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James Webb: tutto quello che c’è da sapere sul telescopio spaziale da record

Ventisei anni di lavoro, dodici miliardi di dollari investiti: il James Webb Space Telescope (JWST), realizzato dalla NASA con contributi delle agenzie spaziali europea e canadese, è senza dubbio il telescopio spaziale più avanzato, più grande e più costoso mai realizzato. 

Con il suo mastodontico specchio primario da 6,5 metri di diametro e la sua sensibilità nel vicino e medio infrarosso, promette di rivoluzionare la nostra comprensione del cosmo in un modo paragonabile soltanto a quanto ha fatto il telescopio spaziale Hubble.

Scopriamo insieme tutto quello che c’è da sapere su questo strumento destinato a spazzare via ogni record.

Cosa studierà James Webb?

Come anche Hubble, James Webb è stato progettato per essere un telescopio “tuttofare”. O, come dicono gli astronomi, sarà un telescopio multi-purpose. È infatti uno strumento molto versatile, in grado di occuparsi di un gran numero di faccende, dalle questioni legate al nostro sistema solare fino a quelle cosmologiche che riguardano l’universo su larga scala.

L’obiettivo principale di Webb, comunque, è di osservare con un dettaglio senza precedenti l’universo profondo. Il telescopio è pensato infatti per osservare il cielo con una profondità inedita, per scovare gli oggetti più lontani mai osservati e fare così luce sull’universo primordiale, di cui sappiamo molto poco. L’obiettivo è osservare le prime galassie e protogalassie, intente a formarsi quando il cosmo aveva appena 100 o 200 milioni di anni. (Per intenderci, il record attuale di profondità è circa 300 milioni di anni dal Big Bang!). 

HD1, nella costellazione del Sestante, è l’oggetto più distante noto finora. La luce che osserviamo in questa immagine è partita 13,5 miliardi di anni fa, quando l’universo aveva appena 300 milioni di anni. James Webb potrà andare ancora più a ritroso nel tempo cosmico! Credits: Harikane et al.

Oltre alle galassie, James Webb è attrezzato per osservare supernovae lontanissime (indispensabili per aiutarci a capire qualcosa di più su uno dei maggiori grattacapi della cosmologia moderna: la fantomatica energia oscura) e i corpi minori del sistema solare esterno, tra cui comete, asteroidi e oggetti transnettuniani (utilissimi per comprendere meglio la formazione del sistema solare), ma anche le interessantissime lune di Giove e Saturno e l’enigmatico Plutone. 

Non dimentichiamo poi che Webb potrà osservare direttamente la formazione stellare e planetaria (fenomeni di cui sappiamo ancora molto poco), “sbirciando” grazie alla sua sensibilità infrarossa all’interno delle nubi di gas e polveri che nascondono alla vista la nascita di nuove stelle e pianeti. 

Ma a Webb interessano anche i pianeti già formati. Sarà in grado di scovarne di nuovi (con il metodo dei transiti e anche per imaging diretto tramite il suo coronografo), ma soprattutto potrà analizzare la composizione chimica della loro atmosfera, alla ricerca di sostanze che possano suggerire la presenza di vita!

Insomma, non c’è dubbio che JWST sia un telescopio eclettico e dalle infinite possibilità.

Come è fatto James Webb

Per osservare l’universo profondo occorrono due caratteristiche principali: 

  1. uno specchio molto grande in grado di catturare la luce di oggetti distantissimi e debolissimi;
  2. la capacità di osservare in banda infrarossa.

L’ultimo punto richiede una piccola spiegazione. La luce proveniente dagli oggetti lontani, viaggiando per svariati miliardi di anni in un universo, ha perso progressivamente energia a causa dell’espansione dell’universo. Questa perdita di energia si traduce per i fotoni in un aumento della loro lunghezza d’onda. Gli astronomi chiamano questo fenomeno redshift cosmologico. In pratica, le galassie più distanti subiscono l’effetto del redshift a tal punto che la luce visibile da loro emessa è diventata infrarossa.

Ecco perché Webb è dotato dello specchio più grande mai mandato nello spazio e di ben quattro strumenti scientifici che lavorano nella banda degli infrarossi.

Lo specchio primario

Il telescopio è dotato di un sistema di quattro specchi (per una lunghezza focale di 131,4 m), ma il protagonista è senza dubbio il più grande. Lo specchio primario di Webb è bestione da 705 kg e 6,6 metri di diametro. 

Questa è una stazza troppo ingombrante per stare all’interno di un qualsivoglia lanciatore. Ecco perché gli ingegneri hanno dovuto rendere lo specchio pieghevole. Invece di essere costituito da un unico blocco, lo specchio è quindi composto da 18 segmenti esagonali indipendenti montati su un supporto mobile che permette allo specchio di “piegarsi” riuscendo così a entrare nel razzo Ariane 5 che lo ha lanciato nello spazio. 

