Il Tredicesimo Cavaliere

Scienze dello Spazio e altre storie

eso13 – Arrivano i giganti…

 La ricerca di una traccia biologica nell’atmosfera di un esopianeta è un obiettivo importante e, come spiega Ignas Snellen, le missioni spaziali non sono l’unico modo di procedere. Professore di astronomia all’Università di Leiden nei Paesi Bassi, il Dott.  Ignas  Snellen è convinto che le tecnologie come la spettroscopia ad alta dispersione e l’imaging a contrasto elevato siano più efficaci quando utilizzate in grandi osservatorii a terra. Un gruppo di astronomi da lui guidati ha già usato queste tecniche per determinare la velocità di rotazione di Beta Pictoris b, pari a otto ore. Per studiare quelle regioni dello spettro che sono inaccessibili da terra, avremo bisogno di telescopi spaziali attentamente studiati e in sinergia con la nuova generazione di telescopi terrestri giganti, che si prevede entreranno in funzione negli anni ‘20 del 2000. (Paul Gilster) A seguire l’articolo del dott. Snellen.

coronogafo telescopio esopianeta pianeta extra-solare spettroscopia

E-ELT – Telescopio Europeo Estremamente Grande

Mentre ero profondamente impegnato nel progetto del mio dottorato di ricerca, studiando i centri attivi di galassie lontane, in un campo molto diverso dell’astronomia si stava compiendo una vera rivoluzione scientifica. A metà degli anni ‘90 si stavano infatti scoprendo i primi pianeti orbitanti intorno a stelle diverse dal nostro Sole. Per alcuni anni riuscii a ignorare queste scoperte. Favorito dalla mia ignoranza in materia, mi univo ai molti scettici che criticavano questi primi risultati. Risultati con i quali invece si dovette presto fare i conti. Quando venne trovato il primo pianeta in transito, seguito poco dopo dal rilevamento della sua atmosfera, cambiai radicalmente campo di ricerca e mi gettai, come molti altri, sugli esopianeti. Dopo oltre un decennio quella rivoluzione è ancora in corso.

DARWIN, TPF e SIM

Negli ultimi venticinque anni non tutte le imprese scientifiche hanno avuto successo. Subito dopo le prime scoperte degli esopianeti sono stati profusi enormi sforzi nella progettazione (e nella ricerca dell’appoggio politico) di una sonda che possa rilevare i potenziali gas marcatori biologici nelle atmosfere dei sistemi planetari vicini. Gli astronomi europei si stavano concentrando su DARWIN. L’idea base della missione prevedeva 4 o 5 sonde spaziali dotate di telescopi con tecnologia di imaging ad alta risoluzione utilizzante l’interferometria ad annullamento. La luce stellare raccolta sarebbe stata combinata in modo tale da annullare la luce in asse, ma lasciando intatta la potenziale luce del pianeta fuori asse. Dopo una serie di studi lunghi oltre un decennio, nel 2007 l’ESA interruppe lo sviluppo di DARWIN, per l’eccessiva difficoltà. Nello stesso periodo furono proposte alla NASA varie versioni del Terrestrial Planet Finder (TPF), compreso un interferometro ad annullamento e un coronografo. Quest’ultimo usa delle ottiche appositamente studiate per ridurre la luce stellare, lasciando passare quella eventuale dei pianeti. Anche questi progetti furono in seguito annullati. Indubbiamente una battuta d’arresto anche peggiore ha interessato la Space Interferometry Mission (SIM), che doveva cercare i pianeti di massa simile alla Terra nelle zone abitabili delle stelle vicine usando l’astrometria. Dopo essere stata rimandata più volte, la missione fu infine annullata nel 2010.

 

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E-ELT

Quanto dovremmo essere pessimisti?

