A un anno dal suo lancio, gli astronomi stanno svelando i segreti dell'universo, come i primi risultati scientifici delle osservazioni fatte dal James Webb Space Telescope (JWST) vengono rilasciati. Questo mese, Mondo della fisica sta pubblicando una serie di post sul blog sulle scoperte. Questo è il quarto post della serie: potete leggere il precedente
È passato un anno dal lancio del James Webb Space Telescope (JWST) e, dopo il suo pericoloso dispiegamento e un'attenta collimazione, sta finalmente inviando immagini e dati incredibili. Passare dal launchpad alle operazioni complete, tuttavia, non è stato un compito facile. Ecco un promemoria di come è successo tutto.
Giorno di Natale 2021: dopo quasi 25 anni di sviluppo, il JWST è salito nello spazio su un razzo Ariane 5. Il suo lancio è stato un trionfo sulle tribolazioni tecnologiche, sul budget e sugli sforamenti di programma e persino su una cancellazione (temporanea) da parte del Congresso degli Stati Uniti. Di conseguenza, le emozioni erano alte mentre il conto alla rovescia del trampolino di lancio si avvicinava allo zero.
"Era teso", ammette Susan Mullally, vice scienziato di progetto del JWST presso lo Space Telescope Science Institute (STScI) di Baltimora. "Non riuscivo a credere che fosse reale", aggiunge Naomi Rowe-Gurney, postdoc JWST GTO (Guaranteed Time Observations) presso il Goddard Space Flight Center della NASA, dove supporta il Planetary Systems Team. “Mi aspettavo un altro ritardo di qualche tipo. Pensavo che non sarebbe mai stato lanciato.
Un viaggio pericoloso
La natura stop-start dello sviluppo del progetto è dovuta in parte alla crescente complessità del telescopio, che presenta uno specchio primario segmentato di 6.5 metri e un fragile tettuccio isolante a cinque strati, delle dimensioni di un campo da tennis. Entrambi gli elementi dovevano dispiegarsi come origami dopo essere stati accartocciati per adattarsi all'interno del razzo, un processo di 30 giorni che ha coinciso con il viaggio del telescopio verso il punto di Lagrange L2 dall'altra parte del Sole, a 1.6 milioni di chilometri dalla Terra.
Questo punto è troppo lontano per il tipo di assistenza assistita da astronauti che il telescopio spaziale Hubble ha ricevuto per la sua ottica difettosa nel 1993. elefante che galleggia nello spazio profondo.
"Quei primi 30 giorni sono stati piuttosto snervanti, perché qualsiasi problema era un guasto in un singolo punto e avrebbe significato che non avremmo avuto un telescopio", afferma Rowe-Gurney.
Tutto sommato, c'erano 344 possibili punti di guasto: 344 punti in cui le complesse parti mobili del telescopio dovevano funzionare perfettamente nel freddo vuoto dello spazio. Eppure il lavoro che hanno fatto - "in modo fenomenale" secondo Jane Rigby della NASA Goddard, che ha parlato al Primi risultati scientifici da JWST conferenza tenutasi presso STScI all'inizio di questo mese.
"Il giorno in cui ho capito che avrebbe funzionato è stato quando il boom principale si è aperto e lo specchio secondario si è aperto, e in realtà avevamo un telescopio", afferma Rowe-Gurney. "Anche se le successive implementazioni non funzionassero, potremmo catturare la luce e inserirla negli strumenti".
Mettere a fuoco il telescopio
Con entrambi gli specchi schierati, il passo successivo è stato mettere a fuoco i 18 segmenti esagonali di berillio dello specchio primario. Ciò è stato realizzato in sette fasi. Inizialmente, ogni segmento produceva una diversa immagine sfocata, quindi la prima fase era riconoscere quale immagine apparteneva a quale segmento dello specchio. Il passo successivo è stato allineare approssimativamente gli specchi in modo che le 18 immagini fossero tutte a fuoco. Successivamente, i segmenti sono stati ulteriormente adattati in modo che iniziassero a concentrarsi sullo stesso punto.
Questo è stato seguito da vari gradi di messa a punto e assicurandosi che la messa a fuoco cadesse all'interno dei campi visivi dei diversi strumenti, e quindi da una serie di correzioni per garantire che i segmenti fossero allineati entro 50 nm l'uno dall'altro. Alla fine, dopo un processo di tre mesi, il telescopio era a fuoco.
