L'incredibile telescopio spaziale della NASA scruterà 13,7 miliardi di anni nel passato

Dopo quasi un quarto di secolo e diversi ritardi, il telescopio spaziale James Webb da $ 9,6 miliardi è in dirittura d'arrivo per un lancio nel 2021.

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È uno spettacolo uscito da un romanzo di fantascienza: una torre svettante di specchi dorati esagonali in cima a un enorme parasole argentato a cinque strati e un bus spaziale circolare. Rifiniti con una precisione di pochi nanometri, gli specchi fronteggiano un quartetto di strumenti complessi abbastanza sensibili da decifrare atmosfere aliene e sbirciare indietro nel tempo.



Poiché l'ultimo dei componenti completati è arrivato dalle basi della NASA in tutto il paese lo scorso agosto, il 14.000 libbre. Telescopio spaziale James Webb (JWST) si è riunito in una camera bianca cavernosa al Northrop Grumman Space Park di Redondo Beach, in California. Dal punto di vista del ponte di osservazione, l'unica indicazione della sua altezza di quattro piani sono ingegneri in miniatura vestiti con tute bianche che si affrettano alla sua base. Questa è la prima volta che la stampa, invitata alla fine del mese scorso per un briefing sui prossimi passi della missione, ha visto l'osservatorio completamente assemblato.

Negli ultimi anni abbiamo lavorato in due metà. Fino all'estate dello scorso anno avevano un fidanzamento molto lungo e si sono sposati, ride Scott Willoughby, manager del programma JWST presso Northrop Grumman. Abbiamo unito le due metà per creare un osservatorio. Stiamo celebrando quel successo.



Dopo 24 anni e numerosi ritardi, la missione da 9,6 miliardi di dollari sta entrando nel suo ultimo anno di modifiche e test prima che il telescopio venga spedito al Centro spaziale della Guiana nella Guyana francese per un lancio nel marzo 2021. Il viaggio ha coinvolto migliaia di scienziati e ingegneri provenienti da 24 paesi in tre agenzie spaziali: la NASA, l'Agenzia spaziale canadese e l'Agenzia spaziale europea. È stato costruito in diverse strutture negli Stati Uniti, con il focus delle attività presso Northrop Grumman e il Goddard Space Flight Center a Greenbelt, nel Maryland.

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In orbita a 1 milione di miglia dalla Terra, JWST scruterà circa 13,7 miliardi di anni nel passato, una frazione di secondo (o 100 milioni di anni dalle coordinate terrestri) dopo il Big Bang, mentre l'universo passava da uno stato di plasma scuro alla formazione della prima luce , stelle e galassie. Analizzerà anche la composizione atmosferica di esopianeti rocciosi più piccoli in orbita attorno ad altre stelle per determinare la loro ospitalità alla vita.

Da dove veniamo e siamo soli, è la missione principale, afferma Willoughby. Non abbiamo mai visto formarsi una stella che non fosse il prodotto di una stella esplosa. Cosa ha fatto sì che le 'noduzze' si unissero e accendessero le prime stelle? Ogni volta che pensi di sapere qualcosa, vuoi dimostrarlo, per vedere effettivamente come succede.



[Immagine: NASA]

All'inizio, l'universo infantile era principalmente idrogeno ed elio, prima che eoni di fusione solare producessero l'abbondanza di altri elementi che si trovano oggi. Le stelle erano 300 volte più grandi del Sole e vivevano solo pochi milioni di anni prima di morire nelle supernove giganti. Il telescopio è progettato per catturare tracce di luce infrarossa da queste esplosioni, che, una volta analizzate, diranno agli scienziati di cosa sono fatte e gli ambienti in cui si sono formate. È il prossimo capitolo dell'universo dopo misurare il calore cosmico del Big Bang , che ha valso a John Mather e George Smoot il Premio Nobel per la fisica nel 2006.