Per questi progetti  sono state spese enormi quantità di tempo ed energia dei ricercatori, oltre a milioni di dollari e di euro. È un vero peccato, considerando tutti gli altri interessanti progetti alternativi che avrebbero potuto essere finanziati. Dovremmo porci degli obiettivi più realistici e imparare dalle missioni di successo, come Kepler della NASA, che fu concepita e sviluppata nello stesso periodo. Un aspetto fondamentale dell’adozione di Kepler da parte della NASA fu la dimostrazione, tramite gli esperimenti a terra (di Bill Borucki e colleghi), del fatto che la tecnologia era pronta. Una missione viene infatti approvata solo se si ritiene che ne sia garantito il successo. È questo aspetto che ha affossato DARWIN e il TPF ed è lo stesso che mi preoccupa quando penso ai nuovi concetti base di sonde molto intelligenti, come il grande occultatore esterno per la missione New Worlds. Forse non sono abbastanza sognatore. In ogni caso, come insegna Kepler, i tempi d’attesa  delle grandi missioni spaziali sono molto lunghi. Ne consegue che per i prossimi 25 anni sarà molto improbabile che venga lanciata una missione spaziale per cercare i gas marcatori biologici nelle atmosfere dei pianeti simili alla Terra. Se sono fortunato riuscirò a vederla prima di morire. Detto questo, la mia idea è: partiamo da terra!

 

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Thirty Meter Telescope

La sfida a terra

La prima prova di vita extraterrestre verrà dal rilevamento dei marcatori biologici: l’assorbimento derivante da quei gas che ci si aspetta di trovare nell’atmosfera di un esopianeta quando sono prodotti da processi biologici. Gli esempi migliori sono costituiti da ossigeno e ozono, come si vede nell’atmosfera terrestre. L’osservazione di questi gas nelle atmosfere degli esopianeti non sarà la prova definitiva della vita extraterrestre, ma di certo un primo passo. Tali osservazioni richiedono una spettrofotometria di alta precisione, molto difficile da eseguire da terra. Innanzitutto, la nostra atmosfera assorbe e disperde la luce. Si tratta di un problema soprattutto per le osservazioni dei pianeti simili alla Terra, perché i loro spettri mostreranno delle bande di assorbimento nelle stesse lunghezze d’onda dell’atmosfera terrestre. Da parte loro, le turbolenze atmosferiche distorcono la luce che raggiunge i telescopi a terra. La luce quindi non forma dei fronti d’onda perfetti, compromettendo le misurazioni di alta precisione. Inoltre, quando gli oggetti vengono osservati a lungo nel corso di una notte, il percorso della loro luce attraverso l’atmosfera cambia, come cambia la luce stellare che entra nello strumento, rendendo la stabilità un grosso problema. Queste sono le ragioni principali per cui molti appassionati degli esopianeti pensavano fosse impossibile sondarne le atmosfere da terra.

(AVVISO: per chi è interessato a un discorso approfondito sulla spettroscopia ad alta dispersione (HDS) e sulla imaging a contrasto elevato (HCI) abbiamo previsto un  percorso separato. Chi preferisce una lettura facilitata, può continuare senza tener conto di questo avviso).

 

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Giant Magellan Telescope

Per rilevare le caratteristiche di assorbimento delle atmosfere degli esopianeti è ideale la spettroscopia ad alta dispersione (high dispersion spectroscopy, HDS), vale a dire la separazione di un’onda in componenti dello spettro con diverse lunghezze d’onda. L’HDS raggiunge una precisione di un milionesimo della lunghezza d’onda però richiede telescopi di enormi dimensioni, non trasferibili nello spazio. I telescopi spaziali possono raggiungere solo la media dispersione, al massimo di un millesimo della lunghezza d’onda, comportando quindi tempi di osservazione di gran lunga maggiori. Un altro vantaggio dell’alta dispersione è che è sensibile all’effetto doppler dovuto al moto orbitale di un pianeta, il cui segnale può essere così distinto sia da quello della sua stella sia da quello dell’atmosfera terrestre. Due nuovi strumenti nel telescopio VLT permetteranno di estendere la ricerca anche ai pianeti più freddi e più piccoli.
Mentre con l’HDS si analizza la luce della stella filtrata dall’atmosfera dei pianeti più vicini, quelli più distanti possono essere osservati con l’imaging a contrasto elevato (HCI) (anche in combinazione con la coronografia), che riduce la luce della stella. I migliori risultati si ottengono con la combinazione delle due tecniche.