Rompere il limite di velocità
Con il telescopio in buone condizioni, il passo successivo è stato quello di calibrare i suoi singoli strumenti: il Fotocamera nel vicino infrarosso (NIRCam), le Spettrometro nel vicino infrarosso (NIRSpec), e MIRI, la suite di rivelatori che compongono il Strumento a medio infrarosso.
Gli oggetti lontani e dello spazio profondo sembrano fissi nel cielo, ma gli oggetti del sistema solare si muovono su quello sfondo di stelle, nebulose e galassie. Pertanto, per visualizzare pianeti, lune, comete e asteroidi, il JWST deve seguirli ruotando fisicamente il veicolo spaziale. Prima del lancio, è stato introdotto un limite di velocità di tracciamento: 30 milliarcosecondi al secondo, dove un arcosecondo è 1/3600 di grado).
Una volta nello spazio, tuttavia, il team si è reso conto che questo limite era un po' pessimista. "Stavamo testando la velocità con cui potevamo tracciare e ci siamo resi conto che potevamo effettivamente fare molto più velocemente", afferma Rowe-Gurney, che è stato coinvolto nella messa in servizio degli strumenti per la raccolta di dati su bersagli in movimento e luce diffusa.
La maggiore velocità di tracciamento è tornata utile pochi mesi dopo, quando il JWST ha osservato le conseguenze dell'impatto del DART (Double Asteroid Redirection Test) sul piccolo asteroide Dimorphos. La missione DART era Mondo della fisicaè scientifico svolta dell'anno per il 2022, e il JWST è stato in grado di visualizzare i detriti espulsi dal suo impatto tracciando tre volte più velocemente del limite iniziale, mantenendo l'asteroide nel campo visivo senza sfocature. In effetti, da allora il telescopio ha raggiunto velocità di tracciamento fino a 120 milliarcosecondi al secondo. Tuttavia, più veloce traccia, minore è la sua efficienza di tracciamento, portando a un compromesso intermedio. "Nel prossimo anno il tasso di tracciamento sicuro sarà portato a 75 milliarcosecondi al secondo, più che raddoppiando il limite di velocità, quindi saremo in grado di seguire ancora più oggetti nel sistema solare senza rompere il telescopio", Rowe-Gurney dice.
Rimozione della luce diffusa
Quando il JWST fissa un oggetto luminoso - un pianeta, una stella, persino un quasar distante - parte della luce in eccesso forma uno schema di diffrazione. Questo schema è la causa dei "picchi" visti attorno alle stelle in primo piano in molte delle immagini del JWST e, sebbene carino, può oscurare i dettagli scientifici. Fortunatamente, il modello di diffrazione unico di ogni telescopio può essere descritto come una funzione di diffusione dei punti e caratterizzando la forma di questa funzione di diffusione dei punti per il JWST e i suoi strumenti, gli astronomi possono rimuovere la luce estranea dalle immagini quando necessario.
Un esempio calzante è stata l'immagine del JWST della stella Wolf-Rayet WR 140, che si trova a 5000 anni luce di distanza. Quando sono stati fotografati per la prima volta dal JWST, gli astronomi sono rimasti sbalorditi nel vedere 17 anelli concentrici, o conchiglie, attorno alla stella. Inizialmente si pensava che questi anelli fossero artefatti di imaging dal telescopio, ma dopo aver rimosso la funzione di diffusione del punto, gli anelli erano ancora lì. Ulteriori indagini basate su simulazioni hanno mostrato che i venti stellari delle stelle binarie possono produrre anelli di polvere dove si scontrano e si condensano. Inoltre, il modello degli anelli simulati corrispondeva esattamente al modello degli anelli attorno a WR 140, fino a una caratteristica lineare che tagliava gli anelli a causa della maggiore emissione di infrarossi nella nostra linea di vista.
Le osservazioni di WR 140 rappresentano la prima volta che una struttura del vento in collisione attorno a una stella binaria è stata mappata in 3D. Ma se gli astronomi non avessero prima modellato lo schema della luce diffusa che penetra nel telescopio in modo da poterlo rimuovere, sarebbe stato impossibile discernere ciò che le osservazioni ci stavano dicendo.
