Megaprogetti
JWST – Il telescopio spaziale James Webb
Guardare più a fondo nell’Universo
Alcuni megaprogetti coinvolgono infrastrutture gigantesche, come, per esempio, il cerchio di 27 km di diametro dell’acceleratore di particelle del CERN o l’esperimento di neutrini lungo 800 miglia di DUNE.
Altri possono essere qualificati come megaprogetti non per le loro dimensioni ma per la loro pura complessità, i costi e il modo in cui trasformano la nostra comprensione dell’Universo.
Un buon esempio è il James Webb Space Telescope (JWST). Questo telescopio spaziale che osserva nella luce infrarossa è il più potente e il più grande mai creato. Il telescopio prende il nome da James E. Webb, il leggendario amministratore della NASA dal 1961 al 1968 durante i programmi Mercury, Gemini e Apollo.
Fonte: NASA
Il JWST è così potente da poterci aiutare sia a osservare le prime stelle che si sono accese nell’Universo sia a trovare esopianeti potenzialmente abitabili. E per ottenere questi risultati, scienziati e ingegneri hanno compiuto meraviglie per spingere al limite ciò che i telescopi possono realizzare.
Perché mettere un telescopio nello spazio?
La prima cosa da capire sul James Webb Space Telescope è perché ha bisogno di essere nello spazio. Dopotutto, lanciare macchinari complessi nello spazio è molto più difficile che costruirli sulla Terra.
Uscendo dall’atmosfera, i telescopi possono osservare l’Universo senza essere disturbati dall’inquinamento luminoso, dalla turbolenza atmosferica e, naturalmente, dalle nuvole e dai fenomeni meteorologici.
Questo è il motivo per cui il relativamente piccolo telescopio Hubble ha avuto così buone prestazioni rispetto ai telescopi basati a terra. Ma ciò è ancora più importante per il JWST, poiché questo telescopio misura non la luce visibile, ma la luce infrarossa.
Il vapore acqueo nell’atmosfera terrestre assorbe le radiazioni infrarosse. I telescopi infrarossi basati a terra tendono a essere collocati su alte montagne e in climi molto secchi per migliorare la visibilità, ma ciò non è ancora ideale e crea un limite intrinseco a ciò che possono osservare.
Il JWST è il più recente e di gran lunga il più potente di una serie di telescopi infrarossi spaziali, succedendo all’Infrared Astronomical Satellite (IRAS), al Spitzer Space Telescope e al Wide-field Infrared Survey Explorer (WISE).
Il JWST è stato lanciato nel 2021 su un lanciatore francese Ariane 5, dalla Guyana francese. Un mese dopo, è arrivato a destinazione, il punto di Lagrange L2 Sole-Terra, a circa 1,5 milioni di chilometri (930.000 miglia) dalla Terra.
I punti di Lagrange sono posizioni nello spazio che rimangono costanti rispetto alla Terra, nonostante non siano in orbita terrestre. Attualmente, un altro punto di Lagrange (L1) è utilizzato da DSCOVR: Deep Space Climate Observatory.
Fonte: NOAA
La posizione del JWST gli consente di osservare quasi qualsiasi punto del cielo durante l’anno, purché non sia nella direzione della Terra e del Sole; il 39% del cielo è potenzialmente visibile a Webb in qualsiasi momento.
Perché utilizzare l’osservazione infrarossa?
Oggetti distanti
Per gli oggetti molto distanti nell’Universo, si verifica un fenomeno chiamato “redshift”, che sposta la loro luce verso l’infrarosso. Pertanto, qualsiasi osservazione della parte molto profonda (e quindi molto antica) dell’Universo deve essere effettuata nella porzione infrarossa dello spettro luminoso.
Fonte: SciTech Daily
A causa di questo fenomeno, Hubble poteva vedere solo fino a una certa distanza e indietro nel tempo fino alla formazione delle prime galassie. Guardando nell’infrarosso, il JWST può vedere così lontano nella storia dell’Universo quanto la formazione delle prime stelle.
Esopianeti
Le osservazioni infrarosse hanno un altro vantaggio, riguardo all’analisi degli esopianeti. Il JWST trasporterà un sistema chiamato coronografo: questo bloccherà la luce proveniente da una stella, permettendoci di vedere meglio gli oggetti meno luminosi in orbita, come piccoli esopianeti.
