Permette di osservare oggetti e Regioni dello spazio altrimenti non visibili, attraverso l’astronomia a raggi infrarossi
Fin dall’antichità l’uomo è sempre stato affascinato dal cielo stellato che si spiegava senza fine sulla sua testa. Guardando verso l’alto, domandandosi cosa fossero quei puntini di luce infiniti, se vi fosse altro oltre a ciò che era possibile vedere a occhio nudo. Intorno al manto stellato che illumina la notte, sono stati inventati miti, tramandati di generazione in generazione. Dalle leggende si è poi giunti, con il passare dei secoli, alle prime scoperte scientifiche, alle osservazioni realistiche e razionali. L’uomo non ha mai smesso di interrogarsi. Sono però cambiate le domande che si pone, andando di pari passo con le nuove tecnologie che hanno permesso di scoprire aspetti nuovi di un Universo ancora tutto da scoprire.
Telescopio Spaziale James Webb
Frutto di una collaborazione internazionale tra l’Agenzia spaziale statunitense (Nasa), l’Agenzia spaziale europea (Esa) e l’Agenzia spaziale canadese (Csa), il telescopio spaziale James Webb (Jwst) è stato lanciato il 25 dicembre 2021. Noto come “Next Generation Space Telescope”, per l’astronomia a raggi infrarossi, estenderà i tracciati aperti nell’Universo dal telescopio Hubble. Le innovazioni rispetto ai precedenti includono uno specchio primario di 6,5 metri, pensato per studiare lunghezze d’onda nell’infrarosso, e un ampio scudo termico multistrato che mantiene una temperatura operativa molto bassa. Orbita intorno al Sole, a 1,5 milioni di km dalla Terra, al punto L2 di Lagrange. Ciò consente di mantenere il telescopio allineato con l’orbita terrestre, proteggendolo dalle radiazioni solari, terrestri e lunari. Inoltre ciò consente comunicazioni continue con il centro di controllo e una raccolta dati ininterrotta, senza l’interferenza dell’orbita lunare.
Tra le innovazioni tecnologiche dello Jwst, centrale è lo specchio primario. Composto da 18 specchi esagonali in berillio ultraleggero che formano un’unica grande superficie di raccolta. Inoltre, è dotato di una schermatura romboidale a cinque strati in Kapton, un materiale plastico che funziona come un parasole. Ciò consente di ridurre il calore e garantire stabilità alle forti escursioni termiche cui gli strumenti sono sottoposti. Lo sviluppo di metrologie estremamente precise ha condotto all’interferometria laser dinamica, in grado di operare a risoluzioni dell’ordine del picometro. Il Webb è anche equipaggiato con un impianto criogenico, che raffredda i rilevatori a 7 K per il medio infrarosso, e con micro-otturatori innovativi. Quest’ultimi, simili a piccole tapparelle programmabili, permettono di selezionare spettri di luce specifici durante un’osservazione. Ciò consente di analizzare fino a 100 oggetti contemporaneamente nello spazio profondo con un campo visivo di 3,2 × 3,3 minuti d’arco.
Astronomia a raggi infrarossi
L’opacità dell’atmosfera terrestre, causata da elementi come vapore acqueo e anidride carbonica, limita la visibilità dei telescopi ottici terrestri, poiché la luce proveniente dallo spazio viene bloccata o alterata da queste sostanze. Nonostante le recenti innovazioni nell’ottica adattiva, vi sono tutt’ora alcune difficoltà. Il telescopio spaziale Hubble le ha superate, orbitando al di sopra dell’atmosfera. Tuttavia, anche quelli ottici spaziali sono influenzati dalla polvere cosmica e dai gas delle nubi interstellari. Inoltre, a causa dell’espansione dell’Universo, la luce proveniente da corpi celesti in allontanamento subisce uno spostamento verso il rosso, arrivando al rivelatore con una frequenza ridotta. Di conseguenza, questi oggetti sono più facilmente osservabili con strumenti ottimizzati per l’infrarosso.
Le osservazioni nella banda infrarossa permettono di studiare oggetti e Regioni dello spazio che sarebbero altrimenti oscurati dai gas e dalle polveri nello spettro visibile. Tra questi ci sono le nubi molecolari che favoriscono la formazione stellare, i dischi protoplanetari e i nuclei di galassie attive, che, essendo relativamente freddi rispetto alle stelle, emettono radiazioni soprattutto nell’infrarosso, rendendoli osservabili tramite telescopi a infrarossi.