Da dove viene la luce? Come siamo arrivati ​​a noi dal Big Bang? afferma Mather, scienziato senior del progetto JWST presso Goddard. Le persone sono affascinate dalla storia, dalla loro genealogia. Vogliono sapere: 'Dove stiamo andando?' Quindi questo è il nostro piccolo compito per scoprirlo.



Un'idea artistica dei sette esopianeti rocciosi all'interno del sistema TRAPPIST-1, situato a 40 anni luce dalla Terra. Gli astronomi osserveranno questi mondi con il James Webb Space Telescope.
[Immagine: NASA e JPL/Caltech]

Su larga scala, trovare mondi simili alla Terra è il primo passo per garantire la sopravvivenza umana dopo che il nostro sole muore tra 5 miliardi di anni, se non lo facciamo per primi. Più immediatamente, può offrire indizi sulle nostre origini terrene e sul cambiamento dell'habitat.

Un modo per capire meglio la Terra è trovare altri posti e capire come funzionavano, dice Mather. Siamo ancora in grado di trovare tracce della nostra storia geologica, ma questo ti racconta solo una storia. Quindi se potessi dire 'Com'era Venere prima che diventasse una serra?' o 'Com'era Marte prima che si seccasse?' l'ambiente. Questi altri luoghi sono un laboratorio in miniatura per la comprensione.

Sfide senza precedenti

Quando gli ingegneri hanno iniziato a considerare il JWST nel 1996, avevano bisogno di 10 tecnologie che non esistevano ancora. Questi includevano uno specchio di 21,3 piedi di diametro che doveva essere suddiviso in 18 parti singole ma funzionava come un'unità e cinque schermi solari delle dimensioni di un campo da tennis per bloccare la radiazione solare e raffreddare la temperatura del telescopio fino a -388 °C. L'assemblaggio nella sua interezza doveva piegarsi per adattarsi all'interno di una carenatura di un razzo Ariane di 16 piedi di diametro ed essere programmato per dispiegarsi a un milione di miglia di distanza. Richiedeva anche una nuova generazione di rivelatori più sensibili dei precedenti.

Molte più indagini scientifiche possono essere svolte in meno tempo.

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Bill Ochs, Goddard Space Flight Center L'osservazione di oggetti da miliardi di anni luce di distanza richiede uno specchio abbastanza grande da raccogliere la luce da oggetti molto deboli. Lo specchio JWST ha le dimensioni di sette Telescopio Spaziale Hubble specchi e vedrà oggetti centinaia di volte più deboli degli attuali telescopi terrestri e spaziali.

Hubble pesava 25.000 libbre e aveva un'ottica di 2,4 metri (7,87 piedi). Il Webb costa 14.000 libbre per un'ottica di 6 metri e mezzo (21,3 piedi), afferma Willoughby. Quindi abbiamo aumentato l'ottica di sette volte l'area di raccolta, con metà del peso, che si adattava al razzo.

Invece di un vetro molto più pesante, lo specchio è realizzato in berillio, un metallo raro che è più forte dell'acciaio ma più leggero dell'alluminio. Viene quindi rivestito con uno strato microscopicamente sottile di oro 24K, che riflette il 98% della luce infrarossa. È un paio d'oro per le fedi nuziali, afferma Bill Ochs, project manager JWST presso Goddard.

[Immagine: NASA]

Lo specchio primario focalizza la luce infrarossa sullo specchio secondario, che la rimanda a quattro strumenti scientifici dietro lo specchio che analizzano la gamma di lunghezze d'onda infrarosse, digitalizzando le informazioni e inviandole alla Terra. Uno di questi strumenti, lo spettrografo nel vicino infrarosso, sfoggia migliaia di microotturatori programmabili appositamente progettati, con aperture delle dimensioni di pochi capelli umani. Gli otturatori possono ridurre meglio il volume della luce in ingresso e realizzare osservazioni simultanee.

Altri strumenti spettroscopici hanno già volato nello spazio, ma nessuno aveva la capacità di consentire l'osservazione ad alta risoluzione di fino a 100 oggetti contemporaneamente, afferma Ochs. Ciò significa che è possibile svolgere molte più indagini scientifiche in meno tempo.

