Il Tredicesimo Cavaliere

Scienze dello Spazio e altre storie

WFIRST – una visione più ampia

WFIRST1La NASA sta lavorando alacremente alla preparazione del lancio nel 2018 del telescopio spaziale James Webb (JWST), successore dell’onorato telescopio spaziale Hubble (HST), che ha celebrato il suo 25° compleanno in aprile. Guardando oltre a JWST, la NASA ha indicato in WFIRST (Wide Field Infrared Survey Telescope) il suo prossimo e ambizioso telescopio spaziale di punta.

Se nel 2016 verrà approvato, WFIRST potrà essere pronto per il lancio nel 2024, in una missione per studiare l’energia oscura, eseguire ampie osservazioni nell’infrarosso della galassia e del cielo extragalattico, rivoluzionare la nostra conoscenza della demografia dei sistemi planetari e fare un grande passo in avanti nella tecnologia necessaria alla scoperta e allo studio di un altro “pianeta azzurro” intorno ad una stella vicina.

L’origine di WFIRST

WFIRST è nato nel corso dell’indagine che l’Osservatorio Decennale di Astronomia ed Astrofisica del Consiglio Nazionale per la Ricerca ha svolto nel 2010, un evento che ha luogo ogni dieci anni in cui la comunità astrofisica statunitense studia i concept di missione e le questioni scientifiche fondamentali, per poi emanare raccomandazioni alle diverse agenzie governative che supportano la ricerca astrofisica (la NASA, la National Science Foundation e il Dipartimento dell’Energia).

Tre delle più affascinanti proposte presentate per la valutazione avevano obiettivi scientifici molto diversi ma analogie nelle implementazioni del loro hardware, quali uno specchio primario di circa 1,3 metri di diametro e una grande camera ad infrarosso. Il Decadal Survey concluse che gli obiettivi scientifici delle tre proposte potevano essere realizzati da un unico telescopio spaziale. Fu dunque raccomandato che, per quanto riguardava i grandi progetti astronomici spaziali (superiori a 1 miliardo di dollari), la NASA perseguisse prioritariamente questa missione.

Alla fine del 2010 l’agenzia aveva dunque riunito un gruppo di scienziati e ingegneri allo scopo di iniziare la programmazione di WFIRST. Mentre il team iniziava a elaborare il progetto dettagliato del telescopio, in un’altra sezione dell’Agenzia si stavano svolgendo negoziati che promettevano di cambiare profondamente la configurazione di WFIRST. Infatti, agli inizi del 2011 il National Reconnaissance Office (NRO), un’agenzia di ricerca statunitense, donò alla NASA due telescopi spaziali inutilizzati che erano stati costruiti una decina di anni prima, ma che non erano mai stati messi in orbita. Questi telescopi avanzati avevano specchi di 2,4 metri di diametro, la stessa dimensione dell’HST e quasi il doppio del diametro programmato inizialmente per WFIRST. La NASA accettò i telescopi ma non rivelò la loro esistenza al pubblico (nemmeno al team di WFIRST!) fino al giugno 2012. Quest’elevata tecnologia incrementò enormemente le capacità di WFIRST, permettendo un’area di raccolta della luce quattro volte più ampia di quella programmata e una capacità di risoluzione doppia. Il primo telescopio donato dall’NRO fu chiamato AFTA (Astrophysics Focused Telescope Assat) e l’incarnazione di WFIRST che utilizza questo gradito regalo viene spesso chiamato WFIRST-AFTA. Il secondo telescopio sarà messo da parte fino a quando la NASA non troverà un’altra applicazione idonea e il finanziamento necessario per utilizzarlo al meglio.

