James Webb Telescope: perché sarà così rivoluzionario?

Dopo quindici anni di lavoro è partito il più sofisticato telescopio spaziale mai realizzato, il James Webb Space Telescope (Jwst). Guarderà indietro nel tempo, agli albori dell’universo, studiando l’origine della vita, dei pianeti, delle stelle e delle galassie.

Esistono due possibilità: o siamo soli nell’universo o non lo siamo. Entrambe sono ugualmente terrificanti

Arthur Charles Clarke

La ricerca dell’ignoto, dell’origine di tutto quanto sarà forse il più grande viaggio mai intrapreso dall’uomo e dal 25 dicembre 2021 questo viaggio sarà realtà. Sì perché in una data apparentemente casuale, per come ci si è arrivati tra vari rinvii, ma con un gran significato in tutto ciò che concerne il 25 dicembre, è partito il più grande strumento di ricerca mai realizzato dall’uomo: il James Webb Telescope. La storia del JWST parte più di venticinque anni fa, quando gli incredibili risultati raccolti dal telescopio spaziale Hubble (in orbita a 530 km d’altezza) resero molto chiara l’importanza delle osservazioni dallo spazio.

Ma il James Webb Telescope è molto di più del successore di Hubble.

È un successore nel senso che continuerà a fare un lavoro iniziato da Hubble, ma con più accuratezza estendendo il campo di indagine a distanze e a lunghezze d’onda molto maggiori, che ci permetteranno di osservare oggetti più freddi e più antichi di quelli che Hubble poteva rilevare. Ma andiamo a scoprire qualche dettaglio in più su questo grande occhio.

Intanto ricordiamo che l’operazione James Webb è costata alla scienza (ma anche all’intera umanità che ne ufruirà) circa dieci miliardi e mezzo di dollari e sarebbe dovuto essere pronto più o meno quattordici anni fa, nel 2007. Poi enormi problemi ingegneristici, lievitazione dei budget e varie altre problematiche ne hanno postposto la realizzazione in maniera davvero notevole (fino al punto di quasi non ritorno).

Ora, però e partito e dovrebbe raggiungere nei prossimi mesi (fra circa un mese più o meno) il suo punto di osservazione: il punto Lagrange L2. Qui, a 1,5 milioni di Km dalla Terra, lontano dalle interferenze del nostro Pianeta, potrà scandagliare il cielo in modo più preciso e accurato andando alla ricerca di indizi sulla nascita dell’universo e sulla vita aliena. Questo luogo è ottimo perché è un punto dello spazio in cui l’attrazione gravitazionale della Terra e del Sole si annullano a vicenda e quindi potrà rimanere stabile all’interno del sistema solare e  attivo con pochissimo carburante.

James Webb si troverà in un punto dello spazio in cui l’attrazione gravitazionale della Terra e del Sole si annullano a vicenda.

JWST è il più grande telescopio spaziale mai lanciato nello spazio ed è per questo motivo che ci sono voluti diversi anni per la progettazione e realizzazione: consideriamo che solo lo specchio del telescopio James Webb ha un diametro di 6,5 metri in confronto a quello di Hubble di 2,4 metri. La grandezza triplicata dello specchio permetterà a JWST di raccogliere molta più luce di Hubble e, in questo modo, osservare anche oggetti nati poco dopo il Big Bang. Tecnicamente la realizzazione di uno specchio così grande è proprio per questo motivo e difatti gli astronomi sperano proprio di vedere (e quindi studiare) quello che c’era appena centocinquanta milioni di anni dopo la nascita dell’Universo, un “momento” di cui non conosciamo nulla, se non da un punto di vista teorico.

Per osservare quegli oggetti il telescopio scandaglierà nello spettro di luce infrarosso, perché la luce prodotta da quelle antiche stelle è stata “stirata” nel tempo a causa del loro allontanamento e oggi si possono appunto scoprire solamente grazie alla tecnologia dell’infrarosso, lunghezza d’onda ottimale anche per lo studio dei pianeti extrasolari. Ovviamente per lavorare nell’infrarosso, il telescopio dovrà rimanere molto freddo e perciò, nello spazio, dispiegherà un “ombrellone gigante” per proteggersi dalle radiazioni solari.

Come è fatto il JWST?

