Il telescopio spaziale James Webb spiegato da chi l'ha fatto

Questa volta, eccolo! Il James Webb Space Telescope, o "Webb", si trova a Kourou e sarà lanciato da un razzo Ariane su 22 dicembre. Sì, sono più di 10 anni indietro rispetto alle prime stime! Sì, il suo costo è stato moltiplicato per 10! Ma il raccolto scientifico promette di essere eccezionale.

Il Webb consentirà di sondare aree del cosmo non toccate dalle osservazioni, grazie al suo specchio di 6,5 metri di diametro, il più grande mai distribuito nello spazio, e ai suoi quattro strumenti che osservano nell'infrarosso: NIR Cam, NIRISSI, NIRSpec e MIRI (le consonanze in "IR" provengono da "infrarosso").

Webb, la missione di punta della NASA e delle agenzie spaziali europea (ESA) e canadese (CSA), subentrerà al telescopio spaziale hubble osservare ulteriormente nell'Universo. La velocità della luce richiede, sembrerà così prima nella storia, fino ai momenti in cui si formarono le prime galassie e le prime stelle. Ma trasmetterà anche il Telescopio spaziale a infrarossi Spitzer andare a sondare le atmosfere di esopianeti, stelle e sistemi planetari in formazione, l'evoluzione delle galassie...

Fomalhaut è la stella più luminosa della costellazione dei Pesci Australi. È circondato da un disco di detriti e polvere. A sinistra l'immagine ottenuta dal telescopio spaziale Spitzer, a destra una simulazione di una tipica osservazione prevista con il Webb.
Andras Gaspare, Fornito dall'autore

In breve, tutti i settori dell'astrofisica ne trarranno beneficio.

Siamo tra gli oltre 1 scienziati di 200 paesi che hanno contribuito allo sviluppo di JWST. In Francia, abbiamo partecipato principalmente allo sviluppo dello strumento MIRI, l'unico dei quattro strumenti che opera nel campo dell'infrarosso cosiddetto “termico”. Osservando a lunghezze d'onda comprese tra 14 e 5 micrometri, sarà in grado di osservare al meglio gas e polvere in oggetti molto più freddi di stelle come il nostro Sole. Permetterà, ad esempio, di vedere giovani stelle ancora profondamente sepolte nella nube di gas e polvere in cui si sono formate. MIRI sarà anche il complemento essenziale di NIRCam per identificare le prime galassie nell'Universo.

L'epopea del telescopio Webb

Inizialmente, era tutt'altro che certo che uno strumento a infrarossi termici facesse parte della suite di strumenti JWST (chiamata all'epoca "telescopio spaziale di nuova generazione"). La NASA e l'ESA dovevano essere convinte dell'importanza scientifica e della fattibilità di uno strumento del genere. Uno di noi (Pierre-Olivier Lagage) faceva parte del piccolo gruppo di astrofisici che ha fatto una campagna in Europa e negli Stati Uniti per uno strumento del genere.

Era… alla fine degli anni 90. Il lancio del Telescopio Webb era quindi previsto per il 2007. Ma il lancio di Webb è stato più volte rimandato e l'epopea dello strumento MIRI infatti illustra bene le ragioni di questi ritardi successivi. .

Il Webb sarà in orbita a 1,5 milioni di chilometri dalla Terra, 4 volte la distanza Terra-Luna. Non sarà possibile andare a ripararlo in caso di problemi, come è stato fatto per Hubble, che orbita a "soli" 570 chilometri dalla Terra: quando Hubble viene messo in funzione, la qualità delle immagini è ridotta. deludente, ma l'installazione da parte degli astronauti di un correttore ottico ha permesso di ripristinare la qualità dell'immagine prevista.

Miglioramento della qualità ottica del telescopio spaziale Hubble grazie all'installazione dell'ottica correttiva nel 1993… quando Hubble era già nello spazio. Prima della correzione a sinistra, dopo la correzione a destra.
NASA

Per Webb, non possiamo permetterci di commettere errori, da qui l'importanza della progettazione e dei test pre-lancio!

