Telescopio spaziale James Webb: cosa accadrà dopo il decollo?

Quando il James Webb Space Telescope verrà lanciato alla fine dell'anno, sarà il telescopio spaziale più grande, importante e complesso mai costruito. Con oltre 20 anni di ricerca e sviluppo per una missione così attesa, quando avremo i primi dati e le prime immagini?

Contrariamente a quanto si potrebbe pensare a prima vista, non sarà subito dopo il lancio.

Il telescopio decollerà, ripiegato nella carenatura di Ariane 5. Ci vorranno 20 giorni per aprirsi e 30 giorni per raggiungere la sua destinazione a 1,5 milioni di chilometri dalla Terra (per confronto, Hubble dista solo 550 chilometri dalla Terra), da dove potrà effettuare osservazioni scientifiche in un dominio di lunghezze d'onda a cui è altrimenti più difficile accedere: l'infrarosso.

Il lancio del JWST, o "Webb" in breve, segna l'inizio di una fase cruciale per le osservazioni scientifiche, nota come "messa in servizio" o "ricetta in volo". Per sei mesi verranno avviati e testati tutti i sottosistemi che compongono il telescopio; includendo ovviamente i quattro strumenti scientifici, tra cui "MIRI" (per Strumento a medio infrarosso) cui la Francia ha contribuito.

Fasi di implementazione e test: un balletto spaziale millimetrico

La prima fase inizia 31 minuti dopo il lancio. È lo “schieramento”: prima quello dell'antenna di comunicazione; quindi 3 giorni dopo il lancio, mentre il telescopio attraversa la luna, inizia il resto dello spiegamento. Per 12 giorni, l'osservatorio passerà lentamente dalla sua configurazione piegata per adattarsi alla carenatura di Ariane 5 alla sua forma spiegata.

Il dispiegamento del James Webb Space Telescope (JWST).

I pannelli solari e lo scudo termico fanno girare la palla: per lo scudo, il processo sarà introdotto gradualmente insieme ad altre implementazioni. Quindi, l'osservatorio scivolerà lungo la torre che lo collega allo scudo termico e al resto del telescopio. Lo stabilizzatore e i radiatori dello strumento, posti dietro lo scudo termico, verranno a loro volta posizionati. Questi servono per evacuare il calore emesso dagli strumenti.

Raffreddare il telescopio per consentirgli di osservare nell'infrarosso

I quattro strumenti JWST osservano nell'infrarosso. Sulla Terra è difficile osservare a queste lunghezze d'onda perché qualsiasi oggetto emette radiazione in funzione della sua temperatura : a temperature terrestri la massima emissione è nell'infrarosso. Il telescopio e lo specchio primario devono quindi essere raffreddati per aumentarne la sensibilità ed evitare segnali spuri dall'intero osservatorio, che comprende telescopio, strumenti e sottosistemi.

Nel caso del telescopio spaziale, gli strumenti partono dai 300K (25 ) terrestri per arrivare ad una temperatura di 50K (-225 ℃) all'ombra dello scudo termico. Nel vuoto dello spazio, il unico modo per raffreddare "passivamente" è per “dissipazione radiativa”: perdiamo energia emettendo fotoni ma non possiamo contare sulla convezione per aria… poiché non c'è aria.

Paradossalmente, sebbene lo spazio sia molto freddo, il vuoto implica che è difficile rinfrescarsi. Questa fase richiede quindi tempo: quasi quattro mesi per stabilizzarsi completamente.

Per i tre strumenti che osservano il vicino infrarosso (tra 0,6 e 5 micrometri), il raffreddamento passivo a 50K è sufficiente per attenuare le emissioni del telescopio per consentire le osservazioni.

Per lo strumento MIRI invece, unico strumento per osservare l'infrarosso medio (tra 5 e 25 micrometri), è necessario raggiungere una temperatura ancora più bassa di 7K (-266 ℃): la radiazione termica a 50K è troppo grande nell'infrarosso e disturba le misurazioni. Quindi abbiamo dovuto aggiungere il raffreddamento attivo con a "Criofrigorifero".

Commissioning: una fase di test cruciale

I test si svolgeranno nello spazio, dai primi istanti dopo il lancio fino all'arrivo nella sua orbita stabile, a Punto di Lagrange L2. Qui, l'attrazione gravitazionale della Terra e quella del Sole è tale che il telescopio ha sempre le spalle al Sole e alla Terra, rendendo più facile il raffreddamento del telescopio e dei suoi strumenti.