wfirstesopianetiUN TELESCOPIO AVANZATO, QUATTRO OBIETTIVI

Considerati i 25 anni di servizio dell’HST, ci si potrebbe chiedere quale sia il vantaggio di un altro telescopio spaziale delle stesse dimensioni. La risposta sta nell’incredibile campo visivo di WFIRST, ovvero quanta parte di cielo può vedere in una sola volta. Per le lunghezze d’onda vicine all’infrarosso, che sono scientificamente interessanti ma relativamente difficili da osservare utilizzando telescopi terrestri, HST ha una camera da 1 megapixel, ma WFIRST avrà uno schieramento di sensori che lo porteranno ad un colossale 288 megapixel! Nei suoi 25 anni HST ha osservato alcune decine di gradi quadrati di cielo (sugli oltre 40.000 gradi quadrati di cielo); WFIRST, invece, sarà in grado di scrutare migliaia di gradi quadrati all’anno. Sebbene JWST, successore dell’HST, avrà uno specchio molto più grande (6,5 metri), il suo campo visivo rimarrà simile a quello dell’HST, mentre quello, davvero stupefacente, di WFIRST lo porterà ad osservare ampie aree di cielo, un requisito indispensabile per tre dei suoi quattro obiettivi fondamentali.

Primo obiettivo : comprendere l’energia oscura

Nel 1998 due squadre di astronomi scoprirono contemporaneamente che l’espansione dell’universo sta accelerando, invece che rallentare come si pensava in precedenza. La scoperta di questa espansione accelerata fece loro guadagnare il Premio Nobel per la fisica 2011 a pari merito. “Energia oscura” è il nome onnicomprensivo che gli scienziati danno a qualunque forza o proprietà dello spazio-tempo stia causando l’accelerazione dell’espansione. Mentre conosciamo molto poco riguardo a questa misteriosa energia oscura, gli astronomi ora ritengono che possa essere la componente prevalente del rapporto totale massa/energia dell’universo.

WFIRST userà tre tecniche per studiare gli effetti dell’energia oscura. La prima consiste nell’esaminare le esplosioni stellari, o supernovae, che oscurano per breve tempo la luce dei circa 100 miliardi di altre stelle nelle loro galassie ospiti. Studiando queste esplosioni, possiamo vedere attraverso grandi distanze: in pratica, scrutando indietro per due terzi del percorso verso il Big Bang, possiamo vedere come l’universo si sia espanso sotto l’influenza dell’energia oscura. WFIRST esaminerà anche le posizioni delle galassie nello spazio, dal momento che l’energia oscura lascia una firma rivelatrice sul raggruppamento spaziale delle galassie. Infine, WFIRST utilizzerà l’effetto lente gravitazionale debole, in cui la presenza della materia curva il percorso della luce (un effetto molto simile al microlensing). La lente debole si riferisce alle piccole distorsioni nelle forme di galassie lontane causate dalla massa presente tra noi e quelle galassie, dandoci informazioni sulla massa stessa e sugli effetti che ha su di essa l’energia oscura.

wfirstgalassieSecondo obiettivo: osservazioni del cielo nell’infrarosso

Le prime notizie di stampa riguardanti WFIRST si sono focalizzate soprattutto sull’energia oscura che, se pur entusiasmante, è solo una delle aree in cui si prevede che WFIRST avrà un forte impatto. WFIRST terrà da parte un anno e mezzo di tempo a disposizione di osservatori ospiti. Astronomi di tutto il globo, in competizione fra loro, potranno richiedere del tempo su WFIRST per utilizzare le sue capacità uniche di osservare il cielo nell’infrarosso. Gli esperti valuteranno le richieste e assegneranno il tempo per eseguire le osservazioni più interessanti dal punto di vista scientifico. Favorendo l’implementazione delle idee migliori, WFIRST potrà offrire dei grandi contributi in diverse aree dell’astronomia.

