Il James Webb Space Telescope ha superato il test di resistenza alle temperature estreme nel vuoto

Il telescopio spaziale James Webb della NASA ha superato con successo un’altra fase di test, avvicinandosi al suo lancio, previsto per il 2021. Il veicolo spaziale ha superato il test di vuoto termico che serve a garantire che il suo hardware funzioni correttamente nel vuoto dello spazio e resista alle estreme variazioni di temperatura che incontrerà nella sua missione.

Una metà dell’osservatorio Webb, noto come “elemento spaziale“, ha completato questo test presso le strutture della Northrop Grumman, il principale partner industriale della missione, a Los Angeles. L’altra metà del James Webb, comprensiva del telescopio e degli strumenti scientifici, ha già completato con successo i test termici sotto vuoto presso il Johnson Space Center della NASA a Houston, prima della consegna a Northrop Grumman l’anno scorso.

Nell’ultimo test ambientale, il James Webb è stato posizionato all’interno di una speciale camera a vuoto termico. Il team di test ha drenato l’atmosfera dalla stanza per replicare il vuoto dello spazio ed ha esposto l’elemento del veicolo spaziale Webb a una vasta gamma di temperature calde e fredde, passando da meno 148 a 102 gradi Celsius. Questa variazione delle temperature garantisce che il veicolo spaziale sopravviva alle condizioni estreme che sperimenterà nello spazio.

L’elemento del veicolo spaziale è costituito dal “bus“, che è l’equipaggiamento che fa volare effettivamente il telescopio nello spazio, oltre al rivoluzionario parasole tascabile a cinque strati che manterrà i sensibili strumenti del Webb all’ombra preservandolo nelle temperature di esercizio super-fredde. L’elemento spaziale è fondamentale per il successo degli obiettivi scientifici del Webb e deve essere accuratamente testato e convalidato per il volo.

“I team di Northrop Grumman e del NASA Goddard Space Flight Center devono essere elogiati per aver completato con successo un test di vuoto termico nel veicolo spaziale“, ha detto Jeanne Davis, program manager del James Webb Space Telescope Program. “Questo incredibile risultato apre la strada al prossimo importante traguardo, che consiste nell’integrare il telescopio e gli elementi del veicolo spaziale.”

I prossimi passi consisteranno nell’unire le due metà del Webb per formare il telescopio completamente assemblato e completare un ciclo finale di test e valutazione prima del lancio. La versione completa dell’elemento spaziale verificherà che il Webb sia pronto per procedere al sito di lancio.

Fornito dal Goddard Space Flight Center della NASA

Da Wikipedia:

Il telescopio spaziale James Webb (JWST o Webb) è un telescopio spaziale orbitante per l’astronomia a raggi infrarossi, il cui lancio è previsto salvo ulteriori slittamenti^[2] per marzo 2021^[3][4][5], con partenza dallo spazioporto di Arianespace a Kourou, nella Guiana Francese, trasportato in orbita solare da un razzo Ariane 5. Il telescopio è il frutto di una collaborazione internazionale tra NASA, Agenzia Spaziale Europea (ESA) e Agenzia spaziale canadese (CSA).

Panoramica

Il JWST, in fase di realizzazione, noto come “Next Generation Space Telescope” (NGST, da qui anche, la nomea di “successore di Hubble”), nel 2002 è stato titolato a James Webb,^[6] amministratore^[7] della NASA durante i programmi Gemini, Mercury e Apollo^[8]e fautore del centro di controllo del Johnson Space Center (JSC) di Houston, Texas.

Il telescopio Webb aprirà nuovi orizzonti per l’astronomia a raggi infrarossi grazie a tecnologie di progettazione d’avanguardia. Sarà il più grande telescopio mai inviato nello spazio, e amplierà i percorsi aperti nell’universo dal telescopio Hubble.

Le innovazioni rispetto ai precedenti telescopi spaziali sono il grande specchio primario di 6,5 metri, per studiare lunghezze d’ondanella banda infrarossa, e la presenza di un ampio parasole multistrato per il mantenimento di una temperatura operativa molto bassa per bloccare le interferenze da sorgenti di calore non oggetto di studio quali ad esempio il Sole, la Luna, la struttura e la strumentazione stessa del telescopio.^[9]

Diversamente da Hubble, orbitante intorno alla Terra, Webb orbiterà intorno al Sole a 1,5 milioni di km, al punto L2 di Lagrange, orbita già utilizzata per le missioni WMAP, Herschel e Planck; orbita che terrà il Webb allineato con l’orbita terrestre^[10] consentendo al parasole di proteggere il telescopio dalla luce e dal calore di Sole, Terra e Luna e garantendo comunicazioni continue con il centro di controllo e un’ininterrotta raccolta di dati non essendo ostacolato dall’interferenza oscuratrice dell’orbita lunare.

