James Webb

James Webb Space Telescope e la sua lunga lista di cose da fare

Il James Webb Space Telescope sonderà misteri come "l'energia oscura" e cercherà la vita su mondi lontani

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Il James Webb Space Telescope era atteso da molto tempo, gli scienziati hanno pianificato questa missione dal 1989. Doveva essere lanciata tra il 2007 e il 2011, ma il telescopio era più difficile e costoso di quanto chiunque si aspettasse. Quindi la data di lancio è stata posticipata di oltre un decennio. Infine, a dicembre, il telescopio Webb è decollato nello spazio. È il telescopio più grande e complesso mai mandato in orbita.

Il design di base del telescopio non è cambiato molto nel corso degli anni. Ma sai cos’ha? La scienza cui solo Webb può approfondire. Quando gli scienziati hanno immaginato per la prima volta questo telescopio, non avevano ancora scoperto l’energia oscura. (Questa è una forza misteriosa che spinge l’universo ad espandersi.) Inoltre, gli astronomi non avevano ancora scoperto esopianeti, pianeti in orbita attorno ad altre stelle.

Questi recenti progressi hanno sollevato grandi interrogativi sull’universo. E il James Webb Space Telescope potrebbe essere un ottimo strumento per trovare delle risposte.

“Sono passati più di 25 anni”, afferma Wendy Freedman. È una cosmologa all’Università di Chicago nell’Illinois. “Ma penso che sia valsa davvero la pena aspettare”. Un piano audace.

Webb ha un design unico. La maggior parte dei telescopi spaziali ospita una singola lente o uno specchio all’interno di un tubo. Quel tubo impedisce alla luce solare di accecare il telescopio per diminuire le luci. Quelle luci potrebbero essere stelle o altri oggetti celesti distanti. Ma l’enorme specchio di Webb largo 6,5 metri non è all’interno di un tubo. Invece, uno scudo delle dimensioni di un campo da tennis blocca il sole. Blocca anche la luce solare riflessa dalla Terra e dalla luna.

Il grande specchio e lo scudo di Webb hanno una forma scomoda da adattarsi a un razzo. Quindi Webb è stato lanciato piegato su se stesso, la gigantesca macchina si dispiegò poi nello spazio.

Lo chiamano satellite origami“, spiega Scott Friedman. Questo astronomo lavora allo Space Telescope Science Institute. È a Baltimora, il dottor Friedman era incaricato di dispiegare il James Webb nello spazio. “Webb è diverso da qualsiasi altro telescopio che abbia mai volato.”

James Webb Telescope un nuovo design

James Webb

 

Lo scudo solare del telescopio spaziale James Webb copre la lunghezza di un campo da tennis. Questo scudo protegge gli specchi del telescopio dalla luce e dal calore del sole, della luna e della Terra. I pannelli solari del telescopio, esposti al sole, convertono la luce in elettricità per alimentare gli strumenti. L’antenna di Webb lo aiuta a inviare dati agli scienziati sulla Terra.

L’aletta di stabilizzazione impedisce alla macchina di deviare dalla traiettoria. Lo strano design di Webb è sempre stato parte del piano. Il telescopio è stato ideato per la prima volta nel 1989 come successore del telescopio spaziale Hubble, che stava per essere lanciato.

Gli astronomi volevano che il nuovo telescopio vedesse la luce a lunghezze d’onda infrarosse. Ciò completerebbe la capacità di Hubble di vedere la luce ultravioletta, visibile e nel vicino infrarosso. Gli scienziati volevano anche che il telescopio dopo Hubble avesse uno specchio ancora più grande. Lo specchio di Hubble è largo circa 2,4 metri, o otto piedi. Uno specchio più grande sarebbe in grado di raccogliere più luce.

Più luce può raccogliere un telescopio, più lontano può vedere nello spazio. Idealmente, il telescopio per seguire Hubble avrebbe uno specchio largo almeno sei metri. Ma nessuno specchio di quelle dimensioni aveva mai volato nello spazio. Nessun veicolo di lancio disponibile potrebbe trasportarlo. Gli scienziati dovevano progettare uno specchio del telescopio in grado di piegarsi.

Il telescopio avrebbe anche avuto bisogno di uno schermo solare pieghevole. Uno grosso, e così è nato il telescopio origami. È stata una grande impresa. Il progetto è stato ritardato più volte perché la costruzione e il test del veicolo spaziale hanno richiesto così tanto tempo. Altri rallentamenti sono stati causati da errori umani.