L’immagine di un esopianeta sarebbe solo un punto, non un grande panorama.
Fonte: NASA
Tuttavia, la luce di quel punto può essere analizzata mediante un metodo chiamato spettroscopia, che può rivelare la composizione dell’atmosfera di questi esopianeti. Alle lunghezze d’onda infrarosse, le molecole nelle atmosfere degli esopianeti presentano il maggior numero di caratteristiche spettrali, quindi otterremo molte più informazioni rispetto all’uso della luce visibile.
Attraverso questo metodo, potremmo non solo determinare se i pianeti di altri sistemi solari hanno acqua e CO2, ma anche metano, ammoniaca o molecole complesse potenzialmente indicative di vita aliena.
JWST confrontato con Hubble
Per quanto riguarda la sua capacità di osservazione, il JWST è principalmente focalizzato sulla luce vicino all’infrarosso, ma può anche vedere la luce visibile arancione e rossa, e la gamma del medio infrarosso, a seconda dello strumento utilizzato.
Può rilevare oggetti 100 volte meno luminosi di quanto Hubble potesse. E in molti casi, viene usato per guardare indietro a oggetti che Hubble ha rivelato in primo luogo per ottenere nuove intuizioni su di essi.
Tuttavia, la nitidezza dell’immagine sarà comparabile a quella di Hubble a causa del fatto che le immagini infrarosse sono intrinsecamente meno nitide rispetto alla luce visibile a causa delle lunghezze d’onda più lunghe.
Un’altra differenza tra i due telescopi iconici è che il JWST è in grado di vedere attraverso le nubi di gas, che bloccano la luce visibile ma non l’infrarosso. Quindi la versione del JWST della famosa immagine dei Pilastri della Creazione, nella Nebulosa Aquila, rivela molte stelle all’interno e intorno ai pilastri.
Fonte: Webb Telescope
Specifiche del JWST
Il JWST è dotato di uno specchio primario in berillio rivestito d’oro di 6,5 metri (21 piedi) composto da 18 specchi esagonali separati, che gli conferiscono il suo aspetto iconico.
Ognuno di questi specchi pesa 20 kg (44 libbre). Il rivestimento d’oro di 100 nanometri fornisce riflessione della luce infrarossa ed è coperto da vetro per renderlo sufficientemente resistente. Questo gli conferisce un’area di raccolta della luce 6 volte più grande di Hubble. In totale, sono stati usati solo 48,25 g di oro (1,7 once).
Fonte: NASA
Webb, al contrario di Hubble, non è progettato per essere servito dagli astronauti, a causa della sua grande distanza dalla Terra. Di conseguenza, tutti i sottocomponenti critici sono doppi, ad esempio due telecamere vicino all’infrarosso, o sono progettati per durare molti anni come gli specchi.
Si prevede che il JWST duri almeno 5 anni, con l’obiettivo di 10 anni di operazioni. Tuttavia, dispone di abbastanza propellente (per rimanere nel punto di Lagrange) per un totale di 20 anni, quindi potrebbe durare più a lungo se nessuna parte chiave dovesse guastarsi.
Budget del JWST
In totale, il James Webb Space Telescope è costato più di 11 miliardi di dollari, più di 10 volte la stima iniziale della NASA per questo progetto. Questa esplosione del prezzo ha minacciato la fattibilità del progetto negli anni 2010, a causa del budget (all’epoca) che è salito a “solo” 6,5 miliardi di dollari.
Un lancio inizialmente previsto per il 2014, in realtà 7 anni in ritardo, ha aggiunto alle critiche.
“La causa fondamentale del problema è che al momento dell’approvazione formale del programma, che risale a luglio 2008, il budget che la NASA ha ricevuto dall’ufficio del progetto era sostanzialmente difettoso,” ha detto ai giornalisti in una teleconferenza pomeridiana.
Il budget semplicemente non conteneva le informazioni di cui il progetto era a conoscenza in quel momento. E quindi, dal punto di vista finanziario, era semplicemente insufficiente per realizzare il lavoro.
John Casani, un project manager ampiamente rispettato presso il Jet Propulsion Laboratory della NASA
Poiché il progetto ha impiegato quasi due decenni per essere progettato e costruito, non ha mai superato il 3% del bilancio annuale della NASA. Tuttavia, ha consumato un terzo del budget della Divisione Astrofisica della NASA tra il 2003 e il 2021.
