Con ogni centimetro in più di apertura, ogni secondo in più di tempo di osservazione e ogni atomo in più di disordine atmosferico rimosso dal campo visivo del telescopio, l'Universo può essere visto meglio, più profondo e più chiaro.
25 anni di Hubble
Quando il telescopio Hubble ha iniziato a funzionare nel 1990, ha inaugurato una nuova era per l'astronomia: lo spazio. Non c'erano più combattimenti con l'atmosfera, non c'erano più preoccupazioni per le nuvole o lo sfarfallio elettromagnetico. Tutto ciò che era necessario era schierare il satellite sul bersaglio, stabilizzarlo e raccogliere fotoni. Entro 25 anni, i telescopi spaziali iniziarono a coprire l'intero spettro elettromagnetico, consentendo per la prima volta di vedere l'universo a ogni lunghezza d'onda della luce.
Ma man mano che la nostra conoscenza è aumentata, anche la nostra comprensione dell'ignoto è aumentata. Più guardiamo nell'universo, più profondo vediamo il passato: il tempo finito dal Big Bang, combinato con la velocità finita della luce, fornisce un limite a ciò che possiamo osservare. Inoltre, l'espansione dello spazio stesso agisce contro di noi allungando la lunghezza d'ondala luce delle stelle mentre viaggia attraverso l'universo fino ai nostri occhi. Anche il telescopio spaziale Hubble, che ci offre l'immagine più profonda e mozzafiato dell'universo che abbiamo mai scoperto, è limitato a questo proposito.
Svantaggi di Hubble
Hubble è un telescopio straordinario, ma ha una serie di limitazioni fondamentali:
- Solo 2,4 m di diametro, limitandone la risoluzione.
- Nonostante sia ricoperta di materiali riflettenti, è costantemente esposta alla luce solare diretta, che la riscalda. Ciò significa che, a causa degli effetti termici, non può osservare lunghezze d'onda della luce superiori a 1,6 µm.
- La combinazione di apertura limitata e lunghezze d'onda a cui è sensibile significa che il telescopio può vedere galassie non più vecchie di 500 milioni di anni.
Queste galassie sono belle, lontane ed esistevano quando l'universo aveva solo il 4% circa della sua età attuale. Ma si sa che stelle e galassie esistevano anche prima.
Per vederlo, il telescopio deve avere una sensibilità maggiore. Ciò significa passare a lunghezze d'onda più lunghe e temperature più basse rispetto a Hubble. Ecco perché è in costruzione il telescopio spaziale James Webb.
Prospettive per la scienza
James Webb Space Telescope (JWST) è progettato per superare proprio queste limitazioni: con un diametro di 6,5 m, il telescopio raccoglie 7 volte più luce dell'Hubble. Lui apreultra-spettroscopia ad alta risoluzione da 600 nm a 6 µm (4 volte la lunghezza d'onda che Hubble può vedere), per effettuare osservazioni nella regione del medio infrarosso dello spettro con una sensibilità più elevata che mai. JWST utilizza il raffreddamento passivo alla temperatura superficiale di Plutone ed è in grado di raffreddare attivamente gli strumenti a medio infrarosso fino a 7K.
Permetterà:
- osserva le prime galassie mai formate;
- vedi attraverso il gas neutro e sonda le prime stelle e la reionizzazione dell'universo;
- effettuare analisi spettroscopiche delle primissime stelle (popolazione III) formatesi dopo il Big Bang;
- ricevi incredibili sorprese come la scoperta dei primi buchi neri e quasar supermassicci nell'universo.
Il livello di ricerca scientifica di JWST è diverso da qualsiasi cosa in passato, motivo per cui il telescopio è stato scelto come missione ammiraglia della NASA degli anni 2010.
Capolavoro scientifico
Da un punto di vista tecnico, il nuovo telescopio James Webb è una vera opera d'arte. Il progetto ha fatto molta strada: ci sono stati sforamenti di budget, ritardi nei programmi e il pericolo di annullamento del progetto. Dopo l'intervento della nuova dirigenza, tutto è cambiato. Il progetto ha improvvisamente funzionato come un orologio, i fondi sono stati stanziati, gli errori, i fallimenti e i problemi sono stati presi in considerazione e il team JWST ha iniziato a integrarsitutte le scadenze, le scadenze ei quadri di bilancio. Il lancio del dispositivo è previsto per ottobre 2018 sul razzo Ariane-5. Il team non solo si attiene al programma, ma ha ancora nove mesi per tenere conto di tutte le eventualità per assicurarsi che tutto sia pronto e pronto per quella data.