Il telescopio che fotograferà la nascita del nostro Universo si compone di due parti fondamentali: lo specchio e il corpo della sonda. Lo specchio è assolutamente da record con la sua superficie ben sette volte più grande di quella di Hubble, che permetterà a James Webb di raccogliere le poche manciate di fotoni che ci arrivano dall’universo primordiale.

Realizzare, ma soprattutto spedire nello Spazio uno specchio così grande, è quasi impossibile anche se la parola impossibile per la scienza è sinonimo di studio e ricerca.

Proprio per questo motivo lo specchio è composto da diciotto specchi esagoni di berilio rivestiti in oro. Il corpo della sonda invece si compone di un’antenna per le comunicazioni, dei pannelli solari per ricaricare le batterie e propulsori per orientare il telescopio. E soprattutto dello scudo. Chiaramente il JWST è stato progettato con delle speciali protezioni per ripararlo anche dalle tempeste e radiazioni solari che dovrà affrontare nella sua permanenza nel punto Lagrange L2. Per evitare che le radiazioni del Sole, della Terra e della stessa sonda scaldino il telescopio e interferiscano cogli strumenti, lo specchio è protetto da ben cinque fogli isolanti realizzati in Kapton, un materiale già usato per le tute degli astronauti, placcato a sua volta di alluminio e silicio per riflettere più radiazioni possibili. I sottilissimi fogli si dispiegheranno solo nello spazio aperto, raggiungendo l’ampiezza di un campo da tennis.

Per cercare di andare più a fondo su alcuni argomenti abbiamo raggiunto in Olanda l’ingegnere aerospaziale per ESA Alberto Graziani.

L’ingegnere aerospaziale Alberto Graziani racconta James Webb

Perché James Webb sarà così importante e definito il successore di Hubble?

Webb è stato tante volte chiamato il successore id Hubble per via dell’eta di Hubble da una parte e per la necessita della comunità scientifica di mettere in orbita uno strumento più potente che potesse continuare e migliorare il lavoro di Hubble.

La realtà però non è cosi: o meglio, non è corretto dire che Webb sia il successore di Hubble perché in realtà le due missioni sono complementari. Mentre Hubble osserva nell’ultravioletto, visibile e nel vicino infrarosso, Webb osserverà l’universo nel vicino e nel medio infrarosso, quindi su lunghezze d’onda che l’occhio umano non riesce a osservare.

 

Quali sono i suoi punti di forza a livello di tecnologia?

Missioni di questo livello, per raggiungere gli obiettivi scientifici che si sono prefissati hanno bisogno di raggiungere o oltrepassare gli attuali limiti tecnologici. Prima di tutto ci sono i quattro strumenti di Webb.

• MIRI (Mid Infrared Instrument) l’unico strumento a osservare il medio infrarosso e che per poter ottenere le accuratezze prefissate deve lavorare a -266 C.
• Poi abbiamo NIRSpec (Near-Infrared Spectrograph) uno spettrografo che divide la luce ricevuta nelle varie bande e che riesce a scomporre gli spettri di oltre 200 oggetti in un campo di 3.6×3.4 minuti d’arco. (Il minuto d’arco è l’unita di misura angolare usata in astronomia per misurare piccoli angoli. Il minuto d’arco equivale ad un sessantesimo di grado. Per avere un’idea, il diametro della Luna è di 30 minuti d’arco, circa mezzo grado).

• NIRCam (Near-Infrared Camera) è la camera primaria di Webb che otterra le più accurate immagini dallo specchio primario di Webb.
• NIRISS (Near-Infrared Imager and Slitless Spectrograph) è uno strumento innovativo che avrà l’obiettivo di osservare i pianeti extrasolari.

Un altro grande sviluppo tecnologico è il grande specchio primario costituito da diciotto esagoni in berillio rivestiti da un sottilissimo strato d’oro che necessita di livelli di precisione elevatissime. Poi abbiamo tutto lo sviluppo tecnologico/operativo per poter ripiegare (wrap) Webb nel fairing dell’Ariane 5. Una volta in orbita, lo specchio primario è di circa 6.5 m e le dimensioni dello schermo solare sono le stesse di un campo da tennis. Gli spazi del fairing sono invece limitate a pochi metri di diametro. Anche il razzo Ariane 5 è stato modificato per il lancio di Webb, aggiungendo delle paratie per limitare lo shock aerodinamico di Webb durante il lancio. Infine durante il lancio, Ariane 5 eseguirà delle manovre per mantenere Webb in ombra alcuni componenti sensibili al sole che non sono stati schermati.

