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Il nuovo telescopio James Webb, successore di Hubble

Ci avviciniamo alla fine di quest’anno e all’inizio del 2017, che si prospetta sempre più interessante dal punto di vista dell’innovazione e delle scoperte. Forse non molti lo sanno, ma con il 2017 imminente si avvicina per le Scienze planetarie un momento importante, cruciale per lo studio del nostro Universo: l’inizio dell’era dei telescopi di nuova generazione.

Rappresentazione artistica del JWST (fonte: Nasa.gov)

Si erge a simbolo di questo momento storico il “fratello minore” di Hubble, il nuovo James Webb Space Telescope, del quale vi racconterò in questo articolo.

La missione e il progetto

Il James Webb Space Telescope (o più semplicemente JWST o Webb) è un grande telescopio ad infrarossi di ultima generazione, con uno specchio primario del diametro di 6.5 metri. Il suo lancio è atteso nell’ottobre del 2018, quando verrà lanciato all’interno di un razzo Ariane 5, dallo Spazioporto Europeo di Kourou, nella Guyana francese.

Nei 10 anni successivi al lancio, esso si occuperà dello studio delle fasi della storia del nostro Universo, dalle prime stelle originatesi a seguito del Big Bang, alla formazione di Sistemi planetari nei quali alcuni pianeti (come la Terra) siano capaci di sostenere la Vita, fino all’evoluzione del nostro Sistema Solare.

Il progetto JWST è il risultato della collaborazione tra NASA, European Space Agency (ESA), e la Canadian Space Agency (CSA): il Goddard Space Flight Center della NASA si è occupato e si sta occupando dello sviluppo del telescopio, e la Northrop Grumman si sta occupando del suo assemblaggio. Lo Space Telescope Science Institute guiderà il Webb dopo il lancio.

Chi è James Webb?

Questo telescopio di nuova generazione prende il nome da uno dei funzionari più comunemente collegati al programma Apollo per l’esplorazione della Luna, nonché secondo amministratore della NASA.

James E. Webb, secondo direttore amministrativo della NASA

James E. Webb (1906 – 1992) guidò la giovane agenzia spaziale dal febbraio 1961 all’ottobre 1968, facendo per la scienza molto più qualsiasi altro ufficiale governativo: perciò questo telescopio prende il suo nome. Sotto la sua supervisione, la NASA investì nello sviluppo di astronavi automatizzate per esplorare l’ambiente lunare, e mandò su Marte e Venere le prime sonde esplorative, che diedero agli americani e a tutto il mondo la possibilità di vedere per la prima volta questi strani ambienti extraterrestri. Egli si ritirò pochi mesi precedenti al primo sbarco sulla Luna (1969) ma nel frattempo la NASA aveva condotto più di 75 missioni scientifiche mirate a studiare stelle e galassie, il Sole, e l’ambiente spaziale poco oltre l’atmosfera terrestre: missioni quali OSO, Orbiting Solar Observatory (Osservatorio solare orbitante; 1962 – 1975), e la serie di satelliti Explorer (1958 – 2013) sono solo alcuni esempi di missioni che costituiscono le fondamenta del periodo di scoperte astronomiche più florido nella storia, con riflessi ancora nel presente.

Webb, anche da dietro le quinte, fu sempre in grado di sostenere la scienza, enfatizzando l’importanza del ruolo degli scienziati nelle missioni spaziali, e creando il programma universitario della NASA.

 Qualche dettaglio

Come già detto, il JWST è un telescopio ad infrarossi orbitante: esso avrà lo scopo di appoggiare ed ampliare le conoscenze effettuate dal telescopio Hubble, avendo a disposizione una lunghezza d’onda e sensibilità maggiori. Il maggior spettro d’azione per quanto riguarda la lunghezza d’onda, permetterà a JWST di “guardare più da vicino” ad eventi accaduti all’inizio dei tempi e di andare a caccia di tracce della formazione delle prime galassie, andando ad esplorare ad esempio le nebulose, all’interno delle quali nascono stelle e sistemi planetari.

