La tecnologia a bordo del James Webb, il telescopio più avanzato al mondo

In questo articolo illustreremo le incredibili tecnologie che caratterizzano il prossimo osservatore dello spazio profondo.

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Il James Webb Space Telescope ormai non ha bisogno di molte presentazioni: Webb sarà il principale osservatore dello spazio profondo del prossimo decennio, al servizio di migliaia di astronomi in tutto il mondo e della NASA. Studierà molte "epoche" della storia del nostro Universo, dai primi bagliori luminosi dopo il Big Bang alla formazione di sistemi solari in grado di supportare la vita, nel tentativo di trovare una seconda Terra, fino all'evoluzione futura del nostro Sistema Solare.
Il James Webb sarà un grande telescopio ad infrarossi con uno specchio primario da 6,5 metri, e sarà lanciato tramite un razzo Ariane 5 dalla Guyana francese nel 2021. Webb era precedentemente noto come "Next Generation Space Telescope" (NGST); è stato ribattezzato nel settembre 2002 in onore di un ex amministratore della NASA, James Webb.

Il progetto è una collaborazione internazionale tra NASA, European Space Agency (ESA) e Canadian Space Agency (CSA). Il Goddard Space Flight Center della NASA sta gestendo le attività di sviluppo. Questo strumento è uno dei più potenti mai costruiti dall'uomo, capace di osservare lo spazio profondo come non era mai stato possibile fino ad ora.
Per far questo sul telescopio sono installate una serie di strumentazioni ottiche dall'alto profilo ingegneristico, con approcci e tecnologie innovative sperimentati proprio durante la progettazione di questo gioiello tecnologico.

Per rinfrescarsi

Tra le caratteristiche del James Webb figura sicuramente lo specchio primario, che ha reso subito iconica l'immagine di questo nuovo telescopio. Lo specchio è composto a sua volta da 18 specchi separati capaci di distendersi aprendosi. Questi ultimi sono realizzati in berillio ultraleggero, materiale che è caratterizzato da uno dei più alti punti di fusione tra i metalli leggeri, una scelta necessaria considerando le alte temperature cui sarà soggetto l'intero telescopio.
Ricordiamo che l'orbita di operatività del James Webb è di tipo Eliocentrica, ovvero si comporterà come fosse un pianeta che ruota attorno alla propria stella (il Sole, appunto). Anche questa è una novità rispetto all'iconico Hubble, che è sempre stato caratterizzato dall'orbitare attorno la Terra. Nel caso fosse interessati a questo particolare aspetto del funzionamento, vi rimandiamo all'interessante speciale dedicato all'orbita eliocentrica del James Webb, nel quale spieghiamo le motivazioni che hanno portato alla scelta di questa scelta.
Poiché il James Webb si troverà molte volte a una considerevole vicinanza con il Sole, è stato installato sul corpo principale un parasole a cinque strati delle dimensioni di un campo da tennis che attenua il calore della nostra bella stella, e tra una faccia e l'altra, la temperatura viene attenuata di circa un milione di volte.

L'ottica di bordo

Esistono quattro strumenti installati sul telescopio - tra telecamere e spettrometri - e tutti dispongono di rilevatori in grado di registrare segnali estremamente deboli. Uno strumento in particolare, il NIRSpec, ha microinterruttori programmabili, che consentono l'osservazione di fino a 100 oggetti contemporaneamente. Webb possiede anche un criocooler per raffreddare i rivelatori a infrarossi di un altro strumento (MIRI) fino a 7 gradi kelvin: una temperatura molto bassa ma necessaria al loro funzionamento.
Abbiamo poi lo spettrografo Near InfraRed (NIRSpec), che funzionerà su una gamma di lunghezze d'onda compresa tra 0,6 e 5 micron. Uno spettrografo, talvolta chiamato anche spettrometro, viene utilizzato per scomporre la luce proveniente da uno oggetto, e renderla uno spettro. L'analisi dello spettro di un oggetto è fondamentale perché restituisce molte delle sue proprietà fisiche, tra cui temperatura, massa e composizione chimica. Gli atomi e le molecole nell'oggetto imprimono "linee" sullo spettro, il quale quindi manifesta in modo univoco ogni elemento chimico presente nella "sorgente" da cui è partito il fascio di luce. Si può dunque raccogliere una moltitudine di informazioni sulle condizioni fisiche nell'oggetto. La spettroscopia e la spettrometria, le scienze dell'interpretazione di queste linee, sono tra le discipline più efficaci a disposizione per analizzare l'universo profondo.

Molti degli oggetti che Webb studierà, come le prime galassie che si formarono dopo il Big Bang, sono così deboli che lo specchio gigante di Webb dovrà osservarli per centinaia di ore per raccogliere abbastanza luce da formare uno spettro.
Ed ecco spiegato il perchè durante la sua missione di 5 anni, James Webb dovrà necessariamente osservare in contemporanea più oggetti lontani. Un traguardo mai raggiunto prima, e NIRSpec sarà il primo spettrografo nello spazio a possedere questa straordinaria capacità d'osservazione multi-oggetto.

Il funzionamento dell'ottica

Per rendere possibile questo traguardo, gli scienziati e gli ingegneri del Goddard Space Institute hanno dovuto ideare un nuovo sistema di microshutter per controllare come la luce entra nel NIRSpec. Si tratta di una tecnologia unica: per ottenere quei 100 spettri simultanei ci si appoggia ad un sistema microelettromeccanico chiamato "array di microshutter". Queste cellule, grandi quanto un capello umano, hanno coperchi che si aprono e si chiudono quando viene applicato un campo magnetico. A cosa servono questi "coperchi"? Ogni cella può essere controllata individualmente, consentendone l'apertura o la chiusura a comando. Si può cosi visualizzare o bloccare una porzione di volta celeste a seconda delle necessità della strumentazione. È questa regolabilità che consente allo strumento di eseguire la spettroscopia su così tanti oggetti contemporaneamente. Per rendere chiaro il concetto del funzionamento del NIRSpec, basti pensare al comportamento dei microinterruttori come al gesto che gli umani eseguono per "mettere a fuoco" un oggetto lontano, ovvero socchiudere gli occhi per concentrarsi su un oggetto bloccando la luce in eccesso che interferisce con la visione. Di seguito, una renderizzazione dell'apparato NIRspec nel suo insieme:

Mid-Ifrared Instrument (MIRI)

Lo strumento a infrarossi medi (MIRI) è dotato sia di una telecamera che di uno spettrografo capace di captare la luce nella banda dell'infrarosso medio dello spettro elettromagnetico, attraverso lunghezze d'onda più lunghe di quanto i nostri occhi riescano a "vedere". MIRI opererà su una lunghezza d'onda compresa tra 5 e 28 micron. I suoi sensori estremamente sensibili gli permetteranno di vedere i redshift di galassie distanti, stelle di nuova formazione e comete debolmente visibili, nonché oggetti nella fascia di Kuiper. La fotocamera di MIRI fornirà immagini che continueranno la "tradizione" dell'astrofotografia che ha reso Hubble così amato e noto in tutto il mondo. Il funzionamento è estremamente complicato e andrebbe trattato in un intero spazio dedicato, ma nel caso siate interessati fatecelo sapere nella sezione commenti, provvederemo a trattarne gli aspetti più interessanti.

Il James Webb telescope è molto più complesso di quanto descritto finora, manca ancora molto da spiegare, come il sistema di telecomunicazione o i sistemi di manovra e di sostentamento, oppure i sistemi di raffreddamento. Siete curiosi di saperne di più su questo gioiello dell'osservazione celeste?