MIRI, uno strumento all'avanguardia per gli esopianeti

MIRI è composto da due parti principali: un "imager", che permette di scattare foto (questa è la parte chiamata "MIRIM", e uno spettrometro, che permette di studiare la luce ricevuta in funzione della lunghezza d'onda - e quindi, ad esempio, di determinare quali elementi chimici sono presenti nell'oggetto che osserviamo (questo è il "SIG.RA"). Le prestazioni di questi strumenti posti al centro del più grande telescopio spaziale in funzione saranno senza precedenti.

Supernova 1978A vista dal telescopio spaziale Spitzer a sinistra e una simulazione di ciò che ti aspetteresti con MIRI a destra. L'immagine illustra il miglioramento della qualità dell'osservazione, in particolare in termini di risoluzione angolare.
Patrice Bouchet, Fornito dall'autore

In un certo senso, per lo studio degli esopianeti, i ritardi nel lancio di Webb sono una buona notizia. In effetti, questo campo è esploso negli ultimi decenni e attualmente abbiamo una grande quantità di esopianeti da osservare, inclusi pianeti rocciosi, che non erano conosciuti nel 2007.

Ora studiamo molto gli esopianeti con il cosiddetto metodo del “transito”: esaminiamo le minuscole variazioni di luminosità di una stella lontana dovute al passaggio di un esopianeta che la circonderebbe. MIRI è stato quindi "migliorato" per utilizzare questo metodo di transito. Si tratta di leggere solo una piccola parte del rivelatore, in modo da farlo molto velocemente senza saturare il rivelatore. In sostanza, “dirottiamo” lo scopo primario di Webb, progettato per osservare oggetti deboli o molto distanti, per sfruttare la sua grande sensibilità.

Prove in modalità coronografica MIRI effettuate presso Saclay: vediamo nell'immagine a destra che quando posizioniamo la sorgente proprio al centro del coronografo a quattro quadranti, “spegniamo” la sorgente, ben visibile a sinistra.
Pierre-Olivier Lagage, Fornito dall'autore

MIRI ha anche "coronografi". Utilizzati storicamente per osservare la corona del Sole nascondendo il disco troppo luminoso che impedisce di vedere i dettagli circostanti, i coronografi sono stati adattati per osservare le stelle, e quindi distinguere possibili esopianeti che sarebbero vicini. MIRI porta un coronografo classico (chiamato "de Lyot") e tre coronografi "Maschera di fase", molto efficiente, e che verrà inviato nello spazio per la prima volta.

Dalla culla al decollo

Dopo diversi anni di studi preliminari, è stato nel 2004 che il contributo francese al MIRI è stato approvato da CNES, CEA e CNRS.

Il modello di volo dell'imager MIRIM è stato assemblato e testato al CEA Paris-Saclay nel 2008 e 2009; appositamente sviluppato per l'occasione un banco prova che permette di riprodurre le condizioni di vuoto e freddo che MIRIM incontrerà una volta nello spazio. Nel 2010 MIRIM è stato inviato a Rutherford Appleton Laboratory in Inghilterra per essere accoppiato con l'altra parte del MIRI, lo spettrometro MRS, e quindi testato in una camera a vuoto abbastanza grande per lo strumento completo.

Lo strumento MIRI dopo l'assemblaggio di MIRI e MRS.
Rutherford Appleton Laboratory

Nel 2012, MIRI è stato inviato a Centro spaziale Goddard dalla NASA, vicino a Washington, dove è stato abbinato agli altri tre strumenti JWST. Tra il 2012 e il 2016 sono seguite tre serie di test criogenici.

Anche i 18 esagoni dello specchio primario del telescopio sono stati assemblati a Centro spaziale Goddard da novembre 2015 a febbraio 2016. Gli strumenti sono stati montati sul retro dello specchio primario del telescopio e l'insieme è stato inviato nel 2017 a Houston per i test, come stazione di prova a Centro spaziale Goddard non era abbastanza grande da ospitare il telescopio. Il team CEA era sul posto per i test quando l'uragano Harvey ha colpito. Più paura che danno; poche notti in laboratorio senza poter tornare in albergo e un'auto completamente annegata!

