Un nuovo telescopio spaziale guarda indietro all’inizio del tempo – o poco dopo

finalmente. Dopo una lunga serie di ritardi, il James Webb Space Telescope (JWST) lascerà la Terra il prossimo fine settimana. Con uno specchio placcato in oro di 6,5 metri, composto da diciotto esagoni, il telescopio spaziale sembra una gigantesca opera d’arte di origami. Un’opera d’arte che ha impiegato circa trent’anni per essere realizzata e con un costo di quasi dieci miliardi di euro. Il più grande e potente telescopio spaziale mai costruito, JWST è il risultato di una collaborazione tra la NASA, l’Agenzia spaziale europea (ESA) e l’Agenzia spaziale canadese (CSA). Il telescopio dovrebbe durare dai cinque ai dieci anni.

“Il lancio segna una nuova era per l’astronomia”, afferma Ewen van Deschewek, astronomo dell’Università di Leiden, che da trent’anni si occupa dello sviluppo del pianeta giapponese. “Con questo telescopio vedremo per la prima volta la formazione delle prime stelle e galassie, subito dopo l’inizio dei tempi”.

I raggi infrarossi sono difficili da percepire

Henk Hoekstra Professore di astronomia

Tredici miliardi di anni. Questo è il momento in cui il JWST dovrebbe iniziare il monitoraggio. L’universo ha avuto origine circa 13,7 miliardi di anni fa con il Big Bang. Presto non c’erano più stelle, solo gas e materia oscura. Successivamente, da questo gas, apparvero le prime stelle e galassie. Tra le altre cose, il JWST è stato costruito per considerare quel periodo. Il telescopio succede al famoso telescopio spaziale Hubble, che continua a funzionare oltre ogni aspettativa. I due si completano a vicenda: i telescopi orbitano in cerchi diversi e guardano sotto una luce diversa. Hubble guarda principalmente alla luce visibile e ultravioletta. Con quattro strumenti a infrarossi a bordo, JWST catturerà la debole luce dell’universo emergente.

Gli astronomi non hanno mai guardato così indietro nel tempo prima, perché l’antica luce delle stelle è ora completamente allungata dall’espansione dell’universo. La luce ha bisogno di tempo per viaggiare. Più in profondità guardiamo all’universo che ci circonda, più guardiamo indietro nel tempo. Le onde luminose delle vecchie stelle si allungano una volta che raggiungono la Terra. La luce viene emessa ad una certa frequenza: la luce pulsa con una pausa nel mezzo. A causa dell’espansione dell’universo, le pause aumentano e le distanze tra gli impulsi luminosi aumentano. La luce ultravioletta proveniente da stelle lontane, che ha un’alta frequenza (brevi periodi), si estende nella radiazione infrarossa quando raggiunge la Terra. Questo è il tipo di luce che sentiamo come calore. “È molto difficile individuare gli infrarossi”, afferma Henk Hoekstra. È professore di astronomia all’Università di Leiden. “È molto debole e appena distinguibile dalla luce infrarossa emessa da altri oggetti come la Terra”. È come cercare un ago in un pagliaio. Inoltre, la luce infrarossa proveniente dallo spazio non raggiunge la Terra: è bloccata dall’atmosfera terrestre.

Questo è il motivo per cui JWST va nello spazio, lontano dalla Terra e dal Sole. La Terra giapponese orbiterà attorno al Sole, a un milione e mezzo di chilometri dalla Terra orbitando attorno al Sole. Questa non è una distanza arbitraria. Lì, il telescopio è abbastanza attratto dalla forza gravitazionale del Sole e della Terra da rimanere in linea con la Terra. Questo è chiamato punto lagrangiano L2. È conveniente comunicare con il telescopio. JWST invierà i dati sulla Terra utilizzando un trasmettitore radio di bordo. A proposito, JWST non è il primo in questa orbita. Ad esempio, l’Herschel Space Telescope ha funzionato lì dal 2009 al 2013. Ma sembrava sotto una luce diversa da quella del JWST.

