James Webb, il più grande telescopio mai costruito, è spento: ecco come vuole trasformare l'astrofisica

James Webb, il più grande telescopio mai costruito, è spento: ecco come vuole trasformare l’astrofisica

Abbiamo inviato nello spazio James Webb, il più grande telescopio mai costruito: come vuole trasformare l’astrofisica

Il telescopio spaziale James Webb è stato eretto. Dopo tre rinvii negli ultimi dieci giorni e più di vent’anni di attesa, oggi, sabato 25 dicembre, quando in Italia erano le 13:20, è uscito affumicato dalla rampa di lancio di Kourou, in francese, il più grande e complesso telescopio spaziale mai costruito Guiana, ed è stato spinto oltre l’atmosfera da un razzo Ariane 5 Eca. A questo punto sta fluendo verso la sua destinazione operativa, Lagrangian Point L2, a 1,5 milioni di chilometri dalla Terra.

Il James Webb Space Telescope, come gli addetti ai lavori chiamano, non senza polemiche, Jwst, ha solo intrapreso un viaggio lungo e rischioso che potrebbe fallire in qualsiasi momento nei prossimi sei mesi. Un viaggio che, tuttavia, promette di inaugurare una nuova era dell’astrofisica e della nostra conoscenza dell’universo. Dopo aver installato i suoi componenti in orbita e averli testati, James Webb inizierà effettivamente a guardare a oltre 13 miliardi di anni luce da noi nel tentativo di spiegare uno dei misteri irrisolti dell’astrofisica moderna: capire come e quando la Via Lattea e le altre galassie sono formati.

Ariane 5 Eca, che contiene il James Webb Space Telescope, verrà lanciato due giorni prima del lancio (foto: Bill Ingalls / Nasa)

Un progetto congiunto di NASA, Agenzia spaziale europea (ESA) e canadese (CSA), James Webb è il più costoso per uso scientifico esclusivo mai inviato oltre l’atmosfera: il suo costo è di 11,75 miliardi di dollari (compreso il calcolo dell’inflazione) e il suo sviluppo attraversato due decenni.

Date le sue dimensioni (equivalenti alle dimensioni di un campo da tennis) per essere lanciato, il telescopio è stato ripiegato in Ariane 5. Ora inizierà ad aprire, come i petali di un fiore, i suoi componenti (come qui descritto, alcuni con elementi costruiti di Leonardo, in Italia): il primo sarà il pannello solare, seguito dalle antenne e dai cinque strati dello scudo termico. Verrà infine inserito lo specchio secondario e i sei segmenti laterali del primario, di 6,5 metri di diametro (due volte e mezzo più grande di Hubble, la “rock star” degli osservatori orbitanti), un’ampiezza che permette di raccogliere in un tempo relativamente breve, vengono emessi fotoni brevi anche degli oggetti più distanti e meno luminosi. A quel punto, tra circa sei mesi, James Webb doveva iniziare a inviare sulla Terra le prime immagini dalle quali la comunità scientifica si aspetta una rivoluzione.

Abbiamo parlato dell’importanza della missione con Patrizia Caraveo, Direttore della Ricerca presso l’Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF), impiegata presso l’Istituto di Astrofisica Spaziale e Fisica Cosmica di Milano, del Premio “Enrico Fermi” 2021 e testimoniando la nascita del Progetto JWST, dove è stata coinvolta per conto dell’ESA fino al 2000.

Patrizia Caraveo, Direttore della Ricerca INAF e del Premio “Enrico Fermi” 2021 (foto per gentile concessione della Fondazione Bracco)

Caraveo, il telescopio spaziale James Webb aumenterà il numero di galassie osservate nel primo miliardo di anni di vita nell’universo di oltre un fattore mille; quali aspettative ci sono nella comunità scientifica per i dati che invierà sulla Terra?

“L’aspettativa è palpabile e le aspettative sono letteralmente alle stelle. Con il suo specchio di 6,5 metri di diametro, tenuto permanentemente all’ombra, e un aereo antincendio raffreddato a temperature molto basse, Jwst sarà in grado di osservare l’infrarosso vicino e lontano, permettendoci di vedere i primi oggetti formati nell’universo.

