L’incredibile telescopio spaziale James Webb
Come progetto di ingegneria, il James Webb Space Telescope (JWST) è, infatti, incredibilmente interessante : Essendo un osservatorio astronomico a infrarossi squisitamente sensibile, l’ottica e gli strumenti scientifici del telescopio spaziale James Webb devono essere freddi per sopprimere il “rumore” di fondo a raggi infrarossi. Inoltre, i rivelatori all’interno di ogni strumento scientifico, che convertono i segnali luminosi a infrarossi in segnali elettrici per l’elaborazione in immagini, devono essere freddi per funzionare correttamente. In genere, maggiore è la lunghezza d’onda della luce infrarossa, più freddo deve essere il rivelatore per eseguire questa conversione limitando anche la generazione di elettroni di “rumore” casuali.
Ma perché così freddo ? La bassa temperatura è necessaria perché tutti e quattro gli strumenti di Webb rilevano la luce infrarossa, lunghezze d’onda leggermente più lunghe di quelle che gli occhi umani possono vedere. Galassie lontane, stelle nascoste in bozzoli di polvere e pianeti al di fuori del nostro sistema solare emettono tutti luce infrarossa. Ma anche altri oggetti caldi, inclusi l’elettronica e l’hardware ottico di Webb. Il raffreddamento dei rivelatori dei quattro strumenti e dell’hardware circostante sopprime quelle emissioni a infrarossi. MIRI rileva lunghezze d’onda infrarosse più lunghe rispetto agli altri tre strumenti, il che significa che deve essere ancora più freddo.
Un altro motivo per cui i rivelatori di Webb devono essere freddi è per sopprimere qualcosa chiamato corrente oscura, o corrente elettrica creata dalla vibrazione degli atomi nei rivelatori stessi. La corrente oscura imita un vero segnale nei rivelatori, dando la falsa impressione che siano stati colpiti dalla luce proveniente da una fonte esterna. Quei falsi segnali possono soffocare i segnali reali che gli astronomi vogliono trovare. Poiché la temperatura è una misura della velocità con cui vibrano gli atomi nel rivelatore, ridurre la temperatura significa meno vibrazioni, il che a sua volta significa meno corrente oscura.
Sì, sì, “correnti oscure”. Che tracce. Ad ogni modo, il JWST si è raffreddato abbastanza e ora che lo è, abbiamo le foto! Questo sarà un post estremamente pigro, una semplice scusa per pubblicare tutte le belle foto di JWST che riesco a trovare (si spera diverse dal mainstream). Andiamo!
Ma aspetta. Non.
Devo anche confessare che mi aspettavo una debacle JWST; Ricordo bene il giorno in cui fu scoperto il “difetto dello specchio” del telescopio Hubble , un altro progetto faronico: “[L] a specchio primario dell’osservatorio aveva un’aberrazione che influiva sulla nitidezza delle prime immagini del telescopio”. Il mio primo pensiero: “Non possiamo più produrre nulla”. Un pensiero ragionevolmente avanzato per il 1990, credo, e un pensiero che io e molti altri abbiamo avuto da allora. Fortunatamente, tuttavia, non c’è stata alcuna debacle del JWST, il che mi ha davvero dato un po’ di speranza e fiducia che il paese non avrebbe letteralmente rovinato tutto. Ecco una foto che mostra quale glorioso pezzo di macchinario sia il JWST (e, per estensione, la gloria dei suoi costruttori):
Il collegamento sopra fornisce una buona descrizione della strumentazione JWST, ma ecco una spiegazione di come è stato progettato l’iconico Specchio Primario di JWST , il costrutto esagonale dorato visto in basso al centro sopra:
Gli scienziati e gli ingegneri del telescopio Webb hanno determinato che uno specchio primario di 6,5 metri (21 piedi e 4 pollici) di diametro è ciò che era necessario per misurare la luce di queste galassie lontane.Il team di Webb Telescope ha anche deciso di costruire lo specchio in segmenti su una struttura che si ripiega, come le foglie di un tavolo a ribalta, in modo che possa entrare in un razzo. Lo specchio si aprirebbe quindi dopo il lancio. Ciascuno dei 18 segmenti di specchio a forma esagonale ha un diametro di 1,32 metri (4,3 piedi), da piatto a piatto.
