Perchè il James Webb Telescope orbiterà attorno al Sole e non alla Terra?

La posizione e l'orbita del James Webb Telescope sono state scelte con un criterio ben preciso, che passa per il cosiddetto "problema dei tre corpi".

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James Webb Telescope sarà un telescopio rivoluzionario. Come vi abbiamo già detto in passato, andrà alla ricerca delle prime sorgenti luminose nate subito dopo il Big Bang e a meno di ulteriori ritardi e slittamenti, verrà lanciato nel 2021. Questo telescopio avrà una particolarità: Orbiterà attorno al Sole, e non alla Terra. E lo farà alla distanza di 1,5 milioni di km dal nostro pianeta.
Ma perché spedire un telescopio, il cui costo si sta avvicinando ai 10 miliardi di dollari, così lontano anziché averlo "al nostro fianco" come il famoso telescopio Hubble, che orbita attorno alla Terra a poco più di 540 km dalla superficie terrestre? Anzitutto, la distanza alla quale il James Webb Telescope sarà piazzato non è assolutamente casuale: verrà posizionato nel cosiddetto secondo punto di Lagrange, "L2".

Cos'è il punto L2?

L'obiettivo principale è posizionare il telescopio in modo tale che il suo moto non venga disturbato dall'attrazione gravitazionale di altri corpi celesti: quando un satellite viene lanciato in orbita nello Spazio, si ritrova a subire l'attrazione di qualsiasi oggetto dotato di massa, in un "tira e molla" condotto principalmente dai pianeti vicini e dal Sole, che ne disturbano la traiettoria modificandola in modo considerevole. L2 è il nome dato ad un punto "speciale" che si trova sulla retta che passa per il centro del Sole e per il centro della Terra. Posizionandosi in L2, James Webb verrà certamente attratto sia dalla Terra che dal Sole, ma nessuna delle due attrazioni combinate lo farà avvicinare perché a quella distanza il telescopio avrà una velocità sufficiente da permettergli di mantenere un orbita "circolare": è l'effetto della forza centrifuga. Questo fenomeno è apprezzabile anche sulla Terra: se si prende una corda afferrandola per una estremità, legando una pallina all'altro capo, e la si fa roteare al di sopra della propria testa con l'intento di mantenerla a quell'altezza, il percorso descritto dalla pallina sarà un'orbita circolare (il raggio dell'orbita è proprio la lunghezza della corda tesa) ed è ottenuta solo se si raggiunge una certa velocità. Alla stessa maniera il telescopio resterà sempre alla stessa distanza dal nostro pianeta, a 1,5 milioni di km appunto.

L'aggettivo circolare è messo tra virgolette perché in realtà l'orbita in questione non è propriamente una circonferenza, non potrebbe esserlo perché c'è una complessa interazione tra i tre corpi. Per la precisione, l'orbita che James Webb percorrerà è detta "orbita Halo", un'orbita che non giace su di un piano, ma che è tridimensionale ed è formata da molte "dunette", che porteranno il telescopio ad oscillare proprio attorno a questo punto, mentre percorre l'orbita. Nel breve video disponibile di seguito, é possibile visualizzare l'orbita in questione (in rosso) e la sua forma particolare.

Il calcolo di questo punto rientra nel cosiddetto "problema dei tre corpi" (in questo caso Sole - Terra - Telescopio), un problema di meccanica orbitale affrontato con successo dal matematico Joseph-louis Lagrange nel XVIII secolo, i cui risultati sono tutt'ora utilizzati. Il problema, in sostanza, chiedeva: "E' possibile trovare una configurazione per cui tre corpi possano orbitare l'uno attorno all'altro rimanendo sempre nella stessa posizione relativa tra loro?".
La soluzione di questo problema permise di identificare 5 punti nello spazio nei quali è possibile posizionare un satellite bilanciando l'attrazione gravitazionale del Sole, chiamati "Punti di Lagrange" in onore del matematico italiano.

Perché dei 5 punti, proprio L2?

