Nel futuro c’è Webb

Una rappresentazione artistica del telescopio spaziale James Webb. Crediti: Northrop Grumman

Il suo nome è Webb, James Webb. E sarà il telescopio spaziale che ormai universalmente viene considerato l’erede dell’Hubble Space Telescope. Anche questo nuovo strumento è intitolato a uno dei padri statunitensi dell’esplorazione dello Spazio. Edwin Hubble è l’astronomo noto per aver formulato nel 1929, insieme a Milton Humason, la legge empirica sulla velocità di recessione delle galassie, che confermava l’ipotesi dell’espansione dell’universo. James Webb è stato invece il secondo amministratore della NASA, chiamato nel 1961 alla guida dell’Agenzia Spaziale dal Presidente degli Stati Uniti John Fitzgerald Kennedy con l’obiettivo di rendere il suo storico discorso «We choose to go to the moon… » realtà. Un sogno poi coronato nel 1969, con la missione Apollo 11. Così ora, il nome di Webb è legato indissolubilmente anche al più avanzato strumento per indagare l’universo che ci apprestiamo a lanciare al di fuori dell’atmosfera. I piani di NASA, CSA (l’Agenzia spaziale Canadese) ed ESA (l’Agenzia spaziale europea) prevedono la messa in orbita del James Webb Space Telescope (JWST) entro il 2018, secondo lo stato attuale di sviluppo dell’ambizioso programma. Se così sarà, la fine di questo decennio potrebbe vedere i due telescopi “extraterrestri” lavorare insieme, nell’attesa – si spera il più tardi possibile – del pensionamento definitivo di Hubble, e comunque almeno dopo aver spento la trentesima candelina della sua attività in orbita.

Abbiamo rivolto a Roberto Maiolino, professore presso il Cavendish Laboratory (il Dipartimento di Fisica dell’Università di Cambridge) e membro del team dello strumento NIRSpec a bordo del JWST, alcune domande per conoscere meglio James Webb (il telescopio spaziale, ovviamente).

Il JWST è considerato ormai universalmente “l’erede di Hubble”, ma non sarà banalmente la sua copia modernizzata. Quali sono le sue caratteristiche principali e in cosa si differenzia rispetto ad HST?

Esatto, JWST non sarà semplicemente una copia rivista e modernizzata di HST. Sia in termini di tecnologie utilizzate, che in termini di prestazioni scientifiche, è radicalmente diverso da HST. Dal punto di vista delle implicazioni per l’astrofisica le differenze più importanti sono due: intanto, lo specchio primario di JWST, che ha un diametro di 6,5 metri, è quasi tre volte più grande di quello di HST. Questo significa che la superfice di raccolta dei fotoni nel JWST sarà circa sette volte maggiore di quella di HST. Un telescopio così grande non è stato mai lanciato nello spazio. Essenzialmente JWST è un telescopio di dimensioni simili ai grandi telescopi da terra (come ad esempio MMT, Magellan, e di poco inferiore al Very Large Telescope dell’ ESO), ma operativo nell’ambiente spaziale, lontano dalla terra, con pochissimo “inquinamento” luminoso e senza i problemi di deteriorazione dell’immagine dovuti all’atmosfera terrestre.

Poi, JWST è ottimizzato per le osservazioni infrarosse, in particolare nella banda a lunghezze d’onda fra 1 micron e 27 micron. In tale banda sono osservabili una vasta gamma di fenomeni unici, che non hanno controparte in altre bande, che ci consentiranno di caratterizzare con una precisione senza precedenti numerose classi di sorgenti astronomiche, nonché la scoperta e l’identificazione di nuove categorie di oggetti celesti.

Quali saranno i campi d’indagine che vedranno impegnato JWST?

JWST consentirà un salto gigantesco in quasi tutti i settori dell’ Astronomia. Per dare un’idea di questo miglioramento, basti pensare che in alcune bande spettrali la sensibilità di JWST sarà circa cento/mille volte superiore a qualsiasi telescopio disponibile al momento. Un tale salto è equivalente, in termini di sensibilità, a passare repentinamente dal telescopio di Galileo al Very Large Telescope! I campi d’indagine di JWST saranno quindi vastissimi. Uno dei settori per i quali c’è maggiore eccitazione e aspettativa è lo studio delle atmosfere dei pianeti in altri sistemi solari. Infatti, JWST consentirà di identificare diverse specie molecolari nelle atmosfere di pianeti extrasolari, permetterà di caratterizzare le proprietà fisiche di tali atmosfere e consentirà anche di valutare se alcuni di questi pianeti presentino le condizioni adatte per lo sviluppo della vita.

La sensibilità di JWST nelle bande infrarosse sara’ fondamentale per penetrare le dense nubi di polvere in cui si formano nuove stelle nella nostra Galassia, come pure in altre galassie, e ci permetterà quindi di studiare in dettaglio il processo che porta alla formazione delle stelle, nonché alla formazione dei pianeti nei dischi circumstellari.