Il telescopio James Webb è composto da 4 parti principali.
Blocco ottico
Include tutti gli specchi, di cui i diciotto specchi primari segmentati placcati in oro sono i più efficaci. Saranno utilizzati per raccogliere la luce delle stelle lontane e focalizzarla su strumenti per l'analisi. Tutti questi specchi sono ora pronti e impeccabili, realizzati nei tempi previsti. Una volta assemblati, saranno piegati in una struttura compatta per essere lanciati a più di 1 milione di km dalla Terra al punto L2 di Lagrange, e quindi dispiegati automaticamente per formare una struttura a nido d'ape che raccoglierà luce a lunghissimo raggio per gli anni a venire. Questa è davvero una bella cosa e il risultato positivo degli sforzi titanici di molti specialisti.
Vicino alla telecamera a infrarossi
Webb è dotato di quattro strumenti scientifici completi al 100%. La fotocamera principale del telescopio è una fotocamera nel vicino IR che va dalla luce arancione visibile all'infrarosso profondo. Fornirà immagini senza precedenti delle prime stelle, delle galassie più giovani ancora in fase di formazione, delle giovani stelle della Via Lattea e delle galassie vicine, di centinaia di nuovi oggetti nella fascia di Kuiper. Lei èottimizzato per l'imaging diretto di pianeti attorno ad altre stelle. Questa sarà la fotocamera principale utilizzata dalla maggior parte degli osservatori.
Spettrografo nel vicino infrarosso
Questo strumento non solo separa la luce in lunghezze d'onda separate, ma è in grado di farlo per più di 100 oggetti separati contemporaneamente! Questo strumento sarà uno spettrografo Webba universale in grado di operare in 3 diverse modalità di spettroscopia. È stato costruito dall'Agenzia spaziale europea, ma molti componenti, inclusi rilevatori e una batteria multi-gate, sono stati forniti dallo Space Flight Center. Goddard (NASA). Questo apparecchio è stato testato ed è pronto per l'installazione.
Strumento a infrarossi medi
Il dispositivo verrà utilizzato per l'imaging a banda larga, ovvero produrrà le immagini più impressionanti da tutti gli strumenti Webb. Da un punto di vista scientifico, sarà molto utile per misurare i dischi protoplanetari attorno a giovani stelle, misurare e visualizzare gli oggetti della fascia di Kuiper e la polvere riscaldata dalla luce stellare con una precisione senza precedenti. Sarà l'unico strumento ad essere raffreddato criogenicamente a 7 K. Rispetto al telescopio spaziale Spitzer, questo migliorerà i risultati di un fattore di 100.
Spettrografo Near-IR senza fessura (NIRISS)
Il dispositivo ti permetterà di produrre:
- spettroscopia grandangolare nelle lunghezze d'onda del vicino infrarosso (1,0 - 2,5 µm);
- grima di un oggetto dentrogamma visibile e infrarossa (0,6 - 3,0 micron);
- Interferometria con mascheramento dell'apertura a lunghezze d'onda di 3,8 - 4,8 µm (dove sono attese le prime stelle e galassie);
- Riprese ad ampio raggio dell'intero campo visivo.
Spettroscopia
Questo strumento è stato creato dall'Agenzia spaziale canadese. Dopo aver superato i test criogenici, sarà anche pronto per l'integrazione nel vano strumenti del telescopio.
Scudo solare
I telescopi spaziali non ne sono stati ancora dotati. Uno degli aspetti più intimidatori di ogni lancio è l'uso di materiale completamente nuovo. Invece di raffreddare attivamente l'intera navicella spaziale con un refrigerante consumabile una tantum, il James Webb Telescope utilizza una tecnologia completamente nuova, uno schermo solare a 5 strati che verrà utilizzato per riflettere la radiazione solare dal telescopio. Cinque lastre da 25 metri saranno collegate con aste in titanio e installate dopo che il telescopio sarà stato dispiegato. La protezione è stata testata nel 2008 e nel 2009. I modelli in scala reale che hanno partecipato ai test di laboratorio hanno fatto tutto ciò che avrebbero dovuto fare qui sulla Terra. Questa è una bellissima innovazione.
E' anche un concetto incredibile: non solo bloccare la luce del Sole e mettere il telescopio in ombra, ma farlo in modo tale che tutto il calore venga irradiato nella direzione opposta all'orientamento del telescopio. Ciascuno dei cinque strati nel vuoto dello spazio diventerà freddo man mano che si allontana dall'esterno, che sarà leggermente più caldo della temperatura.la superficie della Terra - circa 350-360 K. La temperatura dell'ultimo strato dovrebbe scendere a 37-40 K, che è più fredda che di notte sulla superficie di Plutone.