Il nuovo giocattolo degli astronomi
L'esempio della stella Wolf-Rayet mostra quanto sia vitale conoscere il telescopio durante le osservazioni. "È qualcosa a cui devi pensare molto", dice Mullally. "In ogni fase del percorso speri di avere un esperto nel tuo team che conosca il più possibile sullo strumento o su come vengono presi questi tipi di osservazioni."
Di conseguenza, una delle motivazioni alla base dei JWST Scienza a rilascio anticipato (ERS) aveva lo scopo di aiutare alcuni astronomi a familiarizzare con il telescopio e i suoi strumenti in modo da poter portare gli altri al passo con i successivi cicli di osservazione. “È come un nuovo giocattolo”, afferma Rowe-Gurney. "C'è molto lavoro da fare su come elaborare e calibrare i dati per assicurarsi che siano affidabili."
Fortunatamente, il JWST sta giocando a pallone. "Gli scienziati degli strumenti potrebbero dire che stanno ancora imparando a conoscere i loro strumenti e come rimuovere piccole sistematiche e artefatti e cose del genere nei tuoi dati", dice Mullally, "ma nel complesso l'impressione che sto ricevendo da tutti è che il telescopio si sta comportando meravigliosamente.”
Rischio impatto
Finora, c'è solo un avvertimento sulle prestazioni del JWST: il danno causato dagli impatti di micrometeoroidi. In media, lo specchio del telescopio viene colpito una volta al mese da qualcosa di abbastanza grande da influenzare rilevamento del fronte d'onda, che è la capacità del telescopio di rilevare errori nell'allineamento della sua ottica che possono manifestarsi come onde luminose sfasate. Questa riduzione del rilevamento del fronte d'onda può rendere le immagini meno nitide.
Tali impatti erano stati previsti prima del lancio e non ci si aspettava che fossero abbastanza grandi da minacciare la durata del telescopio. Tuttavia, nel maggio 2022 uno dei segmenti speculari ha ricevuto un impatto maggiore del normale. Nel suo discorso alla conferenza First Science Results from JWST, Rigby ha riferito che questo impatto ha lasciato una ferita di un piede, aumentando l'errore totale del fronte d'onda del telescopio di 9 nm. Questo è significativo perché se l'errore del fronte d'onda raggiunge i 150 nm, il telescopio non sarà più abbastanza sensibile per raggiungere i suoi obiettivi scientifici, il che significa che solo 10 impatti di una scala simile sarebbero "game over" per il JWST.
Un po' allarmata da questa prospettiva, la NASA ha convocato un gruppo di lavoro sui micrometeoriti per indagare sul rischio. La popolazione di micrometeoroidi in L2 è ben nota; ciò che non è chiaro è la relazione tra l'energia cinetica degli impatti e il degrado del rilevamento del fronte d'onda. Impatti così grandi sono estremamente rari e il JWST è stato semplicemente sfortunato a maggio? O il telescopio subirà impatti più gravi con una frequenza maggiore del previsto?
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Fino a quando il gruppo di lavoro non troverà risposte, i gestori del telescopio stanno mitigando il rischio incoraggiando gli astronomi a cronometrare le loro osservazioni (ove possibile - le osservazioni sensibili al tempo sono esenti) in modo che il telescopio non punti verso la "pioggia" di micrometeoroidi.
Se questo sistema ha successo, o il gruppo di lavoro fornisce una risposta rassicurante sulle probabilità di impatto, il JWST dovrebbe avere una lunga vita davanti a sé. Grazie al suo lancio impeccabile e a un viaggio in L2 che ha richiesto minime correzioni di rotta, l'oscilloscopio ha abbastanza propellente a bordo per continuare la sua missione per almeno altri 27 anni. Se i primi 12 mesi della missione sono indicativi, questi 27 anni dovrebbero produrre risme di nuove viste e dati sensazionali da uno strumento superbo, con un'alta probabilità di trasformare l'astrofisica, gli studi sugli esopianeti, la cosmologia e altro ancora. Il giro sulle montagne russe del lancio del JWST potrebbe essere finito, ma il vero viaggio è solo all'inizio.