Ricerche
Il Jwst è un telescopio multifunzionale. Le sue ricerche coprono un ampio spettro di settori, tra cui astronomia, astrofisica e cosmologia. Le osservazioni del Webb, anche a seguito della scoperta del campo ultra profondo di Hubble, si concentrano su diversi temi principali. Passando per l’esplorazione della struttura dell’Universo alle prime galassie, dalla nascita di stelle e Pianeti fino all’evoluzione dei sistemi planetari.
Struttura e reionizzazione
Il Webb permetterà di esplorare la struttura dell’Universo, che si espande o si contrae sotto l’influenza della gravità della materia al suo interno. Osservando supernove remote con luminosità nota, sarà possibile stimare le loro dimensioni e la loro struttura geometrica. Approfondendo così le teorie sulla natura e la densità della materia oscura e dell’energia oscura. Analizzando le sottili distorsioni nelle forme delle galassie più distanti, si potrà studiare la distribuzione della materia oscura, il suo rapporto con la materia ordinaria e l’evoluzione di galassie come la Via Lattea.
Il Jwst offrirà anche la possibilità di approfondire la teoria della reionizzazione, il periodo primordiale dell’Universo in cui l’idrogeno neutro fu reionizzato a causa della crescente radiazione delle prime stelle massicce. Dopo il raffreddamento dell’Universo, i protoni e i neutroni si combinarono in atomi ionizzati di idrogeno e deuterio, con quest’ultimo che si fuse ulteriormente in elio-4, dando vita alle prime stelle massicce, che poi esplosero come supernove.
Dalle prime galassie nane alle galassie moderne
La capacità del Jwst di esplorare la regione infrarossa dello spettro con altissima sensibilità permetterà di superare le limitazioni dei telescopi ottici, catturando la debole luce, spostata verso il rosso, degli oggetti più antichi e distanti. Il telescopio consentirà di indagare sulla presenza di buchi neri nelle galassie e sul loro contributo in termini di massa rispetto alla materia visibile. Osserverà i primi ammassi di stelle formatesi a seguito del raffreddamento dell’idrogeno e della creazione degli elementi chimici più pesanti, fondamentali per la formazione di Pianeti e per l’origine della vita. Inoltre, esaminerà le fasi iniziali dell’Universo, analizzando le esplosioni delle prime stelle in supernove. Queste hanno dato origine alle prime galassie nane ricche di gas, progenitrici delle galassie moderne e della struttura cosmica che conosciamo oggi.
Stelle in formazione, nane brune e Pianeti
Il telescopio sarà in grado di penetrare le nubi di polvere nei dischi protoplanetari, analizzando i parametri che determinano la massa di una stella in formazione, nonché di oggetti di massa inferiore. Tra loro le nane brune e i Pianeti delle dimensioni di Giove, che non raggiungono una massa sufficiente per innescare il processo di formazione stellare.
Studio degli esopianeti cercando la vita
Utilizzando la tecnica dei transiti, la velocità radiale e osservazioni di follow-up supportate da telescopi terrestri, si stimeranno le masse e si studieranno le atmosfere degli esopianeti, ossia dei Pianeti orbitanti attorno a una stella diversa dal sole. I coronografi e lo studio spettroscopico consentiranno di osservare direttamente in infrarosso gli esopianeti vicini a stelle luminose. Ciò consentirà di esaminare eventuali variazioni stagionali, la possibile presenza di vegetazione, la rotazione e il clima.
La spettroscopia, separando la luce riflessa degli esopianeti in lunghezze d’onda distinte, permetterà di identificare i loro componenti chimici, determinando le caratteristiche atmosferiche. Webb sarà in grado di cercare biofirme chimiche, come ozono e metano, che potrebbero essere generate da processi biologici. L’ozono, infatti, si forma quando gli organismi fotosintetici (come alberi e fitoplancton) producono ossigeno tramite la sintesi della luce. Poiché l’ozono è strettamente legato alla presenza di vita, Webb lo cercherà nelle atmosfere planetarie come potenziale indicatore di vita elementare.
Un viaggio alla scoperta di nuove emozioni
«Grande cosa è stata aggiungere alla immensa moltitudine delle stelle fisse, visibili fino ad oggi a occhio nudo, altre innumerevoli, mai prima osservate, il cui numero supera più di dieci volte quello delle conosciute». Così scriveva Galileo Galilei nel “Sidereus nuncius”. Dal 1610, anno della pubblicazione, sono passati secoli eppure l’emozione e l’euforia provata da Galileo nell’osservare nuove stelle, accompagna ancora oggi gli uomini. Che si tratti di galassie o Pianeti poco importa, innanzi alla loro bellezza, così lontana ed eterea, l’uomo continua a emozionarsi.
Ottavia Scorpati
Foto © Ar.inspiredpencil, Objets Scientifiques, Le Parisien, Issues, Creation