Fattore di protezione solare dieci milioni

Una grande vela sulla superficie del campo da tennis (più di 21 metri per 24) deve proteggere il telescopio dalla luce infrarossa del Sole, della Terra e della Luna, e dalla quale si irradia il telescopio stesso. Il “baldacchino” è composto da cinque strati e può essere paragonato a una crema solare con un fattore di circa dieci milioni. Il telescopio si divide in un lato caldo rivolto verso il sole e un lato freddo dietro lo schermo. La temperatura massima dovrebbe salire sul lato caldo fino a circa 100°C. La temperatura sul lato freddo, dietro il sopracciglio, sarà di circa meno 237 gradi. Gli strumenti di visibilità saranno dietro la protezione solare, sul lato freddo.

Perché strano raffreddamento? Per captare i deboli segnali di calore dal giovane universo, gli strumenti di monitoraggio devono essere il più freddi possibile. Altrimenti, il calore del telescopio sarebbe rumore proveniente da segnali di calore provenienti dall’universo. La protezione solare è stata una delle maggiori sfide di progettazione per gli ingegneri JWST.

Questo è fatto con grande precisione. Davvero incredibile

Vincent Ike Professore di astronomia teorica

“Un’altra sfida è stata la costruzione di uno specchio massiccio, resistente e liscio che fosse anche abbastanza leggero da essere trasportato nello spazio”, afferma Hoekstra. “È difficile ottenere un’immagine nitida con un segnale a infrarossi debole.” Ecco perché lo specchio è gigantesco: largo 6,5 metri. In confronto, lo specchio Hubble è largo 2,4 metri. “Utilizzando uno specchio più grande possiamo raccogliere più luce e il modo in cui vengono fotografati gli oggetti nitidi dipende anche dalle dimensioni dello specchio”. JWST può ottenere una piccola porzione di cielo piuttosto nitida. Se un’ape fosse sulla luna, JWST potrebbe raccogliere il loro calore. Vincent Ike, professore di astronomia teorica all’Università di Leiden: “E lo specchio JWST è lucidato fino a trenta atomi di spessore. Devi solo guardarlo e ha davvero un graffio. È fatto con una precisione incredibile. Davvero incredibile. “

Atmosfere dei pianeti esterni

La fantasia su un telescopio del genere che potesse vedere così lontano nel tempo iniziò già nel 1989. Nel 2004, gli ingegneri iniziarono a costruire le parti e l’Olanda diede un importante contributo a uno dei quattro strumenti scientifici a infrarossi, lo spettrometro a infrarossi medi. Questo verrà utilizzato, ad esempio, per esaminare la composizione chimica delle atmosfere degli esopianeti. Osservando i colori che assorbono la luce dall’atmosfera degli esopianeti, gli scienziati possono dire qualcosa sulla composizione dell’atmosfera del pianeta.

La build JWST non è stata priva di difficoltà. Il telescopio avrebbe dovuto lasciare la Terra circa quattordici anni fa, ma a causa di problemi il lancio è stato ritardato sempre di più. Per un po’ si è pensato di staccare completamente la spina. La NASA costruirà il telescopio per 1,6 miliardi di dollari, ben al di sotto degli eventuali 10 miliardi di dollari. Quello che era iniziato come un piano ambizioso è diventato un bambino della NASA. Fino al mese scorso, JWST stava affrontando venti contrari.

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Scienziati e ingegneri erano entusiasti quando la NASA ha annunciato alla fine di agosto che JWST aveva superato tutti i test ed era finalmente pronto per il lancio. JWST ha viaggiato per circa 10.000 miglia attraverso l’oceano della California fino allo spazioporto di Kourou dell’Agenzia spaziale europea. Il sito di lancio è nella Guyana francese, sulla costa nord-orientale del Sud America. Una volta arrivato, le cose si sono un po’ tese quando il nastro a cui era attaccato il JWST al missile si è rotto.

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Il lancio è stato posticipato di diversi giorni questa settimana ed è ora previsto per il 24 dicembre. Un razzo europeo JWST Ariane 5 verrà lanciato in orbita. Lo specchio, i pannelli solari e il tettuccio parasole si piegano per adattarsi all’interno del razzo. Mezz’ora dopo il lancio, il telescopio si separerà dal razzo. D’ora in poi, il motore entrobordo con il carburante dovrebbe puntare il telescopio verso L2. Presto, i pannelli solari si apriranno per alimentare gli strumenti scientifici. Circa 2,5 giorni dopo, dopo che il telescopio ha superato la luna, si apriranno anche lo scudo solare e lo specchio.