Un altro settore in cui JWST avrà un enorme impatto è lo studio delle galassie distanti. Le prime galassie che si sono formate nell’universo primordiale sono estremamente deboli (sia perché molto distanti, sia perché intrinsecamente poco luminose e con un modesto contenuto di stelle) e la loro radiazione è osservabile solo nelle bande infrarosse, dove le osservazioni da terra sono estremamente difficili. JWST consentirà per la prima volta di identificare, e caratterizzare in dettaglio, tali galassie primordiali. Questo è uno dei casi scientifici principali di JWST, tanto che è stato soprannominato “The First Light Telescope”.

Questi sono solo alcuni dei principali campi d’indagine di JWST. Ma le capacita’ osservative senza precedenti di JWST avranno un impatto enorme in molti altri settori. C’è da dire che, con un salto talmente enorme di sensibilità, si apriranno realmente orizzonti totalmente inesplorati. Ci aspettano quindi scoperte che attualmente non possiamo neanche concepire.

Il dominio dello spettro elettromagnetico in cui osserverà JWST è compreso tra la parte rossa della luce visibile e il medio infrarosso. Quali sono gli accorgimenti per ottimizzare ottica e strumenti scientifici?

Per poter operare con la massima efficienza e sensibilità nelle bande infrarosse l’intera struttura del telescopio dovrà essere riparata dalla radiazione del Sole, ma anche dalla radiazione infrarossa della Terra e della Luna. Quest’obiettivo viene raggiunto tramite giganteschi scudi termici, con dimensioni che raggiungono i 20 metri, i quali si apriranno una volta che il telescopio sarà in orbita. All’ombra di questi scudi il telescopio si raffredderà fino ad una temperatura inferiore a -220 gradi Celsius; in questo modo l’emissione termica del telescopio nelle bande infrarosse (che altrimenti abbaglierebbe tutti gli strumenti) sarà trascurabile rispetto ad altre sorgenti di “inquinamento luminoso” che non sono evitabili, quali la luce zodiacale del nostro Sistema solare.

Gli scudi termici, da soli, non potrebbero però riparare il telescopio simultaneamente dal Sole, dalla Terra e dalla Luna, se JWST orbitasse attorno alla terra come nel caso di HST. Per questo motivo JWST orbiterà attorno al punto Lagrangiano “L2”, situato a circa 1,5 milioni di chilometri dalla terra, nella direzione opposta al Sole. L2 è un punto di equilibrio gravitazionale semi-stabile risultante dall’azione combinata delle forze gravitazionali esercitate dalla terra e dal sole. Orbitando attorno a tale punto gli scudi termici potranno essere orientati in maniera tale da riparare il telescopio simultaneamente dal Sole, dalla Terra e dalla Luna. Lo strumento che opera nel medio infrarosso (MIRI) avrà poi bisogno di essere raffreddato ulteriormente, scendendo fino ad una temperatura di -266 gradi Celsius. Un raffreddatore criogenico (cryocooler) sviluppato appositamente per JWST consentirà allo strumento di raggiungere tale temperatura. Inoltre, tutti gli specchi di JWST sono ricoperti d’oro (anziché d’allumino come negli specchi classici utilizzati principalmente dai telescopi ottici), perché l’oro riflette la radiazione infrarossa più efficientemente.

Realizzare un telescopio così sofisticato impone progressi tecnologici estremi. Può darci qualche esempio che troverà applicazione sul JWST?

JWST è un concentrato di altissima tecnologia, praticamente in tutti i suoi componenti. Diverse tecnologie d’avanguardia sono state sviluppate appositamente per JWST. Un esempio di una di queste è chiaramente visibile semplicemente guardando il modello di JWST: il suo specchio primario non è uno specchio monolitico, bensì composto da 18 segmenti, ciascuno del diametro di 1,3 metri. Parte di questi specchi verranno ripiegati nella parte posteriore del telescopio, in modo da poter accomodare il telescopio nel vettore di lancio, e verranno riportati in posizione solo una volta che il telescopio sarà in orbita. Per poter mantenere i segmenti in una configurazione tale che il loro insieme corrisponda ad un unica superficie riflettente e che non degradi l’immagine delle sorgenti astronomiche, la posizione e la curvatura di ciascun segmento sarà periodicamente aggiustata da un sistema di controllo dedicato. E’ la prima volta che un sistema di “ottiche attive” viene utilizzato in orbita per un telescopio di tali dimensioni.

Un altro esempio di tecnologia di punta è il Micro Shutter Array, un vero gioiello tecnologico che viene utilizzato nello spettrometro operante nel vicino infrarosso (NIRSpec). Questa è una matrice di circa 62.000 micro-sportelli (ciascuno di dimensioni di 200 micron) i quali possono essere aperti a comando nella configurazione desiderata dall’astronomo. Utilizzando queste matrici situate sul piano focale del telescopio è possibile selezionare le sorgenti astronomiche per le quali si desidera ottenere uno spettro (ovvero identificare le diverse componenti della radiazione emessa).