Segue una tabella con alcune delle caratteristiche principali

Data di lancioOttobre 2018
Veicolo addetto al lancioAriane 5 ECA
Durata della missione5 – 10 years
Massa totale del carico~ 6200 kg
Diametro specchio primario~6.5 m
S apertura specchio primario25 m2
Materiale specchio primarioberillio ricoperto da oro
Massa specchio primario705 kg
Massa di un segmento dello specchio primario20.1 kg (singolo specchio in berillio), 39.48 kg per un intero segmento assemblato (PMSA)
Lunghezza focale131.4 meters
N° segmenti specchio primario18
Risoluzione ottica~0.1 arc-seconds
Copertura lunghezza d’onda0.6 – 28.5 microns
Dimensione scudo solare21.197 m x 14.162 m
Orbita1.5 milioni di km dalla Earth
Temperatura operativaInferiori ai 50 K (-223,15 C°)

 

Schema rappresentante la disposizione dei 18 segmenti dello specchio principale (fonte: NASA.gov)

Tra le innovazioni tecnologiche sviluppate per JWST ci sono lo specchio primario costituito da 18 segmenti separati in grado di effettuare aggiustamenti simultanei dopo il lancio, costituiti da berillio ultraleggero. Tuttavia, la caratteristica principale che contraddistingue il Webb è un enorme scudo solare delle dimensioni di un campo da tennis, che ha il compito di attenuare il calore solare di un milione di volte, proteggendo la strumentazione, e gli conferisce questo aspetto da “barca a vela” spaziale.

I 4 strumenti principali del telescopio, gli apparecchi fotografici e gli spettrometri, sono dotati di detectors in grado di rivelare anche i segnali luminosi più deboli. Uno strumento in particolare, il NIRSpec , dispone di alcuni micro-otturatori (come quelli degli apparati fotografici ma più piccoli) che consentono di osservare più di 100 oggetti simultaneamente.

Infine, JWST dispone di alcuni raffreddatori per permettere ai detector del medio-infrarosso di altri strumenti (il MIRI ad esempio) di raggiungere temperature pari a 7 gradi Kelvin, e quindi di poter lavorare.

Alcuni link dal sito della NASA per approfondire le principali innovazioni:

L’Osservatorio

Il cosiddetto Osservatorio è la porzione spaziale del James Webb Space Telescope che comprende 3 componenti fondamentali:

  • Il Modulo di Strumenti Scientifici Integrati (Integrated Science Instrument Module, o ISIM);
  • Gli Elementi Ottici del Telescopio (Optical Telescope Element, o OTE): include gli specchi e il cosiddetto backplane;
  • L’Elemento del Veicolo Spaziale (Spacecraft Element): include la navicella (spacecraft bus) e lo scudo solare.

L’OTE è il vero occhio dell’Osservatorio: raccoglie la luce proveniente dallo spazio e la convoglia agli strumenti che si trovano nella ISIM. Il backplane è una sorta di “spina dorsale” per il Webb, perché supporta gli specchi.

Lo scudo solare separa l’Osservatorio in 2 facce: una calda rivolta verso il Sole (data dalla navicella o spacecraft bus) ed un’altra invece fredda, opposta al Sole (nella quale si trovano OTE ed ISIM). Lo scudo solare ha la funzione di tenere lontano il calore del sole dai componenti elettronici, OTE ed ISIM: questa parte dell’Osservatorio quindi può raggiungere temperature freddissime (inferiori ai 50 gradi Kelvin, quindi circa -223,15 C° (brrrr!).

Schema dello scudo solare (fonte: NASA.gov)

La navicella invece funge da supporto.

