte di essi, attorno alle 20.000 unità, collocati nelle orbite basse, fino a 2.000 km dal suolo. Diversi milioni sarebbero invece i detriti con dimensione minore di 1-10 cm e gli oggetti più estesi non ancora tracciati. E, con la costruzione in orbita (pianificata o attualmente in atto) di numerose costellazioni di satelliti, la previsione per il futuro prossimo è quella di un incremento sostanziale del numero dei debris.
I detriti rappresentano un problema di sempre maggiore serietà per due motivi principali: il primo è legato alla capacità della maggior parte di essi di riflettere la radiazione elettromagnetica solare e quindi di interferire con le osservazioni astronomiche condotte da terra. Il secondo deriva dalla loro elevata velocità (inversamente proporzionale alla dimensione dell’orbita) e quindi dall’energia cinetica che li caratterizza: per fissare le idee, si consideri che l’energia cinetica di un oggetto di 10 g che si muova in orbita LEO alla velocità (tipica) di 7 km/s corrisponde approssimativamente a quella associata ad una autovettura di medie dimensioni (1500 kg) che si muova a circa 65 km/h. L’impatto con un tale oggetto sarebbe potenzialmente distruttivo per qualunque satellite o velivolo non adeguatamente schermato, con annessa produzione a cascata di ulteriori debris. Immediata è la considerazione che una tale situazione, protratta sufficientemente a lungo, potrebbe dar luogo ad un ambiente spaziale così ostile da impedire l’accesso dell’umanità alle orbite esterne, con notevoli danni, oltre che per la ricerca astronomica condotta con telescopi space-based, anche per l’intera società.
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In questo contesto dove le sfide si intrecciano all’evoluzione dell’indagine scientifica, è concepito il progetto di un innovativo sistema ottico terrestre capace di osservare contemporaneamente l’intera (o quasi) volta celeste. Quali potrebbero essere le applicazioni pratiche di un telescopio a campo globale, soprattutto con riferimento alle trasformazioni e alle sfide menzionate in precedenza?
Nell’ambito dell’astronomia multi-messaggera, un tale strumento potrebbe essere impiegato in qualità di controparte ottica (ossia in grado di analizzare la radiazione elettromagnetica con lunghezze d’onda nello spettro visibile) dei rivelatori di sorgenti astrofisiche. In effetti, spesso un evento, per quanto transitorio, genera segnali in un ampio intervallo di lunghezze d’onda e/o aventi diversa natura. La fusione di due oggetti astrofisici supermassicci, come stelle di neutroni e buchi neri, è, ad esempio, un fenomeno caratterizzato dall’emissione di onde gravitazionali, le quali possono essere rivelate da osservatori dedicati: l’interferometro Virgo, costruito in Italia, nei pressi di Pisa, o l’atteso Einstein Telescope hanno precisamente questo scopo. Per ridurre l’incertezza legata alla localizzazione della sorgente delle onde, ossia per individuare con maggiore accuratezza la posizione nel cielo del fenomeno osservato, un telescopio a grandissimo campo di vista rappresenterebbe lo strumento di elezione: osservando l’esplosione o kilonova prodotta dalla fusione, esso sarebbe in grado di circoscrivere la posizione di arrivo delle onde gravitazionali e soprattutto, non necessitando di nessun tipo di puntamento, questa “ricerca” richiederebbe tempi molto brevi, fattore fondamentale trattandosi di fenomeni transitori della durata di non più di qualche giorno.
In termini di inquinamento prodotto dai detriti spaziali, il contributo di un telescopio a campo globale potrebbe essere determinante per ridurre la pericolosità di questo problema. Numerose sono le soluzioni formulate ad oggi dalle varie agenzie spaziali per far fronte alla minaccia degli space debris al fine di evitare cupi scenari futuri. Tra queste, la rimozione dei detriti dalle proprie orbite, almeno di quelli di più grandi dimensioni, è una delle più significative. Tuttavia, una tale operazione non può prescindere dalla previa conoscenza delle orbite dei detriti, ottenibile mediante il tracciamento degli stessi. Un campo di vista estremamente esteso si rivelerebbe quindi indispensabile per fornire un tracking continuo dei debris: in altri termini, il compito di generare una mappatura dei detriti spaziali sarebbe demandato principalmente ad un telescopio a campo globale, il quale si inserirebbe nella vasta rete di sensori ad oggi disseminati sul globo appositamente per questo scopo.