Terzo obiettivo: ricerca di pianeti extra-solari

Il terzo e il quarto aspetto di WFIRST si riferiscono allo studio dei pianeti extra-solari (più brevemente esopianeti). L’indagine di microlensing operato da WFIRST potrà rilevare oltre 2.000 pianeti, inclusi quelli analoghi ai pianeti del nostro sistema solare eccetto Mercurio, che è troppo vicino alla sua stella. WFIRST è complementare alla missione Kepler della NASA, destinata alla scoperta dei pianeti, in cui Kepler si è distinta nel trovare i pianeti caldi (quelli vicini alle loro stelle madri) mentre WFIRST eccelle nel trovare i pianeti freddi (quelli più lontani dalle loro stelle) e persino i cosidetti pianeti nomadi, che non orbitano intorno a nessuna stella. WFIRST completerà pertanto la rilevazione demografica dei pianeti nella nostra galassia iniziata da Kepler e ci dirà quanto siano comuni i diversi pianeti in tutti i loro gradi di dimensioni, temperature e distanze dalle stelle ospiti. Questo favorisce l’obiettivo a lungo termine della NASA di comprendere la frequenza dei pianeti nella zona abitabile, la regione intorno a una stella in cui è possibile la presenza di acqua liquida. Gli scienziati pensano che un pianeta delle dimensioni della Terra nella zona abitabile sia la nostra migliore scommessa per trovare la vita al di fuori del nostro sistema solare.

coronografoQuarto obiettivo: osservare gli esopianeti usando il coronografo

Il microlensing, che ci permette di individuare gli esopianeti ma non di vederli direttamente, era il livello di competenza che ci si aspettava da WFIRST per la scoperta degli esopianeti, secondo quanto previsto dalla Decadal Survey nel 2010. Tutto questo è emozionante, ma gli scienziati vorrebbero anche poter essere in grado di avere immagini dirette degli esopianeti per studiarli con maggiore dettaglio. Con la donazione dell’hardware di AFTA, questo è diventato possibile. Il telescopio AFTA, più grande, ha permesso alla NASA di aggiungere a WFIRST un coronografo, per consentire una rappresentazione diretta degli esopianeti più prossimi; fatto tecnicamente impegnativo, perché essi sono molto vicini alle stelle (secondo la scala astronomica) e molto meno luminosi della loro stella. Quindi un coronografo deve bloccare quanta più luce possibile dalla stella centrale, così da permettere agli altri strumenti di catturare quella, relativamente debole, proveniente dal pianeta. Il Decadal Survey ha messo lo sviluppo di una tale tecnologia in cima alle sue priorità per gli investimenti cosiddetti di “media entità” (centinaia di milioni di dollari) per l’astronomia spaziale. L’aggiunta di un coronografo a WFIRST permetterà che questa raccomandazione venga rispettata, non solo sviluppando la tecnologia in laboratorio ma anche facendola volare nello spazio. L’indice di contrasto previsto del coronografo WFIRST è un migliaio di volte superiore a qualsiasi cosa sia già stata realizzata – e negli ultimi due anni sono stati fatti dei grandi progressi nei test di laboratorio verso questo obiettivo. Se ci si riuscirà, grazie a WFIRST saremo in grado di rilevare direttamente pianeti della dimensione di Nettuno o più grandi.

RIPRENDERE LE IMMAGINI DI UN ALTRO PIANETA AZZURRO

Il coronografo di WFIRST è solo il punto di partenza verso una missione ancora più entusiasmante nel futuro. Se l’uso di un coronografo su WFIRST per riprendere immagini di esopianeti avrà successo, apriremo la strada ad una missione successiva con un telescopio e un coronografo più potenti. Una tale missione potrebbe essere in grado di riprendere immagini (e spettri) di pianeti delle dimensioni della Terra nella zona abitabile di stelle vicine. Questo ci permetterebbe di cercare la presenza di acqua e ossigeno – possibili segni di vita – nelle atmosfere di questi pianeti. WFIRST quindi rappresenterà un passo avanti verso la scoperta di un altro “pianeta azzurro” e la comprensione della presenza della vita nell’universo.

Traduzione di SIMONETTA ERCOLI

editing di DONATELLA LEVI

Titolo originale: ” A Wider View” by Jason Rhodes

JASON RHODES è un “cosmologo dell’osservazione” in forza al JPL della NASA, e sta lavorando per comprendere i misteri della materia e dell’energia oscure usando telescopi come WFIRST, oppure come Euclide dell’ESA. Quando non è impegnato a progettare missioni spaziali, dedica il suo tempo alla moglie Alina, sua collega cosmologa al JPL.