E ora che il JWST è uno dei programmi più impressionanti e di successo nella storia dell’astronomia, la maggior parte di questi dibattiti sta venendo dimenticata.
L’ingegneria straordinaria del JWST
Perdere un po’ di peso
Il primo problema da risolvere per i progettisti del JWST era che uno specchio così grande sarebbe stato troppo pesante. Se avessero riutilizzato il design di Hubble, sarebbe stato troppo pesante per essere lanciato nello spazio.
Ecco perché è stata scelta l’utilizzo del berillio, che è sia resistente che sufficientemente leggero. Un altro fattore era l’estrema temperatura dello spazio profondo, che poteva deformare la curvatura estremamente precisa richiesta per gli specchi.
Il berillio era anche una buona opzione qui, perché smette di cambiare forma quando è molto freddo. Così gli specchi sono stati fabbricati con un angolo “sbagliato”, che si piegherà esattamente nella forma finale desiderata quando esposto al freddo dello spazio (-233°C/-388°F).
Fonte: JWST
Ogni specchio sarebbe stato allineato a una precisione pari a 1/10.000 dello spessore di un capello umano.
Materiali ultra-leggeri come i compositi sono stati scelti anche per la struttura portante del telescopio, risparmiando ulteriore peso.
Fonte: NASA
Piegare
Un altro grande problema era che le dimensioni estreme dello specchio del telescopio richieste da questo design non sarebbero state compatibili con alcun razzo disponibile.
Così fin dall’inizio è stato deciso di srotolare la struttura componente per componente, inclusi il sunshield e gli specchi. Come piegare il tutto in modo efficiente e farlo srotolare in modo affidabile era ancora una preoccupazione.
Gli scienziati della NASA si sono ispirati all’origami, l’arte giapponese di piegare la carta, scegliendo infine un modello di origami esagonale.
Questa è stata una decisione ad alto rischio per il team di progettazione del James Webb, poiché una tale complessa apertura non era mai stata realizzata prima. Qualsiasi fallimento avrebbe condannato l’intero progetto.
Puoi vedere come l’apertura è avvenuta passo dopo passo in questo breve video del JWST:
Sunshield
Poiché il telescopio osserva i suoi obiettivi nell’infrarosso, proteggerlo dal calore del Sole era essenziale quanto avere gli specchi sufficientemente leggeri e correttamente srotolati.
Il sunshield del JWST mantiene la differenza tra il lato caldo e quello freddo del telescopio a quasi 315°C/600°F, grazie a un isolamento a 5 strati.
Il sunshield è grande quanto un campo da tennis ed è composto da strati di Kapton E (film di poliimmide) con rivestimenti in alluminio e silicio drogato per riflettere il calore del Sole nello spazio.
Fonte: NASA
Telecomunicazioni
Il JWST trasmette i suoi dati verso la Terra e riceve istruzioni tramite la Deep Space Network della NASA. Questa passa per stazioni a terra situate a Canberra, Madrid e Goldstone.
Webb può scaricare almeno 57,2 gigabyte di dati scientifici registrati ogni giorno, con una velocità massima di 28 megabit al secondo.
Fonte: Webb Telescope
Altri componenti
Il resto del telescopio non era meno high-tech e ad alte prestazioni. Si possono dare menzioni d’onore a alcuni componenti:
- Cryocooler: i sensori a medio infrarosso (MIRI) del JWST devono operare a -266,15°C/-447°F, più freddo persino delle profondità dello spazio. Quindi è stato aggiunto un sistema di raffreddamento extra per raffreddare lo strumento.
- Backplane: La spina dorsale del telescopio pesa 2,4 tonnellate (5.300 libbre) e fornisce la posizione assoluta immobile necessaria al telescopio per scattare immagini nitide. È stato progettato per essere stabile fino a 32 nanometri, cioè 1/10.000 del diametro di un capello umano.
- Micro-shutters: questa griglia di 248.000 minuscole porte può essere aperta e chiusa individualmente per trasmettere o bloccare la luce. Questo permette al JWST di osservare simultaneamente centinaia di oggetti individuali in un campo di stelle o galassie. Di conseguenza, il JWST può eseguire molte più osservazioni in un dato intervallo di tempo.
