La fine del telescopio Spitzer, il grande osservatore dell'universo

Scopriamo di più sulla tecnologia che ha aiutato il telescopio Spitzer ad osservare l'universo per oltre un decennio.

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Dopo più di 16 anni passati a scrutare l'universo, per lo Spitzer Space Telescope è arrivato il momento di andare in pensione: la missione della NASA con protagonista uno dei più grandi telescopi mai costruiti è giunta al termine. Nella giornata di giovedì 30 gennaio il telescopio è passato alla modalità provvisoria, interrompendo tutte le operazioni scientifiche.
Lanciato nel 2003, Spitzer era uno dei quattro grandi osservatori della NASA, insieme al telescopio spaziale Hubble, all'osservatorio a raggi X Chandra e all'osservatorio a raggi gamma Compton. Scopriamo insieme perché questo telescopio ha fatto la storia dell'osservazione astronomica.

Vederci meglio

L'Universo irradia continuamente una grande quantità di informazioni sulla Terra, segnali che coprono una ampio spettro della radiazione elettromagnetica. Tuttavia, non tutti questi messaggi raggiungono il suolo. Poiché l'atmosfera del nostro pianeta blocca la maggior parte delle radiazioni provenienti dallo spazio, è necessario posizionare i telescopi al di là del confine che ci tiene in vita, per cercare di ridurre a zero le perturbazioni e massimizzare la ricezione di questi segnali.
Sebbene non fosse il primo telescopio a infrarossi costruito dalla NASA, Spitzer fu il telescopio a infrarossi più sensibile della storia quando fu lanciato 17 anni fa, e offriva una visione più profonda e più ampia del cosmo rispetto ai suoi predecessori.

Infrarosso

Molti dei "messaggi" provenienti dalle profondità dell'universo sono trasmessi per mezzo della luce infrarossa. Nello spazio, qualsiasi oggetto che abbia una temperatura superiore a zero Kelvin (-273,15 gradi Celsius) emette radiazioni nella banda dell'infrarosso. Ma l'atmosfera terrestre filtra pesantemente questa lunghezza d'onda e per anni gli astronomi hanno cercato di posizionare telescopi oltre l'atmosfera. Tuttavia, è solamente negli ultimi decenni che gli scienziati sono finalmente riusciti ad avviare e comporre una squadra di osservatori orbitali di tutto rispetto: il programma dei Grandi Osservatori.
Questo programma ha dimostrato tutti i benefici dell'utilizzare diverse lunghezze d'onda della radiazione elettromagnetica per riuscire a creare un'immagine più completa dell'universo.
Tra i grandi osservatori figura ovviamente lo Spitzer Space Telescope della NASA, ma il programma include anche l'Hubble Space Telescope (che opera nella luce visibile), il Compton Gamma - Ray Observatory ed il Chandra X-Ray Observatory.

Il successo

Tra i numerosi contributi scientifici che è possibile attribuire allo Spitzer Space Telescope va sicuramente evidenziato quello dato allo studio di comete e asteroidi nel nostro sistema solare. Ma la sua potenza ha contribuito ad arricchire le informazioni riguardanti oggetti ben più massicci: fu lo scopritore di un nuovo anello (mai identificato) attorno a Saturno.
Ha studiato inoltre la formazione di stelle e pianeti, l'evoluzione delle galassie dall'universo primordiale ad oggi e la composizione della polvere interstellare. Si è anche rivelato un potente strumento per rilevare esopianeti e definirne le loro atmosfere.

Il lavoro più noto di Spitzer è quello legato al sistema planetario TRAPPIST-1, ben 7 pianeti orbitanti, che è oggi è il maggior numero di pianeti terrestri mai trovati in orbita attorno a una singola stella. In totale Spitzer ha studiato il sistema TRAPPIST-1 per oltre 1.000 ore ed è riuscito a determinare le masse e le densità di tutti i pianeti del sistema.

Nel 2014, ha rilevato delle collisioni di asteroidi in un sistema planetario di recente formazione, fornendo prove che tali distruzioni potrebbero essere comuni nei primi sistemi solari e fondamentali per la formazione di alcune tipologie di pianeti. Nel 2016, Spitzer ha lavorato con Hubble per catturare un'immagine della galassia più distante mai rilevata, GN-z11. Qui di seguito trovate un video del canale Youtube della NASA che mostra alcuni scatti della galassia in questione.

La strumentazione

Lo Spitzer Space Telescope è una meraviglia tecnologica, con molte soluzioni tecniche mai utilizzate prima in una missione spaziale. È alto circa 4 metri e pesa circa 865 chilogrammi. Come già anticipato, Spitzer è progettato per rilevare le radiazioni infrarosse, che sono principalmente radiazioni di calore. Per farlo, si avvale di diversi componenti.
Il primo si chiama Cryogenic Telescope Assembly e ospita i componenti freddi di Spitzer, tra cui il telescopio da 0,85 metri, tre strumenti scientifici e lo Spacecraft, che gestisce i controlli del telescopio, fornisce energia agli strumenti tramite pannelli solari e invia informazioni scientifiche sulla Terra.
Ma cos'è di preciso che ha reso lo spitzer una pietra miliare dell'osservazione astronomica? Risposta: la sua strumentazione. Eccola qui.