Anche i rivelatori infrarossi hanno richiesto uno sviluppo specifico affinché avessero i requisiti necessari per poter sfruttare pienamente le potenzialità di JWST. Il cryocooler per MIRI è un altro esempio di un sistema che ha richiesto lo sviluppo di tecnologie d’avanguardia affinché se ne potesse garantire il funzionamento in orbita con le specifiche richieste.

Lei è nel team scientifico della missione. Su quale strumento in particolare? Quali saranno i suoi punti di forza e cosa permetterà di studiare?

Ingegneri NASA ispezionano un Micro Shutter Array, un dispositivo sviluppato per il James Webb Space Telescope, durante una fase di collaudo. I Micro Shutter Array, che verranno utilizzati nello spettrometro nel vicino infrarosso (NIRSpec), sono matrici di circa 62.000 micro-sportelli (ciascuno di dimensioni di 200 micron) che possono essere aperti a comando nella configurazione desiderata dall’astronomo, permettendo di ottenere spettri di qualche centinaio di oggetti astronomici simultaneamente. Crediti: NASA Goddard/Chris Gunn

Io faccio parte del team scientifico dello spettrometro che opera nel vicino infrarosso, NIRSpec. Questo è il più complesso (e il più grosso) degli strumenti a bordo di JWST. Si tratta di un capolavoro tecnologico. Utilizzando quattro Micro Shutter Arrays consentirà di ottenere spettri di qualche centinaio di oggetti astronomici simultaneamente. Sarà il primo spettrometro “multi-oggetto” ad operare dallo spazio. La spettroscopia non è stata uno dei punti di forza di HST (sebbene il modo “slitless” di WFC3 abbia consentito notevoli progressi). Generalmente, per l’identificazione e la caratterizzazione spettroscopica delle sorgenti scoperte da HST si sono dovuti utilizzare i grandi telescopi da terra. Nel caso di JWST la spettroscopia gioca invece un ruolo centrale. Le sorgenti che verranno scoperte da JWST saranno così deboli, e con emissione a lunghezze d’onda inaccessibili da terra, che la loro identificazione e caratterizzazione spettroscopica sarà fattibile solo con JWST stesso. Lo strumento NIRSpec avrà a disposizione per le osservazioni anche di una modalità di “spettroscopia integrale” grazie alla quale sarà possibile ottenere una mappatura tridimensionale di singoli oggetti celesti. La flessibilità e gamma di modi osservativi offerti da NIRSpec apre il suo utilizzo ai piu’ svariati obiettivi scientifici. Alcuni degli obiettivi scientifici principali sono certamente la caratterizzazione delle atmosfere dei pianeti extrasolari e la ricerca e la caratterizzazione delle prime galassie formatesi nell’Universo primordiale.

La partecipazione europea alla missione è significativa. Può dirci in cosa consiste? E nello specifico, quale è o potrà essere il ruolo dei ricercatori italiani?

Il contributo europeo a JWST è molto maggiore di quanto non sia stato per HST. L’ Agenzia Spaziale Europea ha fornito lo spettrometro NIRSpec, fornirà il razzo di lancio (Ariane 5, uno dei pochissimi vettori grandi a sufficienza da poter ospitare JWST, sebbene ripiegato, al suo interno) e contribuirà significativamente alle operazioni di JWST. Inoltre un consorzio formato da numerosi istituti di ricerca europei ha realizzato lo strumento operativo nel medio infrarosso, MIRI, cui hanno contribuito anche gli Stati Uniti fornendo i rivelatori e il cryocooler.

L’ Italia, e in particolare l’ Agenzia Spaziale Italiana, purtroppo è rimasta un po’ fuori, essendo uno dei pochi Paesi che non ha partecipato al consorzio MIRI. Tuttavia, gli istituti italiani ospitano diversi fra i migliori ricercatori a livello mondiale in molti settori dell’astrofisica. Non ho alcun dubbio che i ricercatori Italiani saranno fra i più competitivi e i più agguerriti nell’ottenere ampie fette di tempo osservativo con JWST.

Il telescopio spaziale Hubble ha ormai una notorietà eccezionale, non solo tra gli addetti ai lavori. E questo anche grazie alle sue immagini mozzafiato che da 25 anni ci invia dallo spazio. Pensa che il JWST riuscirà a raccogliere e portare avanti questa “ingombrante” eredità, anche tra la gente comune?

Sinceramente penso che JWST eclisserà completamente HST. L’accesso alle bande infrarosse mostrerà con una prospettiva completamente diversa e nuova la varietà di sorgenti astronomiche. Inoltre, molti dei temi chiave che verranno affrontati magistralmente da JWST avranno sicuramente un impatto enorme anche su grande pubblico.

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