I test sono controllati a distanza dal centro di controllo presso il Space Telescope Science Institute a Baltimora negli Stati Uniti. Lì, notte e giorno per sei mesi, le squadre si alterneranno, due persone per sottosistema per una cinquantina di sottosistemi, ad esempio tracciando l'orbita o comunicando con la Terra.

Il centro di controllo della Stazione Spaziale Internazionale. Nel caso del James Webb Space Telescope, ci sono più sale a causa del numero di operatori e delle restrizioni legate al Covid-19. I nomi dei sottosistemi vengono visualizzati sopra i computer.
CCicalese (WMF), Wikipedia, CC BY-SA

Naturalmente, molti test sono già stati eseguiti sulla Terra, nella più grande camera di prova del mondo che imita le condizioni di vuoto nello spazio, a Houston negli Stati Uniti. Tuttavia, questi test hanno riguardato solo gli specchi e gli strumenti, ma non le parti più grandi: anche la camera di prova più grande del mondo non è in grado di ospitare il JWST spiegato... lo scudo termico da solo ha le dimensioni di un campo da tennis.

Inoltre, i test a terra sono stati ottimizzati per testare l'ottica, ma non sufficienti per preparare osservazioni scientifiche. Ulteriori prove specifiche devono essere eseguite nello spazio per calibrare gli strumenti osservando sorgenti già note (osservate in precedenza con altri strumenti).

Il telescopio spaziale James Webb entra nella stanza A del Johnson Space Center di Houston, 21 giugno 2017.
NASA / Chris Gunn

La fase di accettazione in volo è quindi il culmine di tre anni di preparazione, pianificazione e formazione al fine di selezionare le migliori osservazioni e preparare il software di analisi che verrà utilizzato per rilevare e caratterizzare eventuali problemi.

Anche il tempo è un fattore importante, poiché sei mesi di preparazione prima dell'acquisizione dei dati, per una missione della durata nominale di cinque anni, sono una frazione considerevole. Tutto è stato fatto per mantenere questo tempo il più breve possibile.

Cronologia

Nel dettaglio: 15 giorni dopo il lancio, e per un periodo di 25 giorni, i vari sistemi verranno avviati e testati per garantire che tutto funzioni normalmente. Allo stesso tempo, l'osservatorio raggiungerà la sua orbita finale attorno al punto di Lagrange L2 30 giorni dopo il lancio.

Sequenza cronologica dei primi 6 mesi di vita del JWST.
Dan Dicken e Christophe Cossou, Fornito dall'autore

40 giorni dopo il lancio e per 80 giorni, lo specchio sarà testato e allineato. Parallelamente verrà eseguita la prima parte della calibrazione dello strumento, detta calibrazione interna (cioè utilizzando lampade interne e non guardando il cielo). Questi test sono già stati effettuati a terra ma devono essere rifatti nello spazio, in particolare per vedere se l'ambiente spaziale e il profilo termico del telescopio sono quelli previsti.

120 giorni dopo il lancio e per 60 giorni fino alla fine della messa in servizio (sei mesi dopo il lancio) avvengono le tarature esterne degli strumenti. Queste saranno le prime immagini del cielo scattate con strumenti scientifici. Saranno testati tutti gli strumenti nelle loro diverse modalità di osservazione, per assicurarsi che siano pronti per la scienza.

Le prime osservazioni

Da 155 giorni dopo il varo fino alla fine della messa in servizio, verranno fatte alcune osservazioni (Osservazioni sul rilascio anticipato): una volta elaborate, queste saranno le primissime immagini a disposizione dei ricercatori e del grande pubblico che illustreranno le possibilità del James Webb Space Telescope. Per ora, le squadre dello strumento non sono ancora a conoscenza di ciò che verrà osservato.

Poi, intorno a giugno 2022, quando i test saranno terminati e sarà il momento di passare alla fase operativa, tutti i dati accumulati durante le fasi di sperimentazione saranno resi pubblici e accessibili: i ricercatori di tutto il mondo potranno esaminarli. chiudere e prepararsi allo sfruttamento dei loro futuri dati scientifici.

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 Pierre-Olivier Lagage, ricercatore CEA presso il Laboratorio di Astrofisica, strumentazione, modellazione del CEA, CNRS, Università di Parigi

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

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