Cryogenic Telescope Assembly

Lo Spitzer Space Telescope della NASA ha avuto bisogno di una particolare temperatura operativa durante tutta la durata della sua missione. Tutto ciò che era all'interno del telescopio doveva essere raffreddato fino a pochi gradi sopra lo zero assoluto (-273 gradi Celsius). Questo risultato fu possibile tramite l'impiego di un serbatoio a bordo, contenente elio liquido.
Le temperature estremamente basse diventarono una necessità affinché il "calore corporeo" dell'osservatorio non interferisse con le sue osservazioni di oggetti cosmici relativamente freddi. Allo stesso tempo, le apparecchiature elettroniche richiedevano invece una temperatura media "ambiente" per poter funzionare correttamente. In totale, il CTA è composto da quattro parti: il Telescopio, la Multiple Instrument Chamber (Infrared Array Camera, Infrared Spectrograph, and Multiband Imaging Photometer), il Cryostat ed il guscio esterno.

Il telescopio

Il telescopio Spitzer monta un'ottica di tipo Ritchey-Chrétien, con uno specchio che misura 85 centimetri di diametro. Pesa meno di 50 kg ed è progettato per funzionare a temperature estremamente basse.
Tutte le sue parti, ad eccezione dei supporti per gli specchi, sono realizzate in berillio, estremamente leggero ma molto resistente. Il berillio è spesso impiegato nella costruzione di telescopi a infrarossi, perché ha una bassa capacità termica a temperature molto basse, il che significa che è facile raffreddarlo rapidamente.

È importante che il telescopio sia costruito da un singolo tipo di materiale, poiché materiali diversi si espandono e si contraggono in misura diversa se posti in prossimità di gradienti uguali di temperatura.
Costruire il telescopio con materiali diversi potrebbe causare una deformazione dovuta ad una variazione di temperatura, causando ulteriore stress sulle giunzioni e facendolo andare fuori fuoco. Il telescopio è attaccato alla parte superiore del cryostat.

Il Cryostat

E' il principale responsabile delle bassissime temperature operative dello Spitzer: utilizza vapore di elio liquido per mantenere freddi gli strumenti. Il criostato contiene circa 360 litri di elio liquido e può raffreddare gli strumenti a temperature fino a 1,4 gradi Kelvin (circa -272 gradi Celsius) per più di 5 anni. Il criostato è attaccato alla parte inferiore del telescopio ed è costituito da un serbatoio di elio, un guscio di vuoto, schermature interne e un sistema di gestione dei fluidi.
Il telescopio e il guscio del criostato furono lanciati e solo successivamente raffreddati (a circa 35 gradi Kelvin) una volta in orbita. Il guscio del vuoto del criostato è stato sigillato durante le operazioni a terra e tenuto chiuso mentre il telescopio si raffreddava per proteggere i delicati strumenti installati al suo interno.

The Multiple Instrument Chamber

Qui è dove erano realmente installati tutti gli strumenti operativi. In questo contenitore dal diametro di 84 cm e un'altezza di 20 cm alloggiavano la telecamera a raggi infrarossi, lo spettrografo a infrarossi ed il fotometro a immagini multibanda. Ospitava anche il sensore di riferimento per la calibrazione del puntamento, che fa parte del sistema di controllo del puntamento, il quale aiuta a garantire che il telescopio stia puntando nella giusta direzione. La "Chamber" in genere è costruita in modo da essere così stretta che nessuna luce può passare tranne quella proveniente in maniera diretta dagli strumenti dal telescopio.

La Infrared Array Camera (IRAC)

La telecamera a infrarossi (IRAC) è uno dei tre strumenti scientifici di Spitzer. È una macchina progettata per rilevare la luce alle lunghezze d'onda dell'infrarosso medio e vicino - in altre parole, la luce con lunghezze d'onda comprese tra 3,6 e 8,0 micron (1 micron è un milionesimo di metro). È una fotocamera utilizzata dagli osservatori per una vasta gamma di programmi di ricerca astronomica.
A differenza di una normale telecamera, che ha un singolo array di rivelatori ed è sensibile a una vasta gamma di diverse lunghezze d'onda della luce, l'IRAC è una telecamera a quattro canali, il che significa che ha quattro rivelatori diversi, ognuno dei quali misura la luce a una particolare lunghezza d'onda.