Risultati del JWST
In funzione da pochi anni, il JWST ha già cambiato completamente il modo in cui gli astronomi comprendono l’Universo. Quindi, sebbene sia quasi impossibile elencare tutto ciò che ha già fatto, alcune storie meritano ulteriori evidenziazioni.
Diffusione del carbonio appena formato
Il JWST ha identificato due stelle responsabili della generazione di polvere ricca di carbonio a soli 5.000 anni luce di distanza nella nostra stessa Via Lattea. Ha individuato “gusci” sferici concentrici formati dai venti solari in collisione delle due stelle, che diffondono il carbonio appena formato nella galassia.
Fonte: Webb Telescope
Ogni guscio si sta allontanando dalle stelle a più di 1.600 miglia al secondo (2.600 chilometri al secondo), quasi l’1% della velocità della luce. In questo sistema, l’osservatorio mostra che i gusci di polvere si stanno espandendo di un anno rispetto al successivo.
Le immagini a medio infrarosso del telescopio hanno rilevato gusci che sono persistiti per più di 130 anni. I gusci più vecchi si sono dissipati così tanto da essere ora troppo deboli per essere rilevati.
Jennifer Hoffman, coautrice e professoressa all’Università di Denver
Oggetti attivi ai confini del nostro Sistema Solare
Il JWST rileva l’espulsione di gas da “Centauro 29P/Schwassmann-Wachmann“, un oggetto simile a una cometa nelle vicinanze di Nettuno.
Hanno scoperto un nuovo getto di monossido di carbonio (CO) e getti precedentemente non visti di anidride carbonica (CO2), che forniscono nuovi indizi sulla natura del nucleo dell’oggetto stellare.
Fonte: Webb Telescope
Immagine di esopianeti vicini
Il JWST ha catturato un’immagine diretta di un esopianeta a soli 12 anni luce da noi, Epsilon Indi Ab. Il pianeta ha una massa diverse volte quella di Giove, orbitando attorno a una stella abbastanza simile al nostro Sole.
È uno degli esopianeti più freddi mai rilevati direttamente, con una temperatura media stimata di 2°C/35°F (per riferimento, la temperatura media della Terra è 15°C (59°F).
“Le pianeti freddi sono molto deboli, e la maggior parte della loro emissione è nel medio infrarosso.
È un po’ più caldo e più massiccio, ma è più simile a Giove rispetto a qualsiasi altro pianeta che è stato immaginato finora.
Elisabeth Matthews dell’Istituto Max Planck per l’Astronomia in Germania.
Molecole complesse nei pianeti in formazione
Nel frattempo, l’esopianeta K2-18 b potrebbe essere un esopianeta Hycean, cioè uno che ha il potenziale di possedere un’atmosfera ricca di idrogeno e una superficie coperta da un oceano d’acqua.
Gli esopianeti come K2-18 b, che hanno dimensioni intermedie tra quelle della Terra e di Nettuno, non hanno nulla di simile nel nostro sistema solare. I nostri risultati sottolineano l’importanza di considerare ambienti abitabili diversi nella ricerca di vita altrove.
Il JWST ha anche trovato diversi composti di carbonio, e persino dimetil-solfuro nell’atmosfera del pianeta.
Fonte: NASA
Il JWST ha scoperto per la prima volta al di fuori del nostro sistema solare etano (C2H6), così come etilene (C2H4), propino (C3H4) e il radicale metile CH3 attorno a una giovane stella.
Ha inoltre effettuato la prima rilevazione di elementi pesanti da una fusione stellare, risultando nel secondo lampo di raggi gamma più luminoso mai rilevato, o una kilonova. Gli scienziati del JWST hanno rilevato tellurio nei resti dell’esplosione.
Il buco nero più distante (antico) mai rilevato
In combinazione con il Chandra X-ray Observatory della NASA, il JWST ha rilevato un buco nero in crescita appena 470 milioni di anni dopo il Big Bang. Il JWST ha trovato la galassia, e Chandra il buco nero stesso.
Fonte: NASA
Pensiamo che questa sia la prima rilevazione di un ‘Buco Nero Oversize’ che si è formato direttamente dal collasso di una enorme nube di gas.
Per la prima volta, stiamo osservando una fase breve in cui un buco nero supermassiccio pesa circa quanto le stelle della sua galassia prima di decadere.