 

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James Webb Space Telescope

Arrivano i giganti

Sia gli Stati Uniti sia l’Europa stanno costruendo una nuova generazione di telescopi che possono essere a ragione chiamati giganti. Il Telescopio Gigante Magellano (Giant Magellan Telescope, GMT) consisterà di sei specchi da 8,4 m, equivalenti a un telescopio del diametro di 24,5 m. Il Telescopio da Trenta Metri (Thirty Meter Telescope, TMT) avrà proprio questa dimensione, mentre il Telescopio Europeo Estremamente Grande (European Extremely Large Telescope, E-ELT) sarà quello più ampio con un diametro effettivo di 39 m. Tutti e tre i progetti sono in competizione per essere pienamente operativi intorno al 2025.
In questa partita le dimensioni sono tutto, in particolare per le osservazioni HDS e HDS+HCI. L’HDS trae beneficio dal numero di protoni che si possono raccogliere, proporzionale al quadrato del diametro. Prendendo in considerazione anche altri effetti, l’E-ELT sarà cento volte più sensibile del VLT (in particolare grazie allo strumento della prima luce METIS e a HIRES). Il telescopio ci porterà vicino all’intervallo necessario per cercare l’ossigeno molecolare nelle atmosfere dei pianeti terrestri che transitano vicino alle nane rosse. Se questi sistemi vicini in transito esistono potremo dirci fortunati. Secondo le simulazioni, le stelle più piccole rendono il segnale trasmesso dall’ossigeno molecolare di un pianeta delle dimensioni della Terra simile a quelli del monossido di carbonio, già rilevati nelle atmosfere dei gioviani caldi. È solo che i sistemi saranno molto più tenui di Tau Bootis e pertanto richiederanno dei telescopi molto più grandi. La tecnologia esiste già, ma si tratta di raccogliere fotoni a sufficienza. Se persino i telescopi estremamente grandi dovessero rilevarsi insufficienti, il problema dovrà essere risolto in modo diverso. Le osservazioni HDS delle stelle luminose non richiedono degli specchi di forma precisa, pertanto potrebbero essere possibili disponendo delle serie di raccoglitori di luce a bassa precisione, ma si tratta di un’ipotesi lontana nel futuro.

Ancora più promettenti sono le capacità di imaging a elevato contrasto dei futuri ELT. I telescopi non solo raccolgono più fotoni, ma vedono anche in maniera più nitida. La loro capacità di vedere i pianeti più tenui nel bagliore delle stelle luminose aumenta fino alla quinta potenza all’aumentare delle dimensioni. Ciò rende l’E-ELT 1000 volte più sensibile del VLT. I pianeti rocciosi nelle zone abitabili delle stelle vicine saranno quindi a portata di mano. Anche in questo caso le simulazioni indicano la possibilità di rilevare emissioni termiche intorno alle stelle più vicine, mentre HDS+HCI nelle lunghezze d’onda ottiche può cercarne lo spettro di riflettanza, magari includendo le firme dell’ossigeno molecolare.

 

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JWST

Missioni spaziali realistiche

Qualsiasi cosa accada con la ricerca degli esopianeti dallo spazio, i telescopi a terra si faranno strada nella caratterizzazione dei pianeti simili al nostro. Ciò non toglie la necessità delle missioni spaziali. Innanzitutto non ho reso giustizia ai dati fantastici e rivoluzionari che ci fornirà il JWST. Poi, una serie di missioni dedicate ai transiti, la TESS della NASA (che verrà lanciata nel 2017) e le CHEOPS e PLATO dell’ESA (2018 e 2024), scopriranno tutti i sistemi planetari vicini in transito, un prerequisito fondamentale per gran parte di quanto fin qui abbiamo discusso.
Soprattutto, le misurazioni da terra non potranno darci un quadro completo delle atmosfere dei pianeti, semplicemente perché gran parte degli spettri non sono da qui accessibili. Pertanto la prova definitiva della vita extraterrestre verrà probabilmente da una missione spaziale del genere di DARWIN o TPF. Il rilevamento da terra dell’acqua nell’atmosfera di un pianeta terrestre aprirebbe delle porte presso i politici, ma della massima importanza sarà il giusto tempismo di tali missioni. Puntando troppo in alto e troppo presto si perderebbe molto tempo e denaro, a spese del progresso nella ricerca degli esopianeti. Sognare è bello, ma senza dimenticare di restare realistici.