Il telescopio MezzoCielo nasce allora con un duplice obiettivo: contribuire al progresso scientifico in termini di comprensione dell’universo e fornire una soluzione ad un problema sempre più stringente in ambito spaziale. MezzoCielo mira, in definitiva, a rivoluzionare il modo in cui vengono effettuate le osservazioni del cielo grazie alla sua principale peculiarità, ossia un campo di vista di circa 10.000 gradi quadrati, al quale si somma una apertura relativamente ampia, un metro di diametro equivalente, che permette allo strumento di raggiungere una magnitudine limite di circa +23.
Design opto-meccanico e sfide ingegneristiche
L’idea del sistema ottico di MezzoCielo è concepita nel contesto dello Space Situational Awareness, programma di respiro internazionale dedicato al pattugliamento delle orbite terrestri in termini di detriti spaziali e oggetti di origine naturale, come una sorta di “evoluzione” concettuale del telescopio Fly-Eye. Inventati dall’attuale presidente dell’Istituto Nazionale di Astrofisica, Prof. Roberto Ragazzoni, sia Fly-Eye che MezzoCielo si basano su un disegno ottico monocentrico, ossia le ottiche impiegate possiedono centro di curvatura comune: questa configurazione si rivela efficace poiché permette di rendere il sistema privo di aberrazioni quali coma e astigmatismo. A differenza del Fly-Eye, MezzoCielo non impiega specchi, ossia si tratta di un sistema ottico rifrattore, simile, nella morfologia, all’eliofanografo, dispositivo ottico impiegato sin dalla fine dell’Ottocento per registrare il numero effettivo di ore di insolazione durante la giornata.

Scendendo nel dettaglio del suo design opto-meccanico, osserviamo che MezzoCielo consiste primariamente in una lente sferica centrale che focalizza la luce su una superficie concentrica su cui sono posizionate diverse camere, dotate di lenti correttrici e rivelatori CMOS. Come già affermato, il disegno monocentrico è utile per aumentare la qualità dell’immagine del sistema riducendo a zero tutte le aberrazioni di Seidel, tranne quella sferica. Inoltre, quest’ultima è resa costante lungo ciascuna delle linee di vista: un diaframma collocato in ognuna delle camere proietta uno stop virtuale al centro della lente monocentrica, rendendo in questo modo uniforme l’illuminazione su tutto il campo visivo.
Il telescopio sarà del tipo seeing-limited, ossia le sue prestazioni ottiche, in termini di risoluzione, saranno limitate principalmente dalla turbolenza atmosferica. Affinché questo sia possibile, l’aberrazione sferica deve essere notevolmente ridotta. La sua correzione è affidata ad un sistema di lenti correttrici poste a monte dei rivelatori CMOS in ciascuna camera, ma, per rendere più agevole il loro lavoro, riducendo in partenza la quantità di sferica da compensare, è necessario che la lente monocentrica (la quale “raccoglie” i fotoni indirizzandoli verso le camere stesse) sia caratterizzata da un rapporto focale relativamente alto, ad esempio superiore a 3. Considerazioni di ottica geometrica suggeriscono allora che, per un diametro di ingresso di 1 metro, la sfera, se realizzata interamente in vetro comune borosilicato avente indice di rifrazione intorno a 1.5, dovrebbe avere un diametro di almeno 4 metri.
Sorge dunque un primo problema: una lente sferica di queste dimensioni risulta di fatto irrealizzabile date le difficoltà tecnologiche di produzione, l’impossibilità di garantire l’uniformità del raffreddamento e dell’indice di rifrazione, senza contare l’elevata complessità di installazione in situ.
Come si può garantire il triplice obiettivo dato dalla riduzione della massa vetrosa (quindi delle dimensioni della sfera), dal mantenimento del diametro equivalente di 1 metro e dall’ottenimento di un rapporto focale maggiore o uguale a 3?

