Il lungo viaggio del James Webb Space Telescope

Giorno di Natale 2021: la quieta foresta tropicale della Guyana Francese è interrotta dall’assordante suono del gargantuesco razzo Ariane 5. Pochi secondi, e le fiamme scompaiono dietro le spesse nuvole. 

Il lancio del James Webb Space Telescope a bordo di un razzo Ariane 5 dell’Agenzia Spaziale Europea, 25 dicembre 2021. (credits: wikimedia commons)

In cima al razzo, rannicchiato su se stesso, avvolto dalla carenatura del razzo e protetto dalle estreme sollecitazioni del lancio, si trova il James Webb Space Telescope, irriconoscibile rispetto alla sua forma definitiva, nell’ultima tappa terrena del suo viaggio. Qualche minuto dopo, alto sopra all’Africa, il telescopio si separa dal traghetto che lo ha portato in cielo, e si allontana. Una telecamera riprende questo momento: è l’ultima volta che l’umanità lo vedrà direttamente

La separazione del James Webb Space Telescope dal vettore che lo ha portato nello spazio.

Inizia così il vero cammino del telescopio: nel giro di un mese si schiuderà come un fiore e raggiungerà la sua destinazione finale, il punto di Lagrange L2 (un punto particolare del campo gravitazionale posto dal lato opposto del Sole, rispetto alla Terra). Per una volta, il decollo era la parte facile: Ariane 5 ha un lungo palmare di lanci ben riusciti. È la parte successiva che terrà gli scienziati e gli ingegneri sulle spine.

Perché Webb?

A differenza della maggior parte degli esseri umani, gli astronomi considerano l’atmosfera terrestre uno spiacevole disturbo, di cui potrebbero volentieri fare a meno. Tutto quel gas e quelle correnti, spesso turbolente, rendono l’osservazione del cielo notturno dalla Terra una faccenda piuttosto complicata. Una nuvola basta a rovinare una notte di ricerca. Lo spazio sta diventando il luogo preferito per fare osservazioni astronomiche, in particolare adesso che l’umanità sta spingendo la sua curiosità ben oltre il nostro vicinato cosmico. Ecco perché è stato lanciato Webb.

Il James Webb Space Telescope è un telescopio spaziale ad infrarossi: tra qualche riga scopriremo il perché. L’infrarosso è luce che ha lunghezza d’onda maggiore di quella del colore rosso. Anche se è meno energetica della radiazione ad alta energia (in confronto, dall’altro lato dello spettro rispetto alla luce visibile si trovano radiazioni via via più energetiche e quindi pericolose, come i raggi gamma), la luce infrarossa interagisce con la materia, essendo facilmente assorbita: la conseguenza è che la riscalda: si pensi alla piacevole sensazione di calore quando il sole spunta tra le nuvole d’inverno.

Hubble ci ha regalato bellissime immagini dalle profondità del cosmo come le vedrebbero i nostri occhi, ma limitarsi alle potenzialità del nostro apparato visivo sarebbe uno spreco. Per questo attorno alla Terra, o sparsi nel sistema solare, si possono trovare altri telescopi che scrutano il cielo con sensi a noi preclusi. Ma perché infrarosso?

Serve un po’ di astrofisica. Per prima cosa, è molto difficile studiare quella banda dello spettro elettromagnetico da Terra: troppe interazioni. La seconda considerazione è che molti oggetti di notevole interesse scientifico emettono nell’infrarosso: esopianeti, dischi di accrescimento di buchi neri, e via dicendo. La terza è la più importante: l’Universo è in costante espansione e la luce emessa da ogni oggetto visto da terra è soggetta all’effetto Doppler. Come il suono di una sirena si distorce a seconda che questa si avvicini o si allontani, anche la luce si comporta allo stesso modo: oggetti che si allontanano emettono luce spostata verso il rosso (è il famoso red shift). Più lontano l’oggetto, più distorta e rossa la luce, finché non finisce in pieno nell’infrarosso.

344 singoli punti di vulnerabilità

Dato che il telescopio opera proprio in quella regione dello spettro elettromagnetico, è necessario che non veda l’enorme quantità di radiazione infrarossa emessa dal sole: per questo è assemblato sopra ad uno schermo grande quanto un campo da tennis. Lo schermo fa ombra alle delicate ottiche, il parasole più costoso del mondo, ma facendo questo si scalda molto. Fra il Sole e lo specchio ci sono quindi cinque sottilissimi strati di materiale, via via più freddi grazie ad un graduale processo di assorbimento e di emissione della radiazione.

Rappresentazione artistica del James Webb Space Telescope: lo specchio di colore giallo è tenuto in ombra dal sun screen, un parasole che nasconde le delicate ottiche dal calore della nostra stella. (credits: NASA GSFC/CIL/Adriana Manrique Gutierrez)

Fra i due lati dello schermo, quando il telescopio sarà operativo, ci sarà una notevole differenza di temperatura: da 85 gradi sul lato illuminato ai -233 del lato in ombra, 40 gradi sopra allo zero assoluto. Inoltre, per poter operare, i sensori di Webb devono essere ulteriormente raffreddati fino a appena 7 gradi sopra allo zero assoluto.

Lo schermo è ripiegato su se stesso durante il lancio e le prime fasi del viaggio: dopo qualche giorno si aprirà e si tenderà. Questo processo è il più delicato della missione: alla NASA sono capaci di far atterrare un robot su Marte usando una gru sospesa in aria come se fosse un’operazione di routine, ma ciò che è quasi come tendere un lenzuolo risulta essere un’operazione ben più complicata.