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Dott. Ignas Snellen

Ulteriori letture

Snellen et al. (2013) Astrophysical Journal 764, 182: Finding Extraterrestrial Life Using Ground-based High-dispersion Spectroscopy

Snellen et al. (2014), Nature 509, 63: Fast spin of the young extrasolar planet beta Pictoris b 

Snellen et al. (2015), Astronomy & Astrophysics 576, 59: Combining high-dispersion spectroscopy with high contrast imaging: Probing rocky planets around our nearest neighbors .

Titolo originale:”Extraterrestrial Life, The Giants are coming” di Ignas Snellen, pubblicato su Centauri Dreams il 11 settembre 2015

 

Traduzione e adattamento di FAUSTO MESCOLINI

4 maggio 2016 Posted by | Astrofisica, Planetologia, Scienze dello Spazio | , , , , , | Lascia un commento

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 | , , , , , , , , | Lascia un commento

Innovazioni nella ricerca dei pianeti extrasolari

Nei periodi di crisi economica, come questo, anche i finanziamenti per le scienze dello spazio vengono severamente ridotti. Si affermano, di conseguenza, nuove tecnologie a basso costo, come il Cubesat, che ha reso possibile ExoplanetSat, un progetto con obiettivo lo studio di 250 stelle vicine al Sistema Solare grazie ad una costellazione di minuscoli ed economici satelliti. Si riciclano anche vecchie tecnologie, anch’esse “povere”, come quella del coronografo che, abbinato al  telescopio orbitale Hubble, rese possibile la scoperta di un nuovo pianeta extrasolare nel campo gravitazionale di una stella che lo nascondeva col suo fulgore, dimostrando anche la possibilità di osservare i pianeti extrasolari direttamente. (RF)

A partire dalla metà degli anni novanta gli astronomi hanno scoperto uno stupefacente numero di pianeti extrasolari, o esopianeti, cioè pianeti orbitanti intorno ad altre stelle. La “Extrasolar Planets Encyclopaedia”, il catalogo de facto di questi mondi, ne contava 707 al 2/12/11, un numero che cresce con una frequenza quasi giornaliera. La grande maggioranza di questi pianeti è stata scoperta grazie a due tecniche. La prima, quella della velocità radiale, misura l’intensità dell’effetto Doppler periodico causato dalla oscillazione indotta dalla gravità dei pianeti orbitanti intorno a una stella. L’altra, quella dei transiti, misura la leggera perdita di luminosità della stella quando un pianeta la “eclissa” (transita) passando tra essa e l’osservatore. La prima tecnica è spesso impiegata con telescopi basati a Terra, mentre la seconda è impiega sia da osservatori terrestri, che da veicoli spaziali come CoRoT  della agenzia spaziale francese CNES e il Kepler della NASA. […….]
Il numero crescente di esopianeti scoperti ha fatto aumentare l’interesse in questo campo e alimentato l’ambizione per missioni astronautiche più numerose e più importanti per scoprire e studiare questi mondi, particolarmente quei pianeti che possono essere simili alla Terra in dimensione, orbita e, potenzialmente, abitabilità. Queste ambizioni tuttava sono moderate da richieste concorrenti di  fondi, in un periodo nel quale dei finanziamenti forfettari sono il meglio a  cui gli scienziati possono aspirare per il prevedibile futuro. Questo ha portato ad alcuni nuovi concetti innovativi che si avvalgono di nuove tecnologie e possibilità, al fine di aprire nuove prospettive per la ricerca di esopianeti a costi più bassi.