Per il JWST sono state sviluppate diverse tecnologie innovative. Le più importanti includono uno specchio primario costituito da 18 specchi esagonali in berillio ultraleggero che dispiegandosi dopo il lancio comporranno un’unica grande superficie di raccolta. Un’altra caratteristica del JWST è l’ampia schermatura romboidale a cinque strati (separati dal vuoto) in Kapton, un materiale plastico in film che, come un parasole, attenua il calore e garantisce stabilità alle notevoli escursioni termiche a cui gli strumenti saranno sottoposti. Lo studio di metrologie estremamente precise nei test acustici e ambientali^[11] ha contribuito allo sviluppo di strumenti di precisione (interferometria laser dinamica) nell’ordine dei picometri^[12].Il Webb è fornito di un impianto criogenico(cryocooler) per il raffreddamento (7 K) dei rilevatori nel medio infrarosso e di micro-otturatori innovativi progettati dal Goddard che, come piccole tapparelle programmabili consentono di selezionare determinati spettri di luce durante la simultanea di una osservazione, permettendo di analizzare sino a 100 oggetti contemporaneamente nello spazio profondo con un’ampiezza visuale di 3,2 x 3,3 minuti d’arco^[13]

JWST è il prodotto di una collaborazione tra la NASA, l’ESA e l’Agenzia Spaziale Canadese (CSA ). Il NASA Goddard Space Flight Center ha gestito le fasi di sviluppo. I principali partner industriali privati sono Northrop Grumman e Orbital ATK per lo schermo parasole; lo Space Telescope Science Institute (STScI) gestirà le operazioni di ricerca, raccolta ed elaborazione dei dati del Webb successive al lancio.

Osservatorio

L’osservatorio è la componente spaziale del sistema JWST (che comprende anche i sistemi a terra) ed è composto da tre elementi: la strumentazione scientifica integrata (ISIM, integrated Science Instrument Module); il telescopio ottico (OTE, Optical Telescope Element) che comprende gli specchi e la montatura di supporto; il sistema navicella , che comprende la navicella (Spacecraft Bus) e lo schermo solare.

L’OTE è l’occhio dell’osservatorio. Raccoglie la luce proveniente dallo spazio e la invia agli strumenti scientifici situati nel modulo ISIM. La montatura portante (Backplane) supporta la struttura ottica.

Lo schermo solare (Sunshield) separa la parte del telescopio direttamente colpita e riscaldata dalla luce solare (l’intero osservatorio) dai componenti elettronici (ISIM) che, elaborando frequenze dell’infrarosso, devono operare a bassa temperatura. La temperatura di esercizio è mantenuta dal sistema criogenico sotto i 50 K (-223 °C o -370 °F) .

La navicella fornisce le funzioni di supporto per il funzionamento dell’osservatorio e integra i principali sottosistemi necessari al funzionamento del veicolo spaziale: il sistema di energia elettrica, il sistema di controllo dell’assetto, il sistema di comunicazione, il sistema di comando e gestione dei dati, il sistema di propulsione e il sistema di controllo termico.

I blocchi logici^[14] sono, nel dettaglio:

• il sistema ottico (OTE, Optical Telescope Element):
  • Specchio primario e struttura portante (Backplane)
  • Specchio secondario e struttura portante
  • sottosistema ottico (AFT)
• la strumentazione scientifica integrata (ISIM, Integrated Science Instrument Module) costituita da quattro strumenti:
  • MIRI (Mid-Infrared Instrument)
  • NIRSpec (Near-Infrared Spectrograph)
  • NIRCam (Near-Infrared Camera)
  • Fine Guidance Sensor / Near InfraRed Imager e slitless Spectrograph (FGS/NIRISS)
• il sistema navicella
  • Schermo solare (Sunshield)
  • Sottosistema navigatore (Spacecraft Bus)
  • Pannelli solari, antenna di comunicazione ad alto guadagno e altri strumenti di controllo e orientamento del telescopio.