Mantenerlo fresco

Gli strumenti JWST misureranno lo spettro del vicino e medio infrarosso, dove le lunghezze d'onda vanno da 0,6 a 28 micron, rispettivamente al confine con il colore rosso e con le microonde. Gli infrarossi ci consentono di vedere più lontano nell'universo (quindi, più indietro nel tempo), perché l'universo si sta espandendo, creando un effetto redshift. Gli oggetti che si allontanano da noi emettono lunghezze d'onda elettromagnetiche più lunghe che appaiono nella parte rossa e infrarossa dello spettro.

Per determinare le composizioni chimiche delle atmosfere degli esopianeti, gli spettrografi a bordo misureranno le fluttuazioni della luce infrarossa, corrispondenti a diversi elementi, dalle stelle madri mentre i loro pianeti attraversano i loro percorsi.

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Poiché le telecamere a infrarossi sono più sensibili alle radiazioni (cioè luce e calore), il telescopio deve essere abbastanza lontano dal sole e dalla sua luce riflessa sulla Terra e sulla luna, e avere uno schermo che blocchi i raggi del sole e tenga il telescopio abbastanza freddo da evitare interferenze da radiazioni infrarosse provenienti dal telescopio.

Sul lato freddo, l'ottica funziona a -388°F, perché è lì che raccolgono la luce infrarossa, afferma Willoughby. Il lato caldo, dove c'è l'autobus e il sole splende, raggiunge i 185˚F. Quindi creiamo quasi un differenziale di 600˚F. E la statistica divertente è che, se fosse una crema solare, sarebbe un SPF di 1 milione.

Un criorefrigeratore raffredda ulteriormente gli strumenti scientifici a -448˚F. Quei rilevatori sono così sensibili che in realtà dobbiamo farlo più freddo di quello che possiamo fare passivamente, dice Ochs.

È richiesto un costume da coniglio

Come il rover Mars 2020, la build JWST richiede le condizioni incontaminate di una camera bianca priva di particolato. Gli ingegneri indossano tute da coniglio: tute in poliestere bianche, stivaletti, cappucci, maschere chirurgiche e guanti in lattice. Gli specchi sono stati lucidati fino a 20 nanometri di precisione della figura superficiale, più piccoli delle dimensioni di un singolo batterio. La superficie è così liscia perché qualsiasi urto farebbe deviare un fotone in una direzione diversa, afferma Willoughby. Devi preoccuparti di ogni granello di polvere, di cosa indossano le persone e persino di colonie e profumi. Il fatto che tu possa annusarli significa che emettono atomi e molecole. Non vogliamo che quelle molecole si attacchino al parasole o agli specchi.

Con l'ultimo dei test termici completati, sottoponendo l'ottica, lo schermo e il bus a temperature estreme, la sfida più grande nell'ultimo anno è stata unire l'ottica con il parasole. Sebbene ci sia voluto solo un giorno per realizzarlo, è il risultato di anni di pianificazione e pratica.

Abbiamo ingegneri che hanno appena costruito apparecchiature che hanno aiutato a distribuire le cose, afferma Willoughby. Si scopre che il loro lavoro è difficile quanto costruire la cosa che va nello spazio.

La gravità è probabilmente la cosa più difficile con cui abbiamo a che fare in questo momento.

Scott Willoughby di Northrop Grumman Parte della sfida era replicare l'assenza di gravità o tenere conto della gravità. Una volta in orbita, l'ottica e il parasole si separeranno di 4 piedi per consentire il dispiegamento dello scudo. Ma unirsi a loro sulla Terra ha comportato il posizionamento di 8.000 libbre di telescopio su sei pali in cima agli scudi. Sono stati in grado di simulare entro 70 libbre di gravità zero attraverso una complessa danza di motori, pulegge a soffitto e contrappesi a parete.