Un nanosatellite a caccia di esopianeti

(nell’immagine: l’intelaiatura di un’unità Cubesat). Dieci anni fa si pensava che in futuro le missioni dedicate alla caccia agli esopianeti sarebbero state equipaggiate con strumenti migliori e più grandi. Come parte del suo programma Origins, la NASA aveva pianificato una serie di veicoli spaziali per cercare o addirittura osservare direttamente esopianeti di tipo terrestre: la missione Space Interferometry Mission (SIM), (vedi  “SIM and the ‘ready, aim, aim’ syndrome”, The Space Review, October 18, 2010), la missione Terrestrial Planet Finder (TPF) e la Planet Imager. Ma per una combinazione di fondi limitati e di priorità concorrenti, quei piani sono stati, nel migliore dei casi, ritardati indefinitamente, se non completamente cancellati.

Adesso alcuni ricercatori si stanno muovendo nella direzione opposta. Invece di veicoli più grandi, più sofisticati e molto più costosi, un gruppo sta provando a vedere quanto piccolo possa essere un veicolo spaziale e tuttavia rimanere in grado di compiere degli studi sui pianeti extrasolari. L’ExoplanetSat, un progetto congiunto del MIT  e del Draper Laboratory, propone di sviluppare satelliti abbastanza piccoli da potere essere letteralmente tenuti in mano, ma ancora abbastanza potenti per cercare pianeti intorno alle stelle.

ExoplanetSat lavorerebbe come Kepler, ricercando le minime cadute periodiche di luminosità dovute agli esopianeti in transito. Kepler, tuttavia, è puntato su un unico campo di stelle molto distanti, utile per raccogliere statistiche sulla frequenza di esopianeti ma non per compiere studi su una specifica stella.”Non sono in corso missioni spaziali che controllino le stelle più luminose simili al Sole per cercare pianeti di tipo terrestre,” ha detto Matthew Smith del MIT nel corso della presentazione della missione avvenuta nell’agosto 2011 a Logan (Utah), durante la Conference on Small Satellites presso la AIAA/Utah State University. Gli ExoplanetSat  puntano una sola stella alla volta, con il prototipo del satellite predisposto per studiare Alpha Centauri. Il satellite, posto in orbita terrestre, condurrebbe le osservazioni durante la notte orbitale, ricomponendo tutte insieme le osservazioni per cercare qualsiasi caduta di luminosità che possa essere causata da un pianeta in transito. Con il tempo altri satelliti potrebbero consentire l’osservazione continua di una data stella, come pure l’osservazione di altre stelle: il piano a lungo termine del progetto prevede una flotta di satelliti per l’osservazione di almeno 250 stelle.

(nell’immagine: un tecnico al lavoro su un’unità Cubesat)                   La chiave per realizzare questa costellazione di satelliti consiste nel costruirli molto piccoli e a basso costo. L’ ExoplanetSat, nella configurazione attuale, consta di 3 unità “Cubesat” di 10 centimetri di lato ciascuna, combinate in un unico satellite pesante solo pochi kilogrammi. Attualmente il veicolo è una versione leggermente ampliata di un vero 3U Cubesat, e ha una lunghezza di 34 cm. Il 3U è diventato un modello diffuso tra gli sviluppatori di piccoli satelliti, si usano opportunamente l’hardware e le analogie di progetto dei Cubesat originali per missioni che richiedano veicoli in qualche modo più grandi (vedi: “A quarter century of smallsat progress”, The Space Review, September 6, 2011). Il carico utile scientifico del satellite contiene un “telescopio” che, dice Smith, è in effetti solo un obbiettivo reflex irrobustito. E’ usato sia come rivelatore scientifico sia come sofisticata immagine guida, collegata ad una “sezione miniaturizzata di puntamento a due assi, piezoelettrica” per assicurare la stabilità dell’immagine. Questo carico utile occupa circa un terzo del satellite. Lo spazio rimanente è occupato da giroscopi e bobine di coppia usati per il controllo di assetto, così come batterie, computers, e sistemi di comunicazione necessari per gestire il satellite e scambiare dati con le stazioni a Terra. Smith dice che “in fondo stiamo combinando la piattaforma a basso costo Cubesat con un controllo accurato di assetto per raggiungere il grado di precisione che ci serve”.