Dal lancio all’arrivo in L2 ci sono più di 340 cose che potrebbero andare storto, tutte indipendenti le une dalle altre. Secondo il capo degli ingegneri sistemisti di Webb, l’80% di essi risiede nel processo di apertura del telescopio. Poco ma sicuro, molte persone questo mese avranno problemi a prendere sonno.

Una lunga gestazione

La storia del James Webb Space Telescope ha inizio trent’anni fa circa. Hubble era stato lanciato da poco, e aveva incontrato difficoltà che misero a repentaglio la sua missione. Una commissione incaricata di studiare i possibili scenari post-Hubble studiò per prima lo sviluppo di un telescopio ad infrarossi per lo spazio profondo.

Purtroppo il telescopio, con gli anni, è diventato famoso più per il difficile e costoso sviluppo che per il contributo che darà alla scienza.

La prima versione del JWST, approvata nel 2003, vedeva un budget di 800 milioni di dollari, in linea con la filosofia dell’agenzia, che vedeva un numero maggiore di progetti “economici” al posto di poche missioni estremamente costose. Il lancio era previsto per il 2010. Sono passati quasi trent’anni da quando il telescopio è stato concepito, e 18 da quando è iniziato il suo sviluppo. Come si è arrivati a tanto?

Prima di tutto bisogna ricordare che, più di molte altre missioni, questa ha visto un enorme progresso tecnologico: molte nuove tecnologie sono state sviluppate per Webb, e molte altre sono usate per la prima volta nello spazio. Dopo soli due anni dall’inizio della progettazione, la NASA approvò una vasta riprogettazione che iniziò a far avanzare la data del lancio. Il progetto arrivò a costare 4 miliardi e mezzo di dollari, valore che con il tempo crebbe fino a raggiungere quasi 10 miliardi.

Con un costo sempre crescente, il progetto ha camminato per molto tempo in bilico sull’orlo della cancellazione, salvandosi sempre ed evitando lo spreco dei fondi. L’opinione pubblica, purtroppo, ha finito per schierarsi in generale contro alla missione, vista da molti cittadini americani come uno spreco dei soldi dei contribuenti e accolta con il solito scetticismo che avvolge la scienza quando non ha un ritorno immediato e tangibile nella vita di tutti i giorni.

Anche se Webb osserverà nell’infrarosso, il suo sviluppo ne ha viste di tutti i colori. Più di una revisione, un incidente in cui il delicato schermo si strappò allontanando la data del lancio al fatidico 2020, anno in cui la pandemia rallentò ulteriormente il programma fino a quando non giunse la data definitiva: 22 dicembre 2021.

In quello che si potrebbe definire un modo ironico di salutare la Terra, nel momento in cui il telescopio veniva assemblato in cima al razzo Ariane, una morsa che non avrebbe mai dovuto aprirsi si aprì, facendo vibrare in modo preoccupante il delicatissimo strumento. Dopo accurati controlli e qualche sospiro di sollievo, la data venne mossa di soli tre giorni, andando a coincidere con il Natale.

Il cielo visto all’infrarosso: il James Webb Space Telescope è progettato per studiare questa prospettiva dell’universo. credits: NASA

Prima luce

Verso la fine di gennaio Webb raggiungerà la sua destinazione, poi ci vorranno ancora quasi sei mesi prima che giungano a Terra le prime immagini. Dal momento in cui il telescopio aprirà il suo occhio verso il cosmo alla prima osservazione ci sono molti passaggi in cui le ottiche si prepareranno, allineandosi con una precisione infinitesima, gli strumenti si raffredderanno e via dicendo.

Fino ad allora sia scienziati che appassionati resteranno col fiato sospeso, infine l’umanità inizierà ad esplorare tempi e spazi che finora ha potuto solo immaginare, un passo più vicini all’estremamente lontano.

Ne vale la pena? Molti potrebbero pensare che no, tutto questo è uno spreco di soldi, tempo e risorse, ma forse sarebbe corretto guardare un quadro più ampio. Il budget di Webb non è che una minima percentuale di quanto ogni anno viene speso dagli Stati Uniti per la difesa (figurarsi in 20 anni). Lockheed Martin, il principale contractor dell’industria bellica, ha ricevuto a novembre fondi per 10 miliardi di dollari, solamente per aggiornare i caccia F22 dell’aeronautica statunitense. Considerando le difficili selezioni dei progetti di ricerca date dalla carenza di fondi, ci si può chiedere: non sarebbe meglio destinare simili cifre al finanziamento di missioni tenute in forse fino all’ultimo, come i telescopi che succederanno – o che dovrebbero succedere – a Webb?

Per adesso, tuttavia, ci si può dimenticare delle faccende terrene e meravigliarsi assistendo al solitario viaggio di questo telescopio dalla vita travagliata. Ogni mezzanotte potremo alzare gli occhi e guardare su, verso quel punto lontano. Per aspera ad astra, Webb, letteralmente.

Davide Borchia

In copertina: James Webb Space Telescope, European Space Agency

Rispondi

Inserisci i tuoi dati qui sotto o clicca su un'icona per effettuare l'accesso:

Logo di WordPress.com

Stai commentando usando il tuo account WordPress.com. Chiudi sessione /  Modifica )

Foto Twitter

Stai commentando usando il tuo account Twitter. Chiudi sessione /  Modifica )

Foto di Facebook

Stai commentando usando il tuo account Facebook. Chiudi sessione /  Modifica )

Connessione a %s...