La forma esagonale consente uno specchio segmentato approssimativamente circolare con “alto fattore di riempimento e simmetria sei volte”. L’alto fattore di riempimento significa che i segmenti si incastrano senza spazi vuoti. Se i segmenti fossero circolari, ci sarebbero degli spazi tra di loro. La simmetria è buona perché sono necessarie solo 3 diverse prescrizioni ottiche per 18 segmenti, 6 di ciascuno (vedi diagramma in alto a destra). Infine, si desidera una forma complessiva dello specchio approssimativamente circolare perché focalizza la luce nella regione più compatta sui rivelatori. Uno specchio ovale, ad esempio, darebbe immagini allungate in una direzione. Uno specchio quadrato manderebbe molta luce dalla regione centrale.
L’oro migliora la riflessione dello specchio della luce infrarossa.
(Ci sono molte più informazioni al link sopra sui mirror del JWST.) Se hai quattro ore, ecco un video dello svolgersi del mirror principale (“distribuzione”):
E segmenti dello stesso specchio, “nella camera bianca della NASA Goddard, sono stati catturati nella primavera del 2017, prima che il telescopio fosse trasportato alla NASA Johnson per i test criogenici”:
Bene, basta con l’ingegneria; mi dispiace cadere nella modalità di spremitura fan boy, ecco; qualcosa che spero di fare raramente. Ora , alle foto. Andiamo!
L’ultimo sguardo dell’umanità sul telescopio spaziale James Webb “Eccolo: l’ultimo sguardo dell’umanità al telescopio spaziale James Webb mentre si dirige nello spazio profondo per rispondere alle nostre più grandi domande…. Questa immagine è stata catturata dalle telecamere a bordo dello stadio superiore del razzo mentre il telescopio si separava da esso”.
Penso che “le nostre domande più grandi” possano riguardare come vivere sulla terra. Tuttavia, ricordo di aver visto un video di JWST che si allontanava dal palco superiore e di essere stato commosso dall’inevitabilità del suo movimento (e anche dal bel colore oro e blu, non del tutto catturato in questa immagine).
Il sensore di guida fine di Webb fornisce un’anteprima fortuita“Manca una settimana al rilascio delle prime immagini di qualità scientifica dal telescopio spaziale James Webb della NASA, ma come fa l’osservatorio a trovare e agganciare i suoi obiettivi? Il Fine Guidance Sensor (FGS) di Webb, sviluppato dall’Agenzia spaziale canadese, è stato progettato pensando a questa particolare domanda…. L’immagine del test di ingegneria, prodotta durante un test di stabilità termica a metà maggio, ha alcune qualità approssimative. Non è stato ottimizzato per essere un’osservazione scientifica, piuttosto i dati sono stati presi per testare quanto bene il telescopio potesse rimanere bloccato su un bersaglio, ma suggerisce la potenza del telescopio. Presenta alcuni tratti distintivi delle opinioni che Webb ha prodotto durante i suoi preparativi post-lancio. Le stelle luminose si distinguono per i loro sei picchi di diffrazione lunghi e ben definiti, un effetto dovuto ai segmenti speculari a sei lati di Webb. Oltre le stelle: le galassie riempiono quasi l’intero sfondo. Il risultato, utilizzando 72 esposizioni in 32 ore, è tra le immagini più profonde dell’universo mai scattate, secondo gli scienziati Webb”.
Mi piacciono le esplosioni di stelle nelle foto, ma questo è un ordine diverso di cose….
Immagine di valutazione dell’allineamento del telescopio “Dopo aver completato altri due passaggi di allineamento dello specchio, abbiamo confermato che le prestazioni ottiche del telescopio spaziale James Webb saranno in grado di soddisfare o superare gli obiettivi scientifici per i quali l’osservatorio è stato costruito…. Mentre lo scopo di questa immagine era di mettere a fuoco la stella luminosa al centro per la valutazione dell’allineamento, l’ottica di Webb e NIRCam sono così sensibili che le galassie e le stelle viste sullo sfondo vengono visualizzate. In questa fase dell’allineamento dello specchio di Webb, noto come “fasatura fine”, ciascuno dei [18] segmenti dello specchio primario [esagonale] è stato regolato per produrre un’immagine unificata della stessa stella”.