Lancio, orbita e posizionamento

Il telescopio spaziale James Webb sarà lanciato su un razzo Ariane 5 dalla rampa di lancio ELA-3 di Arianespace, complesso situato nei pressi di Korou, in Guiana Francese, fornito dall’ESA.^[15] La vicinanza equatoriale e la rotazione terrestre contribuiscono ad una spinta ulteriore del razzo vettore.^[15][16]

Il JWST orbiterà^[17] intorno al secondo punto di Lagrange (L2) lungo un asse Terra-Sole, distante 1.500.000 km dalla Terra. Il punto di equilibrio L2 consentirà un tempo ridotto per compiere un’orbita completa, pur essendo più distante dell’orbita terrestre. Il telescopio si attesterà sul punto L2 in un’orbita halo, inclinato rispetto al piano dell’eclittica. Poiché L ₂ è un punto di equilibrio instabile in cui le accelerazioni gravitazionali esercitate da Sole e Terra bilanciano l’accelerazione centripeta del telescopio necessaria a compiere l’orbita a quella determinata distanza dal Sole, la sonda seguirà una traiettoria chiusa intorno al punto di Lagrange nel suo moto di rivoluzione intorno al Sole.

La particolarità di questa orbita è che consente al telescopio di essere allineato su un asse teorico consentendo al parasole del satellite di proteggere il telescopio dalla luce e dal calore di Sole, Terra e Luna.

La posizione di JWST presso L2 rende le comunicazioni con la Terra continue, effettuate attraverso il Deep Space Network (DSN), del JPL utilizzando tre antenne radio situate in Australia, Spagna e California. Durante le operazioni di routine, JWST effettuerà sequenze in uplink di comandi e dati di downlink fino a due volte al giorno, attraverso il DSN. L’osservatorio è in grado di eseguire sequenze di comandi (controlli e osservazioni) in modo autonomo. Lo Space Telescope Science Institute, gestore delle ricerche e dei dati, trasferirà i dati settimanalmente ed effettuerà le opportune correzioni giornalmente.

Perché un telescopio ad infrarossi

L’opacità dell’atmosfera terrestre, costituita da vapore acqueo e anidride carbonica, ostacola la visualizzazione dei telescopi ottici a terra in quanto la luce proveniente dallo spazio viene bloccata o alterata da questi elementi, nonostante le recenti innovazioni dovute all’ottica adattiva che corregge le sfocature in campi ridotti e in presenza di stelle luminose. Il telescopio spaziale Hubble ha ovviato a queste implicazioni, orbitando oltre l’atmosfera.^[18] La polvere cosmica e i gas delle nubi interstellari sono però un limite anche per i telescopi ottici spaziali. Inoltre, poiché l’Universo è in costante espansione, la luce dei corpi nello spazio profondo in allontanamento tende anch’essa a spostarsi, giungendo quindi a noi con ridotta frequenza (spostamento verso il rosso). Questi oggetti sono perciò rilevabili più facilmente se osservati con strumenti ottimizzati per lo studio delle frequenze nell’infrarosso.

Le osservazioni a raggi infrarossi consentono lo studio di oggetti e di regioni dello spazio altrimenti oscurate dai gas e dalle polveri nello spettro visibile. Le nubi molecolari feconde di formazioni stellari, i dischi protoplanetari, e i nuclei di galassie attive sono tra gli oggetti relativamente freddi (rispetto alle temperature stellari) che emettono radiazioni prevalentemente nell’infrarosso e quindi studiabili da un telescopio a infrarossi.

Studio dei corpi nel vicino e medio infrarosso

A seconda delle proprietà termiche e fisiche dei corpi oggetto di studio, le osservazioni nel medio e vicino infrarosso sono più appropriate in base al seguente prospetto:^[19]

Vicino infrarosso	Medio infrarosso
Luce ultravioletta dalle galassie distanti	Luce visibile delle galassie distanti
Molecole e atomi ad alte energie	Molecole a basse energie
Sistemi protostellari in formazione	Stelle molto giovani in formazione
Esopianeti caldi vicini alle proprie stelle	Esopianeti distanti dalle proprie stelle a temperature terrestri

Le osservazioni nel medio infrarosso caratterizzeranno nane brune, comete e altri oggetti della fascia di Kuiper, pianeti del sistema solare ed esopianeti.