Lo specchio primario di James Webb è il più grande mai mandato nello spazio. Si notano i 18 segmenti esagonali ricoperti d’oro. In fondo ai lunghi supporti è montato lo specchio secondario. Credits: NASA/C. Gunn

I segmenti, costruiti in berillio ultraleggero placcato d’oro, sono posati su degli attuatori che ne hanno consentito il perfetto allineamento una volta che lo specchio si è dispiegato dopo il lancio.

Gli strumenti scientifici

Lo strumento principale di JWST è il NIRCam (Near InfraRed Camera), una camera che osserva a lunghezze d’onda nel vicino infrarosso comprese tra 0,6 e 5 micron (per confronto, lo spettro visibile va da 0,4 a 0,7 micron, quindi Webb è sensibile alla luce visibile rossa). È uno strumento dotato di coronografi, che permettono di individuare pianeti extrasolari bloccando la luce della loro stella madre. C’è poi lo spettrografo NIRSpec (Near InfraRed Spectrograph), in grado di raccogliere spettri ad alta risoluzione sempre tra 0,6 e 5 micron. Gli spettri permettono di individuare la composizione chimica di un oggetto, e la distanza delle sorgenti molto lontane. NIRSpec è dotato di 250.000 minuscole fenditure che possono aprirsi e chiudersi a piacimento. Essendo spesse non più di un capello umano, quando sono aperte e vengono attraversate dalla luce la disperdono andando appunto a creare spettri. NIRSpec è il primo spettrografo mandato nello spazio in grado di raccogliere spettri di oltre 100 oggetti simultaneamente.

Questa immagine di test mostra gli spettri di oltre 200 sorgenti realizzati dallo strumento NIRSpec. Credits: NASA/ESA/CSA and the NIRSpec team

Abbiamo poi uno strumento che lavora nel medio infrarosso, MIRI (Mid-InfraRed Instrument), sensibile alla radiazione con lunghezza d’onda compresa tra 5 e 28 micron. Questo strumento, in grado di raccogliere immagini e spettri, è fondamentale per le osservazioni degli oggetti più distanti, ma anche delle protostelle, delle comete e degli oggetti della fascia di Kuiper: tutte sorgenti che hanno il loro picco di emissione proprio nella banda in cui lavora MIRI. Ultimo ma non ultimo, FGS/NIRISS, un sistema formato da uno strumento di puntamento (il Fine Guidance Sensor, FGS) e un altro strumento nel vicino infrarosso (Near InfraRed Imager and Slitless Spectrograph, NIRISS), che verrà usato principalmente per individuare esopianeti e soprattutto per studiare per via spettroscopica la loro atmosfera.

Il modulo di James Webb contenente gli strumenti scientifici. Credits: NASA/C.Gunn

Lo scudo termico

Dovendo osservare negli infrarossi, i sensori di James Webb devono essere schermati dal disturbo infrarosso infrarosso proveniente da Terra, Luna e Sole. Per questo motivo il telescopio è dotato di un complesso scudo termico formato da 5 strati ultrasottili (il primo strato è 0,05 mm, gli altri 0,025 mm) grandi circa come un campo da tennis. Gli strati sono fatti di Kapton, un materiale plastico estremamente stabile in un ampio spettro di temperature tra i 400 °C e i –270 °C, e rivestiti con un sottilissimo spessore di alluminio (solo 100 nm!), che è altamente riflettente; i due strati più esterni hanno un ulteriore copertura di silicio di soli 50 nm, trattato in modo da isolare elettricamente il telescopio.

Lo scudo termico di James Webb completamente dispiegato. Credits: Northrop Grumman

Lo scudo termico è sempre rivolto verso il Sole e permette al telescopio di raffreddarsi fino alle sue temperature ottimali: circa –233 °C per gli strumenti nel vicino infrarosso e –266 °C (appena 7 °C sopra lo zero assoluto!) per MIRI. 

Per proteggere il telescopio dal calore prodotto dagli strumenti stessi, JWST ha degli appositi strumenti di raffreddamento che mantengono costante la temperatura degli strumenti.

Complessivamente questo sistema è in grado di abbattere ben  300 °C nello spazio di appena pochi centimetri!

Dov’è James Webb (e perché)

A differenza di altri telescopi spaziali come Hubble, che orbitano attorno alla Terra, James Webb deve trovarsi più lontano possibile dalla Terra, dalla Luna e dalla loro emissione infrarossa che comprometterebbe le immagini prodotte dal telescopio. 

Ecco perché il telescopio è stato mandato a circa 1,5 milioni di km da noi, nel punto lagrangiano L2.

I punti lagrangiani sono i punti di stabilità gravitazionale nel sistema Terra-Sole. Ce ne sono cinque, chiamati con molta fantasia L1, L2, L3, L4, L5. Qui le forze di attrazione del nostro pianeta e della nostra stella si bilanciano creando punti di equilibrio stabile (L4, L5) o metastabile (L1, L2, L3). Questo li rende perfetti per “parcheggiare” un telescopio in modo che sia lontano da noi ma senza doverci preoccupare troppo che scappi via.