Il prototipo dell’ExoplanetSat è in corso di sviluppo al MIT e sarà pronto per il lancio nel 2013. Il programma ha un posto prenotato all’interno del piano di messa in orbita di nano satelliti della NASA (ELaNa), che offre l’opportunità di lanci condivisi a carichi utili di classe Cubesat costruiti dalle università. Ma è stata una sfida trovare un posto in un lancio diretto nell’orbita ideale del progetto: un’orbita a 650 km, a bassa inclinazione per minimizzare la resistenza dell’atmosfera e l’esposizione alla radiazione proveniente dall’anomalia del Sud Atlantico e dai poli.

Smith ha detto che sono state prese in esame diverse orbite per trovare una finestra di lancio compatibile, e ha dichiarato: “Abbiamo valutato una gamma più ampia di quote e inclinazioni, e la nostra analisi dimostra che anche altre orbite sono compatibili.” ExoplanetSat deve raggiungere un’altitudine minima non inferiore ai 450-500 km per contenere gli effetti di attrito atmosferico e le loro conseguenze sulla durata della permanenza in orbita, mentre inclinazioni più accentuate dell’orbita possono essere prese in considerazione caso per caso.

Una traiettoria suborbitale per osservare nuovi mondi

Seppure la rilevazione del transito, attualmente in corso da parte di Kepler e prevista a breve da parte di ExoplanetSat, così come l’esame della velocità radiale, sono importanti per scoprire nuovi esopianeti, tuttavia rimangono metodi indiretti di osservazione. Per molti astronomi il Santo Graal della scienza degli esopianeti rimane l’osservazione diretta. Questa è una sfida gigantesca, soprattutto perché i pianeti sono confusi nel bagliore molto più luminoso delle stelle intorno alle quali orbitano. (l’illustrazione a fianco mostra un veicolo suborbitale riutilizzabile).

E se ci fosse un modo per schermare la luce della stella? L’idea di usare un disco di occultazione, o coronografo, per mascherare la luce di una stella, non è nuova: un coronografo nel telescopio spaziale Hubble bloccava la luce della brillante stella Fomalhaut, permettendo agli astronomi di fotografare direttamente un pianeta gigante, tre volte la massa di Giove, in orbita inorno alla stella. Questi avvistamenti diretti, tuttavia, sono tecnicamente impegnativi con gli attuali telescopi, e perciò rari. Sarebbe possibile lanciare un coronografo spaziale per consentire il rilevamento di esopianeti di dimensione terrestre. Il New Worlds Observer, come era stato originariamente concepito, consisteva di un telescopio di quattro metri di diametro in orbitta intorno al punto di librazione L2 Sole – Terra, allineato con un disco di occultamento chiamato schermo stellare, con cui volava in formazione a una distanza di 18.000 km. Il disco potrebbe essere usato anche da altri telescopi spaziali, come il James Webb Space Telescope (JWST). L’intricato disegno dello schermo stellare assomiglia a un fiore esotico, è progettato per eliminare la diffrazione della luce stellare intorno ai bordi del disco, così il telescopio può cercare in modo più efficiente pianeti poco luminosi.

In una presentazione tenutasi presso la conferenza Space Vision 2011 a Boulder, Colorado, in ottobre, Webster Cash dell’Università del Colorado ha mostrato delle simulazioni di che cosa potrebbe vedere del nostro sistema solare un telescopio equipaggiato con questo tipo di schermo stellare. Un ipotetico telescopio di 10 metri di diametro ed uno schermo stellare, posti entrambi ad una distanza di 30 anni luce, potrebbero facilmente individuare Venere e la Terra. Con 2,4 metri, il diametro di Hubble, Venere e la Terra sono appena al limite di rilevazione alla stessa distanza. “Per una distanza compresa tra i 10 ed i 15 parsec siamo assolutamente in grado di vedere gli esopianeti e di studiarli” ha detto Cash, il capo ricerca del progetto New Worlds Observer.

