Gli astronomi hanno rivolto lo sguardo al futuro in seguito all'ultima indagine decennale di astronomia e astrofisica condotta dalle accademie nazionali degli Stati Uniti, che raccomandava una nuova generazione di telescopi spaziali. Keith Cooper esplora le loro prospettive e le lezioni apprese dal travagliato sviluppo del James Webb Space Telescope
Il giorno di Natale 2021 è stato un'occasione felice per la maggior parte degli astronomi di tutto il mondo, come lo è stato quando il tanto ritardato James Webb Space Telescope (JWST) è stato finalmente lanciato. Tuttavia, la fanfara che circonda il suo dispiegamento nello spazio nel mese successivo, così come il successivo giubilo per le sue prime immagini, ha mascherato un problema preoccupante nell'astronomia osservativa, che è gran parte del resto della flotta di osservatori orbitanti spaziali della NASA sta invecchiando. Il Telescopio spaziale Hubble lavora dal 1990, mentre il Osservatorio radiografico di Chandra è stato lanciato quasi un decennio dopo. Nel frattempo, il loro connazionale a infrarossi, il Telescopio spaziale Spitzer, lanciato nel 2003, non è più operativo, essendo stato chiuso nel 2020.
Ecco perché gli astronomi temono che se dovesse accadere qualcosa a uno o più di questi telescopi sempre più traballanti, potrebbero essere tagliati fuori da intere fasce dello spettro elettromagnetico. Con la chiusura di Spitzer, il lontano infrarosso (160 micron) è già fuori portata poiché il JWST si avventura nel medio infrarosso solo a 26 micron. Allo stesso modo, il JWST non è ottimizzato per l'osservazione di lunghezze d'onda visibili o ultraviolette come fa Hubble. Certo, l'imminente Telescopio spaziale romano di Nancy Grace - precedentemente Wide Field InfraRed Survey Telescope (WFIRST) - è un telescopio ottico e nel vicino infrarosso, ma il suo campo visivo è molto più ampio di quello di Hubble, il che significa che non è adatto per lavori ravvicinati e dettagliati; né ha la copertura ultravioletta di Hubble.
Grandi osservatori
Per garantire che la nostra visione dell'universo in tutto lo spettro rimanga brillante, gli astronomi statunitensi stanno attualmente selezionando e scegliendo la prossima coorte di telescopi spaziali. La principale raccomandazione dell'ultima indagine astronomica decennale delle Accademie nazionali delle scienze, dell'ingegneria e della medicina degli Stati Uniti: il rapporto di 614 pagine Percorsi di scoperta in astronomia e astrofisica per gli anni 2020 (Astro2020) – prevede che vengano messi in atto piani per una nuova generazione di "grandi osservatori" che inizino a essere lanciati negli anni '2040 del XNUMX. Questo riecheggia quando Chandra, Hubble, Spitzer e il Osservatorio dei raggi gamma Compton (che ha operato tra il 1991 e il 2000 e nel 2008 è stato sostituito dal Fermi Space Telescope) erano in fase di sviluppo e che sono stati annunciati come i “grandi osservatori”.
Lavorando fianco a fianco per studiare l'universo, questi telescopi hanno guidato per decenni la ricerca astrofisica della NASA. Il riutilizzo di questa frase "grandi osservatori" nel nuovo sondaggio decennale è deliberato, afferma il copresidente del sondaggio, Fiona Harrison del California Institute of Technology. "È per far capire che le osservazioni pancromatiche, dai raggi X all'infrarosso, sono davvero essenziali per l'astrofisica moderna", afferma. "Gran parte del successo dei grandi osservatori [originali] è che sono stati sviluppati e lanciati uno dopo l'altro, con osservazioni sovrapposte".
Costruire un telescopio spaziale di successo è un processo lungo, che in genere richiede 25 anni dall'inizio dello sviluppo al lancio. Il lavoro concettuale per Hubble è iniziato negli anni '1960, mentre i piani per il JWST sono stati realizzati per la prima volta nel 1995, dopo il Immagini del campo profondo di Hubble ha dimostrato che le prime galassie sono alla portata di un telescopio più grande. La prossima generazione di tali sonde spaziali quindi non verrà lanciata prima del 2040, al più presto. Ma includeranno la raccomandazione numero uno del sondaggio: una missione di punta per sostituire Hubble, traendo ispirazione da due concetti: il Osservatorio degli esopianeti abitabili (HabEx) e la Grandi ultravioletti, ottici e infrarossi (LUVOIR) telescopio. Sul tavolo da disegno ci sono anche una missione a raggi X e un telescopio in grado di osservare nel lontano infrarosso.