I punti lagrangiani del sistema Sole-Terra. Credits: NASA/WMAP Science Team

L2 è il più comodo perché, oltre a “vedere” sempre la Terra (il periodo di L2 attorno al Sole è uguale a quello della Terra) evitando quindi l’interruzione delle comunicazioni, rende il telescopio parzialmente schermato da parte della Terra dalle radiazioni e i raggi cosmici provenienti dal Sole. Per aumentare la stabilità del telescopio (L2 è metastabile, cioè non stabile al 100%), James Webb non rimarrà fermo in L2 ma gli orbiterà attorno con un periodo di circa 6 mesi.

Dal lancio alle prime immagini

Il telescopio è stato lanciato il 25 dicembre 2021 e ha raggiunto L2 dopo 29 giorni di viaggio. È stato un viaggio molto delicato, in cui Webb ha dovuto non solo compiere una serie di manovre per correggere la propria traiettoria, ma anche raggiungere la sua configurazione finale operativa. Come già detto, infatti, il telescopio infatti è stato montato “piegato” a bordo del lanciatore.

A 29 minuti dal lancio James Webb si è separato dal razzo e ha cominciato a viaggiare in solitaria. Dopo 3 minuti ha dispiegato i suoi pannelli solari, fondamentali per raccogliere energia. La prima manovra di correzione della traiettoria avverrà a 14 ore dal lancio. A 3 giorni dal lancio (Webb era ormai più distante della luna, a oltre 450.000 km dalla Terra) ha iniziato il delicatissimo processo di dispiegamento dei cinque strati di protezione termica, durato 5 giorni. Altri 2 giorni e il telescopio ha cominciato a dispiegare gli specchi, dapprima mettendo in posizione il secondario, montato su tre supporti, poi (a 13 giorni dal lancio e 1 milione di km percorsi) il primario. A questo punto il telescopio ha raggiunto la sua configurazione finale poco prima di arrivare in orbita attorno a L2.

Una volta giunto a destinazione, il telescopio ha affrontato la lunga fase di allineamento dei segmenti dello specchio primario (necessaria per far comportare l’insieme di tutti i segmenti come un unico specchio da 6,5 metri di diametro) e la calibrazione degli strumenti scientifici in tutte le modalità di osservazione. È durante questa fase che abbiamo potuto vedere le primissime immagini di test di James Webb.

Le prime galassie riprese da James Webb sullo sfondo della stella usata come target per i test di allineamento, 2MASS J17554042+6551277. I “raggi” sono dovuti alla forma esagonale dei segmenti. Mentre il telescopio realizzava questa immagine erano stati completati 5 dei 7 step di allineamento dei segmenti. Credits: NASA/STScI
Mosaico di immagini di test dello strumento FGS. SI tratta di una delle immagini del cielo più profonde mai ottenute in banda infrarossa. Credits: NASA, CSA, and FGS team
Immagine di test dello strumento MIRI messa a confronto con un’immagine della stessa regione di cielo prodotta dal telescopio spaziale Spitzer (85 cm di diametro) in banda infrarossa. Il livello di dettaglio prodotto da James Webb è assolutamente impressionante. Credits: NASA

Webb vs. Hubble

pesso si legge o si sente dire che James Webb è l’erede, o il sostituto, del telescopio Hubble, lanciato nel 1990. Questo non è però il termine migliore. È più corretto definirlo come il suo successore

Hubble è stato un successo enorme, che ci ha permesso di rispondere a tantissime domande sul nostro universo. Non c’era quindi bisogno di un sostituto che facesse “more of the same”, ma di qualcosa che si spingesse oltre, che arrivasse dove Hubble non può arrivare e che potesse rispondere alle domande a cui Hubble non ha potuto darci risposta. Questo è sostanzialmente James Webb.Una prima differenza è puramente dimensionale: lo specchio primario del telescopio Hubble ha un diametro di 2,4 metri, mentre quello di Webb ha un diametro di 6,5 metri. Significa che JWST ha un’area di raccolta luce 6,25 volte maggiore di quella di Hubble! Questo permetterà un salto di qualità incredibile dal punto di vista della risoluzione (che si aggirerà intorno ai 70 millesimi di secondo d’arco) e anche della possibilità di individuare sorgenti deboli.

A sinistra: lo specchio primario di Hubble (2,4 m); a destra: lo specchio primario di James Webb (6,5 m). Credits: NASA/Chris Gunn

La differenza più significativa tra i due telescopi sta però nelle lunghezze d’onda a cui osservano. Hubble lavora principalmente nel visibile, estendendosi anche al vicino ultravioletto e al vicino infrarosso (è sensibile tra i 0,1 e i 2,5 micron), mentre JWST osserverà principalmente nel medio e vicino infrarosso. Questa banda di osservazione gli consentirà di guardare più lontano nel tempo rispetto a Hubble: se questo può osservare le galassie giovani a circa 1 miliardo di anni dal Big Bang, James Webb potrà osservare le galassie in formazione, o appena formate, fino a un paio di centinaia di milioni di anni dal Big Bang. 

Entrambi i telescopi però hanno una cosa molto importante in comune: entrambi passeranno alla storia come due strumenti che hanno portato a vere e proprie rivoluzioni nella nostra conoscenza dell’universo!

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