Cattura immagini simultanee a lunghezze d'onda di 3,6, 4,5, 5,8 e 8,0 micron e ciascuna delle quattro matrici di rivelatori nella fotocamera ha una dimensione di 256 x 256 pixel.
L'IRAC utilizza due diversi tipi di materiale nelle matrici del rivelatore: i due canali a lunghezza d'onda più corta (3,6 e 4,5 micron) hanno rivelatori fatti di indio e antimonio, e i due canali a lunghezza d'onda più lunga (5,8 e 8,0 micron) hanno rilevatori che sono stati appositamente trattati con arsenico.
L'unica parte mobile sull'intero strumento è l'otturatore della fotocamera e l'IRAC è l'unico strumento di Spitzer che può funzionare anche quando l'elio liquido non è più in circolo.

Lo spettrografo infrarosso (IRS)

Lo spettrografo infrarosso permette di effettuare una spettroscopia sia ad alta che a bassa risoluzione alle lunghezze d'onda dell'infrarosso medio (da 5 a 40 micron).
Come un prisma che spezza la luce in un arcobaleno, lo spettrografo prende la luce infrarossa in arrivo da un oggetto distante e la suddivide in uno spettro. Ogni elemento chimico nell'universo ha una propria firma nello spettro, come un'impronta digitale unica. Studiando lo spettro della luce di un oggetto distante, gli astronomi possono capire da quali elementi e molecole è composto.
L'IRS ha quattro diversi moduli: un modulo a bassa lunghezza d'onda che rileva la luce con lunghezze d'onda da 5,3 a 14 micron; un modulo per osservazioni tra 14 - 40 micron, uno per il rage 10 - 19,5 micron e un modulo ad alta risoluzione a lunghezza d'onda variabile per osservazioni dettagliate tra 19 e 37 micron. Ogni modulo ha una propria fessura d'ingresso per far entrare la luce infrarossa nello spettrografo.
Le matrici dei rivelatori hanno dimensioni pari a 128 x 128 pixel. I rivelatori a lunghezza d'onda corta sono trattati con arsenico mentre quelli al silicio a lunghezza d'onda più lunga usano antimonio. L'IRS a differenza dell'IRAC non ha parti mobili.

Il Multiband Imaging Photometer (MIPS)

Il fotometro a banda multipla è una macchina che rileva la luce nell'infrarosso lontano, a lunghezze d'onda di 24, 70 e 160 micron. MIPS è anche in grado di eseguire semplici spettroscopie, proprio come l'IRS. L'array di rivelatori per la modalità 24 micron è di 128 x 128 pixel ed è realizzato in silicio che è stato appositamente trattato con arsenico.
Tutti questi numeri si traducono nel fatto che MIPS può guardare una sezione grande 5 x 5 minuti d'arco della volta celeste con un dettaglio di 24 micron. L'unica parte mobile nel MIPS è uno specchio di scansione che viene utilizzato per mappare ampie aree della volta celeste. Ecco cosa è possibile ottenere da questo strumento:

Alla fine, ma non del tutto

Spitzer è stato originariamente costruito per durare per almeno di 2,5 anni, ma è riuscito ad essere operativo per oltre 5,5 anni. Il 15 maggio 2009 il liquido di raffreddamento si esaurì e iniziò la "fase calda" di Spitzer.
Dunque la missione principale di Spitzer si è conclusa nel 2009, quando il telescopio ha esaurito la fornitura del liquido di raffreddamento ad elio necessario per far funzionare due dei suoi tre strumenti.
La missione è stata considerata un successo, avendo raggiunto tutti i suoi obiettivi scientifici primari e persino superato le aspettative. Ma la storia di Spitzer non era finita. Ingegneri e scienziati sono stati in grado di portare avanti la missione utilizzando solo due dei quattro canali di lunghezza d'onda sul terzo strumento, la telecamera a infrarossi. Nonostante le crescenti sfide ingegneristiche e operative, Spitzer ha continuato a raccogliere informazioni per altri 10 anni e mezzo, molto più a lungo di quanto previsto nei piani della missione.

Nel 2016, a seguito di una revisione delle missioni operative, la NASA ha deciso di concludere quella di Spitzer in previsione del lancio del James Webb Space Telescope, che osserverà anche l'universo alla luce infrarossa (abbiamo dedicato uno speciale a questo argomento).

L'eredità di Spitzer è immensa, ed è il risultato di uno sforzo collettivo della comunità scientifica durato decenni. Sono centinaia le persone che hanno contribuito direttamente al successo di Spitzer e migliaia che invece hanno usato le sue capacità scientifiche per analizzare dati raccolti.
Vi lasciamo con le parole del project scientist della missione Spitzer, Michael Werner: "Penso che Spitzer sia un esempio dell'eccellenza che le persone riescono ad ottenere. Mi sento molto fortunato ad aver lavorato in questa missione e ad aver visto l'ingegnosità e la genialità mostrate dalle persone che vi hanno preso parte. Quando si permette alle persone di sfruttare queste qualità, allora ecco che accadono cose incredibili".