Conquistare l’infrarosso è una battaglia dura, ma è un passo fondamentale, perché l’espansione dell’universo, oltre ad “estendere” lo spazio, prolunga la lunghezza d’onda della radiazione emessa da stelle e galassie in modo che scivoli dal visibile, dove le stelle emettono naturalmente, nell’infrarosso, una lunghezza d’onda più lunga del rosso, a cui né i nostri occhi né i telescopi ottici (come Hubble, ndr) sono sensibili. Il processo di arrossamento, che gli astronomi chiamano redshift, è tanto più grande quanto più guardiamo indietro nel tempo al tempo in cui l’universo era molto più piccolo di oggi. Nelle immagini più profonde del telescopio Hubble (il famoso Hubble Deep Field), vediamo piccole macchie rossastre che crediamo siano dovute alle prime galassie formate nell’universo. Hubble si ferma però al rosso, mentre Jwst potrà osservarli nell’infrarosso e potrà vederli meglio e in numero molto maggiore. Mappare, e quindi poter studiare, e quanto sia desiderabile capire come si siano formate le prime strutture dell’universo, a poche centinaia di milioni di anni dal big bang, è un sogno che i cosmologi inseguono da decenni.

Le tappe del viaggio di Jwst al Punto Lagrangiano L2, a 1,5 milioni di chilometri dalla Terra (immagine: Esa)

I primi 26 minuti della missione, il lancio stesso, non hanno esaurito i rischi che proseguiranno nei prossimi mesi: quali saranno le fasi più rischiose e perché?

“Nei primi 29 giorni della missione, mentre il satellite sta per raggiungere il suo punto di lavoro a un milione e mezzo di chilometri da noi, sarà necessario aprire il telescopio, che è stato ripiegato con la dovuta cura per essere inserita nell’ogiva di Ariane 5. È la procedura più complicata mai eseguita nello spazio: è una sequenza di 344 manovre, ognuna delle quali è considerata un errore di punto singolo.

Sarà prima necessario installare l’antenna per consentire la comunicazione con la centrale di controllo, quindi aprire la struttura che sosterrà l’ombrellone grande come un campo da tennis, e successivamente i suoi vari strati, realizzati in uno speciale materiale plastico. Quindi è il turno del telescopio di aprire e posizionare i suoi 18 esagoni di berillio placcati in oro con altissima precisione. A questo punto, il James Webb Space Telescope sarà arrivato a destinazione, in L2, punto in cui la combinazione delle forze coinvolte lo lascerà indisturbato a svolgere il suo lavoro. Una volta completate le 344 manovre di inserimento, sarà necessario testare gli strumenti durante una fase di taratura e collaudo che durerà circa sei mesi. Quindi inizia il programma di osservazione, che inizia con la fase denominata “Ers”, ovvero “Early Release Science”, che aiuterà l’intera comunità astronomica ad apprezzare le straordinarie possibilità che offre l’Osservatorio spaziale.

Perché è importante studiare le prime galassie e capire come si sono evolute?

Perché ci sono ancora tanti punti irrisolti. Sappiamo che al centro di tutte le galassie vive un buco nero supermassiccio (intendo milioni o addirittura miliardi di masse solari), ma non abbiamo ancora capito come si formi. In altre parole, è nato prima il buco nero o la galassia?

Forse i buchi neri sono stati prodotti dal collasso di stelle supermassicci formate all’inizio dell’universo, o sono stati prodotti direttamente durante il big bang? Crediamo quindi che siano cresciuti al centro delle galassie e abbiano incorporato la materia, ma non abbiamo ancora prove. Ci aspettiamo che il James Webb Space Telescope chiarisca le nostre idee e speriamo ci permetta di vedere anche le esplosioni delle prime stelle, che erano sicuramente diverse da quelle che studiamo nella nostra galassia per l’ottimo motivo che erano fatte solo di idrogeno, solo elemento disponibile. Le prime stelle devono essere state rappresentanti della categoria fast and furious. Le stelle massicce bruciano rapidamente il loro carburante e vivono per un tempo molto più breve rispetto a stelle normali come il Sole”.

I bordi dello specchio primario di Jwst (foto: Nasa)

Quando potrebbero arrivare i primi dati utili dal telescopio spaziale James Webb?

“Durante i sei mesi di validazione in orbita, ci saranno sicuramente le prime slide degli strumenti. È un momento cruciale per tutti gli strumenti (sia sulla terra che in orbita). Per il James Webb Space Telescope lo sarà ancora di più. ci sarà l’ERS e la prima scienza, oltre ai comunicati stampa. Almeno sei mesi di pazienza”.