La soluzione è offerta dall’impiego di liquido ottico inserito all’interno della stessa lente sferica. In effetti, un approccio di questo tipo venne già ipotizzato nel XIX secolo quando, al fine di ottenere un sistema ottico omnidirezionale, leggero e con ridotta aberrazione sferica per usi fotografici, due lenti menisco di curvatura uguale ed opposta vennero disposte in modo da formare una sfera cava, di pochi centimetri di diametro, riempita in seguito di acqua, generando quella che passò alla storia come Sutton’s ball-shaped water lens, o, più semplicemente, lente di Sutton. Il sistema, tuttavia, trovò scarsa diffusione e venne rapidamente abbandonato, soprattutto a causa delle difficoltà dell’epoca nel realizzare lenti sferiche di elevata qualità e dell’uso dell’acqua come fluido ottico. L’acqua, infatti, pur garantendo una sostanziale riduzione della massa complessiva (la densità dell’acqua è di 1000 kg/m3 a temperatura ambiente, contro i circa 2500 kg/m3 del vetro borosilicato), presenta un indice di rifrazione relativamente elevato (intorno a 1.33 a temperatura ambiente e per lunghezze d’onda intorno a 550 nm, corrispondente al colore che noi vediamo come verde), che non permette un decisivo aumento della lunghezza focale (rispetto ad un sistema composto unicamente da vetro) e quindi, a parità di apertura, del rapporto focale. Inoltre, la sua trasparenza alla luce visibile (solitamente quantificata in chimica mediante il parametro “coefficiente di assorbimento”) risulta relativamente bassa, ossia l’acqua tende ad assorbire e/o a deviare dalla traiettoria prevista un elevato numero di fotoni, situazione che può essere esasperata dalla presenza di eventuali contaminanti.
Le problematiche elencate relative all’uso dell’acqua, già notevoli per una lente di dimensioni molto modeste, sono, come facilmente intuibile, molto più significative per una sfera dalla prevista apertura equivalente di 1 metro, come quella di MezzoCielo. Per quest’ultimo sistema, si può dimostrare che il desiderato valore di rapporto focale è raggiungibile impiegando fluido ottico avente indice di rifrazione compreso tra 1.25 e 1.3 nel range visibile. In aggiunta, la trasparenza di questo fluido ottico dovrebbe essere almeno pari a quella dell’acqua distillata (possibilmente più alta) e, in ogni caso, dovrebbe manifestare una scarsa propensione ad essere “solvente”. Dal punto di vista fisico-chimico, è poi apprezzabile che il liquido in questione presenti altre proprietà, tra cui:
1. Bassa densità;
2. Bassa viscosità (per facilitarne il pompaggio all’interno del volume sferico);
3. Bassa o nulla infiammabilità;
4. Stabilità con la temperatura e nel tempo;
5. Bassa o nulla tossicità per l’uomo;
6. Basso impatto ambientale.
Tutte queste proprietà sono rintracciabili in una categoria particolare di liquidi, ossia i fluidi fluorurati e, tra essi, il più promettente per l’applicazione del telescopio MezzoCielo è il perfluoroesano, la cui composizione comprende solo atomi di carbonio e fluoro.

La caratterizzazione ottica del perfluoroesano, così come quella di altri liquidi al fluoro ritenuti idonei, è già stata condotta nei laboratori dell’Osservatorio Astronomico di Padova, dove il progetto del telescopio (con annesse simulazioni ed esperimenti) è attualmente in corso. Con un indice di rifrazione medio di 1.251 nello spettro visibile ed una trasparenza almeno un’ordine di grandezza superiore rispetto a quella dell’acqua distillata nel range giallo-rosso dello stesso spettro, il perfluoroesano consente di ridurre la dimensione complessiva della sfera fino a circa 2 metri di diametro, mantenendo i requisiti ottici richiesti. Dunque, invece di realizzare una sfera di vetro di almeno 4 metri, è possibile impiegare un guscio sferico di 2 metri, il quale racchiude una cavità riempita di perfluoroesano (o altro liquido al fluoro). Naturalmente, in tal caso, fondamentale parametro di progetto diviene lo spessore del guscio vetroso: un valore eccessivamente alto condurrebbe ad annullare, seppur parzialmente, gli effetti dell’uso del liquido, mentre uno spessore troppo piccolo potrebbe creare problemi di stabilità e di integrità del guscio soggetto alla pressione idrostatica del liquido. Calcoli analitici e seguenti simulazioni all’elaboratore hanno permesso di dimostrare che, fissati il valore massimo di deformazione permessa al vetro e le proprietà dei materiali coinvolti, lo spessore ottimale del guscio, per una lente sferica di 2 metri, deve essere di almeno 12 cm.