La gravità è probabilmente la cosa più difficile con cui abbiamo a che fare in questo momento, afferma Willoughby. Nello spazio, galleggerà a zero G. Quindi, quando stavamo facendo atterrare l'ottica in cima, doveva toccare gli angoli dei 6 piedi ed essere posizionata entro 0,004 di pollice. E una volta che hai superato le tre, è difficile fare un aereo.

Il team si è esercitato per sei mesi con modelli e laser tracker prima di provare con il vero affare. Questa è probabilmente una delle implementazioni più complicate che abbiamo fatto, aggiunge. È stato perfetto. In effetti era bellissimo.

L'anno a venire

Durante il prossimo anno, le squadre gestiranno circa 400 attività prima di lasciare la camera bianca. Includono il controllo delle implementazioni dell'ottica e del parasole, l'esecuzione dell'osservatorio attraverso ispezioni elettriche e ambientali e la simulazione dell'acustica e delle vibrazioni del lancio e del volo spaziale. Da lì, il JWST effettuerà il viaggio di due settimane attraverso il Canale di Panama fino al sito di lancio, racchiuso in un container a controllo ambientale. Una volta lì, gli ingegneri trascorreranno 72 giorni a svolgere altre 800 attività prima che finalmente decolla. (Il lancio vicino all'equatore sfrutta la quantità di moto della rotazione terrestre per aiutarla a catapultarla nello spazio, richiedendo così meno carburante per missili.)

Nel frattempo, il Istituto di scienze del telescopio spaziale (STSI) presso la Johns Hopkins University di Baltimora, il centro operativo del JWST, ha messo in fila l'astronomia da studiare. Con i primi sei mesi dell'osservatorio già programmati, l'STSI riempirà il resto del suo primo anno scegliendo tra le 1.500 proposte scientifiche previste. L'Istituto emetterà richieste di nuove proposte ogni anno e archivierà le immagini in arrivo per i rispettivi team scientifici.

Non tutte le scoperte JWST sono nel futuro. Parte della sua tecnologia ha già trovato applicazioni terrestri. Ad esempio, un meccanismo di messa a fuoco nei microscopi oftalmici è stato inventato dagli ingegneri che hanno ideato gli specchi del telescopio. Quindi c'è una connessione che non vedi mai, dice Mather.

Una volta in orbita

Ci vorranno quasi tre settimane prima che il velivolo raggiunga l'orbita, una posizione chiamata secondo punto lagrangiano , o L2, dove le forze gravitazionali combinate della Terra e del sole consentono a un oggetto lì di ruotare il sole allo stesso ritmo della Terra. Durante il viaggio, i controllori di terra ordineranno ai 178 dispositivi che la tengono insieme per il lancio di aprirsi e iniziare il dispiegamento programmato della sonda.

Chi di voi ha coperto il lander su Marte dove ha detto di aver avuto i 'sette minuti e mezzo di terrore'? dice Ochs, citando Il drammatico video teaser di Curiosity . L'ho scherzosamente definito 'due settimane e mezzo di grande ansia'.

Una volta in orbita, e nei successivi sei mesi, circa 500 diverse attività si impegneranno attraverso il veicolo spaziale, gli strumenti scientifici e il telescopio per renderlo operativo. E poi, la scienza può iniziare.

In definitiva, il JWST trasporterà abbastanza carburante per l'idrazina per mantenerlo in funzione fino a 14 anni con un'attenta gestione. Un team di Goddard sta lavorando a una missione di rifornimento robotico che potrebbe prolungare ulteriormente la vita dell'osservatorio.

cose da sapere prima della guerra infinita

Questo è un periodo di tempo davvero emozionante perché tutto sta andando insieme, dice Ochs. Non vediamo l'ora di lanciare la scienza. Tutte queste persone hanno lavorato insieme per questo periodo di tempo. Ho persone che lavorano per me che hanno iniziato quando i loro figli erano piccoli e ora quei ragazzi si stanno laureando.