L’articolo è stato pubblicato per la prima volta da The Planetary Report 2015 v35, n.02

WFIRST

wfirst immagine

Galleria Immagini

wfirstmicrolensing1.

Come risultato dell’effetto di microlensing, la luminosità di una stella lontana misurata da un telescopio aumenta e poi diminuisce con il tempo (come si vede dalla curva rossa in alto), quando una stella e/o un pianeta ci passa davanti.

Che cosa è il microlensing gravitazionale?
Il
microlensing approfitta del fatto che la materia piega lo spazio e curva il percorso della luce, permettendo a corpi massivi di agire come lenti di ingrandimento. Riprendendo le immagini di molte migliaia di stelle nel nucleo centrale densamente popolato della galassia e misurandone la luminosità, possiamo aspettarci una sovrapposizione di una stella che funge da lente in primo piano su una stella sorgente sullo sfondo. La massa della stella lente ingrandisce l’immagine della stella sorgente passandovi davanti, proprio come farebbe una lente di vetro. Quando questo avviene, noi rileviamo un’apparente maggiore luminosità della stella. Contemporaneamente appaiono due immagini della stella sullo sfondo, troppo vicine tra loro perché noi le si possa distinguere (anche con WFIRST); comunque queste immagini non sono fondamentali per il processo di rilevamento. In qualche caso, la stella in primo piano avrà un pianeta e quel pianeta agirà brevemente come un’altra lente per la stella sorgente, causando una piccola, veloce anomalia nel lento cambiamento della “curva della luce”, o misura della luce totale raccolta dalla stella. Questa piccola anomalia indica la presenza del pianeta, e la relativa forma dell’anomalia, insieme con la curva totale della luce di microlensing, può darci informazioni sul rapporto tra le masse delle stelle ed il pianeta ed anche sulla distanza tra la stella lente ed il pianeta.

2.wfirst-kepler

Mentre la soda spaziale Kepler è molto più sensibile nel rintracciare i pianeti vicini alle loro stelle madri, WFIRST sarebbe molto più sensibile verso quelli lontani, come mostrato in questo diagramma della distanza dalla stella madre rispetto alla massa degli esopianeti. Le scoperte di pianeti stimate per Kepler sono mostrate come punti arancioni; i punti verdi sono le simulazioni delle future scoperte di WFIRST. Quest’ultimo sarà anche in grado di trovare pianeti non legati a stelle madri. I punti grigio scuro rappresentano esopianeti non rilevati da Kepler. Solo per gioco sono stati aggiunti la Terra e altri pianeti.

Screenshot 2015-09-27 10.303.

Questa simulazione di un’immagine ottenuta con un coronografo illustra come la schermatura della luce brillante di una stella permette l’osservazione della luce relativamente debole dei suoi due pianeti. La donazione dell’Astrophysics Focused Telescope Asset (AFTA) permette di aggiungere un coronografo a WFIRST, permettendo agli scienziati di andare alla ricerca di esopianeti nello spazio.

coronografo14.

un coronografo non è il solo modo per bloccare la luce di una stella in modo da consentire un’immagine diretta di un esopianeta. La NASA sta studiando dei concept per un’opzione esterna denominata starshade (ombrello stellare). Questa navicella a volo libero potrebbe essere manovrata posizionandola precisamente in modo da lasciare che la luce di un pianeta oltrepassi il suo bordo esterno, mentre la parte più interna blocca la luce della stella. I “petali” dello starshade creano un bordo più tenue che diminuirebbe la curvatura della luce. Per vedere un’animazione dell’apertura dello starshade, (qui in immagine), e anche un video del test di apertura del prototipo presso lo JPL, andare a planet.ly/starshade

28 settembre 2015 - Posted by | Astrofisica, Astronautica, News, Planetologia, Scienze dello Spazio | , , , , , , , ,

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