Nebulosa Carina (nascita): “Il nuovo punto di vista di Webb ci offre una rara sbirciatina nelle stelle nelle loro prime e rapide fasi di formazione. Per una singola stella, questo periodo dura solo da 50.000 a 100.000 anni circa”.
La nebulosa dell’Anello Meridionale (morte): “[T] questi sono gusci di polvere e gas rilasciati dalle stelle morenti simili al Sole. I nuovi dettagli di Webb trasformeranno la nostra comprensione di come le stelle si evolvono e influenzano i loro ambienti”.
Stephan’s Quintet : “Stephan’s Quintet, una raccolta di cinque galassie, viste da MIRI sul James Webb Space Telescope. Le galassie brillano tutte di colori diversi, circondate da nubi luminose di gas e polvere. Quattro dei cinque sono centrati nell’immagine. Tre sono visibilmente galassie a spirale, con viticci che si estendono dai loro centri luminosi. La galassia più a sinistra appare leggermente più nitida, con un vivace laccio blu che circonda la luce ovale della galassia. Questo perché la galassia più lontana a sinistra non sta interagendo con le altre quattro; in realtà è molto in primo piano rispetto agli altri. Le galassie appaiono tutte contro un campo di stelle scintillanti e altre galassie più lontane”.
Mai visto prima una tale profondità….. nitida, fantastica, meravigliosa!
Spazio (“è grande”): “[Questa è] l’immagine a infrarossi più profonda e nitida dell’universo primordiale mai scattata… Webb è stato in grado di catturare questa immagine in meno di un giorno, mentre immagini simili in campo profondo di Hubble possono richiedere più settimane …. Lo sfondo dello spazio è nero. Migliaia di galassie appaiono in tutta la vista. Le loro forme e colori variano. Alcuni sono di varie tonalità di arancione, altri sono bianchi. La maggior parte delle stelle appare blu e talvolta sono grandi quanto le galassie più lontane che appaiono accanto a loro.
“Webb è stato in grado di catturare questa immagine in meno di un giorno.” Grande fan delle lunghe esposizioni, qui la profondità di campo, ma santa talpa! Non c’è da stupirsi che non c’erano più foto!
Nebulosa Carina (ancora una volta): “Un’immagine composita delle Scogliere Cosmiche nella Nebulosa Carina, creata con gli strumenti NIRCam e MIRI del telescopio Webb. Nuvole marrone rosate di gas e polvere dominano il primo piano dell’immagine, scintillando di giovani stelle. Dietro le nubi luminose e montuose, il cielo appare blu navy, con stelle e galassie splendenti.
Infine, anche i dati sono importanti:
WASP-96 b: “Il James Webb Space Telescope ha individuato la firma inequivocabile dell’acqua, indicazioni di foschia e prove per le nuvole (una volta si pensava che non esistessero lì). Questo è lo spettro di esopianeti più dettagliato fino ad oggi! Uno spettro viene creato quando la luce viene suddivisa in un arcobaleno di colori. Quando Webb osserva la luce di una stella, filtrata attraverso l’atmosfera del suo pianeta, i suoi spettrografi dividono la luce in un arcobaleno infrarosso. Analizzando quella luce, gli scienziati possono cercare le firme caratteristiche di elementi o molecole specifici nello spettro. Situato nella costellazione del cielo meridionale della Fenice, WASP-96 b si trova a 1.150 anni luce di distanza. È un grande pianeta caldo con un’atmosfera “gonfia”, in orbita molto vicino alla sua stella simile al Sole. Infatti,
Molto contento che il pianeta WASP abbia acqua, anche se forse sarebbe stato più appropriato gin con un tocco di vermouth?