Ma data la precaria salute del nostro attuale raccolto di telescopi spaziali, e sapendo che le nuove missioni non verranno lanciate prima di altri 20 anni, gli astronomi non avrebbero dovuto iniziare a pianificare nuovi grandi osservatori anni fa? "Sicuramente", dice Steven Kahn dell'Università di Stanford, che ha presieduto uno dei panel del sondaggio decennale sui futuri telescopi spaziali. Cita l'osservatorio Constellation-X, una sonda spaziale a raggi X che era stata raccomandata come follow-up di Chandra nell'indagine decennale del 2000, ma che non è mai stata realizzata a causa del prolungato sviluppo del JWST, che ha risucchiato tutto il bilancio dell'astrofisica. "Il JWST ha sostanzialmente dominato il grande programma di osservazione della NASA per due decenni e mezzo", spiega Kahn. "Di conseguenza, non c'era spazio per una successiva missione a raggi X, o il tipo di missione pionieristica nel lontano infrarosso che stiamo immaginando".
Il vincitore si prende tutto
In effetti, lo sviluppo del JWST ha visto molti problemi, inclusi enormi sforamenti di costi e tempi di sviluppo, che hanno quasi visto il progetto annullato. Il ricordo di questi errori incombe sulla nuova indagine decennale, influenzando alcune delle raccomandazioni formulate per ristabilire l'equilibrio dell'astrofisica negli Stati Uniti. Ma non è sempre stato così. Kahn si lamenta di come, prima del sondaggio del 2000, il solo fatto di entrare nell'elenco delle raccomandazioni in un sondaggio decennale fosse sufficiente per garantire virtualmente che il tuo progetto o la tua missione si realizzassero. Ma nell'era moderna dei telescopi da 10 miliardi di dollari, "devi essere il numero uno o non ce la farai", dice Kahn. "Il problema è che in questo ambiente in cui il vincitore prende tutto, tutti vogliono lanciare tutte le campane e i fischietti che possono su un progetto perché se pensi che avrai solo una possibilità in una grande missione nei prossimi 50 anni , vuoi farlo contare.
È questo modo di pensare che può portare ai problemi che il JWST ha affrontato e causato. Più complesso diventa il progetto di una missione, più strumenti e capacità vuoi che abbia per renderlo utile, il che significa che diventa più costoso e richiede più tempo per svilupparsi. "Tutto ciò ci riporta in questo circolo vizioso in cui il vincitore prende tutto", continua Kahn.
Harrison è d'accordo, sottolineando che questa nuova indagine decennale è un tentativo di provare a cambiare l'approccio dell'astronomia statunitense. "Per un sondaggio decennale dire, questa è la cosa numero uno, dobbiamo farlo a prescindere da cosa, a qualunque costo finisca per essere, non è un approccio responsabile", afferma. Nel tentativo di contrastare questo, il recente sondaggio fa una serie di nuove proposte. Tra questi c'è l'idea che le missioni dovrebbero essere progettate in sintonia con priorità scientifiche specifiche, piuttosto che lasciare che il concetto di missione scappi da solo, con tutte le "campane e fischietti", per citare Kahn.
Ad esempio, una delle domande scientifiche chiave che il panel di Kahn ha esaminato è stata il modo in cui i buchi neri supermassicci attivi nelle galassie lontane e polverose influenzano la formazione stellare. L'accrescimento di materia su tali buchi neri sarebbe rilevabile da un telescopio a raggi X ad alta risoluzione angolare, mentre una missione spettroscopica nel lontano infrarosso sarebbe in grado di scrutare attraverso la polvere e sondare linee spettrali specifiche relative alla formazione stellare e al feedback da venti da buco nero. La speranza è che le due missioni possano essere lanciate a distanza di pochi anni l'una dall'altra e operare all'unisono. Tuttavia, quale forma prenderanno queste missioni è ancora nell'aria.
Prima del sondaggio decennale c'erano due concetti di missione: il Osservatorio a raggi X Lynx e la Origini Telescopio Spaziale – che funzionerebbe a lunghezze d'onda del medio e lontano infrarosso, con uno specchio del telescopio di diametro compreso tra 6 e 9 m. Si stimava che ciascuno costasse circa 5 miliardi di dollari, ma il sondaggio decennale ha concluso che questi costi erano stati sottovalutati e che le loro capacità scientifiche non si adattavano del tutto ai requisiti che il panel stava cercando.