Ad esempio, qualcuno ha usato il solvente di pulizia sbagliato sul telescopio. Questo errore ha danneggiato le valvole nel sistema di propulsione. Più recentemente, anche le chiusure dovute alla pandemia di coronavirus hanno respinto il lancio.

“Non credo che avremmo mai immaginato che sarebbe durato così tanto”, afferma Freedman. Ma c’è un lato positivo: la scienza ha marciato oltre. Guardando indietro nel tempo uno degli obiettivi originali di Webb era studiare le galassie come la nostra Via Lattea. Questo è ancora il sogno, in parte perché è un obiettivo ambizioso.

“Volevamo una logica scientifica che resistesse alla prova del tempo”, afferma Massimo Stiavelli. “Non volevamo costruire una missione che avrebbe fatto qualcosa che venisse fatta in altro modo”. Stiavelli è astronomo presso lo Space Telescope Science Institute. È stato un leader del progetto James Webb Space Telescope.

Webb darà un’occhiata alle galassie e alle stelle come erano solo 400 milioni di anni dopo il Big Bang. A quel tempo, l’universo aveva circa il 3% della sua età attuale. Questo è quando gli astronomi pensano che l’universo sia diventato trasparente alla luce. Prima di allora, tutta la materia esisteva in una zuppa di particelle cariche. La luce ha lottato per andare molto lontano attraverso quella zuppa di particelle.

Webb può vedere così indietro nel tempo perché osserva la luce infrarossa. Queste lunghezze d’onda sono troppo lunghe per essere viste dall’occhio umano. Ma queste sono le lunghezze d’onda in cui un telescopio può vedere i primi oggetti nell’universo. Ecco perché:

La luce viaggia a velocità fissa. Quindi ci vuole tempo perché la luce proveniente da qualsiasi oggetto distante ci raggiunga. Guardare oggetti molto lontani significa che li vediamo come erano tanto tempo fa. Poiché l’universo si sta espandendo, la luce proveniente da quegli oggetti primitivi e lontani si estende prima di raggiungere i nostri telescopi. Per gli oggetti più lontani e primitivi, quella luce si estende fino a lunghezze d’onda infrarosse. Viste miste

Webb osserverà l’universo a lunghezze d’onda che sono per lo più più lunghe di quelle che gli umani possono vedere. (L’occhio umano può vedere lunghezze d’onda da 0,38 a 0,7 micrometri. Webb osserverà lunghezze d’onda da 0,6 a 28,5 micrometri.) Webb osserverà anche lunghezze d’onda più lunghe di quelle che il telescopio spaziale Hubble può osservare, ma più corte della maggior parte del telescopio spaziale Spitzer gamma. Questa vista a infrarossi consente a Webb di vedere lontano nell’universo.

Negli anni ’90, gli astronomi volevano guardare all’universo primordiale per risolvere un problema. All’epoca si pensava che l’universo avesse 8 miliardi o 9 miliardi di anni. Ma alcune stelle sembravano avere circa 14 miliardi di anni.

“Non puoi avere un universo più giovane delle stelle più antiche”, dice Freedman. “Il modo in cui la gente diceva: ‘Non puoi essere più grande di tua nonna!'”

Il lato oscuro dell’universo

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Nel 1998, i cosmologi hanno risolto quel mistero. Si è scoperto che l’universo si stava espandendo sempre più velocemente. Se era vero, allora l’universo doveva essere più antico di quanto pensassero gli astronomi. L’età attuale stimata è di circa 13,8 miliardi di anni. Gli scienziati chiamano la misteriosa sostanza che guida l’espansione accelerata dell’universo “energia oscura”.

“Questo ha risolto il conflitto di età”, dice Freedman. “La scoperta dell’energia oscura ha cambiato tutto.” E ha dato a Webb un altro regno da esplorare. Per prima cosa, gli astronomi non possono essere d’accordo su quanto velocemente si sta espandendo l’universo. Ora, in cima alla lista delle cose da fare di Webb c’è la risoluzione di questo disaccordo.

Il tasso di espansione dell’universo è noto come costante di Hubble. Per diversi anni, diversi metodi di misurazione hanno dato risposte diverse. Freedman definisce la questione “il problema più importante della cosmologia”.