Il problema sta nel fatto che un sistema così dedicato sarebbe costoso da sviluppare, e ciò rende la NASA, che già è in sofferenza per i costi crescenti del JWST, reticente a finanziare questo tipo di missione, specialmente perché l’idea dello schermo stellare deve ancora essere del tutto sperimentata fuori dal laboratorio. Cash sta cercando di sostenere il progetto attraverso una dimostrazione su piccola scala. Ha detto “Quello che vogliamo davvero fare adesso è utilizzare piccoli schermi stellari ed imparare in quale modo funzionano veramente; recentemente ho speso molto tempo cercando un metodo per fare le cose più in fretta e in modo più economico”.

Un passo iniziale sarebbe porre uno schermo stellare sulla cima di una montagna a diversi chilometri di distanza dal telescopio; anche uno strumento di 20 cm sarebbe sufficiente per dimostrare l’efficacia dello schermo nel bloccare la luce stellare. Un’altra opzione sarebbe portare nella stratosfera un telescopio ed uno schermo su palloni separati, con uno dei due capace di manovrare per mantenere l’allineamento con l’altro. Ciò  dovrebbe essere sufficiente per scoprire eventuali pianeti nel sistema di Alpha Centauri.

Un’idea più intrigante mette insieme la ricerca di esopianeti con le capacità imprenditoriali della nuova industria spaziale, e precisamente propone l’uso di veicoli suborbitali riutilizzabili (RLV – vedi illustrazione a fianco). Un tale veicolo porterebbe lo schermo in quota e ve lo manterrebbe per diversi minuti, mentre un telescopio al suolo esegue le osservazioni. “Questo non si può fare con un normale razzo perché non è in grado di stabilizzare la quota e controllare la sua posizione, ma la nuova generazione di veicoli suborbitali ha queste capacità” ha detto Cash aggiungendo di aver studiato questa idea in cooperazione con uno sviluppatore di veicoli suborbitali, la Masten Space Systems. “ E’ molto interessante lavorare nel mettere in relazione queste nuove tecnologie con  le cose che puoi davvero realizzare con esse”.

Il vero ostacolo per Cash consiste nell’ottenere finanziamenti per sviluppare ulteriormente l’idea. In una riunione di sviluppatori di veicoli suborbitali e di ricercatori al Goddard Space Flight Centre della NASA, lo scorso settembre, ha detto che gli erano state rifiutate nove proposte di sviluppo di tecnologie correlate allo schermo stellare, comprese due poche settimane prima dell’incontro, anche se questo sviluppo tecnologico fu identificato della massima precedenza tra i progetti di media dimensione nella ultima rassegna astronomica decennale, pubblicata lo scorso anno, e ha concluso:”C’è qualcosa che non và là fuori”

Cash, tuttavia, ha dichiarato in pubblico allo Space Vision di aver pianificato di continuare a lavorare su questa idea. “ Noi continuiamo a spingerla, e ci aspettiamo di avere successo”. Con i bilanci della NASA difficilmente in grado di far fronte alle necessità di una missione principale dedicata agli esopianeti fino a chissà quando, è possibile che approcci non convenzionali come questo mantengano le migliori prospettive di realizzare l’estremo sogno degli astronomi: osservare un’altra Terra.

traduzione di FELICE GABRIELLI

Titolo originale: “Innovations in exoplanet search” scritto da Jeff Foust e pubblicato in The Space Review il 5 dicembre 2011.

Questo articolo segna la nostra partecipazione al Carnevale della Fisica #31, e inizia una fase di collaborazione con The Space Review, che ci auguriamo lunga e fruttuosa.

10 maggio 2012 Posted by | Astrofisica, Astronautica, Carnevale della Fisica, Planetologia, Scienze dello Spazio | , , | Lascia un commento

   

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