Missioni di punta
E qui entra in gioco una delle altre innovazioni dell'indagine decennale, vale a dire una nuova classe di telescopi spaziali denominata “probe-class”, con budget di qualche miliardo di dollari. "Dobbiamo riconoscere che se le cose fossero tutte costose come JWST, sarebbe difficile avere tutti i grandi osservatori operativi contemporaneamente", afferma Marcia Rieke dell'Università dell'Arizona, che ha guidato il secondo panel sui telescopi spaziali, concentrandosi sul regime ottico e nel vicino infrarosso. "Il modo migliore invece potrebbe essere quello di avere una missione di punta, e poi avere le altre parti dello spettro elettromagnetico coperte da missioni sonda".
In effetti, qualsiasi possibile missione di classe sonda a raggi X e nel lontano infrarosso potrebbe anche essere affiancata da un telescopio ultravioletto di classe sonda. I miglioramenti nei rivestimenti degli specchi e nei rivelatori negli ultimi decenni significano che un telescopio da 1.5 m potrebbe effettivamente essere più sensibile di Hubble alle lunghezze d'onda dell'ultravioletto. "Ciò fornirebbe una certa robustezza contro i guasti veri e propri di Hubble", afferma Rieke.
Per aiutare a sviluppare questi futuri telescopi spaziali, sia che procedano come colossi da 10 miliardi di dollari o come missioni sonda più modeste (ma comunque ambiziose), il sondaggio decennale raccomanda che la NASA crei un nuovo Missione dei grandi osservatori e programma di maturazione tecnologica. Non solo svilupperebbe la tecnologia, ma anche "maturerebbe i concetti di missione", afferma Harrison. Da parte sua, la NASA sta già organizzando workshop nell'ambito di questo nuovo programma e ha prodotto una bozza di invito per missioni sonda.
Se le missioni a raggi X e nel lontano infrarosso – per ora soprannominate “Fire” e “Smoke” – devono essere di classe sonda, allora il grande osservatorio di punta sarà il tanto atteso sostituto diretto del telescopio spaziale Hubble. Il concetto che apre la strada è LUVOIR, e sono state proposte due versioni del telescopio: o un telescopio incredibilmente ambizioso da 15 m, o un telescopio da 8 m, l'ultimo dei quali sarebbe ancora il più grande telescopio spaziale mai lanciato.
Altre terre
Per ragioni di praticità e di costi, l'indagine decennale ha raccomandato che la versione da 15 m fosse abbandonata e che il progetto finale fondesse le parti migliori sia di LUVOIR che di HabEx. L'obiettivo scientifico chiave di questo telescopio, spiega Rieke, è che deve essere in grado di rilevare pianeti di massa terrestre nella zona abitabile delle stelle. A tal fine, il panel di Rieke ha avviato una discussione con la comunità degli esopianeti su quanti pianeti potenzialmente abitabili potrebbero essere rilevati in funzione delle dimensioni del telescopio.
“Come gruppo, chiedete: quali sono gli obiettivi scientifici chiave? Quale livello di sensibilità è necessario? Qual è il telescopio più piccolo che farà il lavoro?" dice Rieke. La risposta che ha ottenuto è stata che un telescopio con un'apertura di 6-8 m è piccolo quanto osi andare se vuoi trovare esopianeti potenzialmente abitabili.
Tuttavia, il successo non riguarda solo le dimensioni del telescopio; anche i suoi strumenti devono essere all'altezza. L'imaging riuscito di pianeti delle dimensioni della Terra vicino alle loro stelle richiederà un coronografo come parte del suo progetto. Gli esopianeti delle dimensioni della Terra normalmente non possono essere ripresi perché il bagliore della loro stella è troppo potente. Un coronografo blocca la luce della stella, rendendo più facile vedere eventuali pianeti presenti. Sono stati un punto fermo degli studi sul Sole per decenni: il loro nome deriva dal blocco del disco solare in modo che gli astronomi possano vedere la corona solare. Ma escogitare un coronografo in grado di bloccare con precisione la luce brillante di una stella, che appare essenzialmente come una sorgente puntiforme, consentendo al tempo stesso di rendere visibili i pianeti a pochi milliarcsecondi dalla stella riducendo il contrasto tra il bagliore della stella e la luce dei pianeti a 10-10, è "un bel passo avanti rispetto a tutto ciò che abbiamo fatto prima", afferma Rieke.