Ricerca scientifica

JWST è un telescopio general-purpose, diversamente da missioni quali Gaia, Spitzer, Fermi, finalizzate a studi settoriali specifici. Le ricerche spazieranno ampi settori di astronomia, astrofisica, cosmologia. Le osservazioni del Webb, anche a seguito della scoperta dell’ultra deep field di Hubble, saranno incentrate su alcuni temi principali, grazie ai diversi strumenti progettati e dedicati allo studio di lunghezze d’onda differenti:

Cosmologia e struttura dell’Universo: prima luce

• Il JWST consentirà di studiare la struttura a grande scala dell’Universo, che si espande o contrae sotto l’influenza della gravità della materia al suo interno. Tramite l’osservazione di remote supernove con luminosità nota, si potrà stimarne le dimensioni e la struttura geometrica, approfondendo gli studi teorici sulla natura e la densità della materia oscura e dell’energia oscura. Rilevando sottili distorsioni nelle forme delle galassie più lontane causate dalle deformazioni gravitazionali di masse invisibili sarà possibile studiare la distribuzione della materia oscura, il suo rapporto con la materia ordinaria e l’evoluzione di galassie come la via Lattea. Mediante campagne osservative nel vicino infrarosso e successive analisi in follow-up a bassa risoluzione spettroscopica e fotometrica nel medio infrarosso verrà approfondito lo studio delle galassie più antiche.

  

  Rappresentazione dell’evoluzione dell’Universo

• Con il JWST si potrà approfondire la teoria sulla reionizzazione^[20], il periodo primordiale dell’Universo in cui l’idrogeno neutro sarebbe reionizzato in seguito alla crescente radiazione delle prime stelle massicce. Successivamente al raffreddamento dell’universo i protoni e neutroni si combinarono in atomi ionizzati di idrogeno e deuterio, quest’ultimo ulteriormente fuso in elio-4 e conseguente costituzione delle prime stelle massicce ad opera della forza di gravità e in seguito esplose come supernovae.

Origine ed evoluzione delle prime galassie

• La capacità di JWST di sondare la regione infrarossa dello spettro ad altissima sensibilità permetterà di superare i limiti dei telescopi ottici e catturare la luce debole, spostata verso il rosso, degli oggetti più antichi e lontani. Il JWST consentirà di indagare sulla presenza di buchi neri nella maggior parte delle galassie e la loro percentuale di massa, rispetto alla materia visibile.
• Webb sarà in grado di vedere i cluster delle prime stelle formatesi in seguito al raffreddamento dell’idrogeno e alla costituzione degli elementi chimici più pesanti, necessari alla formazione dei pianeti e della vita Inoltre osserverà le fasi costitutive dell’Universo, a seguito dell’esplosione successiva delle prime stelle in supernove che hanno formato le prime galassie nane ricche di gas, progenitrici delle galassie attuali che hanno formato la struttura cosmica oggi conosciuta. JWST, analizzando le spettrografie delle singole stelle nelle regioni affollate, studierà la conformazione, il rigonfiamento dei dischi centrali delle galassie, le stelle più antiche, le analogie con la via Lattea, la distribuzione della materia passata e presente e le relazioni di questa materia con la formazione stellare

Nascita e formazione di stelle e pianeti

• JWST sarà in grado di penetrare le nubi di polvere nei dischi proto-stellari, studiando i parametri che definiscono la massa di una stella in formazione e oggetti di massa minore, nane brune e pianeti delle dimensioni di Giove (gioviani), che non raggiungono uno stato aggregativo tale da consentire una formazione stellare.

Evoluzione dei sistemi planetari e condizioni per la vita

• Mediante la tecnica dei transiti, della velocità radiale e con osservazioni di follow-up supportate da telescopi a terra verranno stimate le masse di esopianeti e studiate le loro atmosfere cercando eventuali biofirme.^[21] I coronografi e lo studio spettroscopico consentiranno la visualizzazione diretta in banda infrarosso di esopianeti vicino a stelle luminose.comprese eventuali differenze stagionali, la vegetazione, la rotazione, il clima. La spettroscopia, analizzando la luce riflessa degli esopianeti e separandola in lunghezze d’onda distinte permetterà di identificare i loro componenti chimici per determinarne le componenti atmosferiche. Webb potrà cercare biomarcatori chimici, come ozono e metano, generati da processi biologici. L’ozono si forma quando l’ossigeno prodotto da organismi fotosintetici (quali alberi e fitoplancton) sintetizzano la luce. Poiché l’ozono è fortemente legato alla presenza di organismi Webb lo cercherà in atmosfere planetarie come possibile indicatore di vita elementare. JWST, a causa della luce solare non potrà essere rivolto verso i corpi interni al sistema quali Luna, Venere e Mercurio ma potrà caratterizzare tutti i corpi esterni a Marte, gli asteroidi Near-Earth, comete, lune planetarie e corpi ghiacciati del sistema solare esterno