Seguono alcuni link di approfondimento (NASA) ad alcuni componenti della strumentazione:

Gli strumenti che compongono l’ISIM (Integrated Instrument Module):

JWST e Hubble a confronto

Nonostante Webb vada a sostituire per alcuni aspetti Hubble nel suo lavoro, la NASA preferisce vederlo più come un successore del grande telescopio che dal 1990 punta il suo occhio lontano nel cosmo. Infatti, JWST è scientificamente il successore di Hubble, dal punto che gli obiettivi della futura missione derivano dai risultati ottenuti dal predecessore. L’osservazione di oggetti distanti (come le prime galassie formatesi nell’Universo) richiede necessariamente un telescopio ad infrarossi: è la loro lontananza a fa sì che la luce da loro stesse emessa si sposti dallo spettro della radiazione ultravioletta a quello visibile, per poi cadere nell’infrarosso. Questo è uno dei motivi per i quali il telescopio Webb non costituisce un rimpiazzo: perché le capacità dei due strumenti non sono identiche. JWST guarderà nell’Universo principalmente nello spettro infrarosso, mentre Hubble lo sta già studiando dal punto di vista ottico e della radiazione ultravioletta.

lo scudo solare di Webb è 22 m x 12 m. (piú o meno le dimensioni di un campo da tennis). Hubble invece è lungo 13.2 m e il suo diametro massimo è di 4.2 m (più o meno le dimensioni di un grande camion con rimorchio). (fonte: NASA.gov)

Webb dispone di uno specchio più grande, e ciò significa che avrà la possibilità di guardare molto più lontano e anche più indietro nel tempo rispetto a quanto Hubble non stia già facendo. Infine, Hubble si trova in orbita molto vicino alla Terra (570 km di altezza) , mentre Webb si troverà a 1,5 milioni di Km dalla Terra, in corrispondenza del cosiddetto punto di Lagrange L2.

Posizioni di Hubble e Webb rispetto alla Terra (immagine non in scala; fonte: NASA.gov)

Sviluppo del telescopio e obiettivi della missione

Si può dire che la missione James Webb Space Telescope abbia avuto inizio (sulla Terra) circa 5 anni fa (inizio 2011), quando sono iniziati i lavori per la costruzione dell’hardware e software alla base del funzionamento di questo nuovo telescopio.

Nonostante qualche intoppo iniziale, nel dicembre del 2014 il team di sviluppo ha confermato il lancio per l’ottobre 2018; anche se saranno possibili ritardi futuri, per il momento tutto sembra procedere secondo i piani.

Nell’agosto 2015, la struttura portante del telescopio è stata completata, e nel successivo novembre 2015 si è iniziata l’installazione dei segmenti costituenti lo specchio principale, terminata nel febbraio di quest’anno.

Il 29 settembre 2016 è stata completata la produzione dell’ultima membrana dello scudo termico solare.

L’integrazione con il resto del telescopio è prevista per l’inizio del 2018 nella sede californiana della Northrop Grumman.

Questa è una lista dei principali compiti che JWST dovrà intraprendere una volta raggiunta la sua orbita finale:

Il telescopio JWST fotografato durante uno dei test meccanici dello specchio principale (fonte: NASA.gov)

 

Vi segnalo inoltre questo video che descrive le varie fasi del lancio di Webb fino al raggiungimento del punto L2:

https://www.youtube.com/watch?v=bTxLAGchWnA (James Webb Space Telescope Deployment In Detail)

Gli obiettivi di questo telescopio di ultima generazione sono molti, e così anche le speranze di molti scienziati che cercano di chiarire alcuni interrogativi ancora irrisolti sul nostro Universo. Tutti ci auguriamo che in un futuro prossimo JWST possa aiutarci a rispondere almeno ad alcune di queste domande.

See you in 2018!

Lisa Foschi

Laureata in Scienze Biologiche all'Alma Mater Studiorum di Bologna, attualmente sta continuando i suoi studi universitari alla Laurea Magistrale in Biodiversità ed Evoluzione presso lo stesso Ateneo. La sua aspirazione è quella di intraprendere la carriera di biologa evoluzionista per poter un giorno diventare anche astrobiologa. I suoi interessi accademici sono orientati verso Astronomia, Fisica, Antropologia e Storia dell'evoluzione. Adora i videogames, la letteratura, gli anime giapponesi e il disegno.

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