Oltre lo spazio, telescopi a terra
Non tutte le raccomandazioni del sondaggio decennale sono relative ai telescopi giganti nello spazio. In effetti, alcuni di loro sono telescopi giganti saldamente radicati sulla Terra. Ad esempio, il controverso Telescopio da trenta metri da costruire a Mauna Kea alle Hawaii, nonostante le proteste di alcuni nativi hawaiani, continua ad andare avanti. Così è anche il Telescopio del Gran Magellano, che è in costruzione in Cile e sarà caratterizzato da sette telescopi da 8.4 m per dare un diametro effettivo di 24.5 m.
Il sondaggio raccomanda inoltre che il Array molto grande di nuova generazione – 244 antenne radio di 18 m di diametro e 19 antenne di 6 m di diametro sparse nel sud-ovest degli Stati Uniti – dovrebbero iniziare a essere costruite entro la fine del decennio. Sostituirà il vecchio Very Large Array nel New Mexico e il Very Long Baseline Array di piatti negli Stati Uniti. Aggiornamenti al Grande Interferometro Osservatorio di onde gravitazionali (LIGO) e si raccomandano anche piani per un eventuale successore.
Nel frattempo, i cosmologi saranno rincuorati nel sentire che l'indagine richiede anche un nuovo osservatorio terrestre, soprannominato l'osservatorio CMB Stage 4, per rilevare la polarizzazione nella radiazione cosmica di fondo a microonde per cercare prove di onde gravitazionali primordiali risultanti dall'inflazione cosmica. nei primi istanti dell'universo.
Infine, nello spazio, la massima priorità per le missioni di media scala è un programma multi-messaggero e nel dominio del tempo a risposta rapida per sostituire la navicella spaziale Swift della NASA e rilevare supernovae, lampi di raggi gamma, kilonovae e vari altri tipi di transitori astronomici. Fondamentalmente, le missioni in questo nuovo programma devono essere in grado di lavorare con e supportare le osservazioni a terra di LIGO, il Matrice del telescopio Cherenkov e la Cubetto di ghiaccio rivelatore di neutrini, per il quale è stato consigliato anche un rivelatore di “Generazione 2”.
Finanziato a sufficienza?
La risposta generale alle raccomandazioni del sondaggio decennale è stata per lo più positiva, con la NASA, il Laboratorio nazionale di ricerca astronomica nell'infrarosso ottico (NOIRLab) e la Osservatorio nazionale di radioastronomia (NRAO) tutti dandogli il loro sigillo di approvazione. Il prossimo passo, dice Harrison, è convincere i politici a separarsi dai fondi che saranno necessari per rendere possibili i grandi osservatori.
Il prossimo passo è convincere i politici a separarsi dai fondi che saranno necessari per rendere possibili i grandi osservatori
Fiona Harrison, California Institute of Technology
"Certamente un obiettivo ora per me e Robert Kennicutt [co-presidente di Harrison dell'Università dell'Arizona e della Texas A&M University] è cercare di esprimere al Congresso l'entusiasmo per i progetti avvincenti raccomandati dal sondaggio", afferma. "È stata una risposta positiva dalla NASA e vuole che le raccomandazioni si realizzino, ma il budget deve essere lì".
Se quel denaro fosse disponibile, Rieke stima che il finanziamento necessario per maturare la tecnologia per il telescopio ottico sia di circa mezzo miliardo di dollari. "Saremmo quindi pronti, verso la fine di questo decennio, ad avere tutte le anatre tecnologiche sedute in fila e saremo in grado di entrare nella fase di costruzione", afferma.
I tempi coinvolti sono fenomenali. Se Hubble e Chandra sono qualcosa su cui basarsi, i telescopi di nuova generazione lanciati negli anni '2040 del 2070 potrebbero essere ancora operativi negli anni '10 del XNUMX o oltre. Le raccomandazioni dell'indagine decennale non sono quindi importanti solo per i prossimi XNUMX anni di astronomia, ma anche per il loro impatto su gran parte di questo secolo. C'era quindi un'enorme pressione sul sondaggio per farlo bene.
"È qui che è importante scegliere obiettivi ambiziosi", afferma Rieke. "Devi identificare qualcosa di così importante che tutti siano d'accordo, ed è un passo avanti sufficiente affinché qualcos'altro non ti sorpassi mentre lo fai." La storia giudicherà se questo sondaggio decennale ha preso le sue decisioni chiave corrette, ma dal punto di vista odierno, il futuro dell'astrofisica promette di essere entusiasmante.