La domanda è se la mancata corrispondenza sia reale. Cioè, la velocità di espansione dell’universo sembra davvero diversa a seconda di come lo misuri? Se è così, ciò potrebbe indicare qualcosa di profondo sulla natura dell’energia oscura. Ma le differenze tra le misurazioni potrebbero essere dovute solo a errori.

Il James Webb può aiutare a risolvere quel dibattito

Un modo per misurare la costante di Hubble è misurare le distanze e le velocità di oggetti lontani la cui luminosità è nota. Se conosci la sua luminosità effettiva, puoi calcolare la distanza dell’oggetto in base a quanto appare luminoso dalla Terra. Gli oggetti di luminosità nota sono chiamati “candele standard”.

Le stelle esplosive, o supernove, sono candele standard. Così sono le stelle speciali che emettono impulsi di luce. Queste stelle sono chiamate variabili Cefeidi. Gli studi che utilizzano quelle candele standard hanno trovato un tasso di espansione per l’universo. Tale velocità è di 74,0 chilometri (46 miglia) al secondo per ogni 3 milioni di anni luce di spazio.

Ma anche le stelle giganti rosse sono candele standard. Gli studi che li utilizzano hanno ottenuto un tasso di espansione inferiore. Tale velocità è di soli 69,8 chilometri (43 miglia) al secondo per 3 milioni di anni luce.

Un altro modo per misurare la costante di Hubble è guardare il fondo cosmico a microonde. Questo debole bagliore di luce è stato emesso solo 380.000 anni dopo il Big Bang. I calcoli basati su quel bagliore danno un tasso di espansione ancora più piccolo. Misurano solo 67,4 chilometri al secondo per 3 milioni di anni luce.

Questi numeri possono sembrare simili, ma il fatto che non lo siano affatto è un grosso problema. Potrebbe cambiare la nostra comprensione di cosa contiene l’universo e di come si evolve nel tempo. Per gli scienziati, questa discrepanza è una crisi.

Nel suo primo anno, Webb osserverà diverse candele standard. Osserverà le stelle variabili Cefeidi e le giganti rosse. Osserverà anche strane stelle chiamate stelle di carbonio. Inoltre, il telescopio proverà a misurare la costante di Hubble in un altro modo. Webb osserverà una galassia che è stata sottoposta a lenti gravitazionali.

Cioè, una galassia lontana la cui luce è stata distorta e ingrandita dalla gravità di una galassia più vicina. Misurare il tempo impiegato dalla luce per viaggiare dalla galassia lontana, attraverso la galassia più vicina e infine a Webb può aiutare a misurare indirettamente la costante di Hubble.

Gli astronomi confronteranno tutte queste misurazioni. Questi dati possono anche essere confrontati con osservazioni simili fatte dal telescopio spaziale Hubble. Senza queste nuove osservazioni, “stavamo solo per discutere delle stesse cose per sempre”, dice Freedman. “Abbiamo solo bisogno di dati migliori”. Ora, Webb sta per fornire quei dati.

Alla ricerca della vita

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Forse il più grande cambiamento nell’astronomia durante lo sviluppo di Webb è stato l’ascesa della scienza degli esopianeti. “Quando il James Webb è stato proposto, gli esopianeti non erano nemmeno discussi”, afferma Friedman. “Ora, ovviamente, è uno degli argomenti più importanti di tutta la scienza”.

Uno degli obiettivi originali di Webb era quello di rilevare pianeti simili alla Terra attorno ad altre stelle. Lì, potrebbe cercare prove di vita. Ma 25 anni fa, erano conosciuti solo una manciata di pianeti in orbita attorno ad altre stelle simili al sole. E tutti quei mondi erano giganti del gas bollente. Non assomigliavano affatto alla Terra.

Da allora, migliaia di esopianeti sono stati trovati in orbita attorno a stelle lontane. Gli scienziati ora pensano che ci sia almeno un pianeta per ogni stella nel cielo. Alcuni di questi pianeti sono piccoli e rocciosi, con la giusta temperatura per l’acqua liquida. Questo li rende posti promettenti in cui cercare la vita.

La maggior parte di questi esopianeti sono stati scoperti mentre attraversavano o transitavano davanti alle loro stelle madri. Quando un pianeta fa questo, blocca un po’ della luce della stella. Questo rivela la sua presenza agli astronomi. Inoltre, se quel pianeta ha un’atmosfera, la luce delle stelle dietro di esso filtra attraverso quel gas. Osservando quella luce stellare filtrata, un telescopio sensibile può stuzzicare i gas nell’atmosfera.