La realizzazione di un guscio sferico di vetro di tali dimensioni, comprendente un volume di almeno 3 m3 di fluido, presenta in realtà molte delle problematiche di costruzione e installazione che caratterizzano una sfera completamente di vetro. Anche se otticamente performante infatti, un tale sistema rimane comunque caratterizzato da un elevato volume di vetro e da una massa di qualche tonnellata. La soluzione proposta è la segmentazione di questo componente in un numero (pari) di lenti menisco, disposte in modo da garantire sfericità ottica alla struttura. In effetti, questo modo di procedere presenta il vantaggio di ridurre considerevolmente le difficoltà tecnologiche di produzione delle ottiche di MezzoCielo, le quali si riducono, in prima battuta, a lenti che, seppur di grandi dimensioni, possono essere sostenute singolarmente, con notevoli vantaggi in termini di stabilità e montaggio. In questo contesto, una scelta immediata per il telaio della sfera, ossia per la montatura delle lenti, ricade su i solidi platonici e/o archimedei, poiché essi assicurano una più o meno efficace approssimazione del volume sferico e la necessaria regolarità per le lenti, sia in termini di collocazione che di morfologia. Le lenti menisco occuperebbero infatti le facce del solido. Ad oggi, il progetto del telescopio è incentrato su una struttura meccanica dodecaedrica per supportare le lenti in vetro, dal momento che il dodecaedro permette la massima apertura equivalente e regolarità geometrica, ma altre configurazioni sono parimenti allo studio (come quella dell’icosaedro troncato o del “pallone da calcio”). Una considerazione aggiuntiva in merito all’uso di una montatura dodecaedrica è relativa al fatto che le lenti possono essere realizzate, oltre che con la consueta forma circolare che normalmente le contraddistingue negli strumenti astronomici, anche sulla base di una pianta pentagonale (si ricorda infatti che le facce di un dodecaedro sono pentagoni regolari). In effetti, uno dei risultati ottenuti finora asserisce che le lenti pentagonali sono in grado di garantire prestazioni meccaniche e ottiche superiori a quelle circolari, ossia, detto in altri termini, a parità di sollecitazioni, esse sviluppano minori tensioni interne e deformazioni (quindi un minor grado di defocus o sfocamento sul piano focale) rispetto alle lenti circolari. Naturalmente, questi vantaggi sono controbilanciati dalla maggiore complessità di realizzazione e dalla conseguente lievitazione del costo.
Riassumendo quanto detto finora, possiamo affermare che due sono le principali proprietà che MezzoCielo sfrutta per raggiungere le prestazioni desiderate:
1. una sfera ottica centrale di circa 2 metri di diametro che impiega fluido ottico di alta qualità;
2. una montatura a foggia di solido platonico per il supporto delle lenti menisco in vetro.