Hubble sarà pensionato oppure continuerà a fotografare?

Non penso proprio, come dicevo Webb non è il sostituto, ma un moderno e più accurato compagno. Ovviamente i due strumenti lavorano indipendentemente, ma gli scienziati successivamente elaboreranno le immagini per rispondere alle domande sulla formazione dell’universo.

Per i magnifici risultati scientifici che ci ha regalato Hubble e per il ritorno alla comunità scientifica, e il successo continuo, immagino che Hubble continuerà ad essere utilizzato finché funzionerà, pensionarlo ancora funzionante sarebbe uno spreco di risorse. In questi trent’anni anni di vita, nonostante le difficoltà Hubble ci ha regalato immagini mozzafiato del cosmo e scienza e conoscenza inaspettata.

 

Come funziona James Webb? Come acquisirà le immagini?

Webb è un telescopio ottico costituito da due specchi che raccolgono la luce proveniente dallo spazio e la invia agli strumenti scientifici. Lo specchio primario (18 pannelli esagonali) raccoglie la luce dello spazio il quale la invia allo specchio secondario posta nella struttura portante nel fuoco dello specchio primario, che a sua volta la invia nel canale ottico posto al centro dello specchio primario dove vi sono i quattro strumenti scientifici.

In base all’obiettivo scientifico, che Webb osserva viene scelto lo strumento piu opportuno.

Per poter osservare l’infrarosso, gli strumenti devono essere mantenuti a temperature criogeniche. 3 strumenti su 4 hanno una temperatura operativa di -230 C mentre MIRI lavora ad ulteriori 30 gradi sotto, a -260 C.

Il principio di funzionamento degli strumenti è la spettroscopia. La luce che arriva al telescopio (dopo aver attraversato sia lo specchio primario che quello secondario) viene scomposta nelle sue differenti lunghezze d’onda da un reticolo o da un prisma, formando uno spettro. Lo spettro viene poi concentrato su un rivelatore. Ogni elemento chimico ha una impronta spettrale digitale che viene analizzata dagli alstronomi per capire quali molecole sono presenti nella sorgente luminosa. 

 

A cosa servono quei grandi pannelli dorati?

I grandi pannelli formano tutti insieme lo specchio primario, diversamente da Hubble o da altri telescopi (per esempio Herschel) Webb non ha un unico specchio, ma una combinazione di piccoli specchi che vengono manovrati tutti insieme e che danno come risultato una grande superficie riflettente. Il vantaggio è di avere in orbita un grande specchio che non è più vincolato della dimensioni del razzo (Herschel infatti porto in orbita uno dei piu grandi specchi 3.5m di diametro, Hubble invece ha uno specchio di 2.4m).

I pannelli sono stati realizzati in berillio, un metallo utilizzato nell’industria aerospaziale per le sue caratteristiche di fisiche e meccaniche, nonché di costi per operare alle temperature criogeniche previste da Webb. Il rivestimento finale in oro è stato aggiunto per migliorare la riflessione dello specchio alla luce infrarossa.

 

In caso di guasti come è capitato ad Hubble quest’anno come si procederà alle riparazioni?

Purtroppo l’orbita operativa di Webb al punto lagrangiano L2 non consente una possibile riparazione da parte di un equipaggio umano come fu effettuato per Hubble. Ovviamente Webb è seguito continuamente, come tutte le missioni spaziali dal team di navigazione e coordinato dal team di volo e in caso di guasto si cerca di fare tutto il possibile per poterlo riparare sia con procedure hardware (sistemi ridondanti) sia con aggiornamenti software. Purtroppo, il rischio di perdita della missione c’è e ci sono tanti fatti che possono bloccarlo nonostante la lunga lista di test fatti a terra e lo sforzo della comunità scientifica e spaziale di prevedere i malfunzionamenti.

Un esempio di ridondanza dei sistemi ad esempio sono i cinque pannelli per lo schermo solare. Dalle analisi è risultato che quattro strati avrebbero garantito il sufficiente livello di protezione dalla luce solare per il telescopio, ma ne è stato aggiunto un quinto proprio per aumentare la protezione e ridurre potenziali problemi in caso di impatti da micrometeoriti.

 

Grazie per la disponibilità Alberto e per la tua professionalità.

Grazie a te e a Lega Nerd che è sempre attenta a questo tipo di notizie e informazioni.