Suppongo che quando gli alieni che hanno finito per gestire il nostro mago della quarantena dal JWST, si fanno beffe: “Specchi! Che fascino antiquato! Ho soggiornato in un B&B su Betelgeuse IV che ne aveva uno.” Tuttavia, trovo rassicurante il successo del JWST come progetto di ingegneria; non abbiamo avuto debacle MCAS; nessuna truffa sui veicoli autonomi Uber; gli algoritmi sembrano puri. Da qualche parte, là fuori, c’è una piattaforma stabile che invia a casa immagini di sbalorditiva bellezza, non perché la bellezza sia stata cercata, ma perché è stata trovata.
Ovviamente, come nota finale, dovrei pensare alle pubbliche relazioni, che alla Nasa, nonostante il triste episodio dello Space Shuttle, una pessima idea mal eseguita, non sono sconosciute. Il New York Times , in modo scioccante, ha fatto dei resoconti effettivi su come sono state selezionate queste particolari fotografie, a partire dal 2016 (!):
Nel 2016, un comitato di rappresentanti dello Space Telescope Science Institute, della NASA e delle agenzie spaziali europee e canadesi si è riunito per iniziare a scegliere i primissimi bersagli dimostrativi di Webb. Hanno spuntato caselle che vibravano con gli obiettivi scientifici del telescopio: un campo più profondo che mai, galassie che pulsano nel vuoto come meduse, una stella con un esopianeta annesso, regioni di formazione stellare come la Nebulosa Carina e altro ancora. In definitiva, questo processo ha nominato circa 70 possibili obiettivi.
Una volta che il telescopio ha iniziato a funzionare questo inverno, hanno ridotto questo elenco alle regioni del cielo a cui potrebbe puntare entro il limite di tempo di sei settimane, più alcune tenute in riserva, per anticipare nei prossimi mesi come il telescopio scientifico gli inseguimenti si sono ingranati.
All’inizio di giugno, ad esempio, Klaus Pontoppidan, l’astronomo che guida questo team di rilascio anticipato, è stato il primo essere umano a scaricare la vista completa del “campo profondo” del nuovo telescopio. Questo lungo sguardo indagatore su galassie lontane sembra più indietro verso l’inizio del tempo e il confine dello spazio di quanto qualsiasi strumento dell’umanità sia mai riuscito. “Ero seduto lì, a fissarlo per due ore, e poi disperatamente, desideravo disperatamente condividerlo con qualcuno”, ha detto. “Ma non potevo.”
E poi, finalmente, finalmente, i primi risultati hanno iniziato a filtrare attraverso il collo di bottiglia del computer del dottor Pontoppidan all’inizio di giugno, essendo il suo unico account utente Webb a cui è stato concesso l’accesso in questa fase di osservazione silenziosa. Da lì, il team ha combinato digitalmente fotogrammi grezzi in esposizioni più profonde e levigate e poi li ha passati ai processori di immagini per la resa cromatica.
L’esplorazione dello spazio non riguarda mai solo lo spazio. Anche le storie contano. E sono spesso raccontati dalle immagini, che si tratti di una stampa above-the-fold, di un live streaming prodotto in modo intelligente o di uno speciale Netflix. Questa tradizione risale almeno agli anni ’60, quando nientemeno che James Webb, uno dei primi amministratori della NASA il cui nome avrebbe abbellito il nuovo telescopio, abbracciò l’arte e la comunicazione visiva come una parte fondamentale per giustificare il Programma Apollo.
“In realtà veniva dal Dipartimento di Stato, dove era molto esperto di campagne di ‘cuori e menti'”, ha detto Lois Rosson, storica della scienza presso l’Università della California meridionale. Mentre Webb era il suo funzionario di secondo grado, il Dipartimento di Stato ha intrapreso un’epurazione dei dipendenti gay, portando a richieste enfatiche alla NASA di rinominare il telescopio che sono rimaste inascoltate.
Quindi, mi hanno preso. Le fredde mani di un’operazione di pubbliche relazioni mi hanno preso (e per quanto ne so, lo stato era la copertura di Webb). D’altra parte, le immagini sono belle (così come l’ingegneria), coprendo la parte dei cuori. Vale la pena fare la scienza, coprendo la parte delle menti. Rembrandt era un uomo d’affari, dopotutto. Così era Shakespeare. Lincoln era un avvocato delle ferrovie. Ah bene, comunque….