Le suddette proprietà portano intrinsecamente con sé numerose criticità che richiedono soluzioni innovative o di complessa natura. Tra le principali sfide che attualmente il gruppo di lavoro dell’Osservatorio di Padova guidato da Roberto Ragazzoni sta affrontando, rientrano, ad esempio, problematiche di natura ingegneristica derivanti dalla necessità, da parte della montatura, di garantire simultaneamente l’adeguato supporto alle singole lenti in termini di integrità e rigidità, la possibilità di allineamento delle stesse anche in condizioni di esercizio, la tenuta stagna del fluido (soprattutto in virtù del basso valore di viscosità dei liquidi al fluoro), la compatibilità tra i materiali in gioco e un buon accoppiamento termico con le lenti. Al fine di far fronte alle problematiche elencate, uno studio dedicato rivolto al dimensionamento del telaio della sfera di MezzoCielo è attualmente in fase di definizione. Le soluzioni prese in considerazione al momento comprendono l’uso di materiali aventi elevate caratteristiche di resistenza meccanica e, al contempo, coefficiente di espansione termica simile a quello del vetro, il progetto di elementi compensatori di dilatazioni termiche potenzialmente distruttive per le lenti, l’impiego di sistemi pneumatici (controllati attivamente) per garantire la necessaria mobilità per l’allineamento e la tenuta stagna, particolari sagomature della montatura per ricavarne un adeguato alloggiamento per i componenti in vetro e così via. Notevole importanza è anche data alla modalità di inserimento del liquido all’interno della sfera, al fine di evitare formazione di bolle d’aria nel volume disponibile, e al progetto di un sistema di ricircolo dello stesso per la sua rigenerazione e/o mantenimento ad una temperatura definita. Si è poi ipotizzata anche la configurazione della struttura atta a garantire il collegamento della sfera con il terreno: composta da 5 elementi di tipo a traliccio, equispaziati rispetto all’asse verticale della sfera, essa dovrà sostenere il peso delle 12 lenti menisco, della montatura e del fluido all’interno e assicurare la richiesta rigidezza anche in presenza di vento (ad esempio, fino a 10 m/s, sulla base dei valori più alti registrati annualmente sul sito dell’Osservatorio Astronomico di Asiago), evitando qualsiasi fenomeno di risonanza, ossia di “accoppiamento” dinamico con forze variabili nel tempo.
Parallelamente al dimensionamento meccanico della montatura di pertinenza della sfera, un’altra importante azione è condotta in termini di analisi ottica delle camere poste sul piano focale della sfera stessa. Come si è detto, le camere hanno il compito di inviare la luce, catturata e focalizzata dalla lente monocentrica, sul rivelatore CMOS, dopo averla “depurata” dell’aberrazione sferica. I risultati ottenuti finora dimostrano che il raggiungimento di prestazioni seeing-limited sono possibili impiegando diverse lenti di campo e correttrici. Queste ultime rappresentano il “cuore” delle camere. Dato il numero elevato delle stesse che si vuole impiegare, e poiché sono previste superfici asferiche per alcune di esse, una delle idee sotto analisi consiste nel realizzare questi componenti mediante stampa in 3D, al fine di ridurre significativamente tempi e costi di produzione. Riguardo al numero di camere da impiegare, sono al momento allo studio due diverse strategie: la prima prevede il tappezzamento completo della superficie focale della sfera con le camere stesse, le quali dovranno dunque essere diverse centinaia, se non migliaia; la seconda, più complessa, implica l’uso di un numero esiguo di camere mobili, che, mosse da bracci robotici, seguendo il moto apparente della volta celeste, sarebbero in grado di generare immagini in cui i detriti, muovendosi sullo sfondo delle stelle “fisse”, descriverebbero dei tracklets, scie luminose dalle quali dedurre le relative orbite.
Pur se promettenti a livello di calcoli analitici e simulazioni al computer, tutte le soluzioni prospettate finora dovranno essere validate attraverso esperimenti in laboratorio su prototipi in scala, già previsti e finanziati da collaborazioni tra l’Istituto Nazionale di Astrofisica (a cui l’Osservatorio di Padova afferisce) e altri enti e Università nazionali.

Conclusioni
MezzoCielo si propone come uno strumento ottico rivoluzionario, in grado di combinare capacità osservative eccezionali, con una risoluzione comparabile con i migliori telescopi attualmente presenti sul pianeta. Il suo progetto presenta sfide e complessità sia a livello ottico che ingegneristico, ma tutte le possibili problematiche sono già in fase di risoluzione ed affrontate sia singolarmente sia a livello sistemico. Nel futuro prossimo, la realizzazione di piccoli prototipi in scala, sia della sfera che dei correttori a valle, sarà un passo obbligatorio per confermare le stimate prestazioni opto-meccaniche, con l’obiettivo di costruire un vero e proprio esemplare di MezzoCielo, magari affiancato a telescopi di nuova generazione per l’osservazione di eventi astrofisici. L’allestimento di una intera rete di sistemi MezzoCielo (sia nell’emisfero australe che in quello boreale) per il monitoraggio totale delle orbite terrestri e lo svolgimento di survey in tempi brevi rappresenta il traguardo finale che il progetto del telescopio MezzoCielo si prefigge.

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L’articolo è pubblicato in COELUM 273 VERSIONE CARTACEA