“Incredibilmente sexy”, dice Ike. “Il telescopio deve essere il più leggero possibile, quindi le parti dell’origami sono attaccate l’una all’altra con piccole connessioni come soffici mentine”. E niente può andare storto. Hubble è andato nello spazio mezzo cieco nel 1990 a causa di un malfunzionamento dello specchio secondario, ma gli astronauti hanno servito. La manutenzione è impossibile al JWST, perché è molto più lontano dalla Terra rispetto al telescopio Hubble.

Imke de Pater, un astronomo olandese dell’Università della California, Berkeley, è uno dei primi a utilizzare il telescopio. Insieme a circa 40 altri ricercatori, osserverai oggetti relativamente vicini a casa, nel Sistema Solare, in particolare Giove e gli anelli deboli intorno al pianeta. Questi anelli sono realizzati in tessuto. De Pater: “Queste minuscole particelle di polvere si muovono molto lentamente verso Giove. Scompaiono nel pianeta nel giro di migliaia di anni. Ciò significa che viene costantemente prodotta nuova polvere per sostenere quegli anelli. Come esattamente ciò accada è ancora un mistero. Sospettiamo che lì ci sono un certo numero di piccole lune là fuori. “Molto, finora sconosciuto, gli anelli di Giove si scontrano tra loro e con meteoriti, rilasciando nuove particelle di polvere. Per scoprire se questa idea è corretta, abbiamo bisogno di osservazioni molto attente degli anelli”. De Pater prevede di ricevere le prime banconote la prossima estate.

Abbiamo teorie su come funzionano le cose, ma non l’abbiamo mai visto prima nella vita reale

Vincent Ike Professore di astronomia teorica

“Un altro problema che JWST può aiutare a risolvere è come si formano i buchi neri supermassicci”, afferma Hoekstra. “Quasi ogni galassia ha uno di questi al centro. Il buco nero supermassiccio al centro della Via Lattea si chiama Sagittarius A* e ammonta a La sua massa è circa quattro milioni di volte quella del Sole. Quei buchi neri supermassicci sono troppo massicci per formarsi dall’esplosione di stelle, così come si formano i buchi neri meno massicci e più abbondanti. Per risolvere il mistero, gli astronomi stanno cercando i quasar. oggetti molto luminosi nell’universo, si ritiene che abbia un enorme buco al centro. Il telescopio Euclid dell’Agenzia spaziale europea, a cui Hoekstra collabora e il cui lancio è programmato per il 2023, esaminerà parte dell’universo e cercherà quasar”. Euclid raccoglierà quasar molto distanti, che potremo quindi esaminare in dettaglio con sensibilità, la suggestione di JWST”.

Ingegneria dei sistemi planetari

Van Dishoeck spera che le osservazioni del JWST ci dicano qualcosa sull’evoluzione dei sistemi planetari. Un pianeta ruota intorno alla sua stella madre a una certa distanza. “Non sappiamo ancora se il pianeta ha avuto origine alla stessa distanza, o se ha cambiato posizione nel tempo. I pianeti si formano in piccoli dischi di gas e polvere. La loro composizione chimica ci dice qualcosa su dove si è formato il pianeta nel disco. . Con JWST possiamo ora, per la prima volta Una volta, guardare all’interno di questo disco dove stanno attualmente nascendo i pianeti. Ci sono idee su come potrebbe essere apparsa la struttura dei sistemi planetari e le osservazioni le confermeranno o le confuteranno. “

E questa è la sua bellezza, dice Ike. “La teoria prima delle osservazioni. Come astronomo teorico, voglio sapere come funzionano e accadono le cose. Ecco perché costruiamo modelli al computer, che attualmente vanno oltre le osservazioni. Abbiamo teorie su come funzionano le cose, ma non l’abbiamo mai visto prima in vita reale. Ce lo dirà lui.” De Pater e i suoi colleghi presto, attraverso le osservazioni, dove i nostri teorici hanno sbagliato. E questa è la cosa eccitante, che ci siamo sbagliati e poi si scopre che c’è un mondo di nuova fisica dietro esso. La natura deciderà se la teoria è corretta o meno.”