Inoltre, sono state prese importanti precauzioni per proteggere dall'ambiente ostile dello spazio profondo. Una delle cose di cui preoccuparsi qui sono minuscoli ciottoli delle dimensioni di un sassolino, granelli di sabbia, granelli di polvere e anche quelli più piccoli che volano nello spazio interplanetario a velocità di decine o addirittura centinaia di migliaia di chilometri all'ora. Queste micrometeoriti sono in grado di creare minuscoli fori microscopici in tutto ciò che incontrano: veicoli spaziali, tute da astronauta, specchi per telescopi e altro ancora. Se gli specchi ottengono solo ammaccature o fori, il che riduce leggermente la quantità di "buona luce" disponibile, lo schermo solare può strapparsi da un bordo all' altro, rendendo l'intero strato inutilizzabile. Per combattere questo fenomeno è stata utilizzata un'idea brillante.
L'intero scudo solare è stato diviso in sezioni in modo tale che se c'è un piccolo spazio vuoto in uno, due o anche tre di essi, lo strato non si strappi ulteriormente, come una crepa nel parabrezza di un auto. Il partizionamento manterrà intatta l'intera struttura, il che è importante per prevenire il degrado.
Veicoli spaziali: sistemi di assemblaggio e controllo
Questo è il componente più comune, come tutti i telescopi spaziali e le missioni scientifiche. In JWST è unico, ma anche completamente pronto. Tutto ciò che restava per l'app altatore generale del progetto, Northrop Grumman, era completare lo scudo, assemblare il telescopio e testarlo. La macchina sarà pronta perlancio tra 2 anni.
10 anni di scoperte
Se tutto andrà bene, l'umanità sarà sulla soglia di grandi scoperte scientifiche. Il velo di gas neutro che finora ha oscurato la vista delle prime stelle e galassie sarà eliminato dalle capacità a infrarossi del Webb e dalla sua enorme luminosità. Sarà il telescopio più grande e sensibile mai costruito, con un'ampia gamma di lunghezze d'onda da 0,6 a 28 micron (l'occhio umano vede da 0,4 a 0,7 micron). Si prevede che fornirà un decennio di osservazioni.
Secondo la NASA, la vita della missione Webb sarà compresa tra 5,5 e 10 anni. È limitato dalla quantità di propellente necessaria per mantenere l'orbita e dalla durata dell'elettronica e delle apparecchiature nel difficile ambiente dello spazio. Il James Webb Orbital Telescope trasporterà carburante per l'intero periodo di 10 anni e, 6 mesi dopo il lancio, verranno effettuati test di supporto al volo, che garantiscono 5 anni di lavoro scientifico.
Cosa potrebbe andare storto?
Il principale fattore limitante è la quantità di carburante a bordo. Al termine, il satellite si allontanerà dal punto L2 di Lagrange, entrando in un'orbita caotica nelle immediate vicinanze della Terra.
Vieni con questo, altri problemi possono accadere:
- degrado degli specchi, che influenzerà la quantità di luce raccolta e creerà artefatti dell'immagine, ma non danneggerà l'ulteriore funzionamento del telescopio;
- guasto parziale o totale dello schermo solare, che comporterà un aumentotemperatura del veicolo spaziale e restringere la gamma di lunghezze d'onda utilizzabili al vicino infrarosso (2-3 µm);
- Guasto al sistema di raffreddamento dello strumento Mid-IR, che lo rende inutilizzabile ma non interessa altri strumenti (da 0,6 a 6 µm).
Il test più difficile che attende il telescopio James Webb è il lancio e l'inserimento in una determinata orbita. Queste situazioni sono state testate e completate con successo.
Rivoluzione scientifica
Se il James Webb Telescope è operativo, ci sarà abbastanza carburante per alimentarlo dal 2018 al 2028. Inoltre, esiste la possibilità di fare rifornimento, che potrebbe prolungare la vita del telescopio di un altro decennio. Proprio come Hubble è operativo da 25 anni, JWST potrebbe fornire una generazione di scienza rivoluzionaria. Ad ottobre 2018 il veicolo di lancio Ariane 5 lancerà in orbita il futuro dell'astronomia che, dopo oltre 10 anni di duro lavoro, è pronta per iniziare a dare i suoi frutti. Il futuro dei telescopi spaziali è quasi arrivato.