Di tutti e 5 i punti, L2 è il più "vantaggioso": è lontano dal Sole, e da quella posizione il telescopio gli darà le spalle, puntando in direzione opposta ed evitando dunque tutta la luce infrarossa emessa dalla stella. James Webb è un telescopio che opera nell'infrarosso, dunque è di vitale importanza che le sue osservazioni non vengano disturbate da una così potente fonte di radiazioni infrarosse quale è il Sole. Il suo scudo servirà proprio a proteggere la strumentazione dalla luce solare e dalle alte temperature cui sarà soggetta. Basti pensare che le superfici del tescopio rivolte verso il Sole raggiungeranno una temperatura di 85°C, mentre quelle esposte in direzione di osservazione raggiungeranno circa i -233°C. Uno scudo decisamente protettivo. E affinché sia sempre così efficace, è importante che il Sole resti sempre "alle spalle" di Webb, ovvero nella stessa posizione relativa. Si tende sempre a specificare con l'aggettivo "relativa" perché lo spazio è isotropo, vale a dire che non ha nessuna direzione privilegiata.

Ma ritornando alla questione, si diceva che ad una tale distanza il telescopio potrà operare indisturbato, lontano dalle interferenze luminose del Sole, in assoluta tranquillità. Inoltre, al contrario di Hubble che ad ogni orbita completata è soggetto a 90 minuti di "oscurazione" da parte della Terra, James Webb avrà la visuale sempre completamente libera.

Conseguenze dovute alla distanza?

L'incredibile distanza tra la Terra e il telescopio non causerà dei ritardi nell'invio e nella ricezione di comandi e dati, come avviene per quasi tutte le sonde operative nel sistema solare. Nessuna tempistica come quella della sonda JUNO quindi, le cui comunicazioni avvengono con un ritardo di circa 48 minuti, tempo necessario affinché un segnale inviato dalla sonda raggiunga la Terra. Con il telescopio James Webb, la meccanica è la stessa, ma è meno marcata: un segnale inviato dal telescopio impiegherà 5 secondi a percorrere gli 1,5 milioni di chilometri.
Inoltre un grande vantaggio legato a questa posizione "fissa" è che il telescopio occuperà sostanzialmente sempre gli stessi spazi nelle regioni di cielo notturno e sarà quindi possibile avere comunicazioni continue attraverso tre grandi antenne presenti in Spagna, in California e in Australia facente parti del Deep Space Network, una rete internazionale di radiotelescopi del Jet Propulsion Laboratory della NASA. La disposizione di queste tre antenne copre ogni area della Terra, dando l'opportunità di poter comunicare con il telescopio senza preoccuparsi della rotazione terrestre: in qualsiasi momento, ci sarà almeno una delle tre antenne pronta a ricevere o inviare dati.

Il principale aspetto negativo del suo posizionamento è legato alla possibilità di intervenire in caso di malfunzionamenti: James Webb sarà talmente distante che un qualsiasi guasto dei componenti (non risolvibile a distanza) decreterà la fine del telescopio e dell'intera missione. In L2, James Webb è troppo lontano dalla Terra e sarà praticamente impossibile da raggiungere per una eventuale riparazione manuale, procedura eseguita in passato per il ben più vicino Telescopio Hubble, quando ancora lo Space Shuttle era in servizio, almeno. E' essenziale dunque che James Webb funzioni alla perfezione, ma ancora prima di lui, a funzionare dovranno essere tutti i calcoli effettuati per ogni fase della missione, dal lancio al dispiegamento dello scudo, dall'arrivo in L2 alla gestione del sistema di puntamento. Come abbiamo visto, molte precauzioni sono state adottate nella costruzione di questo "osservatore", perché sarà il primo telescopio ad operare così distante da casa, perché andrà ad osservare l'Universo dove nessun altro telescopio è mai stato in funzione, lontano da tutto. Dovrà essere un buona la prima, senza possibilità di scelta.

Credits immagine di copertina: Anri Demchenko