Il telescopio fornirà anche informazioni sulla possibile formazione di vita extraterrestre nella nostra galassia?

“L’infrarosso è una lunghezza d’onda ideale per studiare gli esopianeti. Non si tratta di vederli direttamente, ma di studiare come cambia la luce della stella mentre il pianeta gli passa davanti. In questo modo, Jwst potrà studiare la composizione. la possibile atmosfera di pianeti interessanti perché sono simili per dimensioni alla Terra e orbitano a una distanza tale da ricevere energia sufficiente per avere acqua liquida in superficie.Veniamo dall’acqua e quindi siamo convinti che la vita abbia bisogno di acqua.Cosa siamo cercando sono le biosignature, cioè le firme delle molecole prodotte dal metabolismo degli esseri viventi. Sulla Terra, ossigeno, ozono e metano sono buoni punti di partenza. Gli astronomi hanno compilato una lista di 65 pianeti interessanti e hanno in programma di imparare camminando Nessuno ha una ricetta preconfezionata”.

Ci sono voluti vent’anni per costruire l’osservatorio. Perché?

“Perché è un progetto ambizioso e difficile che fa cose che non sono mai state fatte prima nello spazio. John Mather, premio Nobel per la fisica, disse che bisognava inventare dieci nuove tecnologie, e ognuna di esse poneva problemi inaspettati”.

Hai assistito alla nascita di Jwst: quali erano le tue ipotesi e cosa è cambiato da allora?

“Per essere brutale, cosa è cambiato radicalmente, il prezzo della missione e la data di lancio. Alla fine degli anni ’90 sono stato coinvolto in uno studio di un possibile contributo dell’ESA al computer embedded, una parte molto importante di una missione spaziale, che la NASA ha deciso da mantenere sotto il suo diretto controllo. Da allora, ho seguito il progetto dall’esterno, per il suo valore astronomico e senza partecipare alla sua costruzione. Nel 2001 l’Accademia Nazionale ha sponsorizzato ufficialmente il progetto, il cui costo è stato stimato in un miliardo di dollari , cifra importante, ma molto più bassa del prezzo di Hubble, e quindi palesemente irrealistica, forse figlia della cultura dell’ottimismo che porta a sottovalutare le difficoltà e quindi i costi.

Appena avviato il progetto, sul fronte Nasa, era facile prevedere cosa fosse successo: un aumento significativo dei costi. Tutto si è rivelato molto più difficile del previsto e nel 2009 la nuova programmazione della NASA ha stimato il costo in 5 miliardi di dollari con una data di lancio nel 2014. Sfortunatamente, quello è stato solo l’inizio di una lunga storia di ritardi, condita con aumenti in costi significativi. Nel novembre 2011 il Congresso ha confermato il progetto con un costo totale di 8 miliardi di dollari. A maggio 2021, secondo stime del Government Accountability Office (GAO) statunitense, il prezzo era salito a 9,7 miliardi, praticamente il doppio rispetto alle stime del 2009, con data di lancio posticipata di sette anni”.

Jwst davanti alla porta della camera A, un’enorme stanza dove si pratica il vuoto e dove vengono eseguiti i test a temperature molto basse (foto: Nasa / Esa)

A proposito di Hubble, e adesso?

“Continuerà a funzionare finché dureranno i suoi sistemi: in orbita dal 1990, sono una tecnologia della fine degli anni ’70. Hubble è un telescopio che ha dato molto all’astronomia e rimane molto richiesto. Sono sicuro che, utilizzato in sinergia con il James Webb Space Telescope (Hubble nel visibile e James Webb nell’infrarosso), non smetterà di stupirci”.

Per tornare ai costi, il James Webb Space Telescope è la struttura spaziale scientifica esclusiva più costosa mai costruita: tra i 10 ei 12 miliardi di dollari. Cosa risponde a chi è scettico su un prezzo così importante?

“Sono sicuro che le tecnologie sviluppate per realizzare Jwst saranno utili in altri settori a cui forse non si è pensato. , chip ultra performanti. Quando Riccardo Giacconi, Premio Nobel per la Fisica nel 2002, progettò il primo specchio capace di mettere a fuoco Raggi X, di certo non pensava ai chip elettronici.

Oltre all’utilità, di cui non ho dubbi, c’è la promozione della conoscenza. Chi non mette in dubbio l’origine dell’universo o la possibilità che esopianeti simili alla Terra possano ospitare la vita? Sono sicuro: James Webb darà delle risposte”.

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