Priyamvada Natarajan dell’Università di Yale
Il futuro del JWST
Dopo aver trovato e analizzato gli esopianeti, il JWST si metterà alla ricerca di esolune. Sappiamo che questi corpi planetari, potenzialmente più grandi della Terra in alcuni casi, devono esistere, ma non abbiamo mai avuto uno strumento sufficientemente sensibile per rilevarli. Gli esopianeti giganti gassosi come Giove sono candidati principali.
Il JWST indagherà anche i buchi neri supermassicci e i quasar, buchi neri che emettono dai loro poli una quantità di materia pari a quella di una stella alla velocità della luce. Il telescopio si concentrerà sui campioni molto precoci di questi fenomeni stellari.
Infine, studiare le galassie così come le strutture su larga scala dell’Universo molto presto potrebbe fornire nuove intuizioni sulla natura della materia oscura e dell’energia oscura, che sembrano sfuggire agli scienziati da decenni.
Principale appaltatore privato del JWST
Northrop Grumman Aerospace Systems
(NOC )
Un progetto come il JWST è quasi sempre il risultato di una collaborazione internazionale, with, in this case, the participation of NASA, ESA, and the Canadian Space Agency.
Ha coinvolto anche molti appaltatori del settore privato, con il più importante che è la società aerospaziale e di difesa Northrop Grumman.
Northrop Grumman è più famosa per la creazione del iconico bombardiere strategico stealth B-2, ciascuno del costo di quasi un miliardo di dollari. Questo design di oltre 20 anni sarà sostituito dal B-21, ancora in fase di sviluppo.
L’azienda è anche all’avanguardia della tecnologia spaziale, come dimostra il suo lavoro sullo stato dell’arte James Webb Space Telescope. L’azienda ricava la maggior parte dei suoi ricavi da sistemi spaziali e aeronautici.
Fonte: Northrop
Un altro grande segmento è la divisione dei sistemi di missione, che copre una vasta gamma di sensori, software di cyberdifesa, comunicazioni sicure e C4ISR (Comando, Controllo, Comunicazioni, Computer, Intelligenza, Sorveglianza e Ricognizione).
È anche un produttore leader di munizioni, dal piccolo calibro ai proiettili guidati e al grande calibro.
Northrop Grumman guarda al futuro nella sua posizione di fornitore di armi avanzate, con lo sviluppo e l’impiego di sistemi d’arma autonomi:
- X-47B, un velivolo senza coda, delle dimensioni di un caccia da attacco, senza pilota.
- Il drone elicottero Fire Scout.
- Droni di sorveglianza Global Hawk e MQ-4C Triton.
- Droni marittimi Manta Ray e AQS-24B/C Minehunting System.
- Bat Unmanned Aircraft System (UAS), sistemi aerei senza pilota tattici, multi-missione, persistenti e a prezzi accessibili.
Fonte: Northrop
L’azienda è all’avanguardia nello sviluppo di armi a energia diretta (laser), guerra elettronica, sistemi anti-drone e missili balistici intercontinentali.
Dal punto di vista degli investimenti e finanziario, Northrop Grumman ha aumentato il suo dividendo del 12% CAGR dal 2014, riducendo al contempo il numero di azioni del 31%. Ciò ha portato a 2,6 miliardi di dollari in dividendi e riacquisti di azioni nel 2023, mentre l’azienda ha generato 2,1 miliardi di dollari di flusso di cassa libero.
Northrop Grumman ricava quasi esclusivamente i suoi ricavi dal bilancio della difesa statunitense, con la NASA che rappresenta il 3% dei ricavi e le vendite internazionali il 12%.
Fonte: Northrop
Dove aziende come RTX e Lockheed forniscono la maggior parte della potenza dell’US Air Force (caccia, missili, difesa aerea), Northrop Grumman fornisce la capacità più avanzata, dallo spazio al comando integrato e bombardieri stealth pesanti.
E forse presto una parte significativa dei droni avanzati, della guerra elettronica e delle armi energetiche.
Con l’importanza crescente dei droni e della guerra elettronica, Northrop sarà probabilmente sempre più centrale per le capacità offensive e difensive degli Stati Uniti. E i suoi nuovi bombardieri stealth saranno un fattore chiave per tenere il passo con avversari pari come Russia e Cina, con i quali le tensioni rimangono molto alte.