Assemblaggio del telescopio (specchi e strumenti dorati, incluso MIRI) e scudo termico (che sembra un foglio o una plastica e viene dispiegato alle 0:28 nel video). Fonte: NASA Goddard.

Terminati i test, abbiamo “lasciato andare” MIRI per il suo viaggio nei locali dell'azienda Northrop Grumman, in California, dove è arrivato all'inizio del 2018. Lì, il telescopio è stato accoppiato al satellite e ai grandi schermi termici che impedire ai raggi del Sole, della Terra e della Luna di raggiungere il telescopio. Questa può poi raggiungere passivamente una temperatura di circa 45K (-228 ℃), necessaria per non interferire con le osservazioni all'infrarosso.

Infine, a fine settembre 2021, Webb ha lasciato la California per Kourou dove è arrivato dopo un viaggio in barca di 16 giorni che lo ha portato attraverso il Canale di Panama (bloccato pochi mesi prima!).

MN nave Colibri è arrivato al porto di Pariacabo, sul fiume Kourou, nella Guyana francese, il 12 ottobre 2021. In un container appositamente progettato si trova il James Webb Space Telescope.
Chris Gunn / NASA

Pronti per il decollo... e per iniziare i test e le osservazioni scientifiche

L'avventura spaziale inizierà quindi il 22 dicembre 2021, con la serie di prove celesti che dureranno 6 mesi. Poi, a fine giugno 2022, sarà l'esplorazione scientifica che potrà iniziare, dopo tre decenni di sviluppi.

Una piccola parte del tempo di osservazione è riservata agli astrofisici che hanno partecipato allo sviluppo strumentale. In questo quadro, coordiniamo le osservazioni che saranno dedicate agli esopianeti, alla Supernova 1987a ea due regioni fotodominate.

La maggior parte del tempo di osservazione sarà "aperta": ogni anno, durante i 5-10 anni di vita di Webb, sono previste diverse chiamate per l'uso di Webb. Il primo bando è stato lanciato nel 2020. Sono state presentate più di 1000 domande, coinvolgendo più di 4000 astrofisici di tutto il mondo. Il numero di ore di osservazione richieste è molto maggiore (da 4 a 5 volte) rispetto al numero di ore disponibili e la selezione è stata effettuata da comitati di scienziati. È soddisfacente vedere che MIRI è il secondo strumento più richiesto. Abbiamo fatto bene a insistere perché “salisse” sul Webb!


MIRI è uno strumento co-sviluppato da un consorzio di laboratori spaziali europei, che si è occupato degli aspetti optomeccanici, assemblaggio e collaudo complessivo dello strumento, e dal centro JPL della NASA, che ha fornito gli array di rivelatori e il sistema di raffreddamento per MIRA.

Pierre-Olivier Lagage, ricercatore CEA presso il Laboratorio di Astrofisica, strumentazione, modellazione del CEA, CNRS, Università di Parigi; Alain Abergel, Professore dell'Università Paris-Saclay, Astrofisico alla IAS, Université Paris-Saclay; Antonio Boccaletti, Direttore di ricerca CNRS presso LESIA, Osservatorio Paris-PSL, CNRS, Università di Parigi; Christophe Cossou, Ingegnere CEA, sviluppatore per lo strumento JWST/MIRI presso il Laboratorio di Astrofisica, strumentazione, modellazione del CEA/CNRS, Università di Parigi; Dan Dick, Scienziato del progetto, Université Paris-Saclay et Patrice Bouchet, Project Manager del Centro di Competenza MIRI/JWST, Dipartimento di Astrofisica, Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)

Questo articolo è ripubblicato da The Conversation sotto licenza Creative Commons. Leggi ilarticolo originale.

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