Due telescopi spaziali hanno già iniziato questo lavoro. Uno è Hubble. L’altro è il telescopio spaziale Spitzer. Come Webb, Spitzer osserva la luce infrarossa. Ma Spitzer ha esaurito il refrigerante nel 2009. Di conseguenza, il telescopio è troppo caldo per misurare molecole importanti nelle atmosfere degli esopianeti. Hubble, nel frattempo, non è sensibile ad alcune delle lunghezze d’onda più interessanti della luce.

Impariamo a conoscere la caccia alla vita aliena

Quando si tratta di osservare gli esopianeti, usare Hubble è come sbirciare da una fessura in una porta. Ma Webb spalancherà quella porta, dice Nikole Lewis. Studia esopianeti alla Cornell University di Ithaca, New York.

A differenza di Hubble, Webb è sensibile a diverse molecole che contengono carbonio. Tali molecole nell’atmosfera di un esopianeta potrebbero essere segni di vita. “Hubble non può dirci nulla di veramente utile sul carbonio, monossido di carbonio, anidride carbonica, metano”, dice Lewis. Ma Webb può.

Se Webb fosse stato lanciato nel 2007 come previsto, avrebbe potuto perdere l’intero campo. All’epoca si conoscevano solo una ventina di esopianeti in transito. La situazione è cambiata radicalmente tra il 2009 e il 2018. Durante quel decennio, il telescopio spaziale Kepler della NASA ha individuato migliaia di pianeti in transito.

Molti erano troppo deboli e distanti perché Webb potesse sondare le loro atmosfere. Ma dal 2018, il Transiting Exoplanet Survey Satellite della NASA, o TESS, ha iniziato la ricerca. Il suo compito è trovare pianeti in orbita attorno alle stelle più luminose e più vicine. Questi daranno a Webb la possibilità migliore per rilevare molecole interessanti nelle atmosfere dei pianeti.

Se Webb fosse stato lanciato prima, avrebbe dovuto aspettare che TESS scegliesse i migliori obiettivi. Ora Webb può iniziare subito a esplorare quei mondi. Quindi il lancio ritardato di Webb è stato effettivamente positivo per tali studi, afferma Lewis. “I ritardi nel lancio sono stati una delle cose migliori che siano successe alla scienza degli esopianeti con Webb”, dice.

Il primo anno di osservazioni di Webb includerà diversi esopianeti che sembrano luoghi promettenti in cui trovare la vita. Gli scienziati esamineranno anche i pianeti in orbita attorno a piccole stelle fredde chiamate nane M. Queste osservazioni potrebbero aiutare a garantire che tali pianeti abbiano anche atmosfere.

Gli astronomi ne hanno discusso accanitamente per un po’. Se segni di vita si manifestano su uno qualsiasi di questi pianeti, anche questo sarà oggetto di accesi dibattiti, dice Lewis. “Ci sarà un enorme kerfuffle”.

Webb è stato finalmente lanciato dalla Guyana francese il 25 dicembre 2021. Per gli scienziati che lavorano su Webb da decenni, questo è un momento nostalgico. “Inizi a relazionarti con le persone che hanno costruito le piramidi”, dice Stiavelli.

Altri scienziati sono cresciuti in un mondo in cui Webb era sempre all’orizzonte. Quella generazione sta già pensando alla prossima grande cosa. “Sono abbastanza sicuro, salvo disastro epico, che Webb porterà la mia carriera nel prossimo decennio”, dice Lewis. Poi, si chiede, cosa c’è dopo?

Il telescopio Hubble è durato decenni, grazie alle correzioni e agli aggiornamenti apportati dagli astronauti. Ma Webb non avrà quel lusso. Questo telescopio spaziale ha una durata rigorosamente limitata. Orbita troppo lontano dalla Terra per ripararlo.

E dovrà bruciare piccole quantità di carburante per rimanere in posizione. Il carburante è garantito solo per cinque anni. Con un po’ di fortuna, potrebbe durare più del doppio. Ma quando il carburante finirà, Webb sarà perso. Gli operatori del telescopio lo ritireranno in un’orbita fuori mano attorno al sole. Poi, gli